基于應用系統能力培養的Java程序設計“金課”建設

李香菊，操鳳萍，謝修娟，王夢曉

（東南大學成賢學院 電子與計算機工程學院，江蘇 南京 210088）

0 引言

作為應用型大學，計算機專業的學生應該具備計算思維和創新思維能力，復雜計算機系統的認知、設計、開發、應用和優化能力，跨多學科知識的交叉能力和領域快速變化的適應能力，成為具有系統觀的應用型、復合型和創新型人才。東南大學成賢學院電子與計算機學院課程組根據應用型本科計算機專業系統能力培養需求，對照“金課”標準，針對Java 程序設計課程存在的問題，分析系統能力內涵，按照“價值為魂、知識為基、能力為重”的理念，從引入課程思政、計算思維訓練、完整案例教學、優化考核方式和構建線上教學內容5 個方面建設教學資源，合理提升學業挑戰度、增加課程難度、拓展課程深度，構造“價值塑造、知識傳授、能力培養”三位一體的教學資源［1］，實現對學生應用系統能力的培養，即實現學生能在系統層面自主分析、設計、調優、檢錯，具備站在系統高度自主解決本領域復雜工程應用問題的能力。

1 教學問題與研究現狀

Java 程序設計是一門程序設計語言課程，教學內容、模式一直延用傳統方式，因此無法滿足應用系統能力培養的要求，目前存在以下問題：①在教學過程中，側重于編程基礎知識、面向對象內容和高級應用等語法知識的正確性描述，教授學生如何編寫正確的程序，學生的計算思維能力訓練較少，導致思維與Java 語言脫鉤，部分學生缺乏使用計算機求解復雜問題的思維方式，無法運用Java 語言完成問題求解，對課程學習失去興趣和信心；②教學內容之間缺少聯系，課程內容以獨立知識點依次展開，未能將Java 課程內容融入一個貫穿全課程的案例，課程實驗環節也是配套課程知識點進行練習，未進行完整的項目訓練，造成學生“管中窺豹”，只能應付考試，針對實際問題的綜合運用能力、系統觀、團隊合作、溝通能力較弱；③考核方式陳舊，傳統課程考核方式包括平時成績（10%）、實驗成績（30%）和期末成績（60%）共3 個部分，期末成績比例較重，實驗內容較簡單，容易形成應試教育，無法較好地反饋Java課程對學生實踐能力的培養效果。

針對當前大學課程教育存在的問題，對標“金課”標準，各高校積極開展了“金課”建設要求。江漢等［2］認為注重過程評價、設計多元化的評價方式是“金課”建設不可或缺的一部分，從優化考核內容、突出過程評價、創新考核方式方面開展課程考核改革，能提升教學效率和教學質量。常寧等［3］通過建設教學內容、課程思政、自主學習資源等課程線上資源，結合線下資源，基于慕課+云班課實施混合式教學進行混合式“金課”建設與實踐。杜燕紅等［4］通過分析線上線下混合式“金課”相關文獻，得出線上線下混合式“金課”的研究主要集中在建設路徑、教學模式、課程目標、具體課程的應用及課程資源5 個方面。張曉報等［5］提出嚴格的學生學業考評機制是大學實現金課的6 個重要方面之一。

此外，東南大學成賢學院電子與計算機學院課程組還學習其他高?！敖鹫n”建設經驗，結合專業培養目標，進行“金課”資源建設、課程思政、過程化考核等多項教改項目，設計Java 程序設計改革方案。具體為，課程以提升計算機應用系統能力為目標，從課程思政、計算思維訓練、完整案例教學、優化考核方式和構建線上教學內容5 個方面建設教學資源，全方位提升學生的實踐能力。

2 “金課”建設舉措

2.1 融合課程思政引領價值塑造

課程思政就是要寓價值觀引導于知識傳授和能力培養之中，幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀，這也是人才培養的必備內容［6］。

在課程建設過程中，通過修訂原有課程的教學大綱，充分挖掘思政元素，增加思政案例［7］，探索課程思政的教學方法，引入課程思政教學元素培養學生的理想信念、價值取向、政治信仰、社會責任、工匠精神等，促使學生實現自我成長，使其適應快速發展的社會和技術環境，承擔起社會建設與發展的責任。具體的課程思政元素如表1所示。

Table 1 Course ideological elements表1 課程思政元素

2.2 教學過程注重計算思維訓練

計算思維是運用計算機科學的基礎概念求解問題、設計系統和理解人類行為的一系列思維活動，其本質是抽象和自動化。其中，抽象的是問題的計算過程，利用計算機強大的計算力自動完成，是一種基于計算機的思維方式［8］。學生首先要理解計算機處理問題的方式方法，然后按照其數據加工處理方式進行訓練，從而給出問題求解方案，即掌握計算思維能力運用能力使自動化計算的產物服務于現實社會［9］。

