程序设计类实验的多元混合式教学研究

陈寿宏　侯杏娜　何 锋 曾丽珍 胡 聪

程序设计类实验的多元混合式教学研究

陈寿宏1侯杏娜2何 锋1曾丽珍3胡 聪1

（1.桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004；
2.桂林电子科技大学建筑与交通工程学院，广西 桂林 541004；
3.桂林电子科技大学研究生院，广西 桂林 541004）

在工程教育专业认证背景下，以“产出为导向”的OBE教育理念越来越受到重视。程序设计类实验教学是培养工科本科生及研究生的编程能力、解决复杂工程问题的重要基础课程。针对现有教学中仍存在实验教学方法较为传统、学生自主编程意识较弱等问题，提出构建课前课后、现场及线上教学过程融入课程思政等多元混合式实验教学研究。实践表明，该研究改进了教学质量，提升了本科生及研究生的程序设计能力、解决实际问题能力及创新能力。

混合式教学；
程序设计；
实验教学；
创新能力培养

工程教育专业认证提出OBE教育理念已被各学校推广和运用[1,2]。程序设计类的实验是培养工科研究生和大学生编程创新、解决复杂工程问题的基础课程[3]。在专业认证和创新能力培养要求背景下[4]，如何提升课程的教学质量和效果，进而提升本科生及研究生的创新能力，是需要解决的重要问题[5]。在自动化类和仪器类专业中，程序设计类相关的课程有C语言程序设计、数据结构理论课程及对应的实验课程，还有程序设计训练等课程，涉及的课程学时和门数较多，相互之间的关系也紧密，文章以程序设计类实验教学为例，开展多元混合式研究，以达到提高实验教学质量，满足工程教育认证和提升本科生及研究生创新能力需要。

程序设计类实验是培养学生使用计算机思维解决复杂工程问题的重要方法[6]。然而，现有实验教学仍存在着许多问题，未有效达到教学目标。主要有如下两个方面问题。

（1）多延用传统的教学方式，导致学生过度依赖课堂讲授，课后缺乏自主能力，编程意识淡薄，无法提高学生的独立自主思考能力。

（2）由于学时有限，实验教学一般仅开展针对理论课程讲授的知识点进行验证或进行单一的设计类型实验教学，缺乏综合的类型实验项目[6]。

以OBE教育理念为指导思想，为解决程序设计类实验中存在问题，构建课前课后、现场及线上等多元混合式实验教学活动，优化验证性实验项目，设计验证性实验IPO图；
开展线上拓展性实验项目，满足不同程度的学生对实验的要求；
制定综合设计类实验项目。多元混合式教学改革主要方案如图1所示。

图1 多元混合式教学改革方案

2.1 设计验证性实验项目IPO图

程序设计类课程通过实验过程使得学生掌握计算机程序设计、运行及程序调试、总结等方面得到锻炼，有利于培养和提高学生的实际动手能力。

以仪器类和自动化类的专业基础课程数据结构实验为例，整个课程的实验题目依据知识点类型和范围、困难容易度和工作量大小区分，可分为三种类型实验[7]。

（1）基础型类型[7]：该类型实验的目的在于巩固理论课堂讲授的基本内容，实验题目设置为对课堂讲授的教材相关的函数、算法等的实现和编程，每道实验题目一般只包含其中一个内容，编程量及难度不大，在实际过程中为必做内容，要求所有人必须在规定时间内单独做完[7]。

（2）提升型类型[7]：该类型实验的目的在于提升分析实际问题及解决实际问题的素养，设计的实验题目通常为针对实际应用中应用到的数据结构和典型算法的设计与实现，一般每个题目会包含理论教材中多个方面[7]，该类型的实验题目为自由选择，在实际实验教学过程中鼓励能力较强的同学通过自主选择部分题目并要求在规定时间内单独做完，完成的情况也会在实验成绩中加以体现（加分），提升了学习的自主性、积极性和创新力[7]。

（3）综合类型项目：项目一般涉及理论课程和教材上的多个内容，并且面向实际问题需求，该类题目为可选做的实验内容。完成情况也可在实验成绩中加以体现（加分），可提升学生综合运用理论知识分析解决实际问题的能力[7]。

