差異化能力培養下計算機程序設計探析

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摘要：計算機程序設計是眾多高校的公共基礎課程，教學目標要求理論與實踐并重。調研發現，學生的計算機基礎差距很大，如何在統一的教學大綱和考核要求下，針對差異化的個體開展實驗教學工作，是一項具有挑戰性的難題。文章從學生能力培養的角度出發，采用現代教育技術，針對不同起點的學生，基于本地、服務端、云端等平臺建立了一套多維度的實驗教學體系。教學實踐表明，該體系具有教學對象適用范圍廣、各平臺互補性強的特點，能實現因材施教的目標，為計算機基礎課程的實驗教學提供一種可借鑒的方案。

關鍵詞：差異化教學；計算機程序設計；能力培養；實驗體系

計算機程序在驅動當今社會高效運轉的各類系統中處于核心地位，程序設計能力已成為高端人才的必備能力。作為高等教育在學人數最多的國家[1]，我國對計算機教學越來越重視，很多大學將計算機程序設計列為面向所有專業開設的公共基礎或通修課程。與數學物理等基礎課程不同的是，從教學目標上，計算機程序設計應該是一門理論與實踐并重的課程。然而在實際的教學中，由于教學理念、實驗條件、教學方法、考核機制的影響與約束，使得課程實踐的整體水平很難達到教學要求。另一方面，現代教育理念強調以學習者為中心，而相比于其他基礎課程，由于中學信息技術教育水平的不同，大學新生在計算機基礎方面的差異十分巨大，單一的實驗教學模式難以滿足差異化的學生學習需求。近年來各高校都加強了實驗條件建設，并且針對學生程序設計能力的培養，在實驗教學形式與教學內容方面進行了很多改革的嘗試。比如采用項目導向[2]、應用導向甚至競賽導向[3]的形式，增加探索性實驗內容[4]，引導學生綜合利用知識解決問題；也有強調從錯誤中學習和培養編程能力[5]、建立突出實踐能力評價的多元考核體系等方法[6-7]，以實踐促學習；在分層教學方面，也有一些有益的嘗試[8]。但由于缺乏體系化設計以及相應的條件建設，仍然無法建立能有效解決學生基礎差異問題的實驗教學模式。針對上述問題，本文首先進行了學情分析，然后設計了多平臺的實驗體系，通過差異化的教學實踐幫助學生從不同的起點出發達到教學目標。

一、學情分析

在國內計算機教育起步階段，幾乎所有大學新生都沒有專業的計算機基礎，因此計算機課程可以沿用其他課程的教學模式，從零基礎開始學習語法知識、練習編寫小程序，所有人同步學習直至完成教學任務。當時的計算機課程主要面向信息和計算機類專業的學生，屬于專業課程體系，學生的學習目標明確，學習主動性也較強。但在進入信息時代之后，國內高校已普遍把計算機程序設計列為各專業都需要學習的基礎課程，教學對象表現出如下特征：（1）專業差異大，涉及到理學、工學、農學、醫學、經濟學、管理學等跨度很大的專業，各專業對程序設計能力的需求各有不同；（2）基礎差異大，由于信息技術不是高考科目，大多數新生并未在中學系統學習過編程，甚至有相當一部分人并不經常使用計算機，在學習本課程之前幾乎是零基礎，但由于信息奧賽是高考自主招生認可的五大競賽之一，又有相當數量的學生參加過信息類競賽，對編程較為熟悉，這些基礎不同的學生顯然無法保持一致的學習進度。課程組在本校新生入學時進行的計算機基礎調研結果見表1。從中可以看出，學生的計算機基礎分布較為分散，其中學過C/C++的學生占比達到11.3%，而這已經是計算機程序設計基礎課程能選擇的最難的語言；學過至少一門編程語言的更是高達20.1%，對這些基礎很好的同學來說，按部就班的實驗內容難以滿足他們的學習需求。但與此同時，不能熟練使用計算機的同學占比高達43%以上，其中很少使用計算機的同學達到了14.6%的比例，對他們來說，學習編程的過程具有相當的挑戰性。從“以生為本”的角度，針對基礎不同的學生，應該有更多可選的實驗平臺，安排不同起點的實驗內容以及循序漸進的實驗方案，以幫助他們盡快縮小差距，最終共同達到學習目標。因此，設計與實現一個面向差異化能力培養的實驗教學體系成為必然的選擇。

二、實驗體系設計與教學實踐

本文從教學對象、實驗內容、實驗平臺三個維度進行了差異化的實驗體系設計，其架構如圖1所示。每個維度都是一個由淺入深、循序漸進逐步發展的過程，介紹如下。

（一）教學對象維度

中國科學技術大學（以下簡稱“我校”）從2009年起，在國內率先把計算機程序設計作為全校所有專業的通修課程，并在設課同時實施了分級教學。根據新生的入學計算機測試結果，結合學生的分班意愿，劃分了基礎班和普通班。在當時，兩類班級的主要差別就體現在實驗內容上。從2018年起，在省級重大教研項目支持下，課程組對本課程進行了更深層次的改革，在進行了細致調研的基礎上再次分級，面向具有較強程序設計能力的學生增設了進階班，配備具有豐富教學科研經驗的教師和計算機專業的研究生助教，開展進階內容的教學。從教學對象維度，分班不僅意味著知識儲備起點的不同，也對應著從不同層次的實驗內容和實驗平臺起步。