Java 程序設計課程對計算思維能力的培養和訓練非常重要，主要通過理論課程和實驗兩種手段來進行訓練。實驗環節，通過貫穿全課程的完整項目案例，講解復雜問題的求解過程，在宏觀上訓練學生的計算思維能力；理論課程，在微觀上進行計算思維的認知和應用，采用任務驅動教學法，通過提出問題、分析問題、抽象問題、分解問題、設計算法、解決問題的過程，引導、訓練學生運用計算思維的能力，實現課程教學與計算思維培養的有機結合。

程序設計的基本結構包括順序、選擇和循環，是計算機處理問題的基本操作。順序結構通過解決圓柱體積求解，幫助學生認識到程序需要定義變量、輸入，根據計算公式計算結果，讓學生初步掌握通過算法解決問題的基本要求；選擇結構通過判斷是否具備返校條件，列出學校返校要求，然后給出各種情況進行分析，進而講解選擇結構的原理及實現方法；循環結構通過輸出各種形狀的圖形進行講解，不斷加大圖形復雜度并依次展開講解單循環、嵌套循環，幫助學生理解循環的意義及處理問題的方式，再通過百錢買百雞和雞兔同籠等經典問題講解枚舉算法，引導學生運用循環方法解決實際問題。

對于復雜問題求解，程序設計往往采用抽象和分解的方法，通過解決多個小問題求解復雜問題。然而，每個小問題的求解就是通過函數的定義和應用來實現，再通過函數間的調用完成復雜問題。其中，函數的定義可增強程序的可讀性和可擴展性，并且函數可重復使用，能減少代碼量。為此，在課堂上提出模擬簡易計算器的要求，引導學生將問題劃分為加、減、乘、除4 種基本操作，在主函數中調用這些函數，通過參數傳遞計算數據，既能讓學生厘清函數的定義，還能訓練學生對函數調用的熟練程度、解決問題的思路——抽象和分解。此外，通過講解斐波那契數列的求解，引出遞歸的概念，講解遞歸求解的兩個關鍵因素——結束條件和遞歸公式，給出遞歸函數的定義，通過迷宮求解案例來訓練學生對遞歸函數的應用能力。

Java 是面向對象程序設計語言，類的定義及使用是課程的重點。在撲克牌游戲中，引導學生對撲克牌進行抽象定義，既包括數字和花色兩個關鍵信息，還有讀取數字、花色、比較大小等操作，以進一步定義撲克牌類別。通過該案例引導學生掌握面向對象的重要概念——類、繼承和多態。

2.3 采用貫穿全課程的完整項目案例訓練應用系統能力

傳統Java 程序設計課程教學大綱設置的實驗內容主要是幫助學生掌握課程知識點，在“金課”建設中已保留這部分，還額外增加貫穿課程的實踐案例——撲克牌游戲，并將游戲功能拆解后融入授課過程中，以逐步完善系統，直至實現整體游戲。撲克牌游戲的實踐案例主要包含計算類游戲（24點）；對弈類游戲（大小、斗地主等）。

（1）任務提出。課程第一次課展示撲克牌游戲的效果，幫助學生了解游戲應具備的功能及難度；然后分小組討論游戲項目解決方案，鍛煉學生系統分析能力；最后教師對討論結果進行指導，引導學生劃分項目功能點，拆分子項目。如表2 第二列，教師給出實現子項目所需的知識點及對應章節內容，進一步向學生介紹課程的教學內容，使學生在宏觀上了解課程教學內容，有助于學生學習該部分課程內容。

Table 2 Practice case knowledge points表2 實踐案例知識點

（2）分階段實現項目子系統。在每個章節教學過程中，首先進行理論課程教學和基礎實驗練習，然后增加案例實踐環節，運用該章節學習的知識點實現相應的子項目并不斷集成，逐步擴大項目功能。在案例實踐環節，采用分小組的形式，各小組成員能充分討論項目的具體實現方案，分工完成相應的設計、編碼、測試和文檔工作，在提升自身實踐能力的同時，能進一步提升整個團隊的合作能力、溝通能力及集體責任感。

（3）項目總結及優化。隨著課程學習到達最后階段，學生逐步完成了整體項目，最終進行調試優化。案例完成后，學生完成整體實驗報告，包括項目分析、設計、實現和測試等內容，總結項目開發過程中遇到的問題及解決方案。同時，每個小組錄制視頻，演示項目運行效果，講解設計方案和實現思路，通過貫穿課程的實踐項目串聯課程知識，訓練學生對應用系統的認知、分析、設計與實現能力，提升學生的知識綜合運用能力，以進一步提升學生解決復雜問題的能力，即計算機應用系統能力。

2.4 實行過程化考核綜合素質

傳統課程考核主要通過試卷和實驗報告兩種形式，只能了解學生的知識掌握程度，缺乏對實踐能力、專業素養和價值觀的考核，無法驗證是否實現了課程教學目標。因此，在“金課”建設過程中，加大過程考核成績在課程成績中的比重，強調學生學習全過程的全面考核，從對學生知識、能力、創新和素養的綜合要求上體現整個教學過程與學習過程的結果，建立健全能力與知識考核并重的多元化學業考核評價體系［10］，新的課程考核方案如表3所示。

