以程序設(shè)計(jì)能力為核心的二級項(xiàng)目課程群體系建設(shè)與實(shí)踐

竇燕 穆運(yùn)峰 李賢善 郭棟梁 郭丁丁

摘? ?要：針對培養(yǎng)學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力的課程之間各自為政、實(shí)踐資源偏抽象、程序設(shè)計(jì)能力考核中編程題目過少的問題，文章提出了以程序設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)為核心的二級項(xiàng)目課程群體系建設(shè)方案;以三門理論課和一門實(shí)踐課的深度銜接為基礎(chǔ)，引入企業(yè)教師進(jìn)行實(shí)踐資源校企合作，實(shí)行課程考核強(qiáng)化機(jī)考的程序設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)模式。三屆學(xué)生全員參加CSP認(rèn)證結(jié)果和優(yōu)秀學(xué)生參與競賽結(jié)果表明，該模式對學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)有較好的效果。

關(guān)鍵詞：程序設(shè)計(jì)能力;課程群;二級項(xiàng)目;CSP

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-8454（2021）12-0070-04

程序設(shè)計(jì)能力是利用計(jì)算機(jī)分析問題、解決問題的重要基礎(chǔ)能力。程序設(shè)計(jì)能力可以分為兩類：一類是側(cè)重理論的，比如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法、計(jì)算復(fù)雜度、機(jī)器學(xué)習(xí)等，這類主要是指一個(gè)人的程序構(gòu)造和算法設(shè)計(jì)的能力;另一類是側(cè)重系統(tǒng)的，比如操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、Web系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)等設(shè)計(jì)與開發(fā)的能力。作為軟件工程專業(yè)的學(xué)生，這兩種能力對于學(xué)生專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)都是至關(guān)重要的。側(cè)重理論的程序設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)主要是在大一和大二階段進(jìn)行，側(cè)重系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)主要在大三和大四階段進(jìn)行，這兩個(gè)階段也不是完全割裂的，但是也有一個(gè)明顯的劃分。本文討論的是側(cè)重理論的程序設(shè)計(jì)能力，因此將培養(yǎng)學(xué)生程序構(gòu)造與算法設(shè)計(jì)的相關(guān)課程作為一個(gè)整體考慮是非常有必要的。目前有許多高校在程序設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)體系建設(shè)方面做了大量工作。山東理工大學(xué)提出一種以競賽促進(jìn)教學(xué)、以教學(xué)帶動(dòng)競賽的程序設(shè)計(jì)培養(yǎng)模式取得了很好的效果。[1]我校軟件工程專業(yè)則通過建立培養(yǎng)學(xué)生程序構(gòu)造和算法設(shè)計(jì)能力的課程群來提高學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力，以全體學(xué)生參加計(jì)算機(jī)學(xué)會組織的CSP程序設(shè)計(jì)能力認(rèn)證來檢驗(yàn)培養(yǎng)效果及程序設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)模式。三年來的認(rèn)證成績體現(xiàn)出課程群建設(shè)初見成效。

一、程序設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)現(xiàn)狀

1.課程之間各自為政

側(cè)重理論的程序設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)相關(guān)的課程有多門，但是這幾門課程的授課教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)基本上都是各自為政。例如我校的計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)進(jìn)行了“程序設(shè)計(jì)課程混合式教學(xué)模式的探索與實(shí)踐”的教學(xué)改革，[2]C/C++程序設(shè)計(jì)完成了“卓越計(jì)劃下的C++程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)設(shè)計(jì)”的教學(xué)改革，[3]數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法完成了“基于Moodle的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)混合教學(xué)模式探索”等多項(xiàng)教學(xué)改革的實(shí)踐。[4-6]這些教學(xué)改革的內(nèi)容相對局限于各自課程，不同課程的授課教師之間交流少，所用案例缺乏整體性和一致性，存在課程之間各自為政的現(xiàn)象，沒有將它們放在一個(gè)系統(tǒng)的專業(yè)體系中來認(rèn)知。

2.實(shí)踐資源偏抽象

提高學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力是教師一直努力的一個(gè)方向。為了提高學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力，每門課程的主講教師也都設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目操作等實(shí)踐環(huán)節(jié)，但是存在一個(gè)問題，這些實(shí)踐資源大部分是教材中理論知識的驗(yàn)證，大多缺少實(shí)際問題背景描述，并且已經(jīng)抽象出了模型，學(xué)生只需要基于該模型模仿教材中所講的知識按圖索驥去做即可，雖然可以很快完成教師所布置的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，但是在遇到實(shí)際問題時(shí)，學(xué)生還是難以獨(dú)立完成。目前普遍存在一個(gè)現(xiàn)象：學(xué)生上課能聽懂，但害怕寫程序，碰到實(shí)際問題無從下手。[7]這個(gè)問題10年來一直存在，分析原因，這和布置給學(xué)生的實(shí)踐性資源過于抽象、學(xué)生練習(xí)過少有關(guān)。

