基于計(jì)算思維的程序設(shè)計(jì)課程案例驅(qū)動(dòng)教學(xué)改革與實(shí)踐

田 露，徐 湛，職如昕

（北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100101）

0 前言

教育部于2020年5月印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》（以下簡稱《綱要》），《綱要》指出，不同學(xué)科的性質(zhì)特點(diǎn)不同，思政元素也有所側(cè)重。《綱要》中明確指出，“理學(xué)、工學(xué)類專業(yè)課程要提高學(xué)生正確認(rèn)識問題、分析問題和解決問題的能力……注重科學(xué)思維方法的訓(xùn)練……培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)。”

程序設(shè)計(jì)類課程作為通信工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程，應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，順應(yīng)《綱要》文件精神要求，深入推進(jìn)程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)改革，結(jié)合程序設(shè)計(jì)類課程特色和育人目標(biāo)，深度挖掘和提煉程序設(shè)計(jì)類知識體系中所蘊(yùn)含的思想價(jià)值和精神內(nèi)涵，從科學(xué)思維、科技報(bào)國、工匠精神等多角度，授課、試驗(yàn)等多形式的將思想政治教育貫穿至通信專業(yè)人才培養(yǎng)過程中。

1 現(xiàn)狀

程序設(shè)計(jì)編程語言一般由字母、數(shù)字、標(biāo)點(diǎn)等組成，對語言的邏輯性和規(guī)范性要求較高，且編程語言本身具有一定的枯燥性，導(dǎo)致學(xué)生對學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)類課程存在畏難情緒。當(dāng)前大多數(shù)授課老師仍采用“重語法、輕思維”的傳統(tǒng)教學(xué)方法，單純的按照教材中的知識點(diǎn)去授課，使得學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性下降、效率降低，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)生上課睡覺或玩手機(jī)，下課作業(yè)不會做。傳統(tǒng)的授課方法不重視培養(yǎng)學(xué)生理解問題、解決問題的求解性思維，使得大多數(shù)學(xué)生在面對實(shí)際問題時(shí)候束手無策，一定程度上限制學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。此外，目前程序設(shè)計(jì)課程考核偏重于語法的規(guī)范性和準(zhǔn)確性，未將學(xué)生分析、解決問題的能力納入考核范圍之內(nèi)，直接導(dǎo)致學(xué)生對知識點(diǎn)死記硬背，而忽視科學(xué)思維能力培養(yǎng)。在傳統(tǒng)授課模式下學(xué)生專業(yè)課程學(xué)習(xí)效果不佳，思想政治教育也未很好的滲透融合，未能形成正向協(xié)同效應(yīng)，未能落實(shí)落細(xì)課程思政建設(shè)“立德樹人”的根本任務(wù)各項(xiàng)要求。

在筆者《信息類程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程目標(biāo)達(dá)成的調(diào)查問卷中，針對“能用應(yīng)用計(jì)算思維方法進(jìn)行分析和解決實(shí)際問題”這一項(xiàng)，達(dá)成情況為68.3%，遠(yuǎn)低于其他課程目標(biāo)。因此為提高學(xué)生正確認(rèn)識、分析和解決問題的能力，有必要對程序設(shè)計(jì)類課程進(jìn)行教學(xué)改革，在教學(xué)過程中融入價(jià)值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)等方面內(nèi)容，不斷提高通信專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

2 計(jì)算思維

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系周以真教授于2006年3月正式提出了“計(jì)算思維”的概念，指的是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[2]。為便于理解，周以真又進(jìn)一步定義為是利用啟發(fā)式推理需求解答，也即在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度的思維方法[3]。

近年來國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對計(jì)算思維進(jìn)行研究探討，并應(yīng)用至教學(xué)領(lǐng)域，2013年教育部高等學(xué)校大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會發(fā)布《計(jì)算思維教學(xué)改革白皮書（征求意見稿）》[4]，周平紅等人將計(jì)算思維的概念與實(shí)踐融入STEM工程設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，能顯著提升學(xué)生的STEM態(tài)度和計(jì)算思維能力，并且STEM態(tài)度對計(jì)算思維具有預(yù)測作用[5]。宋穎認(rèn)為在計(jì)算思維視域下計(jì)算機(jī)信息技術(shù)教學(xué)改革的路徑包括突出學(xué)生的主體地位，高效融合相關(guān)專業(yè)和內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)速度，精準(zhǔn)定位教學(xué)應(yīng)用[6]。姚珺認(rèn)為加強(qiáng)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)是提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生能力的重要手段，可明顯提高學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)知識分析、解決問題的能力[7]。由此可見計(jì)算思維的核心思想和方法嵌入到課程設(shè)計(jì)類課程教學(xué)實(shí)踐將明顯改變當(dāng)前現(xiàn)狀。

