基于成果导向的程序设计类课程教学改革研究

原源 邓居智 肖慧 赵斐宇 周聪

[摘 要] 地球物理专业程序设计类课程对于培养本科生逻辑思维能力，开展地球物理问题科学计算具有重要作用。针对传统地球物理专业程序设计类课程教学活动中存在的课程形式单一、教学内容衔接差、理论知识与实践教学脱节等问题，进行了实践教学改革。通过更新教学目标、革新教学模式、创新实验教学内容、搭建开放平台、改革考核方式等举措，探索以解决地球物理学专业问题为目的的程序设计类课程改革，提高学生的计算机思维及创新实践能力。

[关键词] 地球物理学;成果导向;程序设计;教学改革

[基金项目] 2019年度江西省高等学校教学改革研究课题“‘新工科背景下基于SPOC+PTA平台的地球物理学程序设计类课程教学改革研究”（JXJG-19-6-16，JXJG-19-6-8）;2020年度江西省教育科学“十三五”规划课题“‘新工科视域下基于成果导向的混合式地球物理学实践教学模式与实证研究”（20YB069）

[作者简介] 原 源（1989—），女，山西运城人，博士，东华理工大学地球物理与测控技术学院副教授，硕士生导师，主要从事地球物理正反演研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）28-0060-04   [收稿日期] 2020-09-04

一、引言

面对新一轮的科技革命、产业革命和世界各国相继出台创新发展战略的竞争现状，我国明确提出实施创新驱动发展战略，加强创新人才的培养成为我国教育的迫切需求。在“新工科”背景下，创新人才培养模式，引导学生形成创新思维至关重要，因此，旨在提高学生逻辑思维能力和创新实践能力的程序设计类课程教学改革迫在眉睫[1，2]。

“地球物理学专业—程序设计类课程”主要包括C/C++、Matlab及Fortran语言程序设计，是一类以计算机程序设计语言和地球物理学专业知识为基础，并融合数值计算、微积分方程求解、数字信号处理技术等，以解决实际地球物理问题为目的的课程[3]。该类课程是地球物理学专业本科生非常重要的专业基础课，是学生开展地球物理学新方法、新技术等科学研究的必备技能，因此探索程序设计类课程改革具有重要意义。近年来，程序设计类课程改革已取得了一定进展，提出了重构知识体系、改革教学模式、优化教学案例、革新评价体系等举措[4-7]。但是与实现“新工科”背景下，应用型、创新型人才培养仍有一定差距，为此，我们将成果导向教育理念融入地球物理学专业程序设计类课程教学中，通过实践教学改革，培养具有解决地球物理学专业问题能力的应用型技术人才。

二、教学中存在的问题

经过几年的教学反馈总结，我校地球物理学专业程序设计类课程主要存在以下问题：（1）教学目标定位不准，缺少统一的教学组织。我校地球物理学专业包含重力、磁法、电磁法、地震及放射性勘探等研究方向，而程序设计类课程一般由某一方向教师讲授，由于缺乏统一的实验教学内容制定，导致不同方向教师的应用性内容讲授及实验教学环节各不相同，影响教学活动的完整性和系统性。（2）教学模式形式单一，教学效果不佳。目前我校地球物理学专业程序设计类课程主要采用线下授课方式，一般为32或40学时的理论授课+8学时的集中实验授课。在现有的教学模式下，一方面，“以教师为中心”的“基本语法”讲授占用了大量的理论教学课时，严重影响知识深化及专业应用;另一方面，在有限的实验环节，学生只能进行基础编程训练，实践及创新能力无法得到充分锻炼。（3）教学内容与专业知识衔接性差，缺乏地球物理学问题描述和求解。本专业程序设计类课程主要采用计算机科学与技术规划教材，教学示例亦主要围绕典型计算机编程问题展开，导致理论教学过程与实践演练脱节，学生无法灵活使用程序设计语言解决地球物理专业问题。（4）缺乏综合评价体系，无法充分调动学生学习主动性。目前，本专业程序设计类课程学生成绩主要由三部分构成：平时成绩，即课堂表现;实验成绩;期末成绩。由于未对学生整个学期的学习进行及时追踪和完整评价，致使学生在学习过程中消极、懒散，甚至出现抄袭实验报告等现象。

三、教学实践改革与创新

在地球物理学专业程序设计类课程教学中，应充分考虑地球物理专业的产业需求，突出本课程的实用性和教学成果的重要性，聚焦基础、核心的学习成果，从解决固定地球物理专业问题到解决开放式的工程实践问题，培养学生程序设计语言综合知识和应用能力。因此，教学团队打破原有教学模式，结合教学中存在的问题，从革新培养目标、教学内容改革研究、教学模式设计和综合教学评价体系设计几个方面展开研究，制定了适用于地球物理学专业的程序设计类课程教学改革措施。

（一）专业成果导向，定位教学目标

基于Outcome-Based Education（OBE）教育理念，并结合地球物理学专业需求，确立了由“知识导向”转变为“成果导向”的教学目标[8，9]。具体教学标准由语法知识、应用技能、专业实践三部分组成，确立以专业成果为导向，以培养学生程序思维为目标，通过逐步实施各阶段教学计划，最终实现培养面向区域经济发展、解决实际地球物理学专业问题的高素质应用型人才。

（二）搭建开放平台，革新教学模式

针对前述传统地球物理学专业程序设计类课程教学模式的不足，本次改革通过搭建网络教学平台，开发专业成果发布系统，利用翻转课堂的特点与优势，以教师主导、学生主体为准则，以自主探究和合作探究为途径，构建“三阶段六环节”教学模式（如图1所示），具体教学过程为：（1）课前基本知识传授阶段。该阶段教师在SPOC平台和PTA平台上准备教学视频和资源、课前自测题、知识深化训练及讨论，特别是将与本专业问题紧密相连的知识点进行精细设计并增加相应的学习资源，学生在该阶段进行自主学习和练习，并进行师生在线互动讨论，充分认识学生的学习难点和困惑，为课堂讲授做准备。（2）课堂知识完整建构阶段。本阶段分为两部分，一部分为讨论重难点和理清知识点，让学生系统地掌握课程知识点，构建知识完整性;另一部分包括提出问题、独自思考、确定问题、小组讨论、汇报交流、教师解惑、总结评价等活动，学生在解决综合问题的过程中牢牢掌握知识点，提高综合运用的能力。（3）课后巩固及知识进阶。课后活动设计包括两方面内容：一是与本课知识单元相应的基础练习和测试，该过程教师基于SPOC平台根据重难点和教学实际设计课后作业和单元测试题目，学生在线巩固知识并答题，师生积极开展互动探讨，教师以此了解大部分学生的学习情况和效果;二是知识进阶及綜合能力训练，该过程教师基于本课题研发的地球物理专业成果导入系统，根据不同学生学习层次及兴趣点的差异，设计不同难度及研究方向的专业课题，同时对于专业综合性强、难度较大的综合工程实践课题，给出相应的要点提示、分析思路，学生通过成果导入系统内化前期已有成果、设计完成新的专业课题，训练综合程序设计能力和解决专业问题的能力，在此过程中，教师随时跟踪成果导入系统，掌握学生的课题完成情况，并实时更新、调整课题，通过个性化指导保证学生得到有效训练。