陳壽宏　侯杏娜　何 鋒 曾麗珍 胡 聰

程序設計類實驗的多元混合式教學研究

陳壽宏1侯杏娜2何 鋒1曾麗珍3胡 聰1

（1.桂林電子科技大學電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學建筑與交通工程學院，廣西 桂林 541004；3.桂林電子科技大學研究生院，廣西 桂林 541004）

在工程教育專業(yè)認證背景下，以“產(chǎn)出為導向”的OBE教育理念越來越受到重視。程序設計類實驗教學是培養(yǎng)工科本科生及研究生的編程能力、解決復雜工程問題的重要基礎課程。針對現(xiàn)有教學中仍存在實驗教學方法較為傳統(tǒng)、學生自主編程意識較弱等問題，提出構建課前課后、現(xiàn)場及線上教學過程融入課程思政等多元混合式實驗教學研究。實踐表明，該研究改進了教學質(zhì)量，提升了本科生及研究生的程序設計能力、解決實際問題能力及創(chuàng)新能力。

混合式教學；程序設計；實驗教學；創(chuàng)新能力培養(yǎng)

引言

工程教育專業(yè)認證提出OBE教育理念已被各學校推廣和運用[1,2]。程序設計類的實驗是培養(yǎng)工科研究生和大學生編程創(chuàng)新、解決復雜工程問題的基礎課程[3]。在專業(yè)認證和創(chuàng)新能力培養(yǎng)要求背景下[4]，如何提升課程的教學質(zhì)量和效果，進而提升本科生及研究生的創(chuàng)新能力，是需要解決的重要問題[5]。在自動化類和儀器類專業(yè)中，程序設計類相關的課程有C語言程序設計、數(shù)據(jù)結構理論課程及對應的實驗課程，還有程序設計訓練等課程，涉及的課程學時和門數(shù)較多，相互之間的關系也緊密，文章以程序設計類實驗教學為例，開展多元混合式研究，以達到提高實驗教學質(zhì)量，滿足工程教育認證和提升本科生及研究生創(chuàng)新能力需要。

1　程序設計類實驗教學現(xiàn)狀

程序設計類實驗是培養(yǎng)學生使用計算機思維解決復雜工程問題的重要方法[6]。然而，現(xiàn)有實驗教學仍存在著許多問題，未有效達到教學目標。主要有如下兩個方面問題。

（1）多延用傳統(tǒng)的教學方式，導致學生過度依賴課堂講授，課后缺乏自主能力，編程意識淡薄，無法提高學生的獨立自主思考能力。

（2）由于學時有限，實驗教學一般僅開展針對理論課程講授的知識點進行驗證或進行單一的設計類型實驗教學，缺乏綜合的類型實驗項目[6]。

2 改革的理念與方案

以OBE教育理念為指導思想，為解決程序設計類實驗中存在問題，構建課前課后、現(xiàn)場及線上等多元混合式實驗教學活動，優(yōu)化驗證性實驗項目，設計驗證性實驗IPO圖；開展線上拓展性實驗項目，滿足不同程度的學生對實驗的要求；制定綜合設計類實驗項目。多元混合式教學改革主要方案如圖1所示。

圖1 多元混合式教學改革方案

2.1 設計驗證性實驗項目IPO圖

程序設計類課程通過實驗過程使得學生掌握計算機程序設計、運行及程序調(diào)試、總結等方面得到鍛煉，有利于培養(yǎng)和提高學生的實際動手能力。

以儀器類和自動化類的專業(yè)基礎課程數(shù)據(jù)結構實驗為例，整個課程的實驗題目依據(jù)知識點類型和范圍、困難容易度和工作量大小區(qū)分，可分為三種類型實驗[7]。

