程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革

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摘要：針對程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)效果欠佳的情況，以新工科建設(shè)和工程教育認(rèn)證為契機(jī)，以《華盛頓協(xié)議》提出的“以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”教育理念為指導(dǎo)，以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力為目標(biāo)，根據(jù)畢業(yè)要求及對應(yīng)的畢業(yè)能力分解指標(biāo)點(diǎn)，提出對課程教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行修訂，設(shè)計(jì)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，最后說明教學(xué)反饋情況。

關(guān)鍵詞：工程教育認(rèn)證；復(fù)雜工程問題；產(chǎn)出導(dǎo)向；反向設(shè)計(jì)；教學(xué)改革

0引言

隨著新經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，當(dāng)前計(jì)算機(jī)專業(yè)人才無論從數(shù)量還是質(zhì)量上都無法完全滿足社會發(fā)展的需求。2017年，教育部在“教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知”中指出，新工科研究和實(shí)踐圍繞工程教育改革的新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系開展[1]，而工程教育專業(yè)認(rèn)證[2]則為工程教育改革提供質(zhì)量保障。在此背景下，以工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)[3]（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）和《華盛頓協(xié)議》[4]）為指導(dǎo)，開展高校工程教育改革和創(chuàng)新,促進(jìn)工程教育質(zhì)量的全面提升,為新經(jīng)濟(jì)發(fā)展培養(yǎng)新工科人才迫在眉睫。

1教育理念更新

工程教育的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生深入運(yùn)用工程原理和各種工程知識，分析和解決復(fù)雜工程問題[5]。程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)是為程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)置的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決復(fù)雜工程問題的一門實(shí)踐課程，在計(jì)算機(jī)專業(yè)的課程體系中具有舉足輕重的地位。通過分析以往的課堂教學(xué)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)方式[6]難以達(dá)到理想的教學(xué)效果，具體體現(xiàn)在：①在教學(xué)方式上，以教師為主導(dǎo)，學(xué)生被動學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)積極性不高；②在教學(xué)內(nèi)容上，以知識學(xué)習(xí)為主，學(xué)生好不容易學(xué)會了各種語法卻不知道所學(xué)知識有何用處；③在教學(xué)效果上，大部分學(xué)生應(yīng)試能力較強(qiáng)，但解決復(fù)雜工程問題的能力卻得不到提高，導(dǎo)致畢業(yè)后學(xué)生的能力無法和社會需求接軌。針對教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題，課程以《華盛頓協(xié)議》提出的“以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向（OutcomeBasedEducation，OBE）、持續(xù)改進(jìn)（ContinueQualityImprovement，CQI）”三大教育理念[4]為指導(dǎo)，以培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題能力為目標(biāo)開展課程改革與實(shí)踐。

2合理的教學(xué)設(shè)計(jì)構(gòu)建

根據(jù)吉林大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)、結(jié)合《標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的畢業(yè)要求，學(xué)校制訂畢業(yè)要求，將畢業(yè)要求中的各項(xiàng)畢業(yè)能力分解并映射到課程體系的每一門課程，各門課程再依據(jù)自身支撐的指標(biāo)點(diǎn)自上而下地對教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)策略和教學(xué)實(shí)施等各環(huán)節(jié)進(jìn)行反向設(shè)計(jì)，形成課程教學(xué)思路。

2.1專業(yè)畢業(yè)要求

畢業(yè)要求確定后，將畢業(yè)要求的實(shí)現(xiàn)過程逐一分解映射到各門課程的課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)等教學(xué)環(huán)節(jié)，從而完成從日常教學(xué)到畢業(yè)要求，再從畢業(yè)要求到培養(yǎng)目標(biāo)的層層支撐關(guān)系。畢業(yè)要求不僅要支撐本專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，也要支撐《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的畢業(yè)要求。依據(jù)2011年國家工程教育認(rèn)證的反饋意見，我們對本專業(yè)在現(xiàn)行培養(yǎng)方案[7]基礎(chǔ)上制定了2018版培養(yǎng)方案[8]，對專業(yè)畢業(yè)要求作了相應(yīng)修訂，使專業(yè)畢業(yè)要求完全覆蓋《標(biāo)準(zhǔn)》中12條畢業(yè)要求。達(dá)成《標(biāo)準(zhǔn)》畢業(yè)要求不只是一門課程的目標(biāo)，也不是一位教師的責(zé)任，它需要本專業(yè)擔(dān)任教學(xué)的全體教師、從事教學(xué)管理的全體職員、專業(yè)負(fù)責(zé)人、學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)以及學(xué)校相關(guān)部門的共同努力，才能勝任和完成[9]。在具體開展能力培養(yǎng)工作前，需要將本專業(yè)各項(xiàng)畢業(yè)能力予以分解和落實(shí)。本課程作為計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系的一員，為最終達(dá)成畢業(yè)要求承擔(dān)了相應(yīng)的支撐工作。作為專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，本課程重點(diǎn)對專業(yè)畢業(yè)要求③“掌握計(jì)算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成、開發(fā)及工程應(yīng)用的基本方法，能夠綜合運(yùn)用理論和技術(shù)手段設(shè)計(jì)解決復(fù)雜工程問題的方案，設(shè)計(jì)滿足特定需求的計(jì)算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)，能夠?qū)?chuàng)新意識體現(xiàn)到設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中；具備在設(shè)計(jì)/開發(fā)中考慮社會、健康、安全、法律、文化及環(huán)境等因素的基本素養(yǎng)”和畢業(yè)要求⑨“具有一定的獨(dú)立工作能力、組織管理能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，能夠在多學(xué)科背景下的團(tuán)隊(duì)中承擔(dān)各種角色”進(jìn)行支撐。

