程序設(shè)計(jì)課程中學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)研究

梁建坤 翟菲 鄭小松 王海慧 佟歐 翟玉萱 李定遠(yuǎn)

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)；混合式教學(xué)；自主學(xué)習(xí)能力；學(xué)習(xí)積極性

1 課題背景及研究?jī)?nèi)容

計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是高等學(xué)校面向非計(jì)算機(jī)專業(yè)開設(shè)的公共基礎(chǔ)課程[1]，難度較大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)更大。由于近年來(lái)各高校普遍存在基礎(chǔ)課程學(xué)時(shí)壓縮的問題[2-3]，使得該課程的授課進(jìn)度加快，從而進(jìn)一步增加了課程難度。由于大一的學(xué)生還沒有學(xué)習(xí)專業(yè)課程，導(dǎo)致利用編程語(yǔ)言解決學(xué)生所學(xué)專業(yè)實(shí)際問題的應(yīng)用很少；加之程序設(shè)計(jì)課程的內(nèi)容相對(duì)抽象枯燥，導(dǎo)致諸多高校的相關(guān)教師在各級(jí)教學(xué)研討會(huì)的交流中普遍反映學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣低[4]、對(duì)今后學(xué)習(xí)和工作的實(shí)際幫助效果不理想等問題。

按照OBE（Outcome Based Education，能力導(dǎo)向教育）的培養(yǎng)要求，為了培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，作為遼寧省計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)省級(jí)精品課程、省級(jí)跨校選修課程的負(fù)責(zé)單位十多年來(lái)沈陽(yáng)藥科大學(xué)持續(xù)進(jìn)行了相關(guān)教學(xué)改革的探索，先后主持了多項(xiàng)相關(guān)省部級(jí)教改課題。多年的改革實(shí)踐表明，在“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下通過混合式教學(xué)模式，在大一階段著力重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)現(xiàn)從中學(xué)階段的“填鴨式學(xué)習(xí)”模式到大學(xué)階段“自主學(xué)習(xí)”模式的轉(zhuǎn)變、培養(yǎng)學(xué)生自身的學(xué)習(xí)興趣，才是真正的解決之道[5]，正所謂“興趣才是最好的老師”[6]。

2 建議的方法措施

2.1 前期成果展示——提前畫餅

很多教師由于感覺課時(shí)緊張，第一節(jié)課開篇就從枯燥的程序語(yǔ)法開始講起，這種做法看似節(jié)省了時(shí)間，但是會(huì)讓學(xué)生感覺該課程枯燥無(wú)聊，感覺只是因?yàn)樗菍W(xué)校安排的課程不得不學(xué)而已。學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣低，課堂上不認(rèn)真聽、不積極思考，課外更不會(huì)主動(dòng)學(xué)習(xí)，最終的結(jié)果反而適得其反。

建議的方法是第一節(jié)課開篇先講該專業(yè)為什么要學(xué)程序設(shè)計(jì)這門課，展示教師自己的科研團(tuán)隊(duì)利用程序設(shè)計(jì)為本專業(yè)解決過的實(shí)際問題、展示往屆學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中完成的用于解決學(xué)習(xí)和生活中實(shí)際問題的綜合案例作品、展示教師指導(dǎo)往屆學(xué)生在課外利用程序設(shè)計(jì)參與各類計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽獲得的成果等。不但讓學(xué)生知道自己的專業(yè)領(lǐng)域研究離不開程序設(shè)計(jì)，而且有信心通過本課程的學(xué)習(xí)自己也能達(dá)到期望的水平，從而激發(fā)學(xué)生自身的學(xué)習(xí)興趣，只有課內(nèi)配合教師認(rèn)真學(xué)習(xí)、課外積極自主學(xué)習(xí)才能真正解決學(xué)時(shí)有限的問題。