（1）基礎型類型[7]：該類型實驗的目的在于鞏固理論課堂講授的基本內(nèi)容，實驗題目設置為對課堂講授的教材相關的函數(shù)、算法等的實現(xiàn)和編程，每道實驗題目一般只包含其中一個內(nèi)容，編程量及難度不大，在實際過程中為必做內(nèi)容，要求所有人必須在規(guī)定時間內(nèi)單獨做完[7]。

（2）提升型類型[7]：該類型實驗的目的在于提升分析實際問題及解決實際問題的素養(yǎng)，設計的實驗題目通常為針對實際應用中應用到的數(shù)據(jù)結構和典型算法的設計與實現(xiàn)，一般每個題目會包含理論教材中多個方面[7]，該類型的實驗題目為自由選擇，在實際實驗教學過程中鼓勵能力較強的同學通過自主選擇部分題目并要求在規(guī)定時間內(nèi)單獨做完，完成的情況也會在實驗成績中加以體現(xiàn)（加分），提升了學習的自主性、積極性和創(chuàng)新力[7]。

（3）綜合類型項目：項目一般涉及理論課程和教材上的多個內(nèi)容，并且面向?qū)嶋H問題需求，該類題目為可選做的實驗內(nèi)容。完成情況也可在實驗成績中加以體現(xiàn)（加分），可提升學生綜合運用理論知識分析解決實際問題的能力[7]。

為了更好了解程序的流程設計、結構框架、處理流程等，項目設計驗證性實驗IPO[6]（輸入—處理—輸出）圖，要求學生在實驗中，需填寫算法設計的IPO，讓學生明確期待運行結果等，以此加深學生對程序?qū)崿F(xiàn)理解，掌握理論知識點內(nèi)容。

以數(shù)據(jù)結構實驗—棧的設計型實驗為例，同時要求在報告中完成各主要函數(shù)的IPO圖：要求完成進制轉(zhuǎn)換：輸入為一個十進制數(shù)，將其變換成一個P進制數(shù)對應的編碼字符串。

問題要求將某個十進制整數(shù)N變換為P進制對應的編碼，輸出對應的字符串，該實際問題解決方法為：以將十進制66轉(zhuǎn)換成八進制（P為8）為例：

(66)10=(102)8

66/8=8 余 2

8/8 =1 余 0

1/8 =0 余 1

當商為0時結束轉(zhuǎn)換，將上述過程得到的余數(shù)序列倒序：102即得到結果。通過觀察，該過程可利用數(shù)據(jù)結構中的棧的LIFO（后進先出）特點，因此可用棧來實現(xiàn)數(shù)制轉(zhuǎn)換。

2.2 引入線上拓展性實驗項目

由于程序設計語言類課程安排在大一上學期，這個階段的學生自主編程意識較弱，缺乏相當?shù)淖灾骶毩?，導致后續(xù)開設的《數(shù)據(jù)結構實驗》等課程無從下手。

依托在線輔助教學平臺，設計開展線上實驗項目，不但能充分調(diào)動樂意學習的學生的積極性，而且對學習困難同學也能不斷練習提升能力。還可以根據(jù)教學平臺記錄學生練習和答疑報告等詳細數(shù)據(jù)功能，根據(jù)這些數(shù)據(jù)對其進行歸納總結和分析，可及時發(fā)現(xiàn)存在的問題，從而反應到理論教學中，以便及時調(diào)整，提升課程整體教學效果。充分利用好線上平臺，可從封閉課堂向開放課堂轉(zhuǎn)變，在課外自由提升能力。

2.3 在教學過程中融入課程思政

在實際實驗教學中，將思政內(nèi)容融入到實驗教學內(nèi)容中，融入課程思政、專業(yè)思政的內(nèi)容和環(huán)節(jié)，把以往純粹的專業(yè)知識傳授進行目標價值觀強化，以數(shù)據(jù)結構實驗為例，課程思政元素融入到教學內(nèi)容中如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)結構課程教學內(nèi)容融入課程思政元素

