“程序設計綜合實踐”六元融合實驗教學改革探索

林 菲，馬 虹，龔曉君

（杭州電子科技大學 計算機學院，浙江 杭州 310018）

1 “程序設計綜合實踐”教學中存在的問題

“程序設計綜合實踐”是計算機類專業的實踐必修課，通常與“程序設計基礎”前后銜接，配套授課，目標是在學生具備一定的語言基礎和編程能力后，運用所學知識，設計并實現一個相對復雜的綜合性項目，使學生能夠深刻理解計算機求解問題的全過程，培養學生的計算思維、分析問題和解決問題的能力，為后續專業課程的學習，打下堅實的基礎。然而，這門實踐課程的教學普遍存在一些問題。

1.1 課程目標未有效達成

“程序設計綜合實踐”重在培養學生的復雜工程問題的求解能力，包括分析和解決問題的能力、系統化的設計能力、使用現代工具的能力、溝通表達能力、團隊協作能力、創新能力、自主學習能力等。為達成這些課程目標，各學校做了很多有益的嘗試，取得了一定的成效，同時也暴露出一些問題。例如，很多學校在該實踐課程的教學中引入了以賽促學[1-2]的機制，但在實施過程中，往往容易模糊理論課課內實驗和課程設計綜合性實驗之間的差異，過度注重 ACM題目的訓練而忽視復雜系統綜合設計訓練，導致雖然通過課程教學，學生具備了一定的計算思維和問題求解能力，但課程目標的達成度卻不高，表現在：

（1）用ACM 題目替代綜合系統開發，很難使學生建立系統化、模塊化的設計思想。

（2）ACM 題目調用的外部資源有限，課程結束后，碰到需要控制硬件、獲取資源信息等問題，學生仍不知道該如何處理。

（3）使用現代工具進行程序調試能力得不到有效訓練，因為解決 ACM 題目的程序通常代碼量較小，語法錯誤和邏輯錯誤往往通過肉眼就可以檢查，因此忽略了系統調試能力的訓練。

（4）對于ACM 題目的求解，網上有許多討論解決方案的論壇甚至源碼，學生遇到困難時，可以很容易找到解決途徑，陷入定式思維，在一定程度上制約了學生創新能力的發展。

1.2 教學方式單一，資源少，學生學習困難

目前，大多數學校“程序設計綜合實踐”的教學方式是教師講解課程的任務要求和開發流程，然后學生自行完成項目開發，遇到問題尋求教師幫助和指導，最后教師進行系統驗收并評分。由于這是學生的第一門綜合性較強的實踐類課程，雖然教師做了簡要講解，但是絕大部分學生并未真正掌握開發方法和開發流程；同時，和理論課程相比，實踐類課程的教學資源相對缺乏。因此，學生接到任務后，往往不知道如何下手進行項目開發，造成了部分學生只能上網去找相似的代碼，或者抄襲同學代碼來應付[3]。另外，課程設計案例多數以管理信息系統為主，難以激發學生的學習興趣。

1.3 師資和學時不足，難以提供良好的實驗教學指導

雖然現階段普遍提倡小班化教學，但是由于師資與學生人數之間仍有較大缺口，因此真正的小班化教學還很難實現；同時，在課改的大背景下，幾乎所有課程的學時都被壓縮，因此教師在學生多、課時緊的情況下，很難詳細講解項目開發的全過程，且學生碰到實驗困難和錯誤時，無法得到及時指導和解答[4]。

1.4 學生未完成學習狀態轉化，沒有合理的學習規劃

這門課程面向大一學生在第1 學期開設，學生還沒有完成高中到大學學習狀態的調整和學習方法的轉換，自覺性和主動性尚需進一步提高，出現問題后，還不習慣于自己思考、尋求解決問題的方法[5]。并且大部分學生沒有做好大學期間的學習規劃，熱衷于參加各類形形色色、豐富多彩的社團活動，大部分課余時間都被社團活動占用，沒有很好地利用課余時間來學習，因此部分學生很難在驗收前保質保量完成項目開發[6]。

1.5 學生層次不一，難以進行分層教學和個性化培養

每個教學班的學生均來自全國各地，有的地區的學生，從小學開始就學習了計算機基礎課程甚至是程序設計類課程，而有的學生進入大學才開始接觸計算機。地區生源質量的差異，使得不同學生有不同層次的學習需求。而現階段的教學大綱、教學計劃、教學資源、教學模式和教學方法都按統一的要求和步調來培養學生，“好的學生吃不飽、差的學生吃不好”的現象仍然非常普遍。

