孔維廣，魏媛媛，李 帆，鄧在輝，陳常念

（武漢紡織大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

普通高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生必須打下堅(jiān)實(shí)的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，C語(yǔ)言是許多高校的第一門計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程。由于C語(yǔ)言本身的特點(diǎn)以及課時(shí)的限制，許多學(xué)生尤其是地方高校的學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中遇到較多的問(wèn)題，學(xué)習(xí)效果不理想[1]。如何利用有限的資源因材施教，積極探索先進(jìn)的教學(xué)方法來(lái)提高教學(xué)質(zhì)量將是研究的重點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外產(chǎn)生了大量的研究成果，這些工作可分為政策型研究和教學(xué)型研究?jī)煞N，其中教學(xué)型研究主要是從具體的計(jì)算機(jī)教學(xué)過(guò)程入手進(jìn)行教學(xué)方案的創(chuàng)新[2]。文獻(xiàn)[3]在C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程中對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行新的解構(gòu)，以適用于目標(biāo)教學(xué)；文獻(xiàn)[4]將計(jì)算思維融入教學(xué)案例設(shè)計(jì)和啟發(fā)式C語(yǔ)言語(yǔ)法教學(xué)；文獻(xiàn)[5]主要研究CDIO模式在C語(yǔ)言教學(xué)模式上的應(yīng)用，這些研究都要求堅(jiān)實(shí)的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)。本文研究的重點(diǎn)是如何改進(jìn)教學(xué)過(guò)程，讓地方院校的學(xué)生高效地獲得扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)。

1 地方院校C語(yǔ)言教學(xué)中存在的問(wèn)題

地方院校的部分學(xué)生高中階段的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)參差不齊，邏輯和抽象思維能力不足，缺乏良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，但C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教學(xué)組織未按零起點(diǎn)來(lái)安排，加上課時(shí)數(shù)有限，導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。

從學(xué)生的角度來(lái)看，C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)過(guò)程中存在的主要問(wèn)題有知識(shí)點(diǎn)理解和記憶困難，有限的課時(shí)內(nèi)學(xué)習(xí)效率偏低，課后練習(xí)困難大，綜合練習(xí)困難更大，同時(shí)日均代碼量和最大程序代碼行數(shù)均不足。導(dǎo)致出現(xiàn)這些問(wèn)題的一部分原因是學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力不足，主要原因是教學(xué)方法未達(dá)到因材施教的效果。

2 DEIPE教學(xué)方案

2.1 環(huán)節(jié)設(shè)置

DEIPE 是 演 示（demonstration）、 講 解（explanation）、 模 仿（imitation）、 獨(dú) 立 實(shí) 踐（practice）和強(qiáng)化（enhancement）這幾個(gè)單詞的縮寫，將教學(xué)過(guò)程分成5個(gè)串行環(huán)節(jié)，如圖1所示。

圖1 DEIPE示意圖

演示環(huán)節(jié)主要任務(wù)是讓學(xué)生快速明白本次教學(xué)要研究的問(wèn)題、問(wèn)題解決方案和解決方案的效果。在C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程中，對(duì)研究問(wèn)題的選擇實(shí)際上就是案例的選擇，而本次教學(xué)任務(wù)所要教授的主要知識(shí)點(diǎn)均蘊(yùn)藏在此案例的解決方案中，因此該環(huán)節(jié)的要點(diǎn)是精選合適的案例。

在案例演示結(jié)束之后，學(xué)生應(yīng)該已經(jīng)明白本次學(xué)習(xí)要解決的問(wèn)題以及問(wèn)題解決方案所得到的正確結(jié)果，然后進(jìn)入講解環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)包含本次課程要傳遞給學(xué)生的所有知識(shí)點(diǎn)以及分析在案例的解決方案中如何對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行組合運(yùn)用。

