工程教育專業(yè)的程序設(shè)計(jì)課程改革

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摘要：分析計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)（C++）課程的教學(xué)實(shí)際，基于“以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向”的教育理念，結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證的培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求，介紹課程教學(xué)改革過程，從重構(gòu)課程體系、優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)課堂教學(xué)方法、加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)方面提出具體實(shí)施措施。

關(guān)鍵詞：畢業(yè)要求；復(fù)雜工程問題；課程體系；實(shí)踐環(huán)節(jié)

1課程教學(xué)中存在的主要問題

目前,高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的面向?qū)ο?a href="http://www.coffee125.com/lunwen/gcjylw/125460.html" target="_blank">程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)中存在著諸多問題，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）教學(xué)內(nèi)容上C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的前導(dǎo)課程是C語言程序設(shè)計(jì)，兩門課程的教學(xué)內(nèi)容沒有有效地進(jìn)行銜接。導(dǎo)致有些學(xué)生由于C語言基礎(chǔ)較差，特別是對(duì)函數(shù)、指針、結(jié)構(gòu)體等內(nèi)容理解不夠清晰透徹，而對(duì)C++的學(xué)習(xí)造成了一些障礙。另外，學(xué)生在學(xué)習(xí)C++時(shí)，容易受C語言面向過程編程模式的影響，很難轉(zhuǎn)變到用面向?qū)ο蟮木幊棠Ｊ饺ソ鉀Q問題。面向?qū)ο蟮幕靖拍钍恰胺庋b”和“類”，需要學(xué)生能夠針對(duì)實(shí)際生活中的各類對(duì)象，對(duì)其特征進(jìn)行數(shù)據(jù)抽象和功能抽象，而學(xué)生的思維停留在面向過程的程序設(shè)計(jì)思維方式上，無法很好地理解類的抽象、對(duì)象和類的關(guān)系等。（2）傳統(tǒng)的教學(xué)方法不利于學(xué)生學(xué)習(xí)掌握相關(guān)知識(shí)。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是以語法為核心，教材設(shè)計(jì)的例題多半也是為了鞏固相關(guān)的語法，很少有實(shí)際應(yīng)用相關(guān)的例子，不利于學(xué)生運(yùn)用面向?qū)ο蟮乃季S方式理解和解決問題。（3）課程實(shí)驗(yàn)效果較差。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)針對(duì)性和實(shí)用性不強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主，不能有效地激發(fā)學(xué)生的興趣和創(chuàng)新意識(shí)。

2基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的課程改革實(shí)施

2.1重構(gòu)課程體系

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程改革的第一步，就是根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證要求下新的培養(yǎng)目標(biāo)優(yōu)化課程體系，調(diào)整各門課程的教學(xué)內(nèi)容。課程組將原有的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)能力培養(yǎng)相關(guān)的課程整合為計(jì)算機(jī)科學(xué)與編程導(dǎo)論、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)3門課程，這3門課程在內(nèi)容上緊密銜接。計(jì)算機(jī)科學(xué)與編程導(dǎo)論的課程內(nèi)容側(cè)重計(jì)算機(jī)科學(xué)與編程方面的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，并且能夠應(yīng)用C語言編寫程序，具有基本的編寫和調(diào)試程序的能力，同時(shí)掌握結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的方法，養(yǎng)成良好的編程習(xí)慣，初步具備應(yīng)用高級(jí)語言設(shè)計(jì)程序以解決實(shí)際問題的能力。計(jì)算機(jī)科學(xué)與編程導(dǎo)論以順序表的實(shí)現(xiàn)作為課程內(nèi)容的綜合性小結(jié)。面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)側(cè)重“面向?qū)ο蟆钡幕靖拍詈退季S方式，以及面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的開發(fā)方法和技術(shù),語言采用C++。在具體教學(xué)內(nèi)容上以順序表的C語言實(shí)現(xiàn)為基礎(chǔ)，引入抽象、類的封裝、數(shù)據(jù)屬性、成員函數(shù)等概念，重新對(duì)順序表進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)一個(gè)順序表類。由于學(xué)生對(duì)順序表的基本功能在上一門課程中已經(jīng)熟悉并實(shí)現(xiàn)，所以在這門課程中只需側(cè)重于面向?qū)ο笙嚓P(guān)的概念和實(shí)現(xiàn)即可。然后引導(dǎo)學(xué)生思考順序表在實(shí)際應(yīng)用中的局限性，從而引入動(dòng)態(tài)數(shù)組、模板、繼承與多態(tài)等內(nèi)容，并以鏈表類模板及基于該模板的棧、隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)作為課程內(nèi)容的綜合性小結(jié)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步介紹樹、圖等結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，并能夠針對(duì)實(shí)際問題選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)清晰、正確易讀、復(fù)雜性較優(yōu)的算法。這樣，在3門課程學(xué)完后，學(xué)生就能夠運(yùn)用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的方法以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法知識(shí)求解實(shí)際中的工程應(yīng)用問題。在此基礎(chǔ)上，通過相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)課學(xué)習(xí)，能夠?qū)⑾嚓P(guān)知識(shí)用于解決計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題，從而達(dá)到本專業(yè)制定的畢業(yè)要求。

