李海豐 李俊生 謝麗霞 王宏偉 萬(wàn)小艷

摘 ?要： 為了應(yīng)對(duì)目前C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中面臨的諸多問(wèn)題及挑戰(zhàn)，提出了“三位一體”的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革方案。通過(guò)專題化教學(xué)內(nèi)容整合、立體化教學(xué)模式改革、多層次實(shí)驗(yàn)體系建設(shè)以及多維度課程考核等方式培養(yǎng)學(xué)生的“編程技能、算法知識(shí)、計(jì)算思維”。上述教學(xué)改革措施已在中國(guó)民航大學(xué)實(shí)踐了兩年，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞： 三位一體; C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì); 教學(xué)改革; 編程技能; 算法知識(shí); 計(jì)算思維

中圖分類號(hào)：TP311.1 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1006-8228（2019）11-93-03

Abstract： In order to cope with the problems and challenges in the teaching of C language programming course， a trinity teaching reform plan of C language programming course is put forward. Through thematic teaching content integration， three-dimensional teaching model reform， multi-level experimental system construction and multi-dimensional curriculum assessment， students' programming skill， algorithm knowledge， computational thinking are trained. The above-mentioned teaching reform measures have been practiced in Civil Aviation University of China for two years and have achieved good results.

Key words： trinity; C language programming; teaching reform; programming skill; algorithm knowledge; computational thinking

0 前言

自然科學(xué)領(lǐng)域有三個(gè)公認(rèn)的科學(xué)方法：理論方法、實(shí)驗(yàn)方法以及計(jì)算方法。與這三個(gè)科學(xué)方法對(duì)應(yīng)的三大科學(xué)思維分別是理論思維、實(shí)驗(yàn)思維以及計(jì)算思維[1]。計(jì)算思維是在2006年由美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真教授提出的。計(jì)算思維是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[2]。

1 “C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”是高等學(xué)校計(jì)算機(jī)公共基礎(chǔ)課，是大學(xué)通識(shí)教育的重要組成部分，也是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的基礎(chǔ)課程。以中國(guó)民航大學(xué)為例，“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程是所有非計(jì)算機(jī)理工科專業(yè)學(xué)生的公共基礎(chǔ)課，每年有超過(guò)3000名學(xué)生在大一的第二學(xué)期學(xué)習(xí)本課程?！癈語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程是高校計(jì)算機(jī)類通識(shí)教育的核心課程之一。然而，目前國(guó)內(nèi)很多高校開(kāi)設(shè)的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程仍存在以下問(wèn)題。

⑴ 教學(xué)知識(shí)點(diǎn)繁雜，教學(xué)課時(shí)不足

目前， “C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程教學(xué)內(nèi)容陳舊，仍然以全面的語(yǔ)法講解為主，課程教學(xué)內(nèi)容往往不能滿足信息技術(shù)發(fā)展和實(shí)踐需求，這些都成為阻礙教學(xué)改革與發(fā)展的重要因素。此外，還存在授課內(nèi)容繁雜，教師授課面面俱到，而一般高?！癈語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程的學(xué)時(shí)僅為48-54學(xué)時(shí)（其中理論課時(shí)34左右），導(dǎo)致教學(xué)課時(shí)明顯不足。

⑵ 教學(xué)模式不能激發(fā)學(xué)生興趣

“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程依然延續(xù)著以往“教師講，學(xué)生聽(tīng)，上機(jī)練”的教學(xué)模式，教師課堂講授理論知識(shí)部分，學(xué)生聽(tīng)課后通過(guò)上機(jī)操作實(shí)驗(yàn)部分。課程課內(nèi)學(xué)時(shí)有限，課外學(xué)時(shí)學(xué)生積極性不高，未能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

⑶ 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的外延性不夠

目前，實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅是課堂教學(xué)在計(jì)算機(jī)上的簡(jiǎn)單延續(xù)，以驗(yàn)證課堂所授知識(shí)為目的，無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)生的參與積極性，也不利于引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用，課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的外延性不夠，甚至導(dǎo)致學(xué)生感覺(jué)本課程與其他后續(xù)的專業(yè)課程關(guān)聯(lián)小，有學(xué)而無(wú)用的錯(cuò)覺(jué)。

