“新工科”背景下電子信息類人才程序設(shè)計能力培養(yǎng)的思考

林偉銘 袁江南

廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院 福建廈門 361024

一、概述

電子信息技術(shù)是信息時代的重要產(chǎn)物，是科技和經(jīng)濟(jì)的主要推動力。在人工智能等技術(shù)引導(dǎo)下的新一輪科技革命必然影響到電子信息技術(shù)的發(fā)展，兩者相互融合、互相促進(jìn)[1]。在此背景下，電子信息類人才的培養(yǎng)迎來了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，那么高校電子信息類專業(yè)的教與學(xué)如何變革才能真正培養(yǎng)出適應(yīng)產(chǎn)業(yè)需要的新型電子信息技術(shù)人才則是我們要思考和解決的重大問題[2]。其中在電子信息技術(shù)與人工智能技術(shù)交叉融合的情況下，程序設(shè)計能力是創(chuàng)新應(yīng)用型人才的一項重要能力，因此有效提升學(xué)生的程序設(shè)計和創(chuàng)新能力就顯得尤為重要[3]。在新工科建設(shè)的理念下，以培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維、解決問題能力和自學(xué)能力的新一代電子信息類新工科人才為目標(biāo)，本文將對學(xué)生編程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)方法變革進(jìn)行思考與探討。

二、教學(xué)現(xiàn)狀分析

(一)現(xiàn)有課程體系

程序設(shè)計能力是應(yīng)用型本科電子信息類學(xué)生的重要基礎(chǔ)能力。而在新一輪智能技術(shù)革命的影響下，編程創(chuàng)新能力的重要性顯得更加突出。目前電子信息類專業(yè)的程序設(shè)計能力培養(yǎng)課程從層次上主要可以分為三類：

(1)編程基礎(chǔ)類，讓學(xué)生掌握相應(yīng)編程語言的語法和程序編寫，如C語言程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、C語言程序設(shè)計專題實驗等。

(2)應(yīng)用類，讓學(xué)生掌握編程在某一領(lǐng)域上的應(yīng)用，如單片機(jī)原理與應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字圖像處理和計算機(jī)視覺等。

(3)綜合類，讓學(xué)生綜合使用各項能力解決問題，例如專業(yè)綜合實踐類課程和畢業(yè)設(shè)計，如圖1所示。

圖1 電子信息類專業(yè)程序設(shè)計能力培養(yǎng)課程體系

從該課程體系結(jié)構(gòu)可以看出，編程基礎(chǔ)類課程是整個課程體系中的關(guān)鍵基礎(chǔ)，對學(xué)生應(yīng)用程序設(shè)計能力解決實際問題尤為重要。

(二)存在問題分析

編程基礎(chǔ)課程對學(xué)生應(yīng)用編程解決實際工程問題尤為重要。如果編程基礎(chǔ)課程的教學(xué)方法單一[4]，缺乏對學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，就不利于在新工科人才的培養(yǎng)，主要有以下幾個方面。

1.教學(xué)手段不夠豐富

編程知識概念抽象，語法繁多。而首次接觸的編程語言的大一新生，思維方式和學(xué)習(xí)方式尚未轉(zhuǎn)變。如果編程基礎(chǔ)類課程過多講授語法知識，缺少豐富的教學(xué)手段，大部分學(xué)生面對編程課程可能會產(chǎn)生畏難情緒和厭學(xué)。因而無法達(dá)到課程學(xué)習(xí)目標(biāo)，與工程教育的思想相背離。

2.缺少課程間的關(guān)聯(lián)性

電子信息類專業(yè)學(xué)習(xí)編程的目的是將程序應(yīng)用于電子系統(tǒng)設(shè)計或數(shù)據(jù)/信息處理中，是為后續(xù)專業(yè)課程打好編程基礎(chǔ)。例如，單片機(jī)原理與應(yīng)用課程需要將編程知識與硬件相結(jié)合，而數(shù)字圖像處理中常使用二維數(shù)組保存和處理圖像。但在編程基礎(chǔ)課的講授過程中，位運算和二維數(shù)組等方面的相關(guān)知識卻較容易被忽視。

3.缺乏解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)

課程的教學(xué)過程中通常會設(shè)置傳統(tǒng)經(jīng)典問題，但通常這些經(jīng)典問題缺乏實際應(yīng)用場景，較難提起學(xué)生的興趣，也不能培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力。學(xué)生可能學(xué)會了經(jīng)典算法，卻無法靈活應(yīng)用算法去解決實際工程問題。