以C語言程序設計為例，在教學過程中，根據(jù)C語言程序設計課程的具體內(nèi)容增加課程思政、專業(yè)思政的內(nèi)容和環(huán)節(jié)，把以往純粹的專業(yè)知識傳授進行目標價值觀強化。在課堂教學中，引導學生思考本門課對自己未來的職業(yè)生涯的影響，引導學生認識到人工智能或者工程項目的實踐都需要借助計算機完成，而掌握一門編程語言是實現(xiàn)人機交互的第一步，從而增加學生學習的興趣，學以致用。教學內(nèi)容和思政元素如表2所示：

表2 C語言程序設計教學內(nèi)容融入課程思政元素

2.4 教學過程中應明確教學內(nèi)容及預期成果

在教學過程中應有明確教學內(nèi)容及對應的預期成果，在教學大綱及實施過程中以此為目標達到工程認證的要求。以程序設計訓練課程為例，該課程簡介為：通過本課程的學習，引導學生將《C語言程序設計》《數(shù)據(jù)結構》等編程類課程知識進行有機的結合，達到提高動手能力，啟迪創(chuàng)新思維的目的，通過程序設計訓練實踐，使學生具備理論聯(lián)系實際、設計和開發(fā)一定功能的應用程序能力。

程序設計訓練課程具體教學內(nèi)容及預期成果如表3所示。

表3 程序設計訓練教學內(nèi)容、學生學習預期成果說明

2.5 興趣驅(qū)動－樂于學習程序設計類課程

興趣是最好的老師，以數(shù)據(jù)結構課程為例，在上課的第一節(jié)時，介紹數(shù)據(jù)結構與計算機界的諾貝爾獎“圖靈獎”之間的關系，通過列舉活動圖靈獎的科學家在數(shù)據(jù)結構方面做出的貢獻從而獲得“圖靈獎”，引發(fā)同學們對這門課程的興趣。在每章第一句話引發(fā)學生思考：為何要學習該種數(shù)據(jù)結構如線性表/樹，根據(jù)問題驅(qū)動學習，從常識性問題思考開始；在每章的結尾：可利用該數(shù)據(jù)結構解決某個實際有趣的問題。

同時在課堂中開展啟發(fā)式研討教學。其中針對學情調(diào)查反饋問題中提到的“教師對學生的評價形式單一，頻率低，反饋少，不足以幫助學生了解并改善其學習情況”。多與學生課堂上互動交流，課后及時答疑互動，調(diào)動了學生課上的積極性。

3 實施效果

經(jīng)過實踐證明，各專業(yè)學生在編寫程序和解決實際工程問題及研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面能力均有明顯提升。以數(shù)據(jù)結構實驗為例，工程認證大綱中該課程對應的課程目標為以下四點。

課程目標1：能夠分析線性表、棧、隊列、樹、圖等數(shù)據(jù)結構的特點，能夠根據(jù)具體問題設計不同的數(shù)據(jù)結構以解決不同的問題。

課程目標2：能夠分析不同的排序算法和查找算法的性能特點，能夠根據(jù)具體的問題選擇或者設計不同的算法進行實現(xiàn)。

課程目標3：能夠根據(jù)特定要求，設計可行的實驗方案，正確地記錄實驗數(shù)據(jù)，能夠?qū)嶒灁?shù)據(jù)進行完整的過程分析，并能夠運用科學術語撰寫規(guī)范的實驗報告，正確分析實驗算法的復雜度，得出客觀的實驗結論，并總結實驗經(jīng)驗。

課程目標4：能夠掌握現(xiàn)代開發(fā)工具，能夠跟蹤數(shù)據(jù)結構前沿發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，分析不同數(shù)據(jù)結構及不同算法特點及應用前景，掌握解決復雜工程所需要的常用數(shù)據(jù)結構和算法。

