程序設計基礎課程設計教學改革

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摘要：針對程序設計基礎課程學習效果欠佳的情況，以新工科建設和工程教育認證為契機，以《華盛頓協議》提出的“以學生為中心、產出導向、持續改進”教育理念為指導，以培養學生解決復雜工程問題能力為目標，根據畢業要求及對應的畢業能力分解指標點，提出對課程教學目標和教學內容進行修訂，設計教學的各個環節，最后說明教學反饋情況。

關鍵詞：工程教育認證；復雜工程問題；產出導向；反向設計；教學改革

0引言

隨著新經濟的快速發展，當前計算機專業人才無論從數量還是質量上都無法完全滿足社會發展的需求。2017年，教育部在“教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知”中指出，新工科研究和實踐圍繞工程教育改革的新理念、新結構、新模式、新質量、新體系開展[1]，而工程教育專業認證[2]則為工程教育改革提供質量保障。在此背景下，以工程教育認證通用標準[3]（以下簡稱《標準》）和《華盛頓協議》[4]）為指導，開展高校工程教育改革和創新,促進工程教育質量的全面提升,為新經濟發展培養新工科人才迫在眉睫。

1教育理念更新

工程教育的主要目標是培養學生深入運用工程原理和各種工程知識，分析和解決復雜工程問題[5]。程序設計基礎課程設計是為程序設計基礎課程設置的實踐教學環節，是培養學生綜合運用所學知識解決復雜工程問題的一門實踐課程，在計算機專業的課程體系中具有舉足輕重的地位。通過分析以往的課堂教學，發現傳統教學方式[6]難以達到理想的教學效果，具體體現在：①在教學方式上，以教師為主導，學生被動學習，學習積極性不高；②在教學內容上，以知識學習為主，學生好不容易學會了各種語法卻不知道所學知識有何用處；③在教學效果上，大部分學生應試能力較強，但解決復雜工程問題的能力卻得不到提高，導致畢業后學生的能力無法和社會需求接軌。針對教學過程中出現的問題，課程以《華盛頓協議》提出的“以學生為中心、產出導向（OutcomeBasedEducation，OBE）、持續改進（ContinueQualityImprovement，CQI）”三大教育理念[4]為指導，以培養解決復雜工程問題能力為目標開展課程改革與實踐。

2合理的教學設計構建

根據吉林大學計算機專業的培養目標、結合《標準》中規定的畢業要求，學校制訂畢業要求，將畢業要求中的各項畢業能力分解并映射到課程體系的每一門課程，各門課程再依據自身支撐的指標點自上而下地對教學目標、教學內容、教學策略和教學實施等各環節進行反向設計，形成課程教學思路。

2.1專業畢業要求

畢業要求確定后，將畢業要求的實現過程逐一分解映射到各門課程的課堂教學、實驗教學、課程設計、實習實訓、畢業設計(論文)等教學環節，從而完成從日常教學到畢業要求，再從畢業要求到培養目標的層層支撐關系。畢業要求不僅要支撐本專業的培養目標，也要支撐《標準》規定的畢業要求。依據2011年國家工程教育認證的反饋意見，我們對本專業在現行培養方案[7]基礎上制定了2018版培養方案[8]，對專業畢業要求作了相應修訂，使專業畢業要求完全覆蓋《標準》中12條畢業要求。達成《標準》畢業要求不只是一門課程的目標，也不是一位教師的責任，它需要本專業擔任教學的全體教師、從事教學管理的全體職員、專業負責人、學院領導以及學校相關部門的共同努力，才能勝任和完成[9]。在具體開展能力培養工作前，需要將本專業各項畢業能力予以分解和落實。本課程作為計算機專業課程體系的一員，為最終達成畢業要求承擔了相應的支撐工作。作為專業基礎實踐教學環節，本課程重點對專業畢業要求③“掌握計算機專業領域系統設計、集成、開發及工程應用的基本方法，能夠綜合運用理論和技術手段設計解決復雜工程問題的方案，設計滿足特定需求的計算機軟、硬件系統，能夠將創新意識體現到設計環節中；具備在設計/開發中考慮社會、健康、安全、法律、文化及環境等因素的基本素養”和畢業要求⑨“具有一定的獨立工作能力、組織管理能力和團隊合作能力，能夠在多學科背景下的團隊中承擔各種角色”進行支撐。

