新工科背景下的C語言人才培養(yǎng)研究

王進(jìn)

摘 要：伴隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算的飛速發(fā)展，實現(xiàn)了新技術(shù)與新產(chǎn)業(yè)的深度融合，產(chǎn)生了第四次工業(yè)革命下的工程新業(yè)態(tài)，帶來了工程科技人才培養(yǎng)的新要求。而程序設(shè)計是實現(xiàn)信息技術(shù)與新工科的關(guān)鍵，對未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)起到引領(lǐng)作用。因此程序設(shè)計的工程實踐能力、分析設(shè)計能力、創(chuàng)新能力、終身學(xué)習(xí)能力成為新工科軟件工程人才的核心能力。

關(guān)鍵詞：計算思維;C程序設(shè)計;MOOC;程序設(shè)計實踐

一、C程序設(shè)計的地位和現(xiàn)狀

（一）C程序設(shè)計語言的地位

C語言程序設(shè)計是一門面向過程的程序設(shè)計課程，主要包含變量、語句、控制流程、數(shù)組、指針、結(jié)構(gòu)體、函數(shù)等知識點內(nèi)容。C語言很好地支持結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計，也是面向?qū)ο笳Z言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。通過C程序設(shè)計語言的學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握變量、控制流程語句、函數(shù)、數(shù)組、指針、結(jié)構(gòu)體的相關(guān)基礎(chǔ)知識，掌握程序模塊化編程的編程思想，具備利用計算機(jī)的思維方式分析問題進(jìn)行數(shù)據(jù)表達(dá)和算法描述的能力、利用基本算法解決問題的能力，具備工程設(shè)計和工程的調(diào)試分析能力，達(dá)到利用計算機(jī)求解復(fù)雜科學(xué)問題的計算思維能力。

（二）C程序設(shè)計語言的教學(xué)現(xiàn)狀

（1）C語言教學(xué)中，學(xué)生剛從高中升入大學(xué)，已有的學(xué)習(xí)模式與計算機(jī)思維的學(xué)習(xí)模式具有不一致性，記憶性的知識能夠?qū)W習(xí)，但抽象思維和邏輯思維能力比較弱，即計算思維能力較差，導(dǎo)致對問題的分析不透徹，編寫程序時不知道如何設(shè)置變量;不知道如何設(shè)計程序的結(jié)構(gòu);不知道什么時候定義函數(shù)、如何定義函數(shù);不知道函數(shù)的寫法和調(diào)用方式;不知道數(shù)據(jù)如何存儲、算法如何實現(xiàn)。學(xué)生缺乏這方面的引導(dǎo)和大量訓(xùn)練。

（2）語法規(guī)則是記憶性的知識點，但許多教師在教學(xué)過程中會花費(fèi)大量的時間和精力講述，由于課時有限，當(dāng)課程結(jié)束時，學(xué)生只是機(jī)械性地記住了這些知識點的規(guī)則，但不能真正掌握和理解如何運(yùn)用這些法規(guī)則，不能利用計算機(jī)解決實際問題。高校教育沒能夠完成大學(xué)生與社會的接軌。大學(xué)的教育要擺脫以傳授知識為主，應(yīng)主要培養(yǎng)學(xué)生的主動自學(xué)能力、抽象思維能力、理解應(yīng)用能力和實踐操作能力。

（3）傳統(tǒng)教學(xué)導(dǎo)致教學(xué)時間有限，無法保證有效的過程監(jiān)督機(jī)制。課前學(xué)習(xí)和課后總結(jié)測試是保證學(xué)習(xí)效果的重要途徑，在實際教學(xué)中，主要依靠學(xué)生自覺完成，教師不了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和學(xué)習(xí)效果。另外，高校在程序設(shè)計類課程中，缺乏資金投入，往往采用大班上課，評閱作業(yè)存在有效性和滯后性等問題，而作業(yè)是教師掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況的重要途徑，導(dǎo)致教師不能全面掌握學(xué)生的真實學(xué)習(xí)效果，不能及時解決學(xué)生問題。問題積少成多，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣受到挫敗。教師也無法通過有效的作業(yè)反饋調(diào)整上課內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法。