1.6 實驗成績評價標準缺乏科學性和全面性

目前，實驗成績通常采用“平時成績+系統驗收+實驗報告”方式來進行評定。在總評成績中平時成績占比較小，基本由出勤率、上機表現構成，而上機表現的評價缺乏量化評價標準，往往比較主觀，使得對于實驗過程的考核形同虛設；在系統驗收和報告評閱時，由于時間限制，教師只能根據系統運行情況、報告格式及主要內容評分，很難對整個項目全面評價，如代碼編寫規范、代碼復用、代碼質量等，而驗收時的運行情況和好的實驗報告未必能完全與好的項目開發畫上等號[7]。

2 六元融合實驗教學改革的思路和方法

針對“程序設計綜合實踐”教學中存在的問題，我校計算機學院基于工程認證的理念，以“學生的能力產出”為導向，采用“項目引領—翻轉教學—個性培養—任務驅動—結對編程—過程考核”六元融合的方法來設計和實施“程序設計綜合實踐”教學。

2.1 圍繞課程目標重新規劃和設計課程教學內容

基于OBE 理念，根據該課程對畢業要求的支撐反向明確課程目標，并根據課程目標確定實踐教學內容、實踐教學方法、學生實踐學習考核評價方式和依據，然后按照工程認證標準修訂該實踐課程教學大綱。

2.2 基于復雜系統思維的雙項目引領教學

課程教學遵照學生的認知規律，借鑒語文教學中的“范文分析+作文”的方式來設計教學，以“教學項目+實踐項目”雙項目貫穿實踐教學全過程，在“學習知識—運用知識”的鴻溝上搭上跳板和階梯，使學生能夠輕松跨越，完成“博學—審問—慎思—明辨—篤行”（學以致用、用中創新）的蛻變。

2.2.1 教學項目設計

教師采用“自頂向下、逐步求精”的方法講解教學項目，學生采用“自底向上、逐步完善”的方式完成教學項目中的演練，建立實際問題到計算機程序開發的完整概念，如圖1 所示。

第一階段：學生熟悉解決實際問題的流程。在這一階段，教師根據教學需要選取典型項目作為教學案例，分步驟來完成教學。選取的教學項目應具有如下特點：

（1）教學案例應來源于生產或生活實際，如“趣味俄羅斯方塊”“貪吃蛇”“飛機大戰”“學生成績管理系統”等，對學生而言不陌生、有代入感，能激發學習興趣；

圖1 教學項目講解和演練過程

（2）教學案例的綜合性較強，基本涵蓋了“程序設計基礎”主要的知識點，如循環、分支、數組、函數、指針、結構體、鏈表和文件等；

（3）教學案例難度適中，必須通過深入分析才能解決，可拓展性好，同時通過適當引入一些新知識和技能，如外部資源的調用、程序的調試和測試等，使得不同層次的學生都能有所學、有所思、有所得。

具體教學按4 個步驟進行。

步驟 1：教師描述要解決的實際問題，介紹項目的背景、具體內容和要求，組織學生自主思考、討論問題的解決方案。

步驟 2：教師對項目進行深入分析、解讀，將項目任務逐級分解，最終劃分成若干功能相對獨立、實現難度小的子模塊，分析每一子模塊的業務流程，引導學生與步驟1 的解決方案做比較。

步驟3：分析每一個子模塊對應的知識點、算法，幫助學生構建解決問題的知識圖譜。

步驟 4：教學項目的編碼實現、調試和運行的完整過程，包括外部資源的調用、全局變量的規劃、各功能模塊對應函數的實現等，最后將所有功能模塊進行組合、運行、調試、測試、優化和改進，從而實現問題求解。

第二階段：學生完成思維模型搭建。經過第一階段的教學后，學生對教學項目已經有了整體概念，但是學生要完成整個項目的設計與實現，在“眼、耳→腦、手”之間還有一段距離。因此，第二階段將為學生提供所有子模塊程序段，學生回憶教師解決問題的思路和流程，按照問題求解的要求，對子模塊程序段進行排序、組合，拼接成可以運行的完整程序，完成思維模型的搭建。

第三階段：完成顆粒度編程。為了使學生能夠完全掌握解決問題的關鍵算法，在第三階段，給學生提供部分程序，要求學生按照任務要求和程序的上下文環境，在適當的地方完成小顆粒度編程，使整個程序變得完整，可以運行。對于編程過程中出現的問題，通過調試的方法解決。

第四階段：獨立完成教學項目。學生經過前3 階段的訓練，已經掌握了開發小型軟件解決問題的完整流程，并且具備了一定的程序設計能力。因此，在第四階段，要求學生獨立完成教學項目實現的全過程，檢驗學生是否已經達到了預期的學習效果。