Table 3 Process assessment scheme表3 過程化考核方案

（1）課內表現。課程考勤采用慕課堂平臺來及時掌握學生出勤情況，并追溯缺勤原因。課堂學習態度主要通過考查學生在課上回答問題的正確性和積極性，了解學生的學習效果和對課程教學的反饋，以此調整后續教學。對學有余力的學生，在線上學習平臺提供高、中、低3 種難度的題目，供學生課下自行選擇進行訓練，并將參與情況作為考核之一。

（2）階段性測試。在課程進行過程中開展3 次階段性考核，以驗證學生前期學習效果，督促學生按照課程節奏進行學習?？己祟}型包括選擇題、編程題。其中，選擇題采用中國大學MOOC 平臺，設置限時題庫，從題庫出卷；編程題采用線下模式。為了真正實現考核的意義，針對成績不理想的學生反復進行補考，直至考核通過。

（3）實踐環節。為了提升學生實驗內容學習質量，課程實驗采用MOOC 平臺的在線評判系統，教師添加實驗題目，給出全方位的測試用例，以檢測學生提交實驗代碼的正確性。如此，既能提升學生實踐能力，又能幫助教師高效地掌握學生學習效果，開展針對性教學。從平臺統計數據可知，采用OJ 批改模式能提升學生實驗成績。調查發現，學生如果未能滿分通過，會分析、查找錯誤原因，直至滿分通過，這個過程既提升了學生的自我分析和編碼能力，又激發了學生學習興趣。此外，實踐環節還包括貫穿課程的實踐項目，教師根據學生提交的程序代碼、報告文檔和講解視頻，給出相應的實踐分數。

（4）課外拓展。為了提升學生專業學習熱情，還增加了課外拓展考核環節，主要包括以下兩個方面：鼓勵學生積極參加學科競賽、大學生創新項目、興趣小組、教師科研項目開發［11］；布置一些課程相關的課外學習任務，以訓練學生的文獻查閱能力、資料分析學習能力、文檔編寫能力，并拓展學生專業領域知識。

2.5 構建線上教學內容

課程建設過程中，在中國大學MOOC 平臺開設了校內SPOC 課程Java 程序設計，建設了線上教學內容，主要包括課程大綱、課件、課程教學視頻、單元練習、課程項目、補充知識等內容，重點建設教學案例視頻和單元練習，采用案例教學、任務驅動教學法促進計算機應用系統能力培養。

（1）教學案例設計。在課程改革過程中，既要完成課程基本內容授課，又要滿足應用系統能力培養要求。為了解決課時緊張的問題，東南大學成賢學院電子與計算機學院課程組通過建設線上課程資源，將課程基本教學內容錄制為典型教學案例，并發布在線上課程，作為線下教學的補充資源，將其作為課下學習任務布置給學生，達到課程訓練目的。本文按知識點分解Java 課程的內容，為每個知識點或若干個小知識點設計具有典型性、實用性的教學案例［8］，將其錄制為視頻發布在線上平臺。其中，典型性案例使學生以任務為載體，從特殊到一般，舉一反三，實現對學生邏輯思維能力和自主學習能力的培養；實用性案例激發學生的學習興趣，使學生將探究欲轉換為主觀愿望［12］。通過線上教學內容輔助線下教學，方便學生隨時學習，及時補缺線下學習時未能掌握的知識點。

（2）單元練習設計。以當前單元知識點為主，結合已學單元的知識點，同時考慮后續單元知識點，設計出具有實用性、綜合性、層次性和開放性的單元練習［12］。學生線上學習的數據有利于教師掌握學生學習情況，可在線下教學時進行針對性指導，提升教學效果。通過建設線上教學資源，學生學習不再局限于課堂當中，既能有更多時間讓教師講解，還能讓學生有充分的時間訓練完整案例，使教師能順利開展過程化考核，有助于培養學生的應用系統能力。

3 課程實施效果

學生在課程學習過程中，始終保持較高的學習興趣［13］，課堂討論參與度、項目完成度、學習成績相較于之前有所提升，如圖1所示。

Fig.1 Student transcript distribution from 2019 to 2021圖1 2019-2021年學生成績分布

同時，學生實踐動手能力和學習能力提升明顯，在課外獲得藍橋杯全國軟件和信息技術專業人才大賽Java 組國家二等獎和優秀獎各一項，省級三等獎兩項，成功申報校企合作大學生創新項目兩項。

4 結語

東南大學成賢學院電子與計算機學院課程組對標“金課”建設標準，通過課程改革形成了“價值塑造、知識傳授、能力培養”三位一體的課程資源［14］，進一步提升了學生的計算思維能力和應用系統能力，通過樹立正確的價值觀，為后續專業課程的學習奠定堅實的基礎。

此外，該課程資源全面涵蓋整個教學過程，對電子與計算機專業的其他課程的金課建設也具有一定的借鑒意義。