（4）英文語言基礎(chǔ)薄弱，遇到計算機(jī)語言的初學(xué)狀態(tài)導(dǎo)致學(xué)生看不懂錯誤、理解不了錯誤，并缺乏分析程序、跟蹤程序的能力，不會解決編譯時碰到的語法錯，更不能解決邏輯錯誤。這與教學(xué)的時間投入、教學(xué)的方法，以及學(xué)生實踐經(jīng)驗缺乏密切相關(guān)。學(xué)生需要提高閱讀程序的能力和調(diào)試程序的能力。

（5）C語言程序設(shè)計是一門應(yīng)用性、實踐性和現(xiàn)實性很強(qiáng)的課程，而課程教學(xué)過程中創(chuàng)新性內(nèi)容深度不夠，過多關(guān)注程序設(shè)計語言本身的訓(xùn)練和數(shù)據(jù)的簡單呈現(xiàn)，而忽視了整體性與綜合創(chuàng)新性思維培養(yǎng)。創(chuàng)新實踐教學(xué)的總體規(guī)劃、內(nèi)容設(shè)計等方面不合理，實踐教學(xué)效果差。

二、C程序設(shè)計的教學(xué)組織方法

（一）計算思維構(gòu)建C程序設(shè)計教學(xué)設(shè)計

計算思維是指以抽象化與自動化為特征的一種思維。學(xué)生之所以不會寫程序，不知道怎么寫程序就是這種抽象化和自動化能力不足的體現(xiàn)。通過計算思維能給運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計，將增強(qiáng)學(xué)生程序設(shè)計的能力。抽象指的是對求解問題的一種描述，是對問題的表達(dá)和推演。在C語言中，把實際問題抽象成與其相應(yīng)的形式化數(shù)學(xué)模型，然后構(gòu)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確定算法，最后編寫程序求解問題。具體而言，抽象就是用變量、函數(shù)、數(shù)組等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法對需要解決的實際問題進(jìn)行概括描述，抽象的過程實際上就是對實際問題確立數(shù)學(xué)模型的過程。

自動化就C語言而言，則是利用C語言的語法規(guī)則編寫語句，按照順序自動執(zhí)行語句并進(jìn)行自動轉(zhuǎn)換。運(yùn)用該框架，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型、設(shè)計算法策略和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過C語言實現(xiàn)問題工程，學(xué)生通過不斷的計算思維訓(xùn)練和編程實踐，將有助于培養(yǎng)分析設(shè)計能力和工程設(shè)計能力，從而解決復(fù)雜工程問題，達(dá)到新工科人才培養(yǎng)的目的。但是C語言程序設(shè)計是面向大一新生的課程，理解抽象和自動化培養(yǎng)計算思維是比較困難的。需要在教學(xué)案例中針對實際的問題反復(fù)采用計算思維方式來分析問題，逐步培養(yǎng)使用C語言描述實際系統(tǒng)的思維。當(dāng)這一映射過程達(dá)到熟能生巧的地步，學(xué)生就學(xué)會了如何定義變量，如何選擇邏輯結(jié)構(gòu)，如何合理組織算法，如何編程實現(xiàn)客觀世界到邏輯世界的映射。

在教學(xué)中貫穿計算思維能力訓(xùn)練，特別是在解決實際問題時展現(xiàn)科學(xué)分析問題過程，完成數(shù)學(xué)抽象，分析如何將數(shù)學(xué)模型映射為對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和符合邏輯的算法設(shè)計，展示編程與調(diào)試，以及生成可執(zhí)行的程序的過程，實現(xiàn)對計算思維的詮釋。這將保證學(xué)生的基礎(chǔ)知識、分析設(shè)計能力、工程設(shè)計能力的達(dá)成度。

（二）基于MOOC完成自構(gòu)建的過程監(jiān)督體系

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論提倡在教師指導(dǎo)下的、以學(xué)習(xí)者為中心的學(xué)習(xí)，從而培養(yǎng)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力以適應(yīng)新工科人才的需要。MOOC平臺是實現(xiàn)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)的有效平臺，通過該平臺，突出學(xué)習(xí)者的認(rèn)知主體地位，體現(xiàn)教師的指導(dǎo)、幫助和促進(jìn)作用，教師是整個學(xué)習(xí)過程中的組織者、幫助者和促進(jìn)者，實現(xiàn)從傳授者和灌輸者的轉(zhuǎn)變。