3.編程題目考核過少

每所學(xué)校對學(xué)生的培養(yǎng)定位不同，所以教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)要求也會有所不同，這是極其正常的。程序設(shè)計(jì)對于學(xué)生來說有較大難度，大多數(shù)學(xué)生也難以在短短一個(gè)學(xué)期內(nèi)具備較好的程序設(shè)計(jì)能力，尤其是對于大一和大二接觸程序設(shè)計(jì)時(shí)間不長的學(xué)生，很多學(xué)生遇到編程題目就空到那里，而程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)的目的是為了能讓大多數(shù)學(xué)生通過考核，采用的題型大多由選擇題、填空題、程序的算法描述這樣的題目組成，教師為了照顧大多數(shù)學(xué)生，布置的程序?qū)崿F(xiàn)的練習(xí)也不夠多，學(xué)生在沒有明確要求的情況下做的額外練習(xí)就更少了，這就形成了惡性循環(huán)。

二、課程群體系建設(shè)方案

為了解決以上問題，需要以系統(tǒng)的思想將程序設(shè)計(jì)類課程放在培養(yǎng)學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力這個(gè)大框架下統(tǒng)一考慮，以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法二級項(xiàng)目為核心，以相關(guān)的程序設(shè)計(jì)理論課和實(shí)踐課為依托，建立一個(gè)課程群體系，最終目標(biāo)是提高學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力。其體系結(jié)構(gòu)和課程之間的關(guān)系如圖1所示。

課程群中包含三門理論課程《計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)與程序設(shè)計(jì)》、《C/C++程序設(shè)計(jì)》、《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》和一門實(shí)踐課《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程設(shè)計(jì)》。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法培養(yǎng)學(xué)生了解計(jì)算機(jī)常用的處理問題的方法，但是為了實(shí)現(xiàn)這些方法，需要掌握一些必要的工具，《計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)與程序設(shè)計(jì)》選擇的C#程序設(shè)計(jì)語言、《C/C++程序設(shè)計(jì)》都可以作為實(shí)現(xiàn)思想的工具。雖然前兩門課都是工具，但是作為剛?cè)雽W(xué)的大學(xué)生來說，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、夯實(shí)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)非常重要，因此入門課程高級程序設(shè)計(jì)語言的教學(xué)非常重要，應(yīng)通過此課程教學(xué)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教學(xué)中可用趣味性強(qiáng)的例題來組織教學(xué)，所有新知識點(diǎn)都通過實(shí)例引入，從而很好地將整個(gè)教學(xué)內(nèi)容融入到學(xué)生程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)能力的培養(yǎng)中，C#作為入門語言還是比較合適的。有了基礎(chǔ)編程能力，需要提升學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力，C/C++語言能讓學(xué)生更好地理解程序內(nèi)在的邏輯，因此在第二個(gè)學(xué)期學(xué)習(xí)第二門程序設(shè)計(jì)語言C/C++，培養(yǎng)學(xué)生初步的程序設(shè)計(jì)能力。第三門課就是要培養(yǎng)學(xué)生的復(fù)雜算法分析能力，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程就是對學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力的提升。在學(xué)完這三門理論課程后，安排一個(gè)綜合性的課程設(shè)計(jì)，是對前面所學(xué)的一個(gè)大綜合。因?yàn)檫@個(gè)階段主要培養(yǎng)學(xué)生面對一個(gè)有實(shí)際背景的問題，能夠選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法，最終能夠編程實(shí)現(xiàn)，對算法的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練是非常有必要的，因此在課程設(shè)計(jì)中，也安排了相關(guān)的算法練習(xí)，為二級項(xiàng)目的實(shí)施打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

每一門理論支撐課程的實(shí)踐包含課堂理論、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、三級項(xiàng)目、課外拓展訓(xùn)練，具體如下。

課堂理論：在講解知識點(diǎn)的過程中，改變傳統(tǒng)的以知識點(diǎn)為中心的教學(xué)方式，讓學(xué)生圍繞著現(xiàn)實(shí)生活中的小問題展開相關(guān)知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生將抽象問題轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)問題。

課內(nèi)實(shí)驗(yàn)：將實(shí)驗(yàn)分成驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)兩類。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)針對課程中的具體知識點(diǎn)，設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)針對多個(gè)知識點(diǎn)的綜合應(yīng)用。將實(shí)驗(yàn)中傳統(tǒng)的以知識點(diǎn)為主線的實(shí)驗(yàn)框架調(diào)整為以“問題”為主線的實(shí)驗(yàn)框架。