4.過程考核手段欠缺

期末考試或期末大作業(yè)通常被作為主要考核手段，但期末考核為主的方式容易導(dǎo)致學(xué)生期末突擊學(xué)習(xí)。程序設(shè)計能力的培養(yǎng)需要通過平時不斷的編程實踐，日積月累的經(jīng)驗才能讓編程能力逐步提升，缺少過程考核就無法督促學(xué)生的平時學(xué)習(xí)。

三、教學(xué)改革措施

目前程序設(shè)計類課程傳統(tǒng)教學(xué)方式存在的問題為電子類新工科人才培養(yǎng)帶來重重困難。為了應(yīng)對新技術(shù)革命的浪潮，需要對現(xiàn)有的程序設(shè)計基礎(chǔ)課程進(jìn)行改革，在新工科教育理念下建設(shè)能夠培養(yǎng)有創(chuàng)新思維、能解決實際工程問題人才的程序設(shè)計課程體系。針對上述問題，主要的改革措施有以下幾點。

(一)建設(shè)編程基礎(chǔ)知識微課視頻庫，線上線下學(xué)習(xí)

首先從教學(xué)方式上進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合線上線下的學(xué)習(xí)方式，提高編程知識的學(xué)習(xí)效率。通過建立一套微課視頻庫，采用短視頻的形式演示編程基礎(chǔ)知識，用于學(xué)生課后學(xué)習(xí)，將編程知識以可視化的形式進(jìn)行演示和講解，讓學(xué)生更容易掌握編程思想和技巧。不同于傳統(tǒng)線上課程的視頻里會涉及較多內(nèi)容，微課視頻時間短，每個視頻只涉及一個編程知識點，學(xué)生容易消化吸收[5]。該視頻庫可以輔助C語言程序設(shè)計課程的教學(xué)，也可以用于后續(xù)專業(yè)課程復(fù)習(xí)編程知識，并通過課程分析學(xué)生能力的薄弱環(huán)節(jié)，在視頻庫中補(bǔ)充和豐富相應(yīng)的知識點講解，從而實現(xiàn)反饋閉環(huán)，持續(xù)提高教學(xué)質(zhì)量。通過線上線下學(xué)習(xí)的方式提高學(xué)習(xí)效率，為教學(xué)過程中進(jìn)行解決復(fù)雜工程問題的訓(xùn)練提供了前提。

(二)以問題為導(dǎo)向引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，提升學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力

上述微課資源庫可以輔助相關(guān)課程的教學(xué)，提高基本編程知識的教學(xué)效率，因此在課程中可增加學(xué)時用于訓(xùn)練學(xué)生解決問題的能力。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，設(shè)置的經(jīng)典問題通常過于簡單，缺乏應(yīng)用背景，學(xué)生只需要模仿例子代碼就可以解決，無法激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。具有解決工程問題的能力和創(chuàng)新思維是新工科人才的一個主要特點，在程序設(shè)計類課程當(dāng)中設(shè)置適合本科生探索實踐的工程問題，才能鼓勵學(xué)生思考多種途徑解決問題，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維[6]。

問題設(shè)置要具有復(fù)雜工程的應(yīng)用場景。問題可以是多個獨立的工程問題，也可以是以一個完整項目的形式分解成多個問題。問題的內(nèi)容可以引入電子競賽和創(chuàng)新項目的課題，也可以是新技術(shù)的應(yīng)用背景。例如，在電子競賽中經(jīng)常需要對小車進(jìn)行控制，那么就可以在課程中設(shè)置小車的簡單控制題目，并逐步分解功能，引導(dǎo)學(xué)生分析整個小車控制的過程中的重要編程方法，如圖2所示。又例如機(jī)器視覺應(yīng)用中通常需要對圖像進(jìn)行預(yù)處理，那么就可以設(shè)置相應(yīng)的圖像預(yù)處理題目，學(xué)生設(shè)計圖像預(yù)處理的程序，并分析圖像預(yù)處理對機(jī)器視覺識別的性能影響。

圖2 小車控制任務(wù)

