蘇小紅　趙玲玲　王甜甜　張宏莉

摘 要：本文分析了CS2013及以往大綱發(fā)展變化的趨勢和脈絡，提取出程序設計課程相關知識領域和主題的體系設置、教學規(guī)劃、能力培養(yǎng)等核心內容，突出編程實踐能力、自主學習能力、問題求解和計算思維能力培養(yǎng)，結合國外一流大學的先進教學理念、課程設置和教學經驗，以已取得的教學成果為基礎，以CS2013為導向，對程序設計課程的教學體系和教學內容進行了設計。最后介紹了本校在程序設計課程群以及“C語言程序設計”國家級精品資源共享課建設中進行的教學改革和取得的實踐經驗。

關鍵詞：程序設計課程；CS2013；問題求解；計算思維；教學體系；教學改革

自1968年以來，ACM和IEEE相繼公布了國際性計算機學科教育領域的綱領性文件Curriculum 68、CS2001（Computer Science Curriculum 2001）和CS2008（Computer Science Curriculum 2008），迅速得到國內外高等院校計算機教育行業(yè)的普遍認可。CS2013（Computer Science Curriculum 2013）作為ACM/IEEE推出的第四部指導性大綱[1，2]，自醞釀之初便受到了高度關注，集合了眾多當前全球計算機教育領域的靈魂人物，調研了全球201所院校，相繼發(fā)布了稻草人版本、鋼鐵人版本和最終版，成為2013年度計算機教育領域的標志性事件。我國計算機高等教育領域的專家學者也紛紛結合我國的計算機科學教育實踐對CS2013進行了研究和探討。在CS2013中，程序設計課程相關知識、技能、應用得到了持續(xù)的關注，同時，從與以往大綱的對比中可以發(fā)現(xiàn)CS2013對程序設計課程提出了更新、更高、更廣的要求。

一、CS2013與程序設計課程

1.CS2013中的程序設計課程安排

CS2013中將計算機科學的知識體系組織為18個知識領域。從各知識領域所涵蓋的知識單元來看，與程序設計課程相關的知識領域主要包括程序設計語言（Programming Languages，PL）和軟件開發(fā)基礎（Software Development Fundamentals，SDF），包括的知識單元和學時安排如表1所示。

表1中core（a，b）代表核心課程中有a 個Tier1級別學時，b個Tier2級別學時。Tier1級別的知識點要求100%的學生完成，Tier2級別要求80%～100%的學生完成。從表1可以看出，與程序設計相關的課程類型均為核心課，說明了程序設計課程在計算機科學體系中的重要程度。

2.程序設計課程在CS2013中的變化

CS2013將CS2001、CS2008中的編程基礎重新整合形成了新的知識領域——軟件開發(fā)基礎（Software Development Fundamentals，SDF），但是，二者有著明顯區(qū)別。編程基礎（Programming Fundamentals，PF）側重于在工業(yè)實踐中需求的編程技能，而軟件開發(fā)基礎關注整個軟件開發(fā)過程，更強調求解問題的方法、算法的基本思想等計算思維方面的知識和能力要求。從學時分配來看，程序設計語言（Programming Language，PL）在所有計算機核心課程（見表2）中所占學時比率穩(wěn)定（圖1-a）。雖然程序設計語言課程學時數所占絕對比率（圖1-b rate1）在CS2013中較CS2008略有降低，但考慮到CS2013中新增加了安全與信息保障、并行與分布式計算等新興領域的學時安排，因此其相對于既有課程的比率仍然有明顯提升（圖1-b rate2）。

二、國外一流大學程序設計課程現(xiàn)狀分析

為了構建合理的程序設計課程體系，對國外多所著名院校的程序設計語言課程（以C/C++為主）進行了分析。主要包括Practical Programming in C（麻省理工學院）、Effective Programming in C and UNIX（卡耐基·梅隆大學）、Introduction to C和C++ Programming（康奈兒大學）、Fundamentals of Computer Programming（南加州大學）、Introduction to Computer Programming（in C）（西北大學）、Introduction to C/Unix/CGI Programming（哈佛大學）等。