2.2 案例式教學(xué)——不斷刺激

采用案例式教學(xué)，針對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)際生活和學(xué)習(xí)相關(guān)的案例。首先，通過將實(shí)際問題轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，而非機(jī)械地學(xué)習(xí)零散、枯燥的知識(shí)點(diǎn)。其次，盡管這些案例是經(jīng)過簡(jiǎn)化的問題（實(shí)際問題的核心知識(shí)點(diǎn)），但也都包含需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、編碼、測(cè)試和調(diào)試等環(huán)節(jié)，從而培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的綜合應(yīng)用能力。第三，讓學(xué)生意識(shí)到學(xué)有所用，以便于在長(zhǎng)期的日常教學(xué)中不斷激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如學(xué)習(xí)算數(shù)運(yùn)算符時(shí)，不要簡(jiǎn)單給出一堆毫無(wú)意義的枯燥算術(shù)表達(dá)式，讓學(xué)生覺得為了做題而做題，可以結(jié)合近期世界范圍內(nèi)發(fā)生的大地震讓學(xué)生利用P波和S 波的速度差，求解分析并討論觀測(cè)站發(fā)出的地震警報(bào)對(duì)不同距離城市的預(yù)警效果；學(xué)習(xí)三角函數(shù)時(shí)可以讓學(xué)生繪制指定旋轉(zhuǎn)角度的五角星，為后續(xù)繪制標(biāo)準(zhǔn)國(guó)旗奠定基礎(chǔ)；學(xué)習(xí)列表時(shí)可以讓學(xué)生對(duì)身份證號(hào)碼進(jìn)行合法性校驗(yàn)，以解決網(wǎng)上錄入錯(cuò)誤身份證號(hào)碼的問題等；對(duì)于軟件測(cè)試必須掌握最基本的邊界值分析法、等價(jià)類劃分法，對(duì)于軟件調(diào)試必須掌握最基本的斷點(diǎn)法、回溯法。

2.3 功能分解——逐步完善

在各級(jí)教學(xué)交流會(huì)上，很多教師反映能夠解決實(shí)際問題的案例通常涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，無(wú)法作為教學(xué)案例或綜合作業(yè)。首先由于功能復(fù)雜課堂內(nèi)講不完；其次如果放到前幾章布置任務(wù)由于新知識(shí)點(diǎn)太多此時(shí)學(xué)生不會(huì)做，如果放到最后章節(jié)布置任務(wù)由于臨近期末學(xué)生忙于復(fù)習(xí)又沒有時(shí)間完成。

建議的方法是第一作為課程案例需要對(duì)問題進(jìn)行簡(jiǎn)化，只保留核心知識(shí)點(diǎn)；第二將案例進(jìn)行功能分解，不同章節(jié)解決不同的知識(shí)點(diǎn)，通過模塊化方式完成整個(gè)案例。也就是說(shuō)，不同章節(jié)完成對(duì)應(yīng)的模塊，功能逐步完善，等最后一個(gè)模塊完成時(shí)整個(gè)案例也就完成了。

例如：身份證號(hào)碼（ID） 校驗(yàn)這個(gè)案例。在字符串操作的章節(jié)可以完成出生日期的信息提取、身份證長(zhǎng)度判斷、字符類型的合法性判斷等葉子模塊的功能；在選擇結(jié)構(gòu)章節(jié)完成年齡合法性判斷、出生日期的合法性判斷、性別判斷等模塊的功能；在列表章節(jié)結(jié)合循環(huán)結(jié)構(gòu)完成身份證號(hào)碼前17位的加權(quán)計(jì)算、判斷校驗(yàn)位是否合法的模塊；在字典章節(jié)構(gòu)建以ID中前6位為key、對(duì)應(yīng)地區(qū)名為value的出生地字典，完成對(duì)ID 前6位進(jìn)行合法性校驗(yàn)，如果校驗(yàn)通過檢索其出生地模塊；在文件章節(jié)通過文件操作，實(shí)現(xiàn)完整出生地字典的構(gòu)建模塊；在GUI設(shè)計(jì)章節(jié)將前面利用CLI實(shí)現(xiàn)的程序改為GUI界面實(shí)現(xiàn)；在程序打包和發(fā)布章節(jié)完成將GUI格式的程序發(fā)布為可以在其他計(jì)算機(jī)直接運(yùn)行的exe格式的模塊，至此經(jīng)過7步功能分解整個(gè)案例就全部完成了。