前兩個(gè)環(huán)節(jié)以教師為主導(dǎo)，由教師控制案例的選擇、知識(shí)點(diǎn)的講解和分析，學(xué)生以接受和理解為主。模仿環(huán)節(jié)則將教學(xué)主角讓給學(xué)生，讓學(xué)生動(dòng)手，完成案例的解決方案。C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)非常適合這種情景，在學(xué)生聽懂解決某個(gè)問(wèn)題的程序后，讓其動(dòng)手完成這個(gè)程序往往存在各種各樣的障礙，模仿環(huán)節(jié)則是消除這種障礙的主戰(zhàn)場(chǎng)。教師在模仿環(huán)節(jié)的角色轉(zhuǎn)化為檢查和監(jiān)督，可以對(duì)整體教學(xué)效果和個(gè)體學(xué)習(xí)效果進(jìn)行階段性檢查，并進(jìn)行反饋，如可以發(fā)現(xiàn)和解決個(gè)體所遇到的個(gè)性化障礙，也可以發(fā)現(xiàn)和解決整體性的困難和障礙。模仿環(huán)節(jié)是本教學(xué)方法中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

模仿環(huán)節(jié)成功結(jié)束表示學(xué)生已經(jīng)基本掌握本次教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，緊接而來(lái)的是獨(dú)立實(shí)踐環(huán)節(jié)，也就是給學(xué)生一個(gè)類似的任務(wù)，由學(xué)生當(dāng)場(chǎng)獨(dú)立解決。學(xué)生在前一環(huán)節(jié)模仿的基礎(chǔ)上，加以變通即可獨(dú)立完成新的任務(wù)，學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主角，遇到問(wèn)題既可以自行返回到上一環(huán)節(jié)尋求幫助，又可以找教師尋求幫助；教師在此環(huán)節(jié)的任務(wù)是指導(dǎo)，即在學(xué)生遇到變通運(yùn)用障礙的關(guān)鍵點(diǎn)上指導(dǎo)其變通運(yùn)用，若發(fā)現(xiàn)整體性的問(wèn)題可返回到相應(yīng)環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)充講解。獨(dú)立實(shí)踐環(huán)節(jié)的要點(diǎn)是選擇合適的任務(wù)并合理安排任務(wù)數(shù)量。

2.2 注意事項(xiàng)

獨(dú)立實(shí)踐環(huán)節(jié)的成功結(jié)束可以判定學(xué)生已掌握此次教學(xué)知識(shí)點(diǎn)。前4個(gè)環(huán)節(jié)在時(shí)間上應(yīng)相對(duì)緊湊，以對(duì)抗人類的遺忘曲線。對(duì)于獨(dú)立知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)而言，一般應(yīng)以前4個(gè)環(huán)節(jié)能夠在一個(gè)課堂教學(xué)單位中完成作為教學(xué)安排的原則。

強(qiáng)化環(huán)節(jié)是獨(dú)立實(shí)踐環(huán)節(jié)的延伸，一般體現(xiàn)為課后作業(yè)，此環(huán)節(jié)在時(shí)間上覆蓋兩次教學(xué)活動(dòng)的時(shí)間間隔，其難度與前面環(huán)節(jié)相比可以略有梯度，讓學(xué)生在強(qiáng)化的過(guò)程中感受到自己的進(jìn)步，從而最大程度地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

DEIPE教學(xué)方案的5個(gè)環(huán)節(jié)具有嚴(yán)格的前后邏輯關(guān)系，在后繼環(huán)節(jié)遇到障礙可以回溯前導(dǎo)環(huán)節(jié)，這種回溯既可以在教師的指導(dǎo)下完成，又可以由學(xué)生自主完成。模仿、獨(dú)立實(shí)踐和強(qiáng)化3個(gè)環(huán)節(jié)中學(xué)生的參與程度逐漸提高，啟發(fā)和研討活動(dòng)則在獨(dú)立實(shí)踐和強(qiáng)化兩個(gè)環(huán)節(jié)中廣泛存在。一個(gè)完整流程完成之后，學(xué)生往往能達(dá)到對(duì)當(dāng)次知識(shí)點(diǎn)的充分掌握。