2.2課程教學目標

可以看出本課程教學目標的核心是培養學生解決復雜工程問題的能力，因此課程的后續環節主要圍繞該核心開展工作。

2.3課程內容選擇和設計

如何為學生選擇并設計合適的課程設計題目是培養學生解決復雜工程問題能力的關鍵要素之一。考慮到本課程的受眾為計算機專業本科一年級學生，大部分學生僅有程序設計基礎理論課和實驗課所學的基礎知識，因此在題目設計上既要考慮課程所支撐的畢業要求，又要兼顧受眾的專業基礎，根據學生的實際情況設計課程內容。針對教學目標①，課程內容應設計一個綜合性、較大規模的工程問題，該問題符合復雜工程的特征，有一定的挑戰性又不失生活化，利于學生反向分析該工程并找出所需專業知識，進而通過設計、編寫、調試、測試的軟件開發過程，培養學生初步解決復雜工程問題的能力。針對教學目標②，本課程設計設置3~4人為一組，分組完成課程內容，培養學生的組織管理能力和團隊合作能力[10]。

2.4課程教學策略設計

教學策略是為實現教學目標而制訂的、付諸教學過程實施的整體方案，包括合理組織教學過程、選擇具體的教學方法和材料、制訂教師與學生遵守的教學行為程序等[11]。為有效開展致力于培養解決復雜工程問題能力的教學，教學策略設計著重從以下4個方面考慮。（1）強調以學生為中心。教師的身份從課堂的主導者轉變為引導者，通過診斷、評價、反饋以及建設性介入等策略，協助學生達成預期成果[11]。（2）強調產出導向。面向產出的教育與面向課程的教育（Competencybasededucation,簡稱CBE）的區別，關鍵在于“追求的是產出（能力），還是輸入（知識/課程）”。課程強調產出導向，根據教學目標中畢業能力要求，對教學內容、教學策略進行反向設計，培養學生解決復雜工程問題的能力。課程主體上采用基于項目的學習（Project-BasedLearning，PBL）策略，讓學生從一個生活中可以接觸到的實際應用系統出發，分析目標系統，逐步推導并設計各個模塊及相應的解決方案，最終實現對復雜工程問題的求解。（3）強調團隊合作。課程的教學過程貫穿基于團隊的學習（Team-BasedLearning，TBL）、合作學習（CollaborativeLearning，CL）等教學策略。學生以小組為單位，根據給定的復雜工程問題討論工程需求，進而分析、設計并編碼實現目標系統。一方面，團隊成員為達成團隊成果而合作學習；另一方面，每個團隊成員有不同的分工，通過自我挑戰和自我競爭提升自身能力。（4）強調教學手段情景化。在課程的驗收階段采用角色學習（RolePlayLearning）法。很多計算機專業的學生習慣于站在開發人員的立場思考問題，認為實現了系統功能就萬事大吉了，這種自我定位直接導致設計及實現系統過程中對用戶體驗的忽視，進而引發系統開發與維護時的諸多問題。為了改變這種狀況，在測試和驗收階段，學生切換角色、從使用者的角度使用、評估其他小組的系統。

3教學實施

在選題階段，課程教學團隊為2017級計算機專業本科生設計的題目為“利用C語言實現校園卡管理信息系統”，選題的具體要求中只列出各小組必須達到的基本要求，并鼓勵學生在此基礎上擴展。該選題具備復雜工程問題的特征，可以鍛煉學生綜合運用所學知識解決復雜工程問題能力。同時，該校園卡管理信息系統是學生們每天都能接觸并使用的實際應用系統，教學內容的生活化可以激發學生的學習興趣，很適合剛剛接觸專業知識的學生從系統角度開展項目需求分析等工作。該題目無論從規模上還是從復雜性上，對處于入門階段的一年級本科生都是極具挑戰性的。每個階段的教學內容設計如下。（1）需求分析與系統設計階段，安排4學時。本階段學生對系統需求、系統設計、任務分工等進行組內討論，強調站在系統的高度，以系統的視角分析問題。（2）系統實現階段，安排8學時。采用合作學習法，每個組員完成各自分工模塊的編碼實現，最終各模塊整合成一個目標系統。本階段教師不進行知識點的講解，而要求學生根據第1階段討論的分工分析實現系統所需的知識（可能包括課堂上沒有學過的知識），并通過與教師或同學討論、查閱文獻資料、瀏覽技術論壇、搜索網絡資源等多種渠道解決該過程中遇到的困難。此方法引導學生主動學習、積極思考，促使學生逐漸養成獨立分析、自主探索的學習習慣。（3）系統測試階段，安排2學時。教學過程中采用角色扮演法，要求不同小組之間交換測試、使用其他小組的系統，每個小組扮演另一個小組的“客戶”角色。實踐證明，該方法對幫助學生深入理解客戶的需求和提高對客戶體驗的重視程度有積極作用，大部分學生在使用了其他小組的系統之后，能立即意識到良好用戶體驗的重要性，從而在教師驗收之前對自己的系統進行相關改進。（4）驗收階段，安排2學時。按照平時考核、代碼和實驗報告質量、任務分工和完成比例、界面設計和答辯情況等因素綜合評定最終成績。在驗收過程中，教師隨機選擇一位非組內成員的學生作為操作者，以用戶的角色輔助教師對程序進行驗收，并在使用結束時為該小組設計并實現的軟件給出至少1個修改意見或建議。實踐證明，所有扮演該角色的學生均可客觀公正地提出建設性意見，進而主動思考自己小組系統的不足之處。本課程的整個教學過程強調了學習過程中以學生為中心、以產出為導向的理念，使學生進行自我管理，充分調動了學生的學習熱情，培養了學生獨立分析問題、解決問題和自主學習的能力，教學取得了良好的效果。各階段均支撐課程的教學目標①和教學目標②。