⑷ 無(wú)法滿足培養(yǎng)學(xué)生“計(jì)算思維”的需求

目前的C語(yǔ)言課程授課存在重語(yǔ)法、輕算法、忽略思維的傾向性，即重視語(yǔ)法學(xué)習(xí)，很少涉及算法掌握，無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了面向“編程技能、算法知識(shí)、計(jì)算思維”三位一體的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革方案。

2 三位一體的教學(xué)改革

2.1 三位一體教學(xué)模式的內(nèi)涵與總體改革思路

采取“技能、知識(shí)、思維” [3]三位一體的教學(xué)模式，其具體內(nèi)涵及三者之間的關(guān)系如圖1所示。其中，編程技能是“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程應(yīng)該培養(yǎng)的最基本的能力，在掌握了一定的編程技能的基礎(chǔ)上，融入算法知識(shí)的學(xué)習(xí)，通過(guò)自行設(shè)計(jì)不同算法，編寫(xiě)程序解決各類實(shí)際問(wèn)題，從而培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

圖2所示為本文設(shè)計(jì)的“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程總體教學(xué)改革思路。下面各小節(jié)將逐一闡述每一項(xiàng)具體的改革措施。

2.2 專題化的教學(xué)內(nèi)容整合

現(xiàn)有的“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”教材在內(nèi)容組織上，雖然依邏輯思維方式進(jìn)行了歸類，但難點(diǎn)還是較為集中、跨度大[4];概念繁瑣，但分析較少。因此，需要研究在課堂教學(xué)中對(duì)教學(xué)內(nèi)容重新歸納，以專題化、精簡(jiǎn)化的方式提高教學(xué)質(zhì)量。目前，已經(jīng)形成了以下的C語(yǔ)言專題化、精簡(jiǎn)化的教學(xué)思路。

專題一：C語(yǔ)言的基礎(chǔ)知識(shí)——從“數(shù)據(jù)被加工的過(guò)程”說(shuō)起。主要從哪些數(shù)據(jù)能夠被加工的角度，來(lái)介紹C語(yǔ)言的數(shù)據(jù)類型，從被加工的手段出發(fā)介紹C語(yǔ)言的運(yùn)算符，從被加工的具體過(guò)程的角度，來(lái)介紹控制語(yǔ)句的三種基本結(jié)構(gòu)。

專題二：批量化數(shù)據(jù)的定義及使用。包括以數(shù)組的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)相同類型數(shù)據(jù)的定義和處理，以及以結(jié)構(gòu)體和共同體的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型數(shù)據(jù)的定義和處理。

專題三：函數(shù)的定義及使用。包括函數(shù)的定義與調(diào)用，編譯預(yù)處理等內(nèi)容。

專題四：指針及其應(yīng)用。包括指針的定義與引用，數(shù)組與指針，以及用于表示字符串的特殊指針——字符指針。

2.3 立體化的教學(xué)模式改革

設(shè)計(jì)了課內(nèi)外、線上線下等多種模式相結(jié)合的立體化教學(xué)模式改革方案。包括網(wǎng)絡(luò)課堂與傳統(tǒng)課堂相結(jié)合、課內(nèi)精講與課外資源相結(jié)合、課堂教學(xué)與在線視頻教學(xué)相結(jié)合、紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告與在線作業(yè)相結(jié)合等四個(gè)方面的具體改革措施。

⑴ 網(wǎng)絡(luò)課堂與傳統(tǒng)課堂深入結(jié)合：大規(guī)模在線開(kāi)放課程（Massive Open Online Course，簡(jiǎn)稱慕課或MOOC）[5]是今年興起的一種全新的在線教學(xué)模式。本課程組利用中國(guó)大學(xué)慕課平臺(tái)的開(kāi)放MOOC課程，建設(shè)了我校的“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”SPOC網(wǎng)絡(luò)課堂。將傳統(tǒng)課堂教學(xué)與SPOC網(wǎng)絡(luò)課堂學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合，SPOC主要起到課前預(yù)習(xí)、課后核心知識(shí)點(diǎn)考查、部分知識(shí)拓展的作用，傳統(tǒng)課堂主要是核心知識(shí)點(diǎn)的講解。