2.4 混合式教學(xué)——學(xué)有所依

在“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下采用線上線下混合式教學(xué)方式。在線下課堂教學(xué)過程中，通過案例式教學(xué)教師分析講授案例涉及的知識(shí)點(diǎn)以及相關(guān)重點(diǎn)難點(diǎn)；本章的其他知識(shí)點(diǎn)由學(xué)生利用線上精品課程平臺(tái)自主學(xué)習(xí)，在章節(jié)測(cè)試中對(duì)所有知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行考查，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)時(shí)不足的情況下保證教學(xué)質(zhì)量的目標(biāo)。由于線上教學(xué)平臺(tái)不受課時(shí)的嚴(yán)格限制，因此課程內(nèi)容和教學(xué)形式可以靈活多樣，除了核心知識(shí)點(diǎn)的講解外還可以包括相關(guān)知識(shí)的擴(kuò)展，通過圖文、音頻、視頻等形式讓學(xué)習(xí)變得更輕松，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.5 翻轉(zhuǎn)課堂——保持互動(dòng)

目前很多課堂教學(xué)中存在的問題是：教師感覺課時(shí)有限，只顧一味地講解知識(shí)點(diǎn)向前趕進(jìn)度，與學(xué)生的互動(dòng)太少，看起來(lái)似乎節(jié)省了時(shí)間；其實(shí)由于學(xué)生受傳統(tǒng)填鴨式學(xué)習(xí)方式的影響，只是默默地被動(dòng)聽講，導(dǎo)致興趣喪失，課上學(xué)習(xí)效率低、課下不愿主動(dòng)學(xué)的問題。建議采用翻轉(zhuǎn)課堂，課堂上充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)參與度，課下調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)積極性，從而提高學(xué)習(xí)效率、彌補(bǔ)學(xué)時(shí)不足的問題。

首先，針對(duì)下節(jié)課的案例布置適量任務(wù)，讓學(xué)生思考該案例在實(shí)際應(yīng)用中的需求分析、解決該問題采用的算法或思路，課堂隨機(jī)安排人員匯報(bào)，匯報(bào)結(jié)果記為平時(shí)課堂成績(jī)；其次，案例之外的知識(shí)點(diǎn)需要通過線上平臺(tái)自學(xué)，下次課前10分鐘進(jìn)行無(wú)紙化測(cè)試；第三，在授課過程中遇到重要的歷史知識(shí)點(diǎn)，隨時(shí)通過課堂管理系統(tǒng)軟件隨機(jī)提問，避免學(xué)生走神溜號(hào)、充分做好前面章節(jié)的復(fù)習(xí)工作。這些做法看似浪費(fèi)了課堂時(shí)間，由于充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的課下自主學(xué)習(xí)時(shí)間，不但可以保證教學(xué)進(jìn)度，而且由于學(xué)生的主動(dòng)參與還可以提升學(xué)習(xí)效果。

2.6 階梯制綜合作品任務(wù)——魚躍龍門

建議整門課程針對(duì)不同專業(yè)設(shè)計(jì)3～4個(gè)解決實(shí)際問題的綜合案例，教師給出核心功能，引導(dǎo)學(xué)生思考其在實(shí)際應(yīng)用中更加完善的功能需求，通過分組匯報(bào)得到較為完整的需求分析。考慮到不同學(xué)生的發(fā)展目標(biāo)不同、能力不同、興趣不同，可以設(shè)定階梯制任務(wù)，學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇不同的層級(jí)。這樣既可以避免有的學(xué)生面對(duì)綜合任務(wù)望而卻步，也可以鼓勵(lì)精英式學(xué)生的進(jìn)一步自由發(fā)揮。