为了更好了解程序的流程设计、结构框架、处理流程等，项目设计验证性实验IPO[6]（输入—处理—输出）图，要求学生在实验中，需填写算法设计的IPO，让学生明确期待运行结果等，以此加深学生对程序实现理解，掌握理论知识点内容。

以数据结构实验—栈的设计型实验为例，同时要求在报告中完成各主要函数的IPO图：要求完成进制转换：输入为一个十进制数，将其变换成一个P进制数对应的编码字符串。

问题要求将某个十进制整数N变换为P进制对应的编码，输出对应的字符串，该实际问题解决方法为：以将十进制66转换成八进制（P为8）为例：

(66)10=(102)8

66/8=8 余 2

8/8 =1 余 0

1/8 =0 余 1

当商为0时结束转换，将上述过程得到的余数序列倒序：102即得到结果。通过观察，该过程可利用数据结构中的栈的LIFO（后进先出）特点，因此可用栈来实现数制转换。

2.2 引入线上拓展性实验项目

由于程序设计语言类课程安排在大一上学期，这个阶段的学生自主编程意识较弱，缺乏相当的自主练习，导致后续开设的《数据结构实验》等课程无从下手。

依托在线辅助教学平台，设计开展线上实验项目，不但能充分调动乐意学习的学生的积极性，而且对学习困难同学也能不断练习提升能力。还可以根据教学平台记录学生练习和答疑报告等详细数据功能，根据这些数据对其进行归纳总结和分析，可及时发现存在的问题，从而反应到理论教学中，以便及时调整，提升课程整体教学效果。充分利用好线上平台，可从封闭课堂向开放课堂转变，在课外自由提升能力。

2.3 在教学过程中融入课程思政

在实际实验教学中，将思政内容融入到实验教学内容中，融入课程思政、专业思政的内容和环节，把以往纯粹的专业知识传授进行目标价值观强化，以数据结构实验为例，课程思政元素融入到教学内容中如表1所示。

表1 数据结构课程教学内容融入课程思政元素

以C语言程序设计为例，在教学过程中，根据C语言程序设计课程的具体内容增加课程思政、专业思政的内容和环节，把以往纯粹的专业知识传授进行目标价值观强化。在课堂教学中，引导学生思考本门课对自己未来的职业生涯的影响，引导学生认识到人工智能或者工程项目的实践都需要借助计算机完成，而掌握一门编程语言是实现人机交互的第一步，从而增加学生学习的兴趣，学以致用。教学内容和思政元素如表2所示：

表2 C语言程序设计教学内容融入课程思政元素

2.4 教学过程中应明确教学内容及预期成果

在教学过程中应有明确教学内容及对应的预期成果，在教学大纲及实施过程中以此为目标达到工程认证的要求。以程序设计训练课程为例，该课程简介为：通过本课程的学习，引导学生将《C语言程序设计》《数据结构》等编程类课程知识进行有机的结合，达到提高动手能力，启迪创新思维的目的，通过程序设计训练实践，使学生具备理论联系实际、设计和开发一定功能的应用程序能力。

程序设计训练课程具体教学内容及预期成果如表3所示。

表3 程序设计训练教学内容、学生学习预期成果说明

2.5 兴趣驱动－乐于学习程序设计类课程

兴趣是最好的老师，以数据结构课程为例，在上课的第一节时，介绍数据结构与计算机界的诺贝尔奖“图灵奖”之间的关系，通过列举活动图灵奖的科学家在数据结构方面做出的贡献从而获得“图灵奖”，引发同学们对这门课程的兴趣。在每章第一句话引发学生思考：为何要学习该种数据结构如线性表/树，根据问题驱动学习，从常识性问题思考开始；
在每章的结尾：可利用该数据结构解决某个实际有趣的问题。

同时在课堂中开展启发式研讨教学。其中针对学情调查反馈问题中提到的“教师对学生的评价形式单一，频率低，反馈少，不足以帮助学生了解并改善其学习情况”。多与学生课堂上互动交流，课后及时答疑互动，调动了学生课上的积极性。

经过实践证明，各专业学生在编写程序和解决实际工程问题及研究生创新能力培养等方面能力均有明显提升。以数据结构实验为例，工程认证大纲中该课程对应的课程目标为以下四点。

