基于成果导向的程序设计与算法系列课程教学改革实践探究

李文彬 潘理 吴岳芬 杨勃

关键词：成果导向；混合式教学；程序设计与算法；教学改革

1 引言

程序设计基础、数据结构与算法系列课程是高校计算机类专业的基础核心课，着重培养学生的计算思维能力、问题求解能力、编程实践能力，为后续课程学习与职业发展打下坚实基础。随着信息技术的发展，学习资源的日益丰富，在线学习已经成为传统学习方法的重要补充[1]。但是由于学生的学习水平、自主学习与自我控制能力存在差异，想让在线学习取代线下学习，让学生享受到其他名师或重点高校的教学资源，从而达到专业人才培养目标，显然难以实现。为提高学生的学习效率，达到专业人才培养既定目标，成果导向的混合式教学被提上日程。

成果导向教育是发端于美国的一种教育理念强调课程建设要持续改进，要根据教学的目标和学生的具体情况，不断的优化提升，迭代发展[2]。尤其是针对不同专业、不同课程，其性质、规律和特点都不相同，就应设计不同类型的混合式教学模式，预设学习成果、反向设计、正向实施、不断反馈等方面对成果导向的混合式教学模式进行研究和探讨，从而更好地实现课程的教学目标。文献[1]中探讨在应用型本科高校如何基于成果导向，根据不同专业、不同课程性质构建混合式教学模式；文献[3]中研究从融合和优化程序设计类课程内容，设计递进式混合教学模式的程序设计类课程混合式教学模式；文献[4]深入分析C语言程序设计教学中的不足，从教学成果入手强调理论与实践的有机结合，提升人才培养质量；文献[5]中根据程序设计基础课程特点，提出了一种翻转课堂的教学模式，提升学生兴趣和课程教学效果；文献[6]探索信息化环境下，如何提高课堂知识内化效率、提升学生学习能力的程序设计类课程的翻转课堂教学模式；文献[7]结合成果导向教育和计算思维模式进行程序设计类课程改革，提高学生计算机思维能力和教学效果。这些研究对于提高程序设计类课程教学质量提供了许多有建设性的思路与改革。但程序设计基础、数据结构、算法设计等系列课程的理论、实践和产出具备很强的关联性，不能孤立改革某一门课程，尤其是在强化学生的计算思维、问题求解能力和编程能力方面，更需要整体规划，深入研究符合该系列课程学习的混合式教学模式。

2 程序设计与算法系列课程主要问题分析

程序设计与算法系列课程主要包括程序设计基础、面向对象程序设计、数据结构、算法设计分析，涉及基础理论、算法和技术，因此，该系列课程具有理论与实践、基础与前沿并重的特征。但是，在目前的课程教学中，大多数还是知识讲授主导课堂，忽视了专业素质和问题求解能力培养，所以还存在一些普遍性问题亟待解决：

1）传统的程序设计基础教学中，往往以教师为中心，课堂上重点关注知识的讲解传授，忽略了学生的内化，难以发挥学生的主体作用，忽视了学生计算思维和编码实践能力的培养。在实践训练资源中，设置的问题挑战度低，难以满足不同层次学生需求。

2）数据结构课程内容强调数据存储与逻辑，主要采用课堂老师讲授+上机实验的方式，只有部分基础案例供学生实践，实验设置往往以验证性为主，设计性和综合性少，很少结合实际工程问题，学生的问题求解能力没有得到有效锻炼，导致学生对课程理解和应用不足。

3）算法设计分析，设计内容全面，知识点多，难度大，课堂讲解内容偏基础，而且算法案例设计与求解方法上缺乏新意，没有与教师科研很好结合，在前沿技术的深层次的探讨不足，学生对前沿技术嗅觉不够敏锐，自主与创新学习能力不足，导致学生实际工程能力不强，缺乏系统性问题求解训练。

导致上述问题的根本原因：要学好程序设计类平台基础课，除了掌握理论知识，还需大量编程实践和问题求解实践，而现有教学以课堂基础知识讲解为主，且在实践课上，学生只需要完成基本实践任务即可，缺乏学生进行自主实践的驱动力；专业课教学过程脱离了实际工作任务和科研项目，学生无法将所学理论知识直接应用到实际工作中，进而造成学生的学习兴趣下降，甚至放弃课程的学习。为有效解决上述问题，对程序设计与算法系列课程进行课程改革实践，在注重不同课程内容衔接与融合的同时，不断更新在线平台案例库，引导学生自主训练，支撑学生实践能力达成，根据不同课程性质与特点，利用好现有省级一流课程资源和在线评测系统等设计不同的混合式教学模式，实施该系列课程教学改革实践探索。

3 课程改革实践

3.1 教学分析

针对程序设计基础、数据结构、算法设计分析此类具有培养学生的计算思维、问题求解能力和编程能力同一目的，且呈现明显层次递进关系的课程，尤其要根据教学目标和内容设计不同的混合式教学模式，以便于更好提升教学质量。在教学实施过程中，该系列课程都可以利用在线评测（Online Judge， OJ）平台辅助线下教学的模式，结合评测系统的实时反馈，形成了独有的混合式教学模式，其总体思路如下：在课前，老师将学习视频发给学生，同时在OJ平台上发布预习作业，然后学生进行自我检测，老师通过OJ系统收集并分析数据，总结学生自学过程中存在的问题，了解课前学生自学情况及存在的普遍性問题，为课中的知识讲解做准备，如图1所示，左边为课前预测的在线测试，右边为学生完成情况；课中，老师完成理论知识讲解与重构，并进行随堂检测，通过OJ的实时评测，发现学生所犯错误，并分析问题、讲解问题，如图2所示，左边为课前预测的在线测试，右边为OJ系统发现的学生答案错误情况，老师就针对该错误，进行实时讲解，实时解决课堂上知识学习与内化的问题；课后，老师在OJ上布置不同难度作业供学生课后完成，使知识进一步内化与巩固，强化学生解决问题的能力。