例如思政元素案例“繪制代表世界和平手拉手的奧運(yùn)五環(huán)”。入門級(jí)為能夠繪制出上排并列3個(gè)、下排并列2 個(gè)、顏色正確的五環(huán)示意圖，考查學(xué)生利用turtle繪圖時(shí)抬落筆、定位、畫圓等基本能力，最高得分60；基礎(chǔ)級(jí)在入門級(jí)的基礎(chǔ)上，要求五環(huán)的嵌套關(guān)系準(zhǔn)確，考查學(xué)生精準(zhǔn)定位繪制圓弧的能力，最高得分80；進(jìn)階級(jí)在基礎(chǔ)級(jí)的基礎(chǔ)上，要求自行檢索奧運(yùn)五環(huán)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，繪制出圓環(huán)半徑、邊框?qū)挾取A環(huán)間距、上下排行距均精準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)奧運(yùn)五環(huán)圖案，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的能力和精神，最高得分100。在2023年春季學(xué)期最終上交的作品中選擇這三個(gè)層級(jí)的比例分別為1.29%、27.95%、70.76%，如圖1 所示。結(jié)果表明絕大部分學(xué)生對(duì)繪制標(biāo)準(zhǔn)的奧運(yùn)五環(huán)具有濃厚的興趣，樂于通過自主學(xué)習(xí)的方式自行收集資料完成有實(shí)際意義的任務(wù)。

再如身份證號(hào)碼校驗(yàn)。目前各網(wǎng)站通常只提供針對(duì)長(zhǎng)度的校驗(yàn)，如果用戶錄錯(cuò)了一位或幾位，系統(tǒng)不會(huì)提示錯(cuò)誤，這將導(dǎo)致網(wǎng)上看病預(yù)約成功、醫(yī)院現(xiàn)場(chǎng)身份證校驗(yàn)不通過導(dǎo)致無(wú)法看病；甚至網(wǎng)上報(bào)名、考試、下發(fā)證書都“正常”，找工作時(shí)被用人單位以證書中身份證號(hào)碼與本人不符而被認(rèn)定為假證的情況發(fā)生，因此提供更為精準(zhǔn)的輔助校驗(yàn)功能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。任務(wù)的第1層級(jí)為正確判斷用戶錄入的ID長(zhǎng)度是否合法、ID號(hào)碼的最后1位（校驗(yàn)位）是否正確，最高得分65；第2層級(jí)在第1層級(jí)基礎(chǔ)上，增加對(duì)出生日期的合法性校驗(yàn)（避免未來(lái)人、超級(jí)壽星、4月31日/2月30日等非法日期），并匯報(bào)出生日期和性別（供用戶檢查參考），最高得分75；第3層級(jí)在第2層級(jí)基礎(chǔ)上，增加對(duì)前6位地區(qū)碼的校驗(yàn)功能，并匯報(bào)出生地信息，最高得分85；第4層級(jí)在第3層級(jí)基礎(chǔ)上，增加GUI圖形界面設(shè)計(jì)功能，最高得分95；第5層級(jí)在第4層級(jí)基礎(chǔ)上，增加程序打包發(fā)布exe格式運(yùn)行文件的功能，最高得分100。最終選擇五個(gè)層級(jí)的人數(shù)分布如圖2所示，結(jié)果顯示選擇完成所有課堂講授知識(shí)點(diǎn)的人數(shù)為48.57%，自學(xué)GUI完成圖形化界面設(shè)計(jì)的人數(shù)為26.77%，自學(xué)打包發(fā)布徹底完成整個(gè)任務(wù)的人數(shù)為8.22%。選擇課外自主學(xué)習(xí)的總?cè)藬?shù)合計(jì)為34.99%，超過三分之一，由此表明以上措施對(duì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力具有顯著的成效。