课程目标1：能够分析线性表、栈、队列、树、图等数据结构的特点，能够根据具体问题设计不同的数据结构以解决不同的问题。

课程目标2：能够分析不同的排序算法和查找算法的性能特点，能够根据具体的问题选择或者设计不同的算法进行实现。

课程目标3：能够根据特定要求，设计可行的实验方案，正确地记录实验数据，能够对实验数据进行完整的过程分析，并能够运用科学术语撰写规范的实验报告，正确分析实验算法的复杂度，得出客观的实验结论，并总结实验经验。

课程目标4：能够掌握现代开发工具，能够跟踪数据结构前沿发展现状及发展趋势，分析不同数据结构及不同算法特点及应用前景，掌握解决复杂工程所需要的常用数据结构和算法。

自动化类数据结构实验课程为例如图2所示，通过近两年的课程目标达成度对比看出，课程目标3、4在实施改革后均得到有效提升。

图2 课程实施效果-以自动化类数据结构实验课程目标达成度对比为例

在工程教育专业认证背景下，以“产出为导向”的OBE教育理念越来越受到重视。程序设计类实验教学是培养工科本科生及研究生的编程能力、解决复杂工程问题的重要基础课程。针对现有教学中仍存在实验教学方法较为传统、学生自主编程意识较弱等问题，本文提出基于OBE理念的多元混合式程序设计类实验教学模式，为学生构建了新的实验课程学习模式，开展线上拓展性实验项目，在学生对基础验证性实验项目熟悉掌握的同时，设计综合设计性实验项目。通过构建课前课后、现场及线上教学过程融入课程思政等多元混合式实验教学研究。经过在桂林电子科技大学电子工程与自动化学院自动化大类专业数据结构实验课程等的具体实施，证明该研究改进了教学质量，提升了本科生及研究生的程序设计能力、解决实际问题能力及创新能力。

[1]陈黎黎，国红军. OBE理念下软件工程专业“数据结构与算法”课程教学改革研究[J]. 辽宁科技学院学报，2021，23(5): 38-40.

[2]杨彬，王青正. 工程教育专业认证背景下的数据结构教学改革[J]. 计算机时代，2020(4): 61-63，67.

[3]蔡美玲，张锦，窦亚玲. 工程教育理念下“程序设计基础”实验教学改革探索[J]. 计算机工程与科学，2018，40(1): 25-30.

[4]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): 27-30，84.

[5]董薇，李妍. 数据结构实验教学改革的研究[J]. 中国现代教育装备，2017(15): 36-68.

[6]吴运兵，余小燕. 工程教育认证下程序设计类实验教学改革与实践[J]. 电气电子教学学报，2021(1): 121-125.

[7]陈寿宏. 数据结构实验指导书[Z]. 桂林: 桂林电子科技大学，2021.

Research on the Multiple Mixed Teaching in Programming Experiments

Under the background of engineering education certification, the OBE education concept- of "output-oriented" has been paid more and more attention. The experimental teaching of programming is an important basic course to cultivate the programming ability of engineering undergraduates and postgraduates and solve complex engineering problems. In view of the problems of traditional experimental teaching methods and students" weak awareness of independent programming in the existing teaching, this paper proposes to build a multi mixed experimental teaching research of integrating the pre class and post class, on-site and Online teaching processes into the ideological and political curriculum. The practice shows that the research has improved the teaching quality, enhanced the programming ability, practical problem solving ability and innovation ability of undergraduate and graduate students.

mixed teaching; programming; experimental teaching; cultivation of innovation ability

G642

A

1008-1151(2022)12-0153-04

2022-09-07

测控技术与仪器国家级实验教学示范中心（桂林电子科技大学）、广西研究生教育创新计划项目（JGY2022116、JGY2022128）；
广西高等教育本科教学改革工程项目（2019JGA164）；
广西高等教育本科教学改革工程项目（2022JGA182）；
桂林电子科技大学教育教学改革项目（JGA201801）。

陈寿宏（1981－），男，桂林电子科技大学电子工程与自动化学院高级实验师，博士，研究方向为神经网络与机器学习、集成电路测试。

侯杏娜（1982－），女，桂林电子科技大学建筑与交通工程学院高级实验师，研究方向为机器学习、电路可靠性测试。