本科數學類專業程序設計基礎課程的教學改革
——以武漢科技大學為例

邢遠秀

武漢科技大學理學院，湖北 武漢 430081

本科數學類專業都需要具有較強的算法設計、分析與編程能力，能熟練使用計算機（包括掌握常用語言、工具及一些數學軟件），具有編寫簡單應用程序的能力，因此，程序設計基礎成為數學類專業重要的專業基礎課程之一。通過對武漢科技大學（簡稱“我校”）信息與計算科學專業16 級到19 級學生共247 份調查問卷進行分析后發現，45.7%的學生在大學一年級學習該課程時認為該課程對本專業用處不大，17.4%的學生表示不清楚其專業用處，這說明學生在學習時對該課程在專業中的地位不夠明確。這是因為在以往的實際教學中，大多數任課教師仍沿用計算機專業課程的教學內容與方法，并未體現出數學類專業的特點，造成該課程的教學內容與數學專業教學體系脫節、實踐教學效果不佳、學生對該課程不了解不重視等問題。可見，數學類專業針對程序設計基礎課程的教學進行改革十分必要。

一、現狀

現在國內大多數本科院校都開設有數學類專業，這些專業都開設有程序設計基礎這門課程。C 語言近20年在TIOBE編程語言排行榜中一直位居前三，并在2019年再次成為年度編程語言，主要是因為其表達能力強、使用靈活方便、應用面廣、目標程序效率高、可移植性好，其他一些計算機類課程比如數據結構、C++所選用的教材基本上都是以C 語言為基礎來進行描述的。選用C 語言作為程序設計基礎課程的教學內容可以有效銜接后續專業課程，有些學校直接將這門課程開設為C 語言程序設計。對于數學類專業的學生來說，該課程既是本專業后續數學建模、數值分析等課程的實踐基礎，也是Python、Matlab等其他和數據分析關系較為密切的編程語言的基礎。

目前針對數學類專業程序設計基礎課程教學的改革與實踐，都是只針對課程本身的知識點，集中在教學方法的改進上，有研究采用綜合訓練（大型作業）的方式進行教學，或者是改革上機操作的實踐環節，或者是進行課件制作，實施多媒體教學，也有提出項目式教學法的，但是站在專業的高度將該課程納入整個人才培養體系中進行教學改革的不多。

二、教學改革的思路與措施

（一）將課程內容與專業有機結合起來，打通課程孤島

計算機最早被研制出來的目的就是要解決數學運算等問題，數學與程序設計語言的聯系非常緊密，因此應該將程序設計基礎課程的教學內容與數學專業的其他專業課程結合起來，形成橫向交叉、縱向貫通的課程教學體系，使學生充分了解程序設計類課程在專業中的作用，再通過對實踐教學項目的設計，使教學內容不再孤立，讓學生學得明白，提高教學質量。從武漢科技大學信息與計算科學專業課程體系（見下圖）可以看出，其專業課程主要分為三大類：一類是數學專業的專業類課程，一類是計算機類相關課程，還有一類是實踐類課程。程序設計基礎課程屬于計算機類專業的基礎課程，后續課程包括C++程序設計、離散數學、數據結構、數據庫系統概論、算法分析與設計、計算機網絡等課程，平行課程包括數學分析、高等代數與解析幾何等課程，相應的實踐類課程為C 程序課程設計。這些課程的內容存在貫通性和交叉性，教師在做程序設計基礎課程的教學設計時，要考慮本課程與這些課程之間的聯系，這樣有利于學生了解本課程在專業中的定位，認清學習本課程的目的，有助于學生進行更有針對性的學習。例如在講授指針的應用這個知識點的時候，可以結合數據結構中的鏈表一起來講解，這樣學生就能夠知道指針可以用來做什么，也了解了本課程與其他課程的關系，學習起來會更有興趣。

程序設計基礎課程的教學內容應加大案例教學的比例，突出程序設計語言的工具屬性。程序設計語言是實現算法、解決問題的工具，因此要盡量選用真實案例。例如在講授分支結構switch語句的時候使用將百分制的成績轉換為等級制的例子，學生更容易理解和掌握。