2.2優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

課程教學(xué)內(nèi)容是課程教學(xué)大綱的主體部分，而課程教學(xué)大綱又是指導(dǎo)課程教學(xué)的綱領(lǐng)性文件。根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，課程教學(xué)大綱明確指出課程教學(xué)目標(biāo)要對(duì)專業(yè)認(rèn)證中哪些畢業(yè)要求項(xiàng)提供支撐。因此，按照學(xué)院制定的專業(yè)認(rèn)證畢業(yè)要求，面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程的課程組結(jié)合本專業(yè)教學(xué)實(shí)際對(duì)各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的重要程度進(jìn)行了多次討論，將對(duì)各項(xiàng)畢業(yè)要求的支撐細(xì)分到每一章節(jié)，同時(shí)給出每一章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度和相應(yīng)的教學(xué)手段，進(jìn)一步明確課堂教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)要求。以湖北工業(yè)大學(xué)為例，面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程支撐的畢業(yè)要求有4個(gè)：①具備扎實(shí)的計(jì)算機(jī)工程基礎(chǔ)知識(shí)，了解通過計(jì)算機(jī)解決復(fù)雜工程問題的基本方法并遵循復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)的工程化基本要求；②能夠根據(jù)給出的實(shí)際工程案例提出問題及分析問題；③在充分理解計(jì)算機(jī)軟硬件及系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，能夠設(shè)計(jì)針對(duì)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的解決方案，設(shè)計(jì)或開發(fā)滿足特定需求和約束條件的軟硬件系統(tǒng)模塊或算法流程，并能夠進(jìn)行模塊和系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化；④能夠在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的預(yù)測(cè)、建模、模擬或解決過程中，開發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、軟硬件及系統(tǒng)資源、現(xiàn)代工程研發(fā)工具，提高解決復(fù)雜工程問題的能力和效率。

2.3改進(jìn)教學(xué)方法

課堂教學(xué)不再以教師為中心，針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容可以采用不同的教學(xué)方法，如案例式、問題驅(qū)動(dòng)式等。例如，在講解面向?qū)ο笞罨A(chǔ)的概念“類的封裝”時(shí)，以日常生活中的各種時(shí)鐘對(duì)象為案例[1]，讓學(xué)生思考各種不同外觀的時(shí)鐘具有哪些共同的、必需的數(shù)據(jù)，以及需要完成哪些基本的功能。當(dāng)學(xué)生歸納出基本的數(shù)據(jù)和功能后，讓學(xué)生體會(huì)類的封裝的實(shí)質(zhì)，然后結(jié)合C++的語法講解類的具體實(shí)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)鐘類實(shí)現(xiàn)后，可以在應(yīng)用程序中創(chuàng)建該類的一個(gè)對(duì)象，然后像日常生活中的時(shí)鐘一樣顯示具體的時(shí)間信息。通過這個(gè)案例教學(xué)，學(xué)生可以結(jié)合實(shí)際生活中最常見的例子體會(huì)抽象、封裝、類、對(duì)象、實(shí)例化等面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的基本概念。然而，在課堂中,案例教學(xué)并不適用于所有的教學(xué)內(nèi)容。有些教學(xué)內(nèi)容，如果案例較小，學(xué)生會(huì)認(rèn)為案例不實(shí)用，因而沒有興趣思考和完成。如果案例過大,涉及的知識(shí)和技術(shù)過多，教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)就不突出。這種情況可以考慮問題驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方式。具體實(shí)施時(shí)，學(xué)生按照老師預(yù)先給出的學(xué)習(xí)的內(nèi)容以及相關(guān)的參考書籍和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)[2]。在學(xué)習(xí)過程中如果遇到困難，建議首先采用網(wǎng)上搜索和同學(xué)之間相互討論交流來解決問題。如果還有無法解決的問題，可以通過QQ等方式與教師討論交流，教師在解決個(gè)別問題的同時(shí)也可以掌握學(xué)生的難點(diǎn)問題，在課堂教學(xué)時(shí)即可有針對(duì)性地突出重點(diǎn)難點(diǎn)。采用這種教學(xué)方式，學(xué)生通過課前的知識(shí)學(xué)習(xí)和討論，在課堂上就能夠更好地帶著重點(diǎn)和難點(diǎn)聽講，并能夠跟隨老師的節(jié)奏互動(dòng)和提出問題，而在解決問題過程中與同學(xué)和老師的討論交流，可以讓學(xué)生體驗(yàn)自主學(xué)習(xí)的樂趣，更能激發(fā)不同學(xué)生個(gè)體的學(xué)習(xí)興趣和成就感，充分發(fā)揮學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，同時(shí)還可以培養(yǎng)交流能力和表達(dá)能力。