在教學內容安排方面，上述課程涵蓋了程序設計語言的基礎知識，與CS2013中的知識單元基本保持一致。同時，普遍關注了內存管理、線程、編譯預處理、查找和排序算法等，這些擴展知識與CS2013中的算法與設計、數據結構基礎等知識單元相吻合。

在教學方式和方法方面，普遍采用課堂講授、現(xiàn)場編程演示、課下作業(yè)或實驗與項目相結合的方式，設定了較大比例的實驗、作業(yè)和項目，以保證學生的編程能力得到充分訓練。

在作業(yè)、實驗、項目實踐等方面，強調鍛煉學生解決實際問題的能力。實驗強調實際編程能力的訓練，遵循循序漸進的原則，要求學生從解決簡單問題入手，逐步擴展到解決實際問題。項目大多具有挑戰(zhàn)性，學生需花費一定的課外時間來完成。

在學習效果考核方面，多采用復合型和階段式的考核方式，即成績中包含多個時間點和多個考查點。如編程作業(yè)、項目、論文、期中和期末的筆試等，重視對學生解決實際問題能力的考核，注重對學習過程的考核。

從調研結果中可以看出，調研的國外高等院校程序設計課程的教學內容設置多與CS2013相吻合。這些課程強調通過實驗、作業(yè)、項目來鍛煉學生的實際編程技能，引導學生從實際問題出發(fā)，逐步求解，并對問題的求解過程進行評估。

三、基于CS2013的程序設計課程設計

1.CS2013指導下的課程培養(yǎng)目標

通過本課程的學習，使學生學會用計算機處理問題的思維方法，增強解決問題的編程實踐能力，為將來從事軟件開發(fā)及后繼課程的學習和解決工程實際問題、科學技術問題奠定基礎。

2.CS2013指導下的程序設計課程體系

面向不同對象和培養(yǎng)目標，制訂了分類、分層次、系統(tǒng)化的程序設計課程群的教學體系。計算機專業(yè)和非計算機專業(yè)的課程體系分別如圖2和圖3所示。

3.CS2013指導下的程序設計教學內容

根據CS2013中對程序設計相關知識領域和主題的規(guī)劃，結合我校實際，整體規(guī)劃適合我校計算機教學的程序設計課程教學內容，見表3。

4.CS2013指導下的學生能力培養(yǎng)方案

（1）強化編程實踐能力。CS2013更為強調學生對知識的實際運用，即如何在實際問題中利用掌握的知識進行編程實踐，同時能夠對采用的方法、實現(xiàn)過程、實現(xiàn)效果等多方面進行準確的評估，進而合理選擇，實現(xiàn)對編程實踐能力的更深層次鍛煉。

（2）突出問題求解能力。CS2013中明確提出學生應當具備求解問題的技能，要求學生能夠將生活中的實際問題轉化為可以運用已掌握的知識來予以求解的模型，進行合理的假設和抽象，還要求學生對同一問題掌握多種求解方法。

（3）重視自主學習能力。將終身學習能力作為畢業(yè)生應具備的專業(yè)素質之一明確列入CS2013中。這種終身學習能力的需求來源于計算機學科的快速發(fā)展特性，從向學生傳授知識，轉變?yōu)橐龑W生自主學習，最后使之形成終身學習的習慣，是程序設計課程的重要任務。

（4）隱含計算思維能力。雖然在CS2013中沒有顯式地將計算思維能力培養(yǎng)列入其中[3]，但對問題求解技能的反復強調，對方法的選擇和計算代價的評估以及對封裝、抽象、系統(tǒng)級視角解決問題等思維方式的引入，都蘊含了對計算思維能力的著力培養(yǎng)和強化。

四、國家級精品資源共享課建設

1.與國家精品課程的不同之處

我?！癈語言程序設計”課程于2005年被評為省級精品課程，2006年被評為微軟精品課程，2007年被評為國家精品課程，2008年被評為國家雙語教學示范課程。為響應教育部促進優(yōu)質教育資源共享和教育公平的號召，該課程于2013年轉型升級為國家級精品資源共享課立項項目，并于當年10月在愛課程網（http：//www.icourses.cn）正式上線。