3 教學(xué)實(shí)踐

武漢紡織大學(xué)將C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)分為I、II兩個(gè)階段，在第一學(xué)期開設(shè)48課時(shí)的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)（Ⅰ），重點(diǎn)教授獨(dú)立的知識(shí)點(diǎn)；在第二學(xué)期開設(shè)32課時(shí)的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)（Ⅱ），重點(diǎn)通過(guò)案例教學(xué)提升綜合編程能力。配套的支撐措施包括采取小班實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的形式組織課堂教學(xué)；平時(shí)作業(yè)采用可重復(fù)刷分的在線練習(xí)系統(tǒng)；考試方式采取機(jī)考方式。

3.1 獨(dú)立知識(shí)點(diǎn)教學(xué)

以while循環(huán)為例說(shuō)明獨(dú)立知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)情況，教案設(shè)計(jì)流程如下。

1）演示。

問(wèn)題選擇為“使用格雷戈里公式求π的近似值”，演示while循環(huán)實(shí)現(xiàn)程序，并觀察不同精度的計(jì)算結(jié)果。這一環(huán)節(jié)告訴學(xué)生今天要解決的問(wèn)題是什么，因?yàn)閷W(xué)生很容易理解求π的近似值這個(gè)問(wèn)題，但對(duì)計(jì)算機(jī)解決此問(wèn)題的方法還一無(wú)所知，所以均表現(xiàn)得興趣盎然。

2）講解。

此環(huán)節(jié)要講解主要的知識(shí)點(diǎn)，如循環(huán)的意義、循環(huán)流程圖的表示方法以及while語(yǔ)句表示循環(huán)的技巧與語(yǔ)法，配合1～2個(gè)畫流程圖和寫語(yǔ)句的練習(xí)來(lái)理解；然后進(jìn)入演示程序，講解演示程序的流程圖和語(yǔ)句表示，讓學(xué)生能讀懂演示程序。

3）模仿。

此環(huán)節(jié)要求學(xué)生當(dāng)場(chǎng)在限定的時(shí)間內(nèi)完成演示程序的流程圖和代碼并運(yùn)行出結(jié)果。此環(huán)節(jié)會(huì)遇到各種問(wèn)題，因此也是排除問(wèn)題的主戰(zhàn)場(chǎng)，教師的重點(diǎn)是盡可能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并當(dāng)場(chǎng)解決問(wèn)題，提前完成的學(xué)生還可以進(jìn)行調(diào)整精度的試驗(yàn)。

4）獨(dú)立實(shí)踐。

此環(huán)節(jié)要求學(xué)生當(dāng)場(chǎng)完成求階乘程序和統(tǒng)計(jì)整數(shù)位數(shù)程序。此階段學(xué)生會(huì)有主動(dòng)思考，教師的主要任務(wù)是幫助學(xué)生跨越障礙。

5）強(qiáng)化。

此環(huán)節(jié)要求學(xué)生課后作業(yè)完成判斷素?cái)?shù)程序和多次猜數(shù)游戲程序，還有一些選做題。此階段學(xué)生會(huì)有主動(dòng)探究，教師的主要任務(wù)是檢查作業(yè)情況，解決發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題并交流有創(chuàng)意的解決方案。檢查作業(yè)的工作可以交給在線練習(xí)系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)對(duì)學(xué)生作業(yè)給出評(píng)分，作為平時(shí)成績(jī)的依據(jù)。由于練習(xí)可以反復(fù)刷新，并且期末考試的編程題就是機(jī)考模式，能極大地提高學(xué)生練習(xí)的積極性。

3.2 綜合案例教學(xué)