（二）將課程資源建設與專業教學資源庫建設融合起來，打造主課與輔課相結合的教學模式

應自上而下建立有機結合的專業教學資源庫，而不是簡單地將每個課程的教學資源整合到一起形成專業教學資源庫。在建設專業教學資源庫前要做好整體規劃，從專業的角度設計每門課程的教學資源。利用教學資源庫開展教學模式改革，采用主課與輔課有機結合的教學模式。講授程序設計基礎課程時，這門課程即為主課，與之相關聯的專業課如下圖所示的數學分析、高等代數與解析幾何等課程即為輔課。由于程序設計基礎課程學時有限，教師難以系統講授輔課內容，因此要豐富輔課教學資源。輔課學習以自學教學資源為主，這樣可以彌補主課教學時間與教學廣度不足的缺點。我校目前尚未建成數學專業教學資源庫，筆者在教學的時候將網上教學資源作為補充內容，取得了很好的效果。比如筆者講到指針時結合數據結構中的鏈表來講解，因課時有限而無法在課堂中詳細講解鏈表有關知識，便借用學堂在線上華南理工大學數據結構的課程視頻，讓學生提前學習鏈表的有關知識，再到課堂中結合鏈表講解指針的知識，取得很好的教學效果。

大學數學課程具有內容的高度抽象性、思維的邏輯嚴密性、方法的靈活多樣性等特點，不僅需要教師花費較多的課時進行講解，同時也需要學生課下花費足夠的時間進行鞏固，因此可以進行翻轉課堂等教學方法的探索。2020 年上半年受疫情的影響，停課不停學，教師們普遍采用網上教學的模式，這樣必然對傳統教學模式產生深遠的影響。不管是學生還是教師，都對在線學習有了深刻的認識。恢復正常的教學活動后，教師會主動將線下教學與線上教學結合起來。筆者該學期的線上教學效果明顯，經統計，學生在線上教學的到課率為98.8%，作業完成率為95.1%，這說明線上教學完全可以成為線下教學的重要補充。不僅課堂教學可搬到線上，實踐教學也可搬到線上，筆者采用線上教學平臺講解、指導實踐，利用遠程控制系統幫助學生解決難題、檢查實踐教學結果，都取得了很好的教學效果。

（三）將課程教學和數學建模大賽等學科競賽結合起來，以賽促學

學科競賽具有探索性、創造性和科學性，能夠培養大學生理論聯系實際和獨立工作的能力，讓大學生學習在實踐中發現、分析和解決問題，對增強大學生的意志力、進取心、創新思維和創新能力都有很大的幫助。目前本科學生可以參加的全國性比賽有全國大學生數學建模競賽、挑戰杯大學生創業大賽等，這些比賽在培養學生實踐能力和創新創業能力上起到了重要的推動作用，對人才培養模式改革的引領作用非常明顯。所以，教師在日常教學中，應注意將課程教學與數學建模等大賽相結合，一方面為大賽挖掘、培養種子選手，另一方面將大賽與課程教學、創新創業教育相融合，提高學生的專業水平，培養學生的創新精神和創業能力。

在將課程教學與學科競賽結合起來方面，我們采取的做法主要有以下三點。

一是將學科競賽內容與課堂教學結合起來。比如全國大學生數學建模競賽的舉辦目的在于調動學生學習數學的積極性，提高學生建立數學模型和運用計算機技術解決實際問題的綜合能力，這就要求學生不僅能夠設計算法，還必須掌握程序設計語言來完成數學建模。因為庫中封裝了棧、隊列等數據結構以及查找、排序等算法，所以學生平時在掌握建模中的一些常用算法的同時，還要學會運用C 的標準模板庫，這就要求學生熟練掌握使用C語言進行程序設計。教師在講授C語言時結合數學建模競賽的相關內容，可以提高學生興趣，讓學生將數學和C 語言程序設計結合起來，有助于以賽促學。