3 基于計(jì)算思維模式下案例驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法

案例驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在程序設(shè)計(jì)課程中得到了廣泛應(yīng)用，通過設(shè)計(jì)案例、分析案例、引導(dǎo)學(xué)生圍繞案例解決工程實(shí)踐過程中遇到的問題，達(dá)到提高學(xué)生參與學(xué)習(xí)活動(dòng)積極性和主動(dòng)性的目的。為更好發(fā)揮課程的育人作用，提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量，提出基于計(jì)算思維模式下的案例驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法，通過體系化的方法設(shè)計(jì)案例，層次化的試驗(yàn)難度設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)化的能力評估體系，實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維訓(xùn)練，并將價(jià)值塑造、知識傳授、能力培養(yǎng)等目標(biāo)貫穿程序設(shè)計(jì)教學(xué)全過程。

3.1 開展體系化的北斗系統(tǒng)教學(xué)案例設(shè)計(jì)

以體系化的案例為載體，引導(dǎo)學(xué)生思考解決問題的方法，激發(fā)學(xué)生的思考，啟發(fā)學(xué)生的思維風(fēng)暴，讓課堂教學(xué)目的更加明確，重點(diǎn)突出。針對北斗短報(bào)文通信的實(shí)際需求，結(jié)合各教學(xué)章節(jié)核心內(nèi)容，設(shè)計(jì)教學(xué)引例，形成前后聯(lián)系緊密的理論教學(xué)，如圖1所示。在課程初期即建立學(xué)生頂層化、體系化思維，將北斗短報(bào)文通信的核心環(huán)節(jié)拆分為不同章節(jié)教學(xué)案例的主體內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生遞歸的逆向思維。通過“引例提出問題-學(xué)生思維引導(dǎo)-理論知識學(xué)習(xí)-實(shí)驗(yàn)實(shí)踐應(yīng)用-課后延伸拓展”的方式，引導(dǎo)學(xué)生采用計(jì)算機(jī)科學(xué)視角考慮解決問題，并形成抽象化、形式化、構(gòu)造化、自動(dòng)化的計(jì)算思維。

圖1 教學(xué)案例設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目開發(fā)的北斗短報(bào)文通信教學(xué)案例屬于綜合的教學(xué)案例，通過模塊化學(xué)習(xí)，最終合理地組成更大的程序，實(shí)現(xiàn)體系化教學(xué)。在程序語言語法規(guī)則部分，將各類知識點(diǎn)融入精心組織的項(xiàng)目案例中，在案例中學(xué)習(xí)掌握各類知識點(diǎn)，一定程度上避免了學(xué)生因程序設(shè)計(jì)語言枯燥、煩瑣而產(chǎn)生的厭倦情緒，增強(qiáng)學(xué)生的文化認(rèn)同感，提高學(xué)習(xí)的積極性與興趣性，鍛煉了學(xué)生計(jì)算思維能力，使其可以愿意學(xué)、主動(dòng)學(xué)、快樂學(xué)、有效學(xué)。

3.2 優(yōu)化難度分級遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在體系化的教學(xué)案例基礎(chǔ)上，面向北斗系統(tǒng)工程實(shí)踐需求，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在理論教學(xué)的綜合案例基礎(chǔ)之上，還融合了通信專業(yè)知識、工程實(shí)際應(yīng)用，豐富完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步加深學(xué)生對知識的理解和應(yīng)用能力。

另外一方面考慮學(xué)生學(xué)習(xí)能力的差異性，另一方面考慮培養(yǎng)學(xué)生精益求精的鉆研精神，有必要優(yōu)化實(shí)驗(yàn)難度要求，以計(jì)算思維核心方法為指導(dǎo)，建立了入門、提高、精通分級遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)難度要求體系，進(jìn)而分層次教學(xué)，如表1所示（P195）。