在綜合編程能力教學(xué)階段，采用基于鏈表的綜合應(yīng)用案例，如基于鏈表的學(xué)生信息管理系統(tǒng)，涵蓋讀寫文件、記錄的增刪改查等功能，代碼總量一般在300行以上，完善的代碼可達(dá)到1 000行以上。案例被分解成5個(gè)模塊，分別是增加記錄、讀寫文件、刪除記錄、修改記錄和查詢記錄，每個(gè)模塊在一次教學(xué)單元中完成演示、講解和模仿3個(gè)環(huán)節(jié)，完成以后再進(jìn)行整個(gè)案例的獨(dú)立實(shí)踐，也就是完成一個(gè)新的基于鏈表的信息管理系統(tǒng)，并要求學(xué)生在課后自行進(jìn)行反復(fù)練習(xí)與改進(jìn)。第2學(xué)期的期末考試設(shè)置為在3小時(shí)內(nèi)當(dāng)場(chǎng)完成一個(gè)基于鏈表的信息管理系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)這個(gè)案例教學(xué)過(guò)程，學(xué)生的單個(gè)程序代碼量迅速上升，多數(shù)學(xué)生的程序代碼能達(dá)到500行以上，設(shè)計(jì)中大型程序的畏難心理消除，編程能力得到極大提升。

4 DEIPE教學(xué)方案實(shí)施效果

根據(jù)學(xué)習(xí)金字塔理論不同方式的學(xué)習(xí)效果[6]，DEIPE教學(xué)方案在演示和講解環(huán)節(jié)采用的基本屬于被動(dòng)學(xué)習(xí)方法，模仿環(huán)節(jié)屬于金字塔的“實(shí)踐”方式，獨(dú)立實(shí)踐環(huán)節(jié)和強(qiáng)化環(huán)節(jié)屬于金字塔的“應(yīng)用”學(xué)習(xí)方式，在學(xué)習(xí)金字塔中均屬于兩周后學(xué)習(xí)內(nèi)容平均保存率比較高的方式，見表1。

表1 DEIPE教學(xué)環(huán)節(jié)與學(xué)習(xí)金字塔理論對(duì)照

DEIPE教學(xué)方案支持“做中學(xué)”和“實(shí)際演練”，符合流行的CDIO理念，并且能很好地支持項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)[7]。

武漢紡織大學(xué)數(shù)計(jì)學(xué)院C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程組由5名教師組成，教師團(tuán)隊(duì)由課程組教師以及另外的10名教師組成，所有教師至少具備5年以上C語(yǔ)言教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，部分教師具備15年的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。從2015年至今，3年完整的以DEIPE教學(xué)方案為主要內(nèi)容的教學(xué)改革取得了良好效果。通過(guò)廣泛調(diào)查，師生的主觀感受發(fā)生巨大的變化，主要變化見表2。

表2 DEIPE教學(xué)方案推行前后師生的主觀感受對(duì)照

在考試成績(jī)方面，以武漢紡織大學(xué)數(shù)計(jì)學(xué)院2014級(jí)全體學(xué)生（368人，課程教學(xué)改革前）和2017級(jí)全體學(xué)生（384人，課程教學(xué)改革第3年）的第一學(xué)期期末考試卷面分分布比例數(shù)據(jù)作一個(gè)對(duì)比，試卷題型和分值相同，都是選擇20分，填空10分，判斷10分，程序填空20分（2題），程序設(shè)計(jì)40分（4題），試卷難度相當(dāng)。卷面得分分布比較情況見表3，可以看出，高分區(qū)人數(shù)比例增多，低分區(qū)人數(shù)比例減少。

表3 教學(xué)改革前后第一學(xué)期期末考試卷面分分布比例抽樣對(duì)照

5 結(jié) 語(yǔ)

C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程實(shí)踐性強(qiáng)，通過(guò)DEIPE教學(xué)方案能夠顯著提高學(xué)習(xí)效果以及學(xué)生的年度總代碼量和最大單個(gè)程序代碼量，有利于計(jì)算思維培養(yǎng)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，符合教學(xué)方法的發(fā)展趨勢(shì)，符合新時(shí)期培養(yǎng)目標(biāo)的要求[8]，對(duì)類似院校的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)具有較好的參考意義。