三級項(xiàng)目：傳統(tǒng)的三級項(xiàng)目多是語法描述為主，學(xué)生感到枯燥，沒有學(xué)習(xí)興趣。而對于有背景描述的項(xiàng)目，其要求的算法隱藏其中，學(xué)生需要有較好的抽象和分析能力才能夠?qū)⒚枋龅念}目轉(zhuǎn)換成算法，并最終實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目。

課外拓展訓(xùn)練：以Moodle網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺和浙江大學(xué)程序設(shè)計(jì)輔助教學(xué)平臺為依托，在平臺上進(jìn)行課外的練習(xí)和訓(xùn)練，使學(xué)生學(xué)習(xí)不斷流，提高程序設(shè)計(jì)的實(shí)踐能力。

實(shí)踐課程包含算法強(qiáng)化、二級項(xiàng)目和企業(yè)實(shí)踐。其中二級項(xiàng)目需要多門課程的知識點(diǎn)作為支撐，融合的知識點(diǎn)多，因此更要進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出一個(gè)較復(fù)雜的問題讓學(xué)生通過團(tuán)隊(duì)合作的方式解決。

該課程群體系有三個(gè)特點(diǎn)。

1.理論課程深度銜接

課程群建設(shè)涉及三門理論課程和一門設(shè)計(jì)實(shí)踐課程，該體系最大的創(chuàng)新是要打通這幾門課程的斷層現(xiàn)象，課程內(nèi)容設(shè)計(jì)注重連貫性、突出系統(tǒng)性。以二級項(xiàng)目的設(shè)計(jì)為核心，將項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)思想和編程實(shí)現(xiàn)所用到的知識點(diǎn)分解到三門理論課程中去，將 C#、C/C++程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法（C++實(shí)現(xiàn)）等核心課程組成“資源共享、平臺共用、層層遞進(jìn)、 逐步提升”的強(qiáng)核心課程群模塊，將程序構(gòu)造入門、程序構(gòu)造進(jìn)階、算法設(shè)計(jì)入門、算法設(shè)計(jì)進(jìn)階、程序與算法應(yīng)用組成核心課程模塊，解決程序構(gòu)造、算法設(shè)計(jì)及應(yīng)用的知識體系構(gòu)建的問題。

2.實(shí)踐資源校企合作

課程群在建設(shè)過程中，開發(fā)了“程序構(gòu)造能力課程校企合作組織模式”。將企業(yè)教師納入到課程群建設(shè)中，通過企業(yè)教師將企業(yè)真實(shí)案例引入到實(shí)踐教學(xué)中，形成了以專職教師為主、企業(yè)教師為輔、理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)并重、引進(jìn)PTA程序自動(dòng)評測平臺的模式，解決程序類實(shí)踐型教學(xué)資源建設(shè)和訓(xùn)練環(huán)境貧乏的問題，所設(shè)計(jì)題目具有一定的生活或歷史背景，提高了學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。項(xiàng)目要求的算法隱藏其中，學(xué)生需要有較好的抽象和分析能力才能夠?qū)⒚枋龅念}目轉(zhuǎn)換成算法，培養(yǎng)了學(xué)生問題分析的能力，大大提升了學(xué)生程序構(gòu)造和算法設(shè)計(jì)的能力。

3.課程考核強(qiáng)化機(jī)考

為提升學(xué)生的程序構(gòu)造與算法設(shè)計(jì)能力，課程群中所有課程對內(nèi)除了有常規(guī)的知識點(diǎn)的考核外，還要更加注重學(xué)生的實(shí)際編程能力考核。課程群中所有的理論課和實(shí)踐課的實(shí)踐環(huán)節(jié)均在浙江大學(xué)的程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)平臺PTA，這就對學(xué)生的編程能力提出了很高的要求，每門課平時(shí)的作業(yè)練習(xí)、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)也都在該平臺上進(jìn)行，加強(qiáng)了學(xué)生編程能力的訓(xùn)練。有了最終機(jī)考的要求，學(xué)生在平時(shí)的練習(xí)中上機(jī)實(shí)踐的時(shí)間也增加了許多，編程能力自然得到提升。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程實(shí)踐這個(gè)環(huán)節(jié)結(jié)束后，我校軟件工程專業(yè)要求所有學(xué)生參加計(jì)算機(jī)學(xué)會（CCF）軟件能力認(rèn)證CSP（Certified Software Professional），如果通過并在全國平均分以上，其成績可以記為學(xué)生的創(chuàng)新學(xué)分。通過這個(gè)環(huán)節(jié)也可以讓教師了解燕大軟件工程專業(yè)學(xué)生的軟件設(shè)計(jì)能力在全國參賽學(xué)校的水平。