2.2課程教學(xué)目標(biāo)

可以看出本課程教學(xué)目標(biāo)的核心是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，因此課程的后續(xù)環(huán)節(jié)主要圍繞該核心開展工作。

2.3課程內(nèi)容選擇和設(shè)計(jì)

如何為學(xué)生選擇并設(shè)計(jì)合適的課程設(shè)計(jì)題目是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的關(guān)鍵要素之一?？紤]到本課程的受眾為計(jì)算機(jī)專業(yè)本科一年級學(xué)生，大部分學(xué)生僅有程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論課和實(shí)驗(yàn)課所學(xué)的基礎(chǔ)知識，因此在題目設(shè)計(jì)上既要考慮課程所支撐的畢業(yè)要求，又要兼顧受眾的專業(yè)基礎(chǔ)，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況設(shè)計(jì)課程內(nèi)容。針對教學(xué)目標(biāo)①，課程內(nèi)容應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)綜合性、較大規(guī)模的工程問題，該問題符合復(fù)雜工程的特征，有一定的挑戰(zhàn)性又不失生活化，利于學(xué)生反向分析該工程并找出所需專業(yè)知識，進(jìn)而通過設(shè)計(jì)、編寫、調(diào)試、測試的軟件開發(fā)過程，培養(yǎng)學(xué)生初步解決復(fù)雜工程問題的能力。針對教學(xué)目標(biāo)②，本課程設(shè)計(jì)設(shè)置3~4人為一組，分組完成課程內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的組織管理能力和團(tuán)隊(duì)合作能力[10]。

2.4課程教學(xué)策略設(shè)計(jì)

教學(xué)策略是為實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)而制訂的、付諸教學(xué)過程實(shí)施的整體方案，包括合理組織教學(xué)過程、選擇具體的教學(xué)方法和材料、制訂教師與學(xué)生遵守的教學(xué)行為程序等[11]。為有效開展致力于培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題能力的教學(xué)，教學(xué)策略設(shè)計(jì)著重從以下4個(gè)方面考慮。（1）強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心。教師的身份從課堂的主導(dǎo)者轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)者，通過診斷、評價(jià)、反饋以及建設(shè)性介入等策略，協(xié)助學(xué)生達(dá)成預(yù)期成果[11]。（2）強(qiáng)調(diào)產(chǎn)出導(dǎo)向。面向產(chǎn)出的教育與面向課程的教育（Competencybasededucation,簡稱CBE）的區(qū)別，關(guān)鍵在于“追求的是產(chǎn)出（能力），還是輸入（知識/課程）”。課程強(qiáng)調(diào)產(chǎn)出導(dǎo)向，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)中畢業(yè)能力要求，對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)策略進(jìn)行反向設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。課程主體上采用基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)（Project-BasedLearning，PBL）策略，讓學(xué)生從一個(gè)生活中可以接觸到的實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)出發(fā)，分析目標(biāo)系統(tǒng)，逐步推導(dǎo)并設(shè)計(jì)各個(gè)模塊及相應(yīng)的解決方案，最終實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜工程問題的求解。（3）強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)合作。課程的教學(xué)過程貫穿基于團(tuán)隊(duì)的學(xué)習(xí)（Team-BasedLearning，TBL）、合作學(xué)習(xí)（CollaborativeLearning，CL）等教學(xué)策略。學(xué)生以小組為單位，根據(jù)給定的復(fù)雜工程問題討論工程需求，進(jìn)而分析、設(shè)計(jì)并編碼實(shí)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)。一方面，團(tuán)隊(duì)成員為達(dá)成團(tuán)隊(duì)成果而合作學(xué)習(xí)；另一方面，每個(gè)團(tuán)隊(duì)成員有不同的分工，通過自我挑戰(zhàn)和自我競爭提升自身能力。（4）強(qiáng)調(diào)教學(xué)手段情景化。在課程的驗(yàn)收階段采用角色學(xué)習(xí)（RolePlayLearning）法。很多計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生習(xí)慣于站在開發(fā)人員的立場思考問題，認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能就萬事大吉了，這種自我定位直接導(dǎo)致設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)過程中對用戶體驗(yàn)的忽視，進(jìn)而引發(fā)系統(tǒng)開發(fā)與維護(hù)時(shí)的諸多問題。為了改變這種狀況，在測試和驗(yàn)收階段，學(xué)生切換角色、從使用者的角度使用、評估其他小組的系統(tǒng)。