此外可以設(shè)置完整的復(fù)雜項目，將項目分解為多個問題，逐步引導(dǎo)學(xué)生逐步實現(xiàn)整個項目。例如圖3演示了五子棋游戲項目可以分解為棋盤顯示、棋子輸入、錯誤處理、勝負(fù)判斷、記錄保存等多個任務(wù)，涉及了輸入輸出、判斷、循環(huán)、二維數(shù)組、文件操作等多個知識點，學(xué)生需要思考解決方案，可以自由使用各種方法解決問題。五子棋也有一定的趣味性，學(xué)生完成項目后可以得到直接的反饋，形成較強(qiáng)的滿足感和成就感。題目還可以設(shè)置遺留問題，例如人機(jī)對戰(zhàn)的實現(xiàn)，鼓勵學(xué)生后續(xù)自學(xué)完成。

圖3 五子棋項目分解

在教學(xué)過程中以問題為導(dǎo)向引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，以新技術(shù)應(yīng)用和創(chuàng)新項目背景提升課程創(chuàng)新性，以復(fù)雜問題的解決提升課程的挑戰(zhàn)度，從而保持學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)的興趣和動力。將以項目問題的解決結(jié)果作為學(xué)生的平時考核成績，讓成績可以更好地反映出學(xué)生綜合運用軟件設(shè)計的能力，并督促學(xué)生的平時學(xué)習(xí)。

(三)梳理專業(yè)知識脈絡(luò)，課程相互融合支持

與計算機(jī)類專業(yè)不同，電子類專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)軟件設(shè)計更注重與硬件或信息處理結(jié)合(見圖1)。因此要針對專業(yè)特點，梳理編程基礎(chǔ)課程內(nèi)容與專業(yè)課程的關(guān)聯(lián)性，建立前后課程間的融合支持關(guān)系。讓課程體系可以更好地滿足專業(yè)人才培養(yǎng)規(guī)格的要求。例如電子類學(xué)生學(xué)習(xí)C語言程序設(shè)計將會用單片機(jī)、嵌入式等課程。所以有必要突出電子類程序設(shè)計課程的專業(yè)特點，整理好課程體系的知識脈絡(luò)關(guān)系，并在微課視頻庫中增加與后續(xù)課程關(guān)聯(lián)的知識點，增加編程與電子信息知識結(jié)合的知識。具體如：硬件平臺上的變量類型、定點運算和位運算控制并口等，利用編程進(jìn)行基本的圖像處理等。這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)程序設(shè)計的過程中，也相應(yīng)地為后續(xù)專業(yè)課程做好了準(zhǔn)備。

(四)樹立社會主義核心價值觀

學(xué)生的綜合能力不僅需要專業(yè)知識，更要有正確的價值觀和文化素養(yǎng)。在培養(yǎng)學(xué)生工程能力的同時開展思想政治教育，更有利用學(xué)生的綜合能力提高和全面發(fā)展。因此課程教學(xué)過程中要突出學(xué)生知識、能力和思想素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。在程序設(shè)計類課程體系中，可以通過引入案例教學(xué)和類比教學(xué)方法融入課程思政德育元素。例如以黑客程序進(jìn)行舉例，說明黑客病毒程序破壞數(shù)據(jù)、系統(tǒng)和軟件或盜取重要信息，給人們的工作、生活帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，屬于網(wǎng)絡(luò)犯罪行為，應(yīng)予嚴(yán)厲打擊。通過各種案例分析將程序設(shè)計教學(xué)與課程思政有機(jī)融合，幫助學(xué)生提升思想水平、政治覺悟、道德品質(zhì)和文化素養(yǎng)，樹立社會主義核心價值觀，最終提高學(xué)生綜合素養(yǎng)，滿足新時代對人才培養(yǎng)的要求。

結(jié)語

本文以“新工科”背景下電子信息類人才培養(yǎng)為背景，分析程序設(shè)計創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要性、當(dāng)前教學(xué)方式存在的問題，并提出了教學(xué)方法的改革方式。建立具有電子專業(yè)特色的編程知識微課資源庫，讓課程從繁雜的編程語法教學(xué)中脫離出來，更注重學(xué)生編程解決問題能力的培養(yǎng)和政治思想水平、道德品質(zhì)的提高。教學(xué)過程中設(shè)置以電子競賽、創(chuàng)新項目或新技術(shù)應(yīng)用為背景的工程問題，訓(xùn)練學(xué)生解決問題的能力，將學(xué)生解決問題的結(jié)果作為過程考核的依據(jù)，督促學(xué)生保持學(xué)習(xí)的動力，最終為培養(yǎng)具有高綜合素質(zhì)的電子信息類新工科人才打下基礎(chǔ)。