在該平臺中，教師將C程序設(shè)計中的基礎(chǔ)語法知識的相關(guān)內(nèi)容發(fā)布到平臺中，學(xué)生根據(jù)教師指令，以及自身情況提前在平臺中有選擇的完成相關(guān)基礎(chǔ)知識的自主學(xué)習(xí)，在課堂教學(xué)中，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況針對特定問題進(jìn)行講解，節(jié)省了大量的課堂時間，教師可充分利用剩下的時間探討實際問題的解決方案，將有充分的時間進(jìn)行計算思維、工程分析設(shè)計、工程規(guī)范、程序分析與調(diào)試方面的訓(xùn)練。

同時，平臺具有記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)痕跡的功能，將學(xué)生的學(xué)習(xí)時間、學(xué)習(xí)效果、學(xué)習(xí)程度等相關(guān)信息以統(tǒng)計的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，教師能及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生的問題，實現(xiàn)快速反饋和分層指導(dǎo)，實現(xiàn)過程監(jiān)督的有效性。同時將學(xué)習(xí)過程納入考試成績，可有助于提升學(xué)生對過程學(xué)習(xí)的重視程度，保證學(xué)習(xí)效果，排除期末臨時死記硬背應(yīng)付考試的情況。

（三）層層遞進(jìn)實現(xiàn)知識內(nèi)化的工程設(shè)計能力

學(xué)生在構(gòu)建C語言知識體系時，可通過MOOC線上平臺完成基礎(chǔ)知識體系的構(gòu)建，形成C語言的關(guān)鍵字、規(guī)則、規(guī)范的識記。在線下，在課堂活動中，通過計算思維訓(xùn)練形成分析、設(shè)計、實現(xiàn)實際問題的求解，在求解過程中，教師融入工程設(shè)計的一些理念、框架培養(yǎng)工程設(shè)計能力。

通過以上兩步基本完成學(xué)生自我能力和工程設(shè)計能力的培養(yǎng)，除此之外，還需培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新、創(chuàng)造能力，教師在教學(xué)設(shè)計中，需要構(gòu)造合適的教學(xué)案例實現(xiàn)學(xué)生知識內(nèi)化，通過層層深入完成高階思維的建立。高階思維的建立過程實際上是各部分知識的由點、線、面、網(wǎng)的組合過程，實現(xiàn)對問題求解的簡單到復(fù)雜的，實現(xiàn)解決方案的精益求精。

程序設(shè)計的學(xué)習(xí)從模仿開始，但在知識學(xué)習(xí)的積累過程中，要逐漸培養(yǎng)自己的思維邏輯，教師要積極引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思維訓(xùn)練，鼓勵學(xué)生拓展思路，積極探索，采用不同方式實現(xiàn)一題多解，尋求更健壯、更容易維護(hù)的算法。實現(xiàn)知識內(nèi)化到高階思維的轉(zhuǎn)變。

三、程序設(shè)計實踐探討

針對C語言程序設(shè)計，實踐是提升分析問題、解決問題的唯一途徑。只有在實踐過程中才能發(fā)現(xiàn)問題，才能找出自身的不足。

對于實踐的考核，一直以來是一個比較困難的問題，實踐過程存在抄襲的問題，如何判斷是否抄襲，如何阻止這一現(xiàn)象發(fā)生的最好方式就是實施過程監(jiān)督，過程監(jiān)督的載體就是實踐筆記，筆記中記錄實踐中遇到的問題，以及解決這類問題的方法，對實踐過程進(jìn)行歸納和總結(jié)，并進(jìn)行反思。每個學(xué)生遇到的問題和解決方案是不一樣的，容易發(fā)現(xiàn)抄襲的學(xué)生。同時，實踐過程中形成的讀書筆記，將是一份寶貴的財富，歸納總結(jié)將加速學(xué)習(xí)的進(jìn)步與提高。

四、結(jié)論

為滿足人工智能引導(dǎo)下的“新工科”人才培養(yǎng)需求，將計算思維融入課程教學(xué)中，可使學(xué)生發(fā)散、模糊、混亂的程序設(shè)計思維清晰化、規(guī)范化;通過課程的實踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的計算思維、建立程序設(shè)計編程思想和編程規(guī)范和框架;并基于工程思想解決實際問題。并結(jié)合MOOC平臺提高學(xué)生自我學(xué)習(xí)的能力，并為教師提供了更為充分的時間開展計算思維和內(nèi)化教學(xué)設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的分析設(shè)計能力和工程能力。

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