每一階段都有相應的目標和能力要求，以任務驅動方式指導整個學習過程。學生可以多次重復上述一個到多個學習階段，直至完成每一階段的任務要求。教師關注學生的整個學習過程，必要時給予及時的指導。由于在教學過程中為學生設置了跨越一個個障礙的階梯，學生每登上一個階梯，就會獲得成就感，從而大大激發學習興趣。

2.2.2 實踐項目設計

通過深度挖掘日常工作生活案例和教師科研項目，設計若干實踐拓展項目。實踐拓展項目并非實踐教學項目的簡單翻版，在深度和廣度上都進行了延伸和擴展。實踐項目以任務書形式由課程組統一下發，在任務書里明確開發要求、設計方法和評分標準（細則）等，將創新性及難度等級要求作為評分項中的一個維度，鼓勵學生創新。選定實踐項目后，首先對問題進行層層分解，劃分功能模塊，分析業務流程，再分別對各功能模塊進行抽象，建立模型，確定解決問題的算法、編碼實現并進行調試，最終完成實踐項目的開發。

由于實踐項目與教學項目開發過程相似，學生通過實踐教學項目，已經掌握了項目開發流程，對理論課所學的知識進行了鞏固，具備了一定的分析問題和解決問題的能力。因此，學生拿到項目要求后，就可以快速形成解決思路，不會再像以往那樣茫然不知所措，提升了解決問題的信心和決心；同時項目難度又有所增加，學生通過查閱資料，對難點逐個擊破，并且在完成項目的過程中不斷對學習過程進行總結和反思，從而完成從掌握知識到應用知識、從被動學習到主動學習、從低階認知到高階認知的逐步提升，如圖2 所示。

圖2 雙項目驅動教學

2.2.3 構建基于MOOC 的實驗教學資源

為配合雙項目教學的順利實施，需要借助先進的信息技術建設數字化實驗教學資源。首先，構建教學案例庫和實踐項目庫，并在教學過程中不斷豐富和完善；其次，根據教學知識點的安排，有針對性地選擇2 個游戲類項目（基于DOS 環境的游戲項目和基于圖形化的游戲項目）和2 個信息系統類項目（基于文件管理的信息系統和基于數據庫的信息系統）；然后，按照MOOC 教學的特點，將這些教學項目拆解為知識點相對獨立的部分，如項目背景分析、功能模塊劃分、業務流程分析、游戲邏輯設計、功能模塊1—n 的實現等，錄制成教學短視頻，每個視頻控制在5～10 min；最后，選擇一個適合教學的MOOC 平臺上傳各類實驗教學資源，如教學短視頻、教學項目配套的程序段、任務書和實驗報告模板等，打造移動式的學習環境，為課內學習向課外學習延伸、線下學習向線上學習轉移奠定基礎。

2.2.4 采用翻轉課堂教學模式開展個性化實驗教學

開課前，通過MOOC 教學平臺發布調查問卷，充分了解學生的基礎、興趣和學習需求，作為制訂和實施教學方案的依據。以我校 2018 級計算機類學生為例，77.1%的學生在進入大學前完全沒有編程基礎，14.3%的學生對軟件開發不感興趣或興趣較小，97.1%的學生希望本課程提供教學視頻及相關線上教學材料。

針對學生的基礎、興趣和學習需求差異較大的情況，結合本課程實踐性較強的特點，基于MOOC 平臺上建好的實驗教學視頻，采用翻轉課堂教學模式開展個性化實驗教學[8]。教師在網絡教學平臺上提前一周發布教學任務。學生根據自身基礎和學習興趣，自主規劃學習時間和在線學習路徑。基礎好的學生，可以選擇較難的案例學習；基礎相對薄弱的學生，則可以從簡單案例開始，逐步提升難度，從而通過多個教學案例的學習不斷鞏固和提升，也可以選擇一個案例進行反復學習，直到掌握。

課堂上主要進行線上學習效果的檢測、討論以及項目開發。對于檢測中普遍存在的問題集中講解，對于少數學生出現的問題則進行個別指導。在討論時，鼓勵學生各抒己見，引導學生進行深入探討。在實踐項目開發階段，除了可以選擇教師提供的項目庫外，也允許學生根據自己的基礎和興趣，自主選擇其他有一定創新性的項目。教師在整個過程中把控每個項目的開發進度、提供必要的個性化指導，不做過多干預。

