盧瑾 顧國民 江頡 李曲 雷艷靜 徐衛(wèi) 浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為程序設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)，在提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力和自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)現(xiàn)知識(shí)和技能的“內(nèi)化”等方面具有理論教學(xué)不可替代的作用，是學(xué)生能順利進(jìn)行后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)和前提。然而，傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)內(nèi)容陳舊，偏離工程實(shí)際，實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系較為單一，與學(xué)科發(fā)展前沿有所脫節(jié)，無法激發(fā)學(xué)習(xí)興趣?；贠BE教學(xué)理念，筆者分別從計(jì)算思維、工程思維和創(chuàng)新思維培養(yǎng)切入，對程序語言課程設(shè)計(jì)教學(xué)進(jìn)行了改革與實(shí)踐。通過改革實(shí)踐教學(xué)方法建立學(xué)生的計(jì)算思維，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、抽象問題模型及解決問題的能力；引入程序設(shè)計(jì)自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，便于學(xué)生將理論課程中碎片化的知識(shí)點(diǎn)構(gòu)建成相對完善的知識(shí)體系，以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用和實(shí)踐創(chuàng)新的能力。

● 課程設(shè)計(jì)目標(biāo)及存在的問題

程序語言課程設(shè)計(jì)作為一門實(shí)踐類型的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其教學(xué)的基本目標(biāo)是讓學(xué)生充分理解程序設(shè)計(jì)思維，能夠?qū)⒊绦蛟O(shè)計(jì)相關(guān)課程的理論知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用，從而實(shí)現(xiàn)綜合型軟件開發(fā)能力培養(yǎng)。

課程設(shè)計(jì)以程序語言課程知識(shí)點(diǎn)為基礎(chǔ)，通過對實(shí)際問題進(jìn)行需求分析、方案設(shè)計(jì)、代碼實(shí)現(xiàn)及最后的功能測試，完成軟件開發(fā)的全過程。整體過程需要綜合運(yùn)用程序設(shè)計(jì)語言，另外涵蓋算法等相關(guān)知識(shí)與技術(shù)，提升培養(yǎng)需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等軟件工程理念。實(shí)際教學(xué)過程中存在以下問題：

①缺乏計(jì)算思維，分析解決問題能力不足。實(shí)驗(yàn)要求針對問題建立模型、設(shè)計(jì)算法及有效地求解編碼，完成一個(gè)應(yīng)用性、綜合性強(qiáng)的程序，而學(xué)生分析能力不夠，邏輯思維欠缺，往往表現(xiàn)出無從下手及難以抽象問題解決模型的情況。

②缺少工程思維和工程思想。學(xué)生幾乎不從工程角度看待問題。

③缺少創(chuàng)新思維。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)基本限定在一定的框架之下，缺少綜合類實(shí)踐項(xiàng)目，學(xué)生沒有機(jī)會(huì)使用新工具和新手段，創(chuàng)新性思維得不到鍛煉，沒有提出新方法和新觀點(diǎn)的機(jī)會(huì)。

● 問題解決思路

1.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容層次化

實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程設(shè)計(jì)將軟件工程過程貫穿于實(shí)驗(yàn)，以加強(qiáng)創(chuàng)新能力、工程實(shí)踐能力培養(yǎng)為核心，堅(jiān)持教學(xué)與科研相結(jié)合。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容引入專業(yè)相關(guān)的工程實(shí)際問題或者當(dāng)前社會(huì)的熱門課題，通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)分組合作學(xué)習(xí)，引導(dǎo)鼓勵(lì)學(xué)生通過各種渠道調(diào)查研究，對目前現(xiàn)有的算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，鼓勵(lì)改進(jìn)和創(chuàng)新，通過交流、討論和實(shí)踐來共同完成任務(wù)。強(qiáng)化思維培養(yǎng)，設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)途徑，突出思維與實(shí)踐活動(dòng)的結(jié)合。