截至目前為止，課程在所有精品資源共享課人氣榜中一直保持在前十以內的位置，說明該課程在學生中具有廣泛的認可度。學生在課程答疑中的提問也比較踴躍，并對課程給予了較高評價。

與國家精品課程不同的是，國家級精品資源共享課更強調精品資源的共享以及師生之間的互動。例如，學生注冊課程以后不僅可以瀏覽課程的所有資源，還可以與課程教師進行互動交流（包括課程答疑、學習筆記和課程評論等）。相對于評審專家的評價，它更注重的是社會和課程參與者的評價，也就是說不再是“一評定終身”。這種評價方法不但公平，而且能有效地避免課程評審完后就不再繼續(xù)建設的問題，給課程的可持續(xù)發(fā)展注入了不竭的動力，并且學習者的積極參與也將給課程注入新的活力。

2.可持續(xù)的課程精品資源建設

國家級精品資源共享課的共享資源包括基本資源和拓展資源?；举Y源中除全程課程錄像外，還包括教學要求、教學大綱、教學日歷、重點難點、教學設計、評價考核、學習指南、演示文稿、例題、習題作業(yè)、實驗、教學案例、媒體素材、教學課件、學生作品、常見問題、名詞術語等完整的教學資源，這些都免費提供給注冊用戶使用。拓展資源中包括試題庫、作業(yè)系統(tǒng)、考試系統(tǒng)等，供用戶選擇付費使用。

在基本資源建設中，我們主要是持續(xù)建設了多套程序設計教材（詳見課程教材網站：http：//book.sunner.cn）。為了保持教學內容的與時俱進，我們平均每隔2～3年更新一次教材，并且對與教材配套的多媒體教學資源和網絡教學資源進行了同步更新。2013年，我們以CS2013為指導思想重新修訂了教學大綱和教材，在教學內容中強化了CS2013新增的軟件開發(fā)基礎涉及的知識點，尤其強化了代碼風格、防御式編程以及算法效率分析等內容。

在拓展資源建設方面，為了支持課程的實踐教學改革，培養(yǎng)學生的編程實踐能力和自主學習能力，歷經10余年的不斷努力，我們建設了全方位、多元化的實踐教學支撐環(huán)境，覆蓋了課堂以外的各個教學環(huán)節(jié)，如在線作業(yè)、實驗、答疑討論、機上考試、自動閱卷等，支持學生線上學習。這些資源主要包括：

（1）基于Moodle的交互式網絡教學平臺[4]。該平臺主要用于在線網絡教學，為教師和學生之間搭建一個“教與學”的互動平臺。

（2）C語言編程題自動評分系統(tǒng)[5，6]。在國家自然科學基金項目資助下相繼開發(fā)研制了基于程序理解技術的編程題考試自動評分系統(tǒng)的C/S版和B/S版，主要用于C語言課程的上機考試和自動閱卷，并具有考試全程監(jiān)控和防作弊功能。C/S版的系統(tǒng)自2004年開始使用，目前已被國內100余所院校免費試用。B/S版的系統(tǒng)自2012年開始使用，目前已有國內4所高校購買使用。

（3）C語言試卷和題庫管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)支持教師設計和管理作業(yè)、實驗和考試題目。題庫中有二千余道不同類型的題目，題型包括單選、多選、判斷正誤、程序填空、普通編程、復雜編程、一般改錯、附加改錯。另外，系統(tǒng)還具有試卷管理功能，如答案模版自動生成、測試用例自動生成、抽題組卷、考試數據統(tǒng)計分析、試卷查重等。目前，該系統(tǒng)已有國內4所高校購買使用。

（4）面向學生自主學習的作業(yè)在線測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在支持和鼓勵學生自主學習，讓學生真正做到“我的學習我做主”。教師只需設定學生每日完成作業(yè)的數量上限、題目的最長完成時間等基本條件，其余如作業(yè)的內容、作業(yè)的數量、完成時間、完成過程都由學生自主選擇和決定，培養(yǎng)學生自主規(guī)劃學習過程的良好習慣。此外，系統(tǒng)還引入了習題市場機制，鼓勵學生自主設計題目并獲得積分，獲得積分后可以查看作業(yè)答案，同時還引入多種排名和相對分機制，鼓勵多勞多得，激發(fā)學生自主學習的積極性。學生使用教材可通過書后的刮刮卡獲取該系統(tǒng)的免費賬號在線測試書后習題。