（二）實驗內容維度

實驗是學習計算機程序設計的最核心環節，但在當前的教學實踐中，存在著實驗內容過于簡單和零碎、缺乏系統性與趣味性等問題。題目類型較為單一，更注重知識點的學習與練習，而不是對程序設計思想與方法的理解與掌握。特別是沒有針對不同基礎的學生設置不同層次的實驗內容，難以滿足學生的差異化學習需求。為改變現狀，首先針對基礎薄弱的基礎班學生，增加了計算機應用的上機內容，主要包括Windows操作系統及常用應用軟件操作實驗、OfficeWord、Excel和Power－Point操作實驗、以及Linux操作系統與網絡操作實驗等。針對普通班的學生，實驗內容則從演示型實驗開始，逐步過渡到驗證型、設計型和綜合型，其中綜合型包括了二維字符數組的操作、文件與鏈表的應用等較為復雜的內容，重點鍛煉學生的程序設計思想與計算思維能力。針對進階班的學生，除了增加算法分析與設計、軟件工程等方面的教學內容外，更是大幅增強了實驗內容。要求學生以自由組隊的方式，完成至少兩項任務，其一是使用MillerRabin測試算法進行素數判定，其中涉及二進制大數的生成、輸入、運算與測試等較為艱深的數值表示與處理的內容，學生通過本實驗了解使用計算機暴力計算能力從概率上解決數論問題，以及隨機化算法的設計思想；其二是設計實現一款游戲，要求：（1）該游戲必須包含動態控制成分（例如：棋子移動、飛行等，而不能是簡單直接地顯示棋子）；（2）C語言下可以用字符作為顯示界面，也可以在C++語言下用圖形窗口作為顯示界面；（3）作為游戲，應當有人機交互成分。要求交互界面友好，易學；（4）鼓勵有基礎的同學嘗試添加博弈對抗；（5）鼓勵有基礎的同學嘗試多機聯合/對抗等。

（三）實驗平臺維度

課程為不同基礎的同學提供了多平臺的實驗環境，分為本地、服務端和云端三類平臺。基礎薄弱的學生從簡單易用的DevC++5.11本地開發環境開始練習，有了一定基礎后則要求使用兼容性更好的CodeBlocks開發環境或更加專業的VisualStudioCode環境。中后期的綜合類實驗，除了基于離線平臺編寫與調試源代碼外，還要求學生在服務端的自主實驗實訓平臺（圖2）在線提交已完成的代碼，一方面便于助教隨時進行評判，另一方面可以長期保存學生的實驗程序。對于進階班與其他進行到綜合類與項目導向類實驗階段的同學，要求分別在我校自主開發的在線評測系統CODIA（課達編程）（圖3）以及華為“智能基座”產教融合項目提供的鯤鵬云平臺（圖4）上進行自我測試與高階練習。

（四）綜合考核

合理的考核制度，重點不在于如何考察學生對知識的記憶和掌握的熟練程度，而是要有利于激發學生的學習主動性與探索未知的興趣。本課程的實驗考核環節，采用了線上線下相結合、教師與學習者共同參與的綜合考核方式。線下通過人工對演示型、驗證型和設計型實驗的正確性進行評判，而綜合型實驗則會進行綜合評判，評分內容包括實驗程序的完整性、魯棒性（如是否有較為完善的錯誤捕捉與處理機制等）、項目報告的規范性；對項目導向類或其他開放性實驗，則從作品的創新性（程序中獨創的部分，包括使用新的架構、算法或策略、設計理念等）、作品新穎性（與已有程序的差異，具有趣味性甚至對抗性等）等方面，由教師、助教以及各分組間互評打分，盡可能保證評分的合理性與公平性。線上主要通過平臺打分，如自主實訓平臺可以完成語法練習類程序的語法正確性判定，而程序設計思想與方法的優劣則由教師和助教人工進行評判。在線評測系統由于使用了機器學習與大數據分析技術，已經能夠達到信息類競賽用軟件的評測水平，適用于本課程除項目導向類以外的所有實驗內容的自動評分。以上多維考核的結果最終進行加權計算，得到學生的綜合實驗成績，而實驗成績占課程總評成績的40%，較好體現了實踐能力在課程學習中的重要性。在4個課堂進行的教學實踐發現，學生編程能力有顯著提高，代碼規范性從無到有，難度高、工作量大的綜合實驗的完成率從約60%提高到85%以上。在我校課堂教學質量評估系統中，學生均給出了4.5分（滿分5分）以上的評價，處于全校課堂的前列。

三、結束語

作為一門理論與實踐并重的課程，面對基礎差異巨大的學習群體，設計能力層次分明、平臺搭配合理、評分公平有效的實驗體系，對學生掌握程序設計思想與方法、鍛煉編程實踐能力具有至關重要的作用。教學效果證明了本文設計的多平臺實驗體系在差異化能力培養方面的有效性。未來的工作中，將依托智慧課堂等現代教育技術，進一步改進與細化差異化能力培養模式，以達到更優的教學效果。

作者:王雷 唐建 白雪飛 單位:中國科學技術大學信息學院