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程序设计课程中学生解决复杂工程问题的能力培养

摘要：提出并阐述在程序设计课程中,通过多种考核方式、有意识地选择验证数学物理模型问题和解决特定领域复杂工程问题两个层级的题目作为教学内容、强化程序书写的规范性等方式,逐步培养学生解决复杂工程问题的能力.

关键词：复杂工程问题；工程教育认证；程序设计；规范化

0 引言

工程教育认证倡导以学生为中心、产出导向（ Outcome Based Education, OBE）、持续改进（Continue Quality Improvement, CQI）三大教育理念.具有解决复杂工程问题的能力是四年制本科生必须具备的能力[1].蒋宗礼在《本科工程教育:聚焦学生解决复杂工程问题能力的培养》[2] 和林健在《如何理解和解决复杂工程问题——基于<华盛顿协议> 的界定和要求》[3] 中都对复杂工程问题进行了详细的解读,并针对在教学过程中培养学生解决复杂工程问题提出了有益的建议.

程序设计是计算机类专业的核心课程之一,尽管学校和教师使用各种教学手段提高学生的程序设计水平,但学生在掌握基本编程语法后,表现出的编程能力却仍然难以令人满意,大部分学生依然缺乏《华盛顿协议》中提出的解决复杂工程问题的能力.

程序设计类课程的第一门课一般开设在大学一年级,在学生掌握的数学、自然科学以及专业知识还有限的情况下,培养学生解决复杂工程问题的能力似乎存在一定的难度.但复杂工程问题与复杂技术问题不同[4],可以通过仔细分析复杂工程问题的要求、不同大学一年级学生的特点以及程序设计课程的知识领域,循序渐进地培养学生解决复杂工程问题的能力.

1 程序设计类课程的课程目标

根据OBE 教育理念,首先确定专业的培养目标,然后确定专业的毕业要求以及细化的毕业要求指标点,接下来制定专业的培养计划,再进行教学活动,进而在教学过程中进行不断的评价和改进.例如某大学程序设计基础承担了如下指标点：

指标点1.5 ：具备将工程基础知识、计算机基础知识用于计算机领域复杂工程模型验证求解的能力.

指标点4.3 ：能够针对计算机科学与技术领域复杂工程问题,开发、选用恰当的技术和资源,并能够了解其局限性.

根据指标点,确定了程序设计课程的目标,课程目标包括知识方面和能力方面,其中① ~ ⑥能够很好地支持指标点1.5,⑦ ~ ⑩支持指标点4.3.

知识方面包括：①理解程序设计的基本类型、掌握程序设计中的运算符和表达式；②掌握面向过程的3 种基本结构（顺序、分支和循环）；③掌握数组、指针、结构体等构造类型；④掌握函数的定义和使用；⑤掌握程序设计中的基本算法和算法的描述方法.

能力方面包括: ⑥能够利用程序对数学和物理模型进行验证；⑦能够熟练使用一种程序开发工具；⑧在程序设计中养成良好的程序书写习惯；⑨掌握并应用自顶向下、逐步细化的模块化的程序设计方法；⑩设计程序解决数学、物理及实际问题,并判定结果的有效性.

2 在教学过程中循序渐进地培养学生解决复杂工程的能力

普通高校大学一年级的学生大部分没有接触过计算机编程,程序设计课程对大一新生还很陌生,教师需要在课程过程中培养学生解决复杂工程问题的能力,培养学生的计算思维,这要求教师必须在教学的过程中激发学生的兴趣,注重教学方法,循序渐进.

（1）掌握程序设计的基本原理,能够利用程序验证基本数学物理模型.程序设计基础课程的教学内容基本包括数据类型、控制结构、数组、函数、指针、结构体和文件.各学校一般也是按照上述顺序进行教学的.在整个教学过程中,利用应用习题提高学生程序设计的能力,有意识地结合数学、物理知识,练习设计程序完成数学物

理模型的求解,具体安排见表1.

（2）深入分析,构建模型,解决复杂工程问题.程序设计学习的第一层次通过数学物理模型任务案例解决了计算机基础应用的问题,在第二层次,培养学生通过对一些实际问题的分析,综合考虑各种要素,进行建模,然后用计算机程序解决复杂问题,见表2.

受到学生层次的限制,在设计题目的时候需要进行必要的抽象和简化,但在抽象和简化的过程中,仍然需要考虑满足复杂工程问题的条件.

表2 列出了针对不同知识点设计的复杂工程问题,有些问题对于高年级的学生来说可能不够“复杂”,但是针对大一的学生来说,是具有一定复杂程度的,这些问题都需要进行工程原理分析,问题涉及不同的领域问题,同时贴近实际,通过这些问题不仅能提高编程水平而且能够拓宽知识面,提高分析问题的能力.另外这些问题在设计的时候兼顾到了所学知识的前后顺序,能够保证大一学生经过分析探索是可以解决的.

购物打折是第一个实施复杂工程问题,主要是利用分支结构来解决问题的,它来源于实际.商场购物有打折和返券两种,如A 商家满120 返60 礼券；B 商家满258 返120 礼券；C 商家,满300 返200 礼券；D 商家满300 减100 礼券；F 商家打4 折,请问在哪家购买划算.再如物理实验数据拟合作业主要是运用数组进行计算,但却首先应建立数学模型（如最小二乘法）,如果实验数据量较大的话,使用文件更加合理.再者在使用分形方法绘制雪花图案例中更需要运用数学、几何知识、递归算法、绘图知识等.