3.以精品資源建設為支撐的教學改革

以上述精品資源為支撐，面向不同對象和培養(yǎng)目標，以CS2013為指導，我們先后實施了一系列教學改革。

（1）教學方法改革。如圖5所示，其核心是培養(yǎng)學生解決問題的能力，并在解決問題的實踐中培養(yǎng)計算思維，強化編程實踐能力。因此，在與時俱進不斷更新教材的同時，教學中強調以生活中的實際問題和工程實際應用為背景來選擇典型的教學案例，注重對教學內容的組織，利用版本逐步升級的綜合設計型實例，訓練學生的計算思維和問題求解能力，使課堂講授從講授程序設計方法為主轉變?yōu)橐詥l(fā)學生的計算思維為主。同時將一些課內學時遷移到課外，給學生更多的自主學習的時間和空間，布置教材上的擴展內容讓學生在課外閱讀，并通過建設多種網絡資源和教輔系統(tǒng)完善實踐教學的保障體系，為學生提供一個有利于自主學習的平臺，對學生課外自主學習的效果進行監(jiān)督和指導。

（2）成績評定方式改革。改革成績評定方法，建立以機試和能力測試為主的客觀評價體系。主要包括：改革作業(yè)和實驗程序的成績評定方法，引入了相對分考核機制，打破了以往平時成績相當于白送分的格局；借助于交互式網絡教學平臺，改革作業(yè)和實驗程序的評判方法；改革答疑的方法，從課堂答疑改為網絡在線答疑；利用作業(yè)在線測試系統(tǒng)，實現(xiàn)讓學生每天自主從題庫中隨機抽題限時完成作業(yè)，從以懲罰為主的程序查雷同“反抄襲”模式轉變?yōu)橐怨膭顬橹鞯碾S機作業(yè)“防抄襲”模式。

（3）考試方法改革。建立以機試自動評分和實踐能力考核為主的多重累加式成績考核體系，如圖6所示。主要措施是：完全取消了卷面筆試，改為上機考試，利用C語言編程題考試自動評分系統(tǒng)，實現(xiàn)機器自動閱卷實時給出評分，更加客觀公正地考核學生的編程實踐能力，尤其是錯誤程序的調試能力。

由于我們開發(fā)的幾個教輔系統(tǒng)經過了多次版本升級，功能一直在不斷完善，因此上述教學改革也歷經了10余年的時間，我們在實踐中不斷總結經驗，不斷改進方案。目前在應用于全校C語言公共基礎課的教學改革中取得了較好的實踐效果。2009年我們獲得了國家級教學成果二等獎，并于近幾年連續(xù)獲得多項省級教學成果獎和多項軟件著作權登記。

參考文獻：

[1] Computer Science Curricula 2013[EB/OL]. http：//ai.stanford.edu/users/sahami/CS2013.

[2] Mehran Sahami， Steve Roach， Ernesto Cuadros-Vargas， et al. ACM/IEEE-CS computer science curriculum 2013： reviewing the ironman report[A]. SIGCSE '13 Proceeding of the 44th ACM technical symposium on Computer science education， 2013： 13-14.

[3] Jeannette M. Wing. Computational Thinking[J]. Communications of the ACM， 2006， 49（3）： 33-35.

[4] Sun Zhigang， Su Xiaohong， Zhu Ning， et al. Moodle Plugins for Highly Efficient Programming Courses[A]. the 1st Moodle Research Conference，Greece： Hera Christopher wong， 2012： 157-163.

[5] Tiantian Wang， Xiaohong Su， Peijun Ma， et al. Ability-training-oriented automated assessment in introductory programming course[J]. Computers & Education， 2011， 1（56）： 220-226.

[6] 蘇小紅，王宇穎，王甜甜等. 面向綜合實踐能力考核的C語言編程考試自動評分系統(tǒng)[J]. 實驗技術與管理，2010（10）：174-177.

[基金項目：教育部大學計算機課程改革項目（2-2-ZXM-01），黑龍江省高等教育教學改革項目（JG2013010260）]

[責任編輯：余大品]