4教學反饋

為獲取教學效果的反饋信息，我們對剛剛結束本課程的2017級計算機專業本科生開展問卷調查，同時征集對課程教學的意見和建議。教師共發放問卷130份，收回121份，其中無效問卷2份。通過對119份有效問卷統計分析，得到以下反饋信息：①在教學內容方面，參與調查問卷的學生中，68%的學生認為題目比較難；83%的學生在16學時內不能全部完成題目要求，其中大部分學生需要額外學習10~24小時；所有參與調查問卷的學生均認為通過本課程，加深了對理論課所學知識的理解。②在對畢業要求的支撐情況方面，認為該課程對于表1中的分解指標點③-1、指標點③-2和指標點⑨-1起到支撐作用的學生分別占98%、97%和97%。從程序驗收情況和學生調查問卷來看，課程基本達到了預期，取得了如下成果：①教師從課堂主導者轉變為引導者，學生從被動學習改變為自我管理，培養學生自主學習的能力；②改變了學生不知所學知識究竟有何用處的尷尬狀況，把一學期所學的理論知識直接轉化為工程項目的要素，實現了第一個“麻雀雖小，五臟俱全”的工程項目，極大地提升了學生的自信和成就感；③學生學會從系統的角度看問題，根據系統反推所需知識，鍛煉了初步解決復雜工程問題的能力。本專業先后于2011年和2017年參加工程教育認證，兩次均順利通過，2017年獲得了有條件6年有效期的結論，本課程作為專業課程體系的實踐教學環節，積極開展課程改革與創新，對最終達成《認證》畢業要求作出了預期的貢獻。

5持續改進

吉林大學計算機專業建立了基于教學質量評價、基于畢業生反饋信息和基于社會評價結果的持續改進機制。根據合理性評價意見，結合國家政策、社會需求、學校定位、教育教學改革等多方因素，每4年對專業培養方案進行一次大修訂，每年對課程設置進行微調。2017年，本專業以工程教育認證為契機，進一步改進本科培養方案，完成了2018版培養方案的修訂工作。專業在新培養方案中進一步完善與課程體系及教學過程直接相關的畢業要求，除了將畢業生知識、能力和素質要求修訂完善成完全覆蓋《標準》現行的12條畢業要求外，還強調對解決復雜工程問題的要求，畢業要求中體現復雜工程問題的重要特征，強調工程實踐能力的培養，尤其是解決復雜工程問題能力的培養。結合本專業畢業生調查問卷和學生座談意見，在新版教學計劃中，程序設計基礎理論課課時在原基礎上減少16學時，程序設計基礎課程設計實踐教學環節在原基礎上增加16學時，切實為提高學生解決復雜工程問題能力創造條件。結合2017級本專業本科生的調查問卷反饋，程序設計基礎擬在2018級的理論課教學中采用小班授課模式，實驗課教學中安排更多綜合性和設計性題目，程序設計基礎課程設計繼續保持對學生具有挑戰性的難度。本課程將繼續改革創新，為最終達成工程教育的畢業要求不斷提升課程教學質量。

6結語

通過應屆和歷屆學生評估反饋的結果，本專業及本課程梯隊能及時發現教學過程中存在的問題并積極改進，教學質量不斷得到提升。隨著新工科建設和工程教育認證工作的推進，隨著對“解決復雜工程問題能力”的理解的深入，課程團隊將繼續改革程序設計基礎課程設計，將教學反饋與預定教學目標進行對照，使課程教學始終處于持續改進的狀態。

作者：鄧春燕 周治國 陳娟 呂帥 單位：吉林大學 計算機科學與技術學院 東北師范大學信息科學與技術學院