针对不同层次学生需求和教学需要，在OJ平台上，根据课程内容和特点（如图3所示） ，课程组老师做了如下工作：

1）在OJ平台上，基础知识分类标记，进行知识模块化，有利于学生在线自主学习；

2）OJ题库分层设计，助力不同学生自主训练；

3）算法专题面向升学与就业分流培养，实现个性化培养目的；

4）综合训练结合教师科研，培养学生问题求解能力和工程实践能力。

在教学的每个阶段中，要充分发挥教师的主导作用，体现学生的主体性，通过系列课程学习，掌握较扎实的面向数据、面向算法的专业知识，针对实际问题，能够进行问题分析、算法设计、程序编码、算法分析的能力，从而具备面向升学和面向就业的程序与算法设计实现的能力，为后续成果产出打好基础。

3.2教学模式设计

程序设计基础、数据结构、算法设计分析等系列课程一脉相承，又呈现知识的递进关系，但也有各自特点和规律。程序设计基础的知识点多但内容简单、离散，学生能通过视频资源进行自学即可掌握相关理论知识。对于程序的初学者而言，学习的难点在于程序思维培养，实践有一定难度。因此，可采用一种以资源建设拓展的线上为主、线下课堂为辅的混合式教学模式，学生通过线上学习基础知识，教师在线发布测试，利用在线OJ进行编程实践，检测学生获得的知识与编程能力；学生在线学习后提出问题，教师解答，并总结测试结果，在线下课堂进行补充教学。

数据结构的理论知识重难点较多，学生难以通过线上自主学习掌握，因此在该课程中只能将线上教学作为线下教学的补充，在线上进行课前预习和课后知识巩固，对取得更好教学效果起到了很好的补充作用。学生课前线上学习基础知识，提出问题，教师在线下课堂进行知识重构和深入讲解，利用在线OJ进行随堂测试和作业布置；学生课后通过线上作业进行巩固和练习，进一步巩固知识成果。因此，数据结构宜采用线下教学为主，线上教学为辅的混合式教学模式。

算法设计分析是一门专业核心课程，强调学生所获取知识与能力的应用，对未来就业和发展有着重要的作业和意义。算法设计分析是程序设计基础和数据结构的后续课程，学生已掌握解决该类问题的基本知识与能力，为更好培养学生的工程实践能力，宜采用基于翻转课堂的线上线下混合式教学模式。学生先通过线上自主学习和小组讨论完成理论知识学习，完成OJ系统中老师布置的算法设计题进行自测，发现问题，尝试解决问题；教师针对不同层次学生特征，精心选取教学案例，通过发布任务、小组合作探究、解题报告等形式进行课堂知识内化；课后，学生通过完成相对应的ACM程序设计竞赛习题，培养问题建模分析与问题求解能力，该混合教学模式的核心是教学过程管理和过程性评价，教学过程中的问题反馈要及时修正，以更好培养学生的工程实践能力和问题分析求解能力。

在该系列课程中，以“注重基础，整体优化，知识、能力、素质协调发展”为原则，从“以课堂教学为主”向“课堂教学加实践教学并重”转换；从知识传授型教学向能力培养型教学的转换，根据课程不同的性质与特点，分别采用不同的混合式教学模式。

4 教学情况与效果

程序设计与算法系列课程教学改革自2018年9 月开始，OJ平台在线习题库和教学案例不断丰富，教学同时还引导学生参加各类程序设计竞赛，有力支撑了混合式教學模式的实施，在培养学生计算思维、编程能力、问题求解能力和工程实践能力上取得了良好效果，学生能力得到持续提升。在每年新生入学季，计算机科学与技术和软件工程2个专业200多学生中，有50%的学生会申请加入ACM软件技术实训基地进行学习，也带动了其他学生学习，其中部分拔尖的学生更是取得了良好的竞赛成果，近3年获得ICPC 国际大学生程序设计竞赛亚洲区域赛银奖1项，铜奖6 项；CCPC 中国大学生程序设计竞赛分站赛铜奖3 项；获“蓝桥杯”全国大学生软件技术大赛全国一等奖5项，二等奖7项，三等奖10项；获中国高校计算机大赛——团体程序设计天梯赛全国团队三等奖1项；其他省级奖励100多项。获奖同学在其他课程学习中也表现很优异，多人也获得国家励志奖学金，在同学们中起到了很好的模范带头作用，学生学习积极性与学习效果持续提升。

5 结束语

为更好实现计算机类专业人才培养目标，对程序设计与算法系列课程进行了混合式教学改革，从课程内容、性质与特征出发，设计不同教学策略，构建不同的混合式教学模式。在教学实施过程中，通过软件技术创新基地、竞赛训练、导师制等手段引导学生自主学习，培养学生的计算思维、编程能力、问题求解能力和工程实践能力。整体效果表明，该系列课程混合式教学改革效果良好，为计算机类专业其他课程教学改革提供新思路。