表1 難度分級遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

入門為實(shí)驗(yàn)難度的最低要求，對學(xué)生能力要求不高，學(xué)生可以使用已經(jīng)掌握的程序設(shè)計(jì)規(guī)則解決工程實(shí)踐中遇到的簡單問題即可。提高為實(shí)驗(yàn)難度要求的第二層次，要求學(xué)生在掌握基本計(jì)算思維方法、基本策略或算法的基礎(chǔ)之上進(jìn)行變通，進(jìn)而解決類似問題。實(shí)驗(yàn)難度的最高層次為精通，擬培養(yǎng)學(xué)生解決綜合問題的能力，學(xué)生可以對一些綜合性或復(fù)雜性較高的問題進(jìn)行分析與思考，將所學(xué)到的知識融會貫通，采用正確的方法解決問題。

學(xué)生通過三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練后，可輸出一套完整的北斗短報(bào)文通信的收發(fā)程序，以層層遞進(jìn)的難度培養(yǎng)了學(xué)生精益求精的大國工匠精神，實(shí)現(xiàn)“科—產(chǎn)—教”融合，將科技、產(chǎn)業(yè)和教育在課堂內(nèi)外串珠成鏈。

3.3 構(gòu)建計(jì)算思維培養(yǎng)導(dǎo)向的綜合評價(jià)體系

傳統(tǒng)的考核評價(jià)體系一般以結(jié)果為導(dǎo)向，認(rèn)為程序設(shè)計(jì)結(jié)果滿足功能要求即達(dá)到考核要求，而并未關(guān)注其設(shè)計(jì)過程，學(xué)生思維能力鍛煉程度未能在評價(jià)結(jié)果中體現(xiàn)，因此需把學(xué)生計(jì)算思維能力考核納入評價(jià)體系中。計(jì)算思維的特征主要包括構(gòu)造性和簡潔性兩方面，因此在程序設(shè)計(jì)類課程考核評價(jià)體系中要充分考慮構(gòu)造性和簡潔性，建立以計(jì)算思維為導(dǎo)向的考核測評框架，即通過平時(shí)題目測試和實(shí)驗(yàn)作品分析的方式進(jìn)行思維考核。

在此基礎(chǔ)上構(gòu)建以計(jì)算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向的綜合評價(jià)體系，其中一級指標(biāo)包括準(zhǔn)確性、構(gòu)造性、簡潔性。一級指標(biāo)又可進(jìn)一步細(xì)化。

3.3.1 準(zhǔn)確性

平時(shí)題目測試準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性。

3.3.2 構(gòu)造性

方法形式化：采用約定的格式、文字或語法等形式化的方法準(zhǔn)確、無歧義的表達(dá)所要實(shí)現(xiàn)的功能。

過程關(guān)聯(lián)化：每個(gè)計(jì)算過程都是有機(jī)相關(guān)的，不同操作過程實(shí)現(xiàn)不同的功能。

3.3.3 簡潔性

基本操作簡單化：將復(fù)雜操作簡化為簡單操作，這樣可以快速完成復(fù)雜的功能。

表達(dá)方式簡潔化：程序設(shè)計(jì)要使用邏輯結(jié)構(gòu)，簡潔明了，使得表達(dá)方式容易理解和修改。

在此基礎(chǔ)上建立“計(jì)算思維培養(yǎng)導(dǎo)向的程序設(shè)計(jì)綜合評價(jià)體系”，并且引入量化考核，分別給予各級指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，并制定評分標(biāo)準(zhǔn)，以便系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)評價(jià)自動(dòng)化、科學(xué)化、系統(tǒng)化等目標(biāo)，通過多維度的考核評價(jià)，正確了解學(xué)生計(jì)算思維鍛煉水平，進(jìn)而更好的有針對性地開展教學(xué)工作。

4 結(jié)語

程序設(shè)計(jì)課程案例驅(qū)動(dòng)教學(xué)改革實(shí)施，將計(jì)算思維訓(xùn)練作為程序設(shè)計(jì)類課程的重點(diǎn)目標(biāo)，體系化設(shè)計(jì)教學(xué)案例和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，建立思維培養(yǎng)導(dǎo)向的綜合考核方式，引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識問題、分析問題和解決問題，培養(yǎng)有思想、有情懷、創(chuàng)新能力強(qiáng)的“新工科”人才。培養(yǎng)學(xué)生掌握編程語言、編程工具等方面的基本理論和方法的同時(shí)，兼具豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及創(chuàng)新能力，能夠綜合運(yùn)用所學(xué)軟件知識解決實(shí)際工程問題，促進(jìn)“科—產(chǎn)—教”融合。