二是將學科競賽與實踐教學體系結合起來，主要圍繞學科競賽內容來設計實踐教學內容，增加創新性、設計性的實踐內容，減少驗證性、結論性的實踐內容，重點設計課程設計實踐項目，突出鍛煉學生的創新實踐能力。比如2019 年“高教社杯”全國大學生數學建模競賽的A 題為“高壓油管的壓力控制”，為了保持壓力和噴油量的穩定，必須建立數學模型和設計算法來確定從高壓油泵進入高壓油管和從高壓油管噴出的燃油量，從而確定單向閥的開啟時長、凸輪的轉速、減壓閥的控制策略。由于學生此時對如何建模和算法并不熟悉，因此我們在程序的流程控制實踐教學環節中，將該題目改為根據輸入的壓力值判斷壓力值所在區間：根據輸入的壓力值x，判斷當x 等于100MPa 時，輸出“壓力穩定在100MPa”；當x 大于100 MPa 并小于等于150 MPa 時，輸出壓力的具體值，即x 的值；當x 大于150MPa 時，輸出x的值，并提示“壓力已大于150MPa”。學生可以通過if…else 語句或者case 語句來實現，這樣一方面可以使學生熟悉數學建模的實例，另一方面也可以鍛煉學生對選擇結構的理解和應用能力。

三是將學科競賽與第二課堂結合起來。課堂教學在育人過程中具有不可替代的作用，但僅靠課堂教學還遠遠達不到教書育人的目的。傳統的課堂教學更多的是開展知識傳授和專業技能訓練。所以有必要充分利用第二課堂活動，將其作為課堂教學活動的輔助手段，以彌補課堂教學活動在知識拓展、實踐能力鍛煉、創新能力培養等方面的不足。從大一新生入學開始，我們就組織學生成立學習興趣小組，課后堅持給學生開放實訓室，組織學生參加各類課外學習活動，并針對學科競賽進行定期的集中培訓和不定期的個別輔導，將學科競賽與第二課堂活動結合起來，有效地提高學生的創新實踐能力。

（四）加強師資培養，提高任課教師的數學素質

師資是教學質量的決定性因素，要想程序設計基礎課程的教學與數學專業得到更好結合，就必須注重提高其任課教師的數學素質。我校目前講授該課程的教師主要是計算機專業畢業的教師，或者是來自本校計算機學院的專業教師，這些教師的計算機水平較高，但數學基礎略顯薄弱，所以要提高他們的數學素質。可以通過以下幾個途徑來實現：（1）安排新進教師當數學專業教師的助手。不論新進教師的專業是數學專業還是計算機專業，在他們講授程序設計基礎課程前，都為其指定一位數學專業的老教師，讓其在熟悉教學活動的同時，了解程序設計和數學的關系，了解怎樣用程序設計語言解決本專業的數學問題。（2）定期舉辦學習研討班。研討班由專業或教研室組織，目前很多高校每周都有教研室活動，利用教研室活動舉辦定期或不定期的學習研討班，數學教師和計算機教師在一起就教學問題進行探討，彼此增進對相關專業知識的了解融通，可有效提高計算機專業出身的教師的數學素質。（3）以賽促教。充分發揮大賽“以賽促教”的作用，由計算機專業的青年教師擔任指導教師，讓其在指導學生參加學科競賽的過程中，不斷提高自身的知識水平和業務能力，教學相長，促進青年教師的快速成長。

（五）加強評價機制改革，豐富、優化評價手段

程序設計基礎課程的實踐性強，因此其考核方式不能只采用期末筆試，應注重學生平時學習的過程性考核，而且過程性考核方式應該多樣化，突出考核學生的實踐動手能力。

采取“過程性考核+終結性考核”的方式評定課程學習成績。其中C 語言中的理論知識部分，仍需采用筆試的方式進行，但需要減小其權重，同時需要加大對平時實踐能力的評價權重。平時成績不能只看上課簽到和課后作業完成情況，還要看平時上機的成績，這樣才能全面考查學生的綜合能力。

三、結語

程序設計的發展越來越趨向于體現其工具性，并滲透到各行各業的應用中，在不同行業的應用也各有側重。程序設計基礎課程的教學應能體現程序設計在數學專業中的具體應用，用程序設計語言解決數學中常見的問題，使課程教學能夠更有效地將理論與實踐聯系起來，將本門課程與其他相關專業課程聯系起來，有效激發學生的學習興趣，提高學生的專業知識水平和創新實踐能力。