三、課程群體系建設(shè)效果

1.參加CCF 組織的CSP認(rèn)證成績逐年提升

以程序設(shè)計(jì)能力為核心的二級項(xiàng)目課程群開始建設(shè)以來，燕山大學(xué)軟件工程專業(yè)組織所有的學(xué)生參加由中國計(jì)算機(jī)學(xué)會舉辦的CSP認(rèn)證。CSP是計(jì)算機(jī)學(xué)會（CCF）的計(jì)算機(jī)軟件能力認(rèn)證（簡稱CCF CSP認(rèn)證）標(biāo)準(zhǔn)，其考試內(nèi)容主要覆蓋大學(xué)軟件開發(fā)者的算法設(shè)計(jì)和實(shí)際編程能力方面計(jì)算機(jī)專業(yè)所學(xué)習(xí)的程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，以及相關(guān)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識。[8][9]參加CSP認(rèn)證也是檢驗(yàn)學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力的一個(gè)很好指標(biāo)。我們軟件工程專業(yè)從2016級開始全員參加CSP認(rèn)證，歷年成績?nèi)绫?所示。

從表1中可以看出，2016級、2017級和2018級學(xué)生參加CSP的超過了全國平均分的比例在提高，新一級學(xué)生人數(shù)的比例也在提升。對于這樣的一個(gè)客觀的認(rèn)證結(jié)果，也說明學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力在逐步提升，以程序設(shè)計(jì)能力為核心的二級項(xiàng)目課程群建設(shè)初見成效。

2.參與各類大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽成果逐年增加

截止到2020年10月30日，燕山大學(xué)軟件工程專業(yè)學(xué)生在各類大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽中獲得競賽銅獎(jiǎng)（三等獎(jiǎng)）以上的情況統(tǒng)計(jì)如表2所示。

此外，大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽分站賽（CCPC）、國際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽亞洲區(qū)上海站（ACM-ICPC）、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)大賽（CCSP決賽）各獲得三等獎(jiǎng)一項(xiàng)。從獲獎(jiǎng)數(shù)量和質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，2020級獲獎(jiǎng)人數(shù)和等級也比上一年增加了，說明學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力有了顯著提高。

四、結(jié)束語

以程序設(shè)計(jì)能力為核心的二級項(xiàng)目課程群開始建設(shè)以來，從大一的第一門計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)課程開始就注重學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力的綜合培養(yǎng)，以理論課程為依托，以程序?qū)嵺`為突破，引入CSP認(rèn)證作為程序設(shè)計(jì)能力考核指標(biāo)之一，培養(yǎng)軟件工程專業(yè)全體學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力;引導(dǎo)學(xué)生參加程序設(shè)計(jì)專業(yè)競賽，進(jìn)一步提升優(yōu)秀學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力。實(shí)踐證明，注重程序設(shè)計(jì)能力的課程群體系建設(shè)對培養(yǎng)學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力起到了較好的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張先偉，曲志堅(jiān)，張立紅，馬新娟，王海鵬，劉曉紅.程序設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)體系建設(shè)與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2019（9）：75-79.

[2]李賢善，趙逢達(dá)，穆運(yùn)峰.程序設(shè)計(jì)課程混合式教學(xué)模式的探索與實(shí)踐——以燕山大學(xué)《計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)與程序設(shè)計(jì)》課程為例[J].中國教育信息化，2018（12）：36-39.

[3]史倩竹，竇燕，岳麗文，朱燕.卓越計(jì)劃下的C++程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)設(shè)計(jì)[J].高教學(xué)刊，2017（11）：50-51，54.

[4]竇燕，李季輝，李可.基于Moodle的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)混合教學(xué)模式探索[J].計(jì)算機(jī)教育，2014（24）：73-76.

[5]竇燕，李季輝，李可.思維導(dǎo)圖在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中的實(shí)證研究[J].教學(xué)研究，2014，37（5）：40-43.

[6]竇燕，王常武，趙逢達(dá)，李賢善，李可.網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺支持下的混合教學(xué)多模態(tài)考核方式[J].中國教育信息化，2017（14）：17-19.

[7]劉衛(wèi)國，施榮華.“計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程群建設(shè)的探討[J].計(jì)算機(jī)教育，2009（12）：71-72.

[8]中國計(jì)算機(jī)學(xué)會.CCF軟件能力認(rèn)證Certified Software Professional（CSP）[EB/OL].http：//cspro.org/cms/show.action？code=publish_4028807662f1ccee0162f55d6abc 0037&siteid=100000&newsid=62ebd5ce75b54c56a04332c 97705f421&channelid=0000000107.

[9]中國計(jì)算機(jī)學(xué)會.CCF計(jì)算機(jī)軟件能力認(rèn)證[EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/CCF%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E8%BD%AF%E4%BB%B6%E8%83%BD%E5%8A%9B%E8%AE%A4%E8%AF%81/20404464？fr=aladdin.

（編輯：王天鵬）