自動化類數(shù)據(jù)結構實驗課程為例如圖2所示，通過近兩年的課程目標達成度對比看出，課程目標3、4在實施改革后均得到有效提升。

圖2 課程實施效果-以自動化類數(shù)據(jù)結構實驗課程目標達成度對比為例

4 結束語

在工程教育專業(yè)認證背景下，以“產(chǎn)出為導向”的OBE教育理念越來越受到重視。程序設計類實驗教學是培養(yǎng)工科本科生及研究生的編程能力、解決復雜工程問題的重要基礎課程。針對現(xiàn)有教學中仍存在實驗教學方法較為傳統(tǒng)、學生自主編程意識較弱等問題，本文提出基于OBE理念的多元混合式程序設計類實驗教學模式，為學生構建了新的實驗課程學習模式，開展線上拓展性實驗項目，在學生對基礎驗證性實驗項目熟悉掌握的同時，設計綜合設計性實驗項目。通過構建課前課后、現(xiàn)場及線上教學過程融入課程思政等多元混合式實驗教學研究。經(jīng)過在桂林電子科技大學電子工程與自動化學院自動化大類專業(yè)數(shù)據(jù)結構實驗課程等的具體實施，證明該研究改進了教學質(zhì)量，提升了本科生及研究生的程序設計能力、解決實際問題能力及創(chuàng)新能力。

[1]陳黎黎，國紅軍. OBE理念下軟件工程專業(yè)“數(shù)據(jù)結構與算法”課程教學改革研究[J]. 遼寧科技學院學報，2021，23(5): 38-40.

[2]楊彬，王青正. 工程教育專業(yè)認證背景下的數(shù)據(jù)結構教學改革[J]. 計算機時代，2020(4): 61-63，67.

[3]蔡美玲，張錦，竇亞玲. 工程教育理念下“程序設計基礎”實驗教學改革探索[J]. 計算機工程與科學，2018，40(1): 25-30.

[4]蔣宗禮. 本科工程教育: 聚焦學生解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)[J]. 中國大學教學，2016(11): 27-30，84.

[5]董薇，李妍. 數(shù)據(jù)結構實驗教學改革的研究[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備，2017(15): 36-68.

[6]吳運兵，余小燕. 工程教育認證下程序設計類實驗教學改革與實踐[J]. 電氣電子教學學報，2021(1): 121-125.

[7]陳壽宏. 數(shù)據(jù)結構實驗指導書[Z]. 桂林: 桂林電子科技大學，2021.

Research on the Multiple Mixed Teaching in Programming Experiments

Under the background of engineering education certification, the OBE education concept- of "output-oriented" has been paid more and more attention. The experimental teaching of programming is an important basic course to cultivate the programming ability of engineering undergraduates and postgraduates and solve complex engineering problems. In view of the problems of traditional experimental teaching methods and students' weak awareness of independent programming in the existing teaching, this paper proposes to build a multi mixed experimental teaching research of integrating the pre class and post class, on-site and Online teaching processes into the ideological and political curriculum. The practice shows that the research has improved the teaching quality, enhanced the programming ability, practical problem solving ability and innovation ability of undergraduate and graduate students.

mixed teaching; programming; experimental teaching; cultivation of innovation ability

G642

A

1008-1151(2022)12-0153-04

2022-09-07

測控技術與儀器國家級實驗教學示范中心（桂林電子科技大學）、廣西研究生教育創(chuàng)新計劃項目（JGY2022116、JGY2022128）；廣西高等教育本科教學改革工程項目（2019JGA164）；廣西高等教育本科教學改革工程項目（2022JGA182）；桂林電子科技大學教育教學改革項目（JGA201801）。

陳壽宏（1981－），男，桂林電子科技大學電子工程與自動化學院高級實驗師，博士，研究方向為神經(jīng)網(wǎng)絡與機器學習、集成電路測試。

侯杏娜（1982－），女，桂林電子科技大學建筑與交通工程學院高級實驗師，研究方向為機器學習、電路可靠性測試。