⑵ 課內(nèi)精講與課外資源的結(jié)合：針對(duì)上述四個(gè)專題的教學(xué)內(nèi)容，以專題化的方式精講課內(nèi)核心知識(shí)，同時(shí)利用建設(shè)的校內(nèi)Bb教學(xué)平臺(tái)為學(xué)生提供經(jīng)典習(xí)題、應(yīng)用拓展、知識(shí)延伸等的課外學(xué)習(xí)資源，豐富學(xué)生的知識(shí)體系。

⑶ 紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告與在線提交作業(yè)相結(jié)合：采用課后作業(yè)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和在線作業(yè)相結(jié)合的組織方法。學(xué)生的課后作業(yè)和上機(jī)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)容仍以紙質(zhì)報(bào)告提交。此外，本課程組自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套C語(yǔ)言程序在線提交系統(tǒng)。在我校校園網(wǎng)環(huán)境下，借助該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)題目的入庫(kù)與發(fā)布、作業(yè)發(fā)布、學(xué)生在線提交程序、系統(tǒng)自動(dòng)批改作業(yè)并評(píng)分、組織學(xué)生進(jìn)行編程類競(jìng)賽實(shí)訓(xùn)等功能。該系統(tǒng)為學(xué)生提供了提高編程技能的實(shí)戰(zhàn)環(huán)境，同時(shí)提高了作業(yè)批改效率。將紙質(zhì)報(bào)告與在線提交作業(yè)相結(jié)合，紙質(zhì)報(bào)告?zhèn)戎睾诵闹R(shí)點(diǎn)和關(guān)鍵上機(jī)內(nèi)容的考查，而在線提交程序作業(yè)則是以工程訓(xùn)練的手段進(jìn)一步提高學(xué)生的編程技能，鞏固課程中的算法知識(shí)。

⑷ 普通課堂教學(xué)與在線視頻教學(xué)結(jié)合：以四個(gè)專題內(nèi)容為基礎(chǔ)，從中總結(jié)了58個(gè)核心知識(shí)點(diǎn)，任課教師對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)專門錄制了短視頻，并以微課形式發(fā)布在網(wǎng)上。微課視頻涵蓋了課程的核心知識(shí)點(diǎn)，有助于學(xué)生的課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，在課堂教學(xué)時(shí)則是針對(duì)每個(gè)核心知識(shí)點(diǎn)進(jìn)一步展開(kāi)，以經(jīng)典案例的形式深入分析，并講授與其相關(guān)的其他知識(shí)點(diǎn)。

2.4 多層次的實(shí)驗(yàn)體系

在計(jì)算思維能力培養(yǎng)要求的指導(dǎo)下，以實(shí)際案例驅(qū)動(dòng)為核心思路，設(shè)計(jì)了多層次的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)體系，包含演示性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練、企業(yè)實(shí)踐等五個(gè)層次。

⑴ 演示性實(shí)驗(yàn)：演示性實(shí)驗(yàn)的目的是直接演示相關(guān)程序，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有直觀的認(rèn)識(shí)，或者通過(guò)編譯、執(zhí)行已有程序來(lái)驗(yàn)證相關(guān)操作，使學(xué)生能夠“邊學(xué)習(xí)算法邊實(shí)踐編程”，通過(guò)編程實(shí)踐來(lái)驗(yàn)證理論算法，進(jìn)而進(jìn)一步理解、掌握相關(guān)算法知識(shí)。此部分主要涉及C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、程序運(yùn)行過(guò)程與調(diào)試等實(shí)驗(yàn)。