通過這樣的方式，改變以往“齊步走”“一刀切”的同步教學模式，使每個學生都能體會進步的感覺，從而不斷培養學生的自信心，使其熱愛程序開發，體會編程之美。

2.2.5 采用結對編程的敏捷軟件開發方法

“程序設計綜合實踐”重點在于通過綜合實踐類項目鞏固程序設計的知識，培養學生學以致用的能力。考慮到實踐項目的復雜性和學生能力的差異性，使用結對編程模式要求學生完成教學項目的學習和實踐項目的開發。結對學習的本質是一種協作學習方式，通過小組的形式組織學生開展學習活動[9]。國內外許多學校都進行了相應的實驗研究和實踐[10-12]。

在課程教學開始時，學生在教師指導下進行分組，每個小組2 人，共同完成課程學習和項目開發。在學習過程中，每個小組需要制定共同的目標、遵循相同的編程規范、保持與團隊成員相同的進度。遇到困難時，相互鼓勵、相互討論，共同尋求問題的解決方案，互相配合發現軟件中存在的缺陷，增強軟件開發的信心。實踐表明，在本課程中采用結對編程后，一方面學生克服學習困難，信心大大增強，團隊協作能力及溝通交流能力得到很好的訓練，項目的完成率和完成質量大大提升；另一方面，也減輕了教師實驗指導的負擔，教師有更多的時間和精力，去進行個性化指導。

2.2.6 多元化的考核評價方法

依據本課程所需達成的課程目標，采用學習過程評價與目標評價相結合的方法，注重評價的多元性，考核方案的主要內容和權重見表1。

（1）在線學習，占 6%。在線教學平臺記錄了學生一個完整的課程學習過程，成績的評定要以課前在線學習情況、在線答題情況、參與討論的次數、討論區發帖的數量和質量等環節作為學習態度和學習主動性的評定依據。基于MOOC 平臺導出的學習數據，依據計算模型自動產生該項分值。設立該分數的目的是督促學生課前完成在線學習，這是本課程能成功進行翻轉或者混合式教學的前提。

表1 課程評價權重和標準

（2）中期檢查，占18%。根據學生的選題及方案討論、是否完成流程設計（流程圖）、數據結構定義、函數接口設計、主函數編碼等綜合評定，目的是檢查學生完成進度，幫助學生進一步對項目進行梳理，確保實踐項目能夠按時保質、保量完成。

（3）團隊協作，占 6%。以項目組為單位，強調學生的團隊協作能力，注重學生的學習參與性、團體合作性、實踐性，培養學生的表達能力、思維能力、團體合作能力。每個小組需要在教師的引導下獨立完成一個游戲或者管理信息系統的開發。教師將按照每個小組中表現最差的學生給小組打分，再由組長按照每人工作量的大小分配，避免學生懈怠，促進學生互幫互助，共同進步。

（4）代碼規范性，占 5%。良好的編碼習慣將有助于程序的開發、后期的維護以及團隊之間的協作。在本課程中，對學生編寫的代碼提出了詳細的規范性要求，通過對學生編寫代碼規范性進行評價，督促每一位學生養成規范編碼的好習慣。

（5）基本功能，占20%。要求學生按照題目要求和模塊化設計的理念，對實踐項目中的實際問題進行深入分析，在此基礎上進行合理的模塊分解，分解出來的模塊功能相對獨立、粒度合適，有助于降低整個項目的開發和調試難度，也有利于后期的升級維護。通過對系統的總體功能和每個模塊的功能進行檢查，評估項目的完成度、學生對問題的分析能力、對模塊化設計理念的掌握和應用所學程序設計知識來解決實際問題的能力。

（6）創新性及難度，占10%。根據選擇的項目難度區分這一項的評分。鼓勵學生在完成項目的過程中深入思考、認真鉆研，引導學生不斷挑戰自我，勇于創新。

（7）驗收情況，占15%。項目驗收時，安排表達力強的學生陳述項目的設計過程，各項目小組成員陳述自己在開發過程中所完成的工作及收獲，教師將根據不同學生的陳述進行提問，并由學生回答。根據學生的回答及項目實現情況給予相應的成績這種方式，可進一步培養學生的團隊精神，防止學生照搬照抄網絡資源或其他學生作品。

（8）文檔內容，占15%。項目要求最后上交軟件和項目設計文檔。學生通過撰寫設計文檔，對自己在項目實踐過程中所做的工作進行整理、歸納，可以進一步加深對實踐項目的認識。根據學生上交的設計文檔內容進行評價，能夠更全面了解學生項目的完成情況和質量，使評價更全面、合理。