3教學(xué)實(shí)施

在選題階段，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)為2017級計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生設(shè)計(jì)的題目為“利用C語言實(shí)現(xiàn)校園卡管理信息系統(tǒng)”，選題的具體要求中只列出各小組必須達(dá)到的基本要求，并鼓勵(lì)學(xué)生在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展。該選題具備復(fù)雜工程問題的特征，可以鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決復(fù)雜工程問題能力。同時(shí)，該校園卡管理信息系統(tǒng)是學(xué)生們每天都能接觸并使用的實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)，教學(xué)內(nèi)容的生活化可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，很適合剛剛接觸專業(yè)知識的學(xué)生從系統(tǒng)角度開展項(xiàng)目需求分析等工作。該題目無論從規(guī)模上還是從復(fù)雜性上，對處于入門階段的一年級本科生都是極具挑戰(zhàn)性的。每個(gè)階段的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)如下。（1）需求分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，安排4學(xué)時(shí)。本階段學(xué)生對系統(tǒng)需求、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、任務(wù)分工等進(jìn)行組內(nèi)討論，強(qiáng)調(diào)站在系統(tǒng)的高度，以系統(tǒng)的視角分析問題。（2）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)階段，安排8學(xué)時(shí)。采用合作學(xué)習(xí)法，每個(gè)組員完成各自分工模塊的編碼實(shí)現(xiàn)，最終各模塊整合成一個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)。本階段教師不進(jìn)行知識點(diǎn)的講解，而要求學(xué)生根據(jù)第1階段討論的分工分析實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的知識（可能包括課堂上沒有學(xué)過的知識），并通過與教師或同學(xué)討論、查閱文獻(xiàn)資料、瀏覽技術(shù)論壇、搜索網(wǎng)絡(luò)資源等多種渠道解決該過程中遇到的困難。此方法引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、積極思考，促使學(xué)生逐漸養(yǎng)成獨(dú)立分析、自主探索的學(xué)習(xí)習(xí)慣。（3）系統(tǒng)測試階段，安排2學(xué)時(shí)。教學(xué)過程中采用角色扮演法，要求不同小組之間交換測試、使用其他小組的系統(tǒng)，每個(gè)小組扮演另一個(gè)小組的“客戶”角色。實(shí)踐證明，該方法對幫助學(xué)生深入理解客戶的需求和提高對客戶體驗(yàn)的重視程度有積極作用，大部分學(xué)生在使用了其他小組的系統(tǒng)之后，能立即意識到良好用戶體驗(yàn)的重要性，從而在教師驗(yàn)收之前對自己的系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)。（4）驗(yàn)收階段，安排2學(xué)時(shí)。按照平時(shí)考核、代碼和實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量、任務(wù)分工和完成比例、界面設(shè)計(jì)和答辯情況等因素綜合評定最終成績。在驗(yàn)收過程中，教師隨機(jī)選擇一位非組內(nèi)成員的學(xué)生作為操作者，以用戶的角色輔助教師對程序進(jìn)行驗(yàn)收，并在使用結(jié)束時(shí)為該小組設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的軟件給出至少1個(gè)修改意見或建議。實(shí)踐證明，所有扮演該角色的學(xué)生均可客觀公正地提出建設(shè)性意見，進(jìn)而主動思考自己小組系統(tǒng)的不足之處。本課程的整個(gè)教學(xué)過程強(qiáng)調(diào)了學(xué)習(xí)過程中以學(xué)生為中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向的理念，使學(xué)生進(jìn)行自我管理，充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題和自主學(xué)習(xí)的能力，教學(xué)取得了良好的效果。各階段均支撐課程的教學(xué)目標(biāo)①和教學(xué)目標(biāo)②。