归纳起来复杂问题的题目设计思路如下：

（1）选题类型原则.复杂问题来源于实际,而不是简单的抽象模型,这样学生解决起来才有兴趣.例如利用循环解决问题,一般练习的时候可能是1+2+3+4+…或者这种形式的变形的递增或者递减序列,这样的问题必定会有学生提出为什么不用递减序列的求和公式来解决？类似的购房问题综合考虑工资的增长、消费指数的上涨,以及房价上涨等多种因素,就会体现出利用计算机求解的优越性,同时对一些经济术语有所了解.

（2）选题场景.问题选题最好选自不同的领域,如财务、管理、物理应用等,这样,既能和生活实际紧密相连,又能让学生会体会到多学科背景的重要性.

（3）选题的难度问题.复杂工程问题不等于复杂性问题[4],针对大一新生的题目难度不能太高,涉及的知识点要考虑到循序渐进.如商品打折问题可以考虑判定都买一定价钱的物品,也可以要求给出不同的最佳选择.

3 采用多样的教学方式培养学生的程序设计能力

传统的课堂教学和现代的MOOC、微课等教学手段相结合可以提高学习的效果[5-7],考核方式多样化不仅可以检测知识的掌握程度,而且能够促进各种能力的不断提高.考核学生是否具备解决复杂工程问题的能力,考核内容包括：理论知识考核（学生练习、课后作业、学生自测、期末考试）、实践能力考核、创新能力考核、团队协作能力考核等几方面.通过各个环节的全面考核,综合评价学生成绩.结合教学管理平台完成理论知识的考核比较适合,考核评价要注意到题目类型的多样性、试题的内容是否与课程目标以及毕业要求指标点相一致.创新能力和团队能力考核与课程设计中考核评价相结合比较适合.不同的考核内容采用不同的现代技术平台能够减轻教师和学生的负担,特别是在线判题系统的应用,能够大大提高考查的效率[8-9].

对于程序设计课程来说,注重的是培养学生的编程水平和动手能力,并逐步培养学生解决复杂问题的能力.因此对于实践环节的考核就非常重要.学生一般认为程序设计实践环节的考核具有弹性,或者程序的结果正确就达到了目标.针对程序课程的目标和毕业要求的指标点,从问题分析、方案设计、编程实现、代码书写规范[10-11]、报告质量5 方面进行规范,见表3.

评分标准在开学初就公布在网站上,指导教师对典型的设计性报告根据规范进行评价,最终的评分作为总体评价的一部分.表3 列出的考核评价标准规范了评价过程,同时能够促进学生专业技能和业务素养的提高.

采用多种教学方式和考核方式后,学生程序设计课程学习的效果明显改善,不及格率由26%降低到7%,基础知识错误率明显降低.学生编写程序的能力显著提高,代码注释率增加,程序中标识符定义更加规范,并且后续课程教师普遍反映学生编程能力增强.

4 结语

高等院校在工程教育认证的过程中,首先要领会OBE 的教学理念,真正理解“复杂工程问题”的内涵,明确专业毕业要求和指标点,确定课程目标.在教学内容、教学方法、考核内容、评价标准上从课程的特点、学生的特征出发,因势利导,遵循教育规律,循序渐进.即使是在程序设计基础这些公共课程中也完全可以逐步培养学生解决复杂工程问题的能力.

参考文献：

[1] 夏建国. 从三个国际教育协定看工程教育与技术教育的区别与联系[J]. 中国高等教育, 2010(2): 39-41.

[2] 蒋宗礼. 本科工程教育:聚焦学生解决复杂工程问题能力的培养[J]. 中国大学教学, 2016(11): 27-30.

[3] 林健. 如何理解和解决复杂工程问题: 基于《华盛顿协议》的界定和要求[J]. 高等工程教育研究, 2016(5): 17-26.

[4] 杨毅刚, 孟斌, 王伟楠. 如何工程教育中有关“复杂工程问题”的难点: 基于企业技术创新视角[J]. 高等工程教育研究,

2017(2): 72-77.

[5] 苏小红, 赵玲玲, 叶麟, 等. 基于MOOC+SPOC的混合式教学的探索与实践[J]. 中国大学教学,2015 (7): 60-65.

[6] 杨鑫, 王大维, 王宇新, 等. 互补MOOC的主动式课堂建设方法探究[J]. 现代教育技术, 2017, 27(1): 115-120.

[7] 赵海冰, 李瑛, 邢翠芳, 等. 计算机程序设计课程教学中的微课程案例设计[J]. 计算机工程与科学, 2016 (S1): 55-57.

[8] 许小东, 吴军强, 刘小晶. 基于MOOC的程序设计开放实验平台的构建[J]. 实验室研究与探索, 2017, 36(4): 157-160.

[9] 胡慧, 郑立华, 高万林, 等. 基于MOOC的编程语言自动评测[J]. 现代教育技术, 2016, 26(9): 80-85.

[10] 江左文, 秦智平, 赵一鸣. 从编程规范角度加强独立学院“面向对象程序设计”课程教学的探索[J]. 佳木斯教育学院学报,2012 (6): 119-122.