為了使不同層次的學(xué)生都能得到教師的關(guān)注，在教學(xué)實(shí)踐中得到有效的指導(dǎo)，并確保每個(gè)層次的學(xué)生都能參與，發(fā)揮各自的特長，獲得較好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，真正實(shí)現(xiàn)學(xué)生的整體進(jìn)步和全面發(fā)展，需要將實(shí)驗(yàn)選題和要求進(jìn)行層次化設(shè)計(jì)，將選題分為綜合設(shè)計(jì)類和探索設(shè)計(jì)類。其中，綜合類與課程內(nèi)容結(jié)合更為緊密，探索類與科研內(nèi)容相關(guān)聯(lián)。實(shí)驗(yàn)要求分為基本任務(wù)與擴(kuò)展任務(wù)兩個(gè)部分，基本任務(wù)階段具有普適性，針對大部分學(xué)生，擴(kuò)展任務(wù)具有提升性，為的是滿足學(xué)生的差異化、個(gè)性化需求。右表為課程設(shè)計(jì)內(nèi)容分層設(shè)計(jì)的示例，其中以人體動(dòng)作識(shí)別程序?yàn)槔瑢?shí)驗(yàn)內(nèi)容拓展到圖像處理和機(jī)器學(xué)習(xí)等目前研究的熱門方向，任務(wù)要求分為基本功能、進(jìn)階功能和提升功能，以兼顧各個(gè)層次的學(xué)生。

2.實(shí)驗(yàn)過程泛在化

傳統(tǒng)的程序語言課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)一般集中一周的時(shí)間在實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示和提交實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告。這種教學(xué)模式受開發(fā)周期和開發(fā)場地的約束，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)得也相對簡單、單一，缺乏跨學(xué)科的交叉融合，無法激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)熱情。另外，實(shí)驗(yàn)安排缺乏靈活性，實(shí)驗(yàn)周期短，也導(dǎo)致學(xué)生沒有充分時(shí)間接觸并探索新領(lǐng)域。

課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容示例

計(jì)算機(jī)類專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)硬件資源依賴性不高，筆者提出將實(shí)驗(yàn)周期從一周拆分到八周，每周固定一個(gè)時(shí)間段進(jìn)行線下信息集中交流，平時(shí)借助線上平臺(tái)隨時(shí)溝通反饋，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，實(shí)現(xiàn)泛在化教學(xué)。通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)的形式，以解決復(fù)雜工程問題的能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，從頂層統(tǒng)一規(guī)劃、優(yōu)化設(shè)計(jì)、循序漸進(jìn)、劃分階段（如圖1）。需求分析階段收集相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀知識(shí)及進(jìn)行待解決問題分析，在需求明確的情況下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜問題任務(wù)分解，實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作，開發(fā)階段設(shè)計(jì)算法，確定流程及編碼實(shí)現(xiàn)，提出方法的創(chuàng)新，同時(shí)并行測試工作，最后撰寫報(bào)告。將任務(wù)分配到各個(gè)階段，使項(xiàng)目貫穿于整個(gè)課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)周期。

圖1 任務(wù)驅(qū)動(dòng)式實(shí)驗(yàn)流程

● 基于混合思維的實(shí)踐教學(xué)改革

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型

如下頁圖2所示，以混合思維為培養(yǎng)目標(biāo)的課程設(shè)計(jì)主要通過不同任務(wù)環(huán)節(jié)展開?；救蝿?wù)包括實(shí)驗(yàn)基本功能和進(jìn)階功能的實(shí)現(xiàn)，完成基本功能的方法是通過引入計(jì)算思維培養(yǎng)課程和改革教學(xué)方法來培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題和抽象模型的能力；進(jìn)階功能通過專業(yè)認(rèn)識(shí)培訓(xùn)展開，結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂討論培養(yǎng)學(xué)生工程思維和工程實(shí)踐能力；創(chuàng)新思維的培養(yǎng)以擴(kuò)展任務(wù)實(shí)現(xiàn)提升功能展開。三種思維的培養(yǎng)圍繞整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)展開，貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)體系。

圖2 設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型

2.計(jì)算思維培養(yǎng)

計(jì)算思維的根本目的是問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解。實(shí)驗(yàn)引入應(yīng)用程序開發(fā)要求，結(jié)合經(jīng)典算法，針對問題求解通過建立模型、設(shè)計(jì)算法及有效地求解編碼，完成一個(gè)應(yīng)用性、綜合性強(qiáng)的程序，將問題求解提升到計(jì)算思維訓(xùn)練的高度，是典型的計(jì)算思維課程。在基本任務(wù)實(shí)現(xiàn)過程中，學(xué)生通過分析問題，提出方案，解決問題，再修改方案，經(jīng)歷了從無到有、從局部到整體、從粗糙到完善的設(shè)計(jì)過程，整體需求的分析訓(xùn)練了系統(tǒng)思維能力，設(shè)計(jì)到具體代碼的實(shí)現(xiàn)鍛煉了邏輯思維能力和計(jì)算思維能力，方案的討論也提升了團(tuán)隊(duì)協(xié)作及溝通的能力。