4教學(xué)反饋

為獲取教學(xué)效果的反饋信息，我們對剛剛結(jié)束本課程的2017級計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生開展問卷調(diào)查，同時(shí)征集對課程教學(xué)的意見和建議。教師共發(fā)放問卷130份，收回121份，其中無效問卷2份。通過對119份有效問卷統(tǒng)計(jì)分析，得到以下反饋信息：①在教學(xué)內(nèi)容方面，參與調(diào)查問卷的學(xué)生中，68%的學(xué)生認(rèn)為題目比較難；83%的學(xué)生在16學(xué)時(shí)內(nèi)不能全部完成題目要求，其中大部分學(xué)生需要額外學(xué)習(xí)10~24小時(shí)；所有參與調(diào)查問卷的學(xué)生均認(rèn)為通過本課程，加深了對理論課所學(xué)知識的理解。②在對畢業(yè)要求的支撐情況方面，認(rèn)為該課程對于表1中的分解指標(biāo)點(diǎn)③-1、指標(biāo)點(diǎn)③-2和指標(biāo)點(diǎn)⑨-1起到支撐作用的學(xué)生分別占98%、97%和97%。從程序驗(yàn)收情況和學(xué)生調(diào)查問卷來看，課程基本達(dá)到了預(yù)期，取得了如下成果：①教師從課堂主導(dǎo)者轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)者，學(xué)生從被動學(xué)習(xí)改變?yōu)樽晕夜芾?，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力；②改變了學(xué)生不知所學(xué)知識究竟有何用處的尷尬狀況，把一學(xué)期所學(xué)的理論知識直接轉(zhuǎn)化為工程項(xiàng)目的要素，實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)“麻雀雖小，五臟俱全”的工程項(xiàng)目，極大地提升了學(xué)生的自信和成就感；③學(xué)生學(xué)會從系統(tǒng)的角度看問題，根據(jù)系統(tǒng)反推所需知識，鍛煉了初步解決復(fù)雜工程問題的能力。本專業(yè)先后于2011年和2017年參加工程教育認(rèn)證，兩次均順利通過，2017年獲得了有條件6年有效期的結(jié)論，本課程作為專業(yè)課程體系的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，積極開展課程改革與創(chuàng)新，對最終達(dá)成《認(rèn)證》畢業(yè)要求作出了預(yù)期的貢獻(xiàn)。

5持續(xù)改進(jìn)

吉林大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)建立了基于教學(xué)質(zhì)量評價(jià)、基于畢業(yè)生反饋信息和基于社會評價(jià)結(jié)果的持續(xù)改進(jìn)機(jī)制。根據(jù)合理性評價(jià)意見，結(jié)合國家政策、社會需求、學(xué)校定位、教育教學(xué)改革等多方因素，每4年對專業(yè)培養(yǎng)方案進(jìn)行一次大修訂，每年對課程設(shè)置進(jìn)行微調(diào)。2017年，本專業(yè)以工程教育認(rèn)證為契機(jī)，進(jìn)一步改進(jìn)本科培養(yǎng)方案，完成了2018版培養(yǎng)方案的修訂工作。專業(yè)在新培養(yǎng)方案中進(jìn)一步完善與課程體系及教學(xué)過程直接相關(guān)的畢業(yè)要求，除了將畢業(yè)生知識、能力和素質(zhì)要求修訂完善成完全覆蓋《標(biāo)準(zhǔn)》現(xiàn)行的12條畢業(yè)要求外，還強(qiáng)調(diào)對解決復(fù)雜工程問題的要求，畢業(yè)要求中體現(xiàn)復(fù)雜工程問題的重要特征，強(qiáng)調(diào)工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，尤其是解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。結(jié)合本專業(yè)畢業(yè)生調(diào)查問卷和學(xué)生座談意見，在新版教學(xué)計(jì)劃中，程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論課課時(shí)在原基礎(chǔ)上減少16學(xué)時(shí)，程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)在原基礎(chǔ)上增加16學(xué)時(shí)，切實(shí)為提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力創(chuàng)造條件。結(jié)合2017級本專業(yè)本科生的調(diào)查問卷反饋，程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)擬在2018級的理論課教學(xué)中采用小班授課模式，實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中安排更多綜合性和設(shè)計(jì)性題目，程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)繼續(xù)保持對學(xué)生具有挑戰(zhàn)性的難度。本課程將繼續(xù)改革創(chuàng)新，為最終達(dá)成工程教育的畢業(yè)要求不斷提升課程教學(xué)質(zhì)量。

6結(jié)語

通過應(yīng)屆和歷屆學(xué)生評估反饋的結(jié)果，本專業(yè)及本課程梯隊(duì)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)教學(xué)過程中存在的問題并積極改進(jìn)，教學(xué)質(zhì)量不斷得到提升。隨著新工科建設(shè)和工程教育認(rèn)證工作的推進(jìn)，隨著對“解決復(fù)雜工程問題能力”的理解的深入，課程團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)改革程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)，將教學(xué)反饋與預(yù)定教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行對照，使課程教學(xué)始終處于持續(xù)改進(jìn)的狀態(tài)。

作者：鄧春燕 周治國 陳娟 呂帥 單位：吉林大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 東北師范大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院