⑵ 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)：設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)以編程實(shí)踐為基礎(chǔ)，對(duì)學(xué)生的編程技能、算法知識(shí)進(jìn)行訓(xùn)練，以實(shí)現(xiàn)提高學(xué)生工程實(shí)踐能力并培養(yǎng)計(jì)算思維的目標(biāo)。目前，本課程組已專門編撰了C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)[6]，其中包含了8個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。在提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，需包含以下要素：?jiǎn)栴}及分析、算法的設(shè)計(jì)、程序流程圖、程序源代碼、歸納總結(jié)。鼓勵(lì)學(xué)生用不同的算法去解決實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)算法多樣化訓(xùn)練學(xué)生的計(jì)算思維。

⑶ 綜合性實(shí)驗(yàn)：針對(duì)具體工程問(wèn)題，從需求分析、算法設(shè)計(jì)、算法實(shí)現(xiàn)、程序?qū)嶋H應(yīng)用、分析總結(jié)等方面完成綜合性的實(shí)驗(yàn)。綜合性實(shí)驗(yàn)的選題包括兩個(gè)來(lái)源：一是課程組建立了一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目庫(kù)，學(xué)生可從其中任選一題完成;二是鼓勵(lì)學(xué)生自擬題目，自擬題目可以源于自己本專業(yè)或?qū)W生參與的實(shí)際科研項(xiàng)目。綜合性實(shí)驗(yàn)的管理采用項(xiàng)目管理形式，即學(xué)生可以組織團(tuán)隊(duì)，經(jīng)歷項(xiàng)目的立項(xiàng)、開(kāi)題、需求分析、方案設(shè)計(jì)、方案實(shí)現(xiàn)、測(cè)試分析、結(jié)題等全部環(huán)節(jié)，通過(guò)該方式更有助于提高學(xué)生的用計(jì)算思維解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

⑷ 實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練：實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練采用大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目等課內(nèi)科技類項(xiàng)目的方式開(kāi)展，如果學(xué)生已經(jīng)參與或者計(jì)劃參與相關(guān)項(xiàng)目，該內(nèi)容除了可以作為綜合性課程設(shè)計(jì)外，還可得到老師的指導(dǎo)。

⑸ 企業(yè)實(shí)踐：企業(yè)實(shí)踐的具體落實(shí)辦法為：課程組根據(jù)任課教師各自的科研經(jīng)歷，凝練了與企業(yè)合作中的實(shí)際案例，建立企業(yè)實(shí)踐案例庫(kù)。企業(yè)案例實(shí)踐以講解為主，每次以視頻、圖片、文字等形式展開(kāi)，每個(gè)案例講解控制在5分鐘左右。重點(diǎn)是讓學(xué)生了解程序設(shè)計(jì)的意義和未來(lái)可能的應(yīng)用領(lǐng)域，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)擴(kuò)展學(xué)生視野。

2.5 多維度考核方式

課程考核采用包含MOOC學(xué)習(xí)成績(jī)、作業(yè)成績(jī)、考勤成績(jī)、期中和期末考試在內(nèi)的多維度考核方式。其中，MOOC學(xué)習(xí)成績(jī)通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)生在線學(xué)習(xí)時(shí)間、完成MOOC作業(yè)和測(cè)試的方式得出;作業(yè)成績(jī)包括提交的紙質(zhì)報(bào)告成績(jī)和在線提交的程序作業(yè)的成績(jī);期中和期末考試采用題庫(kù)，以上機(jī)考試的方式完成。

3 總結(jié)

本文首先分析了目前高校“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程教學(xué)中存在的問(wèn)題。然后，提出了“編程技能、算法知識(shí)、計(jì)算思維”三位一體的教學(xué)理念，并以此為指導(dǎo)，詳細(xì)闡述了在模塊化教學(xué)內(nèi)容整合、立體化教學(xué)模式改革、多層次實(shí)驗(yàn)體系建設(shè)以及多維度課程考核等方面的改革方案。該方案已在我校非計(jì)算機(jī)專業(yè)的“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程中完整實(shí)踐了兩年，取得了較好的效果，學(xué)生課程評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)顯著提高。目前，這些教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)正逐步在我校計(jì)算機(jī)學(xué)院的程序設(shè)計(jì)類課程中推廣實(shí)踐。綜上，本文為通過(guò)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力提供了一種具體可行的思路和方案。

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