2.4加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

按照工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，實(shí)踐教學(xué)的目的不僅僅是驗(yàn)證已知的理論，訓(xùn)練基本實(shí)驗(yàn)技能，更重要的是要培養(yǎng)學(xué)生具有實(shí)踐動(dòng)手能力，以及根據(jù)所學(xué)知識(shí)解決復(fù)雜工程問題的能力。目前面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)仍采用兩種方式：上機(jī)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)。但是實(shí)踐內(nèi)容已進(jìn)行了改革，在不同層次上培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。上機(jī)實(shí)驗(yàn)分成驗(yàn)證型和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)學(xué)生編寫測(cè)試程序、調(diào)試程序的能力。在此基礎(chǔ)上完成設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，該類型的實(shí)驗(yàn)以實(shí)際項(xiàng)目基礎(chǔ)部分的實(shí)現(xiàn)作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。最后，將設(shè)計(jì)型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目擴(kuò)展成課程設(shè)計(jì)，實(shí)踐內(nèi)容的復(fù)雜性和綜合性逐步遞增，不斷提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。仍以“繼承與多態(tài)”章節(jié)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)為例，驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生測(cè)試教材上的雇員“Employee”類的例子[3]，并給出不同的數(shù)據(jù)完成調(diào)試，理解繼承與多態(tài)的基本概念和實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的題目則是參考這個(gè)例子，實(shí)現(xiàn)一個(gè)人員基類，包括屬性姓名、性別、年齡，再由該基類派生出教師類和學(xué)生類，教師類增加工號(hào)、職稱和工資，學(xué)生類增加學(xué)號(hào)、年級(jí)、專業(yè)和入學(xué)成績(jī)。要求完成應(yīng)用程序，利用vector存放一組“人員”類指針，并根據(jù)人員類型的不同顯示不同的內(nèi)容，如教師除了顯示姓名、性別和年齡外，還要顯示工號(hào)、職稱和工資，學(xué)生則除了顯示姓名、性別和年齡外，還要顯示年級(jí)、專業(yè)和入學(xué)成績(jī)。以此實(shí)驗(yàn)的完成為基礎(chǔ)，學(xué)生可以將其擴(kuò)展成一個(gè)人員管理信息系統(tǒng)，并作為課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容。為了彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)的不足,進(jìn)一步調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、團(tuán)結(jié)合作和創(chuàng)新的能力,本課程也開設(shè)了課程設(shè)計(jì)。通過課程設(shè)計(jì)可以使學(xué)生加深理解所學(xué)的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí),并培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。針對(duì)不同學(xué)生的興趣，課程設(shè)計(jì)的題目分成三大類：管理信息系統(tǒng)類、應(yīng)用類和游戲類[4]。

3結(jié)語

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的教學(xué)中非常重要,近3年進(jìn)行的教學(xué)改革，將案例教學(xué)、問題驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法付諸實(shí)施，同時(shí)擴(kuò)展了課程設(shè)計(jì)選題所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域。這些措施有利于學(xué)生理解和掌握面向?qū)ο蟮木幊趟枷?，也有利于提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。以課程目標(biāo)達(dá)成度為例，2017級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程的成績(jī)，相對(duì)2016級(jí)的學(xué)生而言，對(duì)應(yīng)4個(gè)畢業(yè)要求的課程目標(biāo)的指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度平均提升0.1。

參考文獻(xiàn)：

[1]蒂芬•普拉達(dá).C++PrimerPlus中文版[M].6版.張海龍,袁國(guó)忠,譯.北京:人民郵電出版社,2012.

[2]王開麗.基于學(xué)習(xí)結(jié)果（OBE）的工程教育模式在Java面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2018,14(13):93-94.

[3]王立柱.C/C++與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[M].4版.北京:清華大學(xué)出版社,2016.

[4]付百文.強(qiáng)化案例教學(xué)的程序設(shè)計(jì)類課程體系改革[J].計(jì)算機(jī)教育,2015(16):40-43

作者：林姍 江南 劉偉 單位：湖北工業(yè)大學(xué)