（9）文檔規范性，占 5%。設置此評分環節主要為了引導學生學會規范書寫文檔，包括文檔的格式等。

對于每一評分項，制定若干評分細則和量化標準，確保對學生的評價全面、規范和科學。

3 改革實施和效果分析

六元融合實驗教學方案分別在我校計算機學院2017 級和2018 級計算機類的2 個教學班進行了改革試點，并取得了良好的效果。

3.1 綜合成績對比分析

2016 級、2017 級和2018 級4 個教學班學生“程序設計綜合實踐”綜合成績統計見表2。

由表2 可見，課程優秀率分別為15.28%、20%、24%，優良率分別為61.1%、68.6%、76%，改革后較改革前有較大提升。

3.2 理論課程卷面成績分析

“程序設計基礎”和“程序設計綜合實踐”是配套課程，串行上課，也就是上完“程序設計基礎”后，同一學期接著上“程序設計綜合實踐”。“程序設計基礎”是通過閉卷考試方式進行，放在學期結束停課后考試。因此，“程序設計綜合實踐”的學習效果能幫助

學生鞏固“程序設計基礎”課程中所學知識。2016 級、2017 級和2018 級4 個教學班學生“程序設計基礎”期末考試卷面成績統計見表3。

表2 2016 級—2018 級4 個班級學生“程序設計綜合實踐”綜合成績統計表

表3 2016 級—2018 級4 個班級學生“程序設計基礎”期末考試卷面成績統計表

由表3 可見，“程序設計基礎”期末考試卷面優秀率分別為1.54%、13.16%、23.38%，逐年提升，且提升幅度較大；優良率分別為18.46%、52.63%、51.95%。2017 級和2018 級的期末考試卷面成績優良率遠高于2016 級，另外不及格率也大幅下降。

3.3 調查問卷分析

課程結束后發放了調查問卷，對課程的教學模式、課程資源、評價方式和教學效果等進行了匿名調查。

（1）教學模式。97.1%的學生對課程采用的翻轉教學模式表示認可，認為翻轉教學模式符合實踐類課程的教學特點，可以邊看視頻、邊操作，有利于由淺入深、循序漸進地掌握教學內容，調動了學習的積極性；94.3%的學生認為這種方式有利于自主安排學習時間和學習進度，滿足個性化的學習需求，有利于拓展教學時空，增加課程承載的知識量。

（2）課程資源。94.3%的學生認為本課程的教學資源豐富，能滿足學習需求；100%的學生覺得本課程的教學視頻較為完整、講解清楚、有詳細的操作步驟演示，有助于掌握該課程的主要內容；82.9%的學生對教學案例的種類、數量非常滿意。在“本課程的教學案例最應該改進的方面”的問題上，34.3%的學生認為案例應進一步面向問題和需求及更加有趣和實用；31.4%的學生希望教師能設計更多難度和規模各異的案例，滿足個性化學習需求；17.1%的學生認為教學案例應更具有開放性，利于知識點發散。此外，學生希望增加更多函數庫和API 的介紹和使用，以及提供配套的紙質教材。這些問卷結果對課程資源的后續改進具有較好的參考價值。

（3）評價方式。97.1%的學生認可課程的多元化評價方式。

（4）教學效果。94.3%的學生認為通過課程學習，達到了學習目標；97.1%的學生覺得課程提高了自己對軟件開發的興趣；94.3%的學生認為初步掌握了軟件開發的基本流程和方法；100%的學生覺得該課程提高了自己程序設計的能力，培養了分析和解決實際問題的能力；97.1%的學生認為本課程有助于“程序設計基礎”的知識融會貫通，能將知識應用到實際軟件開發中，有助于提高“程序設計基礎”的成績；77.1%的學生認為溝通交流能力大大提升；62.9%的學生認為課程培養了自主學習的能力；57.1%的學生認為課程培養了規范文檔撰寫能力；37.1%的學生認為培養了創新意識。

（5）課程總體評價。71.4%的學生對該課程的總體評價是非常好，28.6%的學生認為良好。

以上多方面的數據表明，本課程的改革成效顯著，學生認可度高。

4 結語

以程序設計的綜合實踐能力培養為目標，在“程序設計綜合實踐”課程中實施六元融合實驗教學改革。2 輪實施效果證明，該方法能有效解決教學中普遍存在的學時不足、教學方式單一、實驗在線教學資源少、學生層次差異和個性化輔導等問題，充分調動了學生的學習積極性，挖掘了學生的潛能，極大地提高了學生的綜合實踐能力，有效達成課程目標，為后續專業課程的學習夯實了基礎。