2.7 提供合適的編程語(yǔ)言——提供利器

工欲善其事必先利其器，不同專業(yè)、不同方向、不同興趣的學(xué)生具有解決不同實(shí)際問題的需求，選擇適當(dāng)?shù)木幊陶Z(yǔ)言可以更加高效地工作。鑒于Python語(yǔ)言擁有功能強(qiáng)大、領(lǐng)域廣泛、數(shù)量眾多的功能庫(kù)，可大幅減少數(shù)據(jù)處理的代碼量，建議學(xué)校整體范圍內(nèi)優(yōu)先選用Python語(yǔ)言。此外，為滿足不考研、沒有大量科研數(shù)據(jù)進(jìn)行高級(jí)處理分析任務(wù)、只需要利用Excel高效辦公學(xué)生的需求，建議提供VBA編程語(yǔ)言；針對(duì)需要?jiǎng)討B(tài)網(wǎng)站開發(fā)的學(xué)生，建議提供C#語(yǔ)言。這些語(yǔ)言的課程建議同時(shí)開設(shè)，學(xué)生根據(jù)自己的需求隨便選擇。

2.8“ 1+X”擴(kuò)展——極限誘惑

多年與專業(yè)領(lǐng)域教師合作的科研工作經(jīng)歷表明，醫(yī)藥領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言在專業(yè)研究中最重要的三大需求為大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化、利用網(wǎng)絡(luò)爬蟲從互聯(lián)網(wǎng)中獲取相關(guān)研究數(shù)據(jù)。為了能夠讓計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)這門基礎(chǔ)課更好地為專業(yè)服務(wù)，借助“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境在承建的遼寧省跨校選修一流課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)中，在Python通識(shí)課程的基礎(chǔ)上增加了大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化、網(wǎng)絡(luò)爬蟲三個(gè)專業(yè)擴(kuò)展模塊，每個(gè)模塊包含2～3個(gè)典型專業(yè)案例。每名學(xué)生可以根據(jù)自己制定的未來(lái)專業(yè)發(fā)展方向和興趣任選其中1個(gè)模塊進(jìn)行課外自主學(xué)習(xí)，并至少完成其中1個(gè)案例。目的是提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、培養(yǎng)學(xué)生利用Python的第三方功能庫(kù)解決相應(yīng)專業(yè)問題的意識(shí)，激發(fā)學(xué)生課外尤其是利用假期主動(dòng)自主學(xué)習(xí)更多解決專業(yè)問題的興趣，為后期專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和科研奠定基礎(chǔ)。結(jié)果顯示，期末提交完成的案例數(shù)量達(dá)到兩個(gè)及以上的學(xué)生占比47.26%，有意愿假期學(xué)習(xí)更多擴(kuò)展模塊和案例的學(xué)生占比69.71%。表明學(xué)生對(duì)于具有明確實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的知識(shí)點(diǎn)更愿意花費(fèi)時(shí)間進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過多種改革方法的聯(lián)合應(yīng)用可以較大程度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。通過案例式教學(xué)和綜合作品任務(wù)相結(jié)合，可以使學(xué)生達(dá)到學(xué)以致用、培養(yǎng)計(jì)算思維能力、提升其解決專業(yè)實(shí)際問題的技能，最終實(shí)現(xiàn)OBE的培養(yǎng)目標(biāo)。采用本教學(xué)改革模式以來(lái)展示出了良好的教學(xué)效果，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、實(shí)踐能力、科研創(chuàng)新能力得到了顯著提升。近五年來(lái)，計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程的授課教師指導(dǎo)本科生參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的項(xiàng)目逐步增加，獲得國(guó)家級(jí)、省級(jí)項(xiàng)目的比例大幅提升；指導(dǎo)本科生參加省級(jí)以上各類計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽獲一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、二等獎(jiǎng)8項(xiàng)、三等獎(jiǎng)14項(xiàng)；指導(dǎo)本科生獨(dú)立或參與教師科研發(fā)表論文7篇；獲得學(xué)生和教學(xué)督導(dǎo)對(duì)該課程的教學(xué)效果評(píng)價(jià)全部為優(yōu)秀。