如圖3所示，教師發(fā)布設(shè)計(jì)并發(fā)布課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，集中介紹課題要求，學(xué)生課外自主搜集相關(guān)課題資料，根據(jù)自身特點(diǎn)與能力，自行組隊(duì)選題；待確認(rèn)實(shí)驗(yàn)題目后，教師以集中授課的形式開展課程設(shè)計(jì)流程介紹和課題思路講解，學(xué)生自行開展學(xué)術(shù)調(diào)研，再自主開展實(shí)踐，并初步完成實(shí)踐內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)室主要進(jìn)行實(shí)踐內(nèi)化工作，教師在需求分析和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段分別通過聽取學(xué)生匯報(bào)及檢查的形式了解學(xué)生實(shí)踐情況，針對出現(xiàn)的問題進(jìn)行重點(diǎn)講解及交流討論；學(xué)生根據(jù)教師指導(dǎo)優(yōu)化實(shí)踐結(jié)果，最后提交實(shí)踐材料。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、開發(fā)語言以及算法選擇上有足夠的自主權(quán)，在自主設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中教師提供的模型只是基準(zhǔn)，學(xué)生可以在此基礎(chǔ)上提出異議，自主分析問題、解決問題的能力得到充分鍛煉。

圖3 自主學(xué)習(xí)式教學(xué)方法

3.工程思維培養(yǎng)

以計(jì)算機(jī)類專業(yè)為研究對象，工程思維可以狹義理解為在特定的約束條件下開展計(jì)算機(jī)軟、硬件工程項(xiàng)目所需要具備的思維方式。與課內(nèi)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)不同，程序語言課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要求通過需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、程序編碼、功能測試及調(diào)試運(yùn)行等步驟，促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用系統(tǒng)觀點(diǎn)，對對象互相聯(lián)系的各個(gè)方面及其結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，從而提升解決復(fù)雜問題的能力，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開展過程中將項(xiàng)目功能、性能、成本、可靠性等約束條件考慮在內(nèi)。

4.創(chuàng)新思維培養(yǎng)

針對學(xué)有余力的學(xué)生，創(chuàng)新思維培養(yǎng)采用增設(shè)擴(kuò)展任務(wù)的形式，打破以往的實(shí)驗(yàn)框架統(tǒng)一模式的限制，鼓勵(lì)學(xué)生基于基本任務(wù)功能，對實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行不同的思考，激發(fā)學(xué)生探索新技術(shù)的積極性，從而創(chuàng)造出新的思維方法，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力。

● 培養(yǎng)效果

整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)了2個(gè)大方向、10項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，涵蓋管理類程序設(shè)計(jì)、微信小程序設(shè)計(jì)、圖像處理和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)。圖4為上文表中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容示例人體動(dòng)作識(shí)別程序設(shè)計(jì)對應(yīng)的成果圖，其中圖（a）為人體動(dòng)作識(shí)別基本任務(wù)實(shí)現(xiàn)效果，圖（b）為人體動(dòng)作識(shí)別方法應(yīng)用推箱子小游戲的擴(kuò)展任務(wù)效果，課程設(shè)計(jì)內(nèi)容、流程以及實(shí)踐教學(xué)方法的改革，極大地提高了學(xué)生的課程參與積極性，調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，對比傳統(tǒng)教學(xué)，學(xué)生實(shí)踐能力明顯提升。

圖4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容示例的成果圖

● 小結(jié)

針對程序語言課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，本研究將計(jì)算思維、工程思維、創(chuàng)新思維三種混合思維培養(yǎng)目標(biāo)嵌入到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容和實(shí)踐過程中，打破傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與模式，通過需求分析、理論講解、自主設(shè)計(jì)及調(diào)試驗(yàn)證各環(huán)節(jié)結(jié)合實(shí)施，同時(shí)將內(nèi)容拓展到目前研究的熱門方向，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)學(xué)生對已學(xué)課程知識(shí)的鞏固和二次深入學(xué)習(xí)，使得學(xué)生在能力范圍內(nèi)實(shí)施創(chuàng)新思想，不斷提升自身的工程化實(shí)踐水平，在實(shí)踐推行過程中得到學(xué)生積極的響應(yīng)，且實(shí)驗(yàn)成果完全達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。