潘雨青，毛啟容

（江蘇大學 計算機科學與通信工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

工程教育認證倡導以學生為中心、產(chǎn)出導向 （Outcome Based Education, OBE）、持續(xù)改進（Continue Quality Improvement, CQI）三大教育理念。具有解決復(fù)雜工程問題的能力是四年制本科生必須具備的能力[1]。蔣宗禮在《本科工程教育:聚焦學生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)》[2]和林健在《如何理解和解決復(fù)雜工程問題——基于<華盛頓協(xié)議>的界定和要求》[3]中都對復(fù)雜工程問題進行了詳細的解讀，并針對在教學過程中培養(yǎng)學生解決復(fù)雜工程問題提出了有益的建議。

程序設(shè)計是計算機類專業(yè)的核心課程之一，盡管學校和教師使用各種教學手段提高學生的程序設(shè)計水平，但學生在掌握基本編程語法后，表現(xiàn)出的編程能力卻仍然難以令人滿意，大部分學生依然缺乏《華盛頓協(xié)議》中提出的解決復(fù)雜工程問題的能力。

程序設(shè)計類課程的第一門課一般開設(shè)在大學一年級，在學生掌握的數(shù)學、自然科學以及專業(yè)知識還有限的情況下，培養(yǎng)學生解決復(fù)雜工程問題的能力似乎存在一定的難度。但復(fù)雜工程問題與復(fù)雜技術(shù)問題不同[4]，可以通過仔細分析復(fù)雜工程問題的要求、不同大學一年級學生的特點以及程序設(shè)計課程的知識領(lǐng)域，循序漸進地培養(yǎng)學生解決復(fù)雜工程問題的能力。

1 程序設(shè)計類課程的課程目標

根據(jù)OBE教育理念，首先確定專業(yè)的培養(yǎng)目標，然后確定專業(yè)的畢業(yè)要求以及細化的畢業(yè)要求指標點，接下來制定專業(yè)的培養(yǎng)計劃，再進行教學活動，進而在教學過程中進行不斷的評價和改進。例如某大學程序設(shè)計基礎(chǔ)承擔了如下指標點：

指標點1.5：具備將工程基礎(chǔ)知識、計算機基礎(chǔ)知識用于計算機領(lǐng)域復(fù)雜工程模型驗證求解的能力。

指標點4.3：能夠針對計算機科學與技術(shù)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題，開發(fā)、選用恰當?shù)募夹g(shù)和資源，并能夠了解其局限性。

根據(jù)指標點，確定了程序設(shè)計課程的目標，課程目標包括知識方面和能力方面，其中①～⑥能夠很好地支持指標點1.5，⑦～⑩支持指標點4.3。

知識方面包括：①理解程序設(shè)計的基本類型、掌握程序設(shè)計中的運算符和表達式；②掌握面向過程的3種基本結(jié)構(gòu)（順序、分支和循環(huán)）；③掌握數(shù)組、指針、結(jié)構(gòu)體等構(gòu)造類型；④掌握函數(shù)的定義和使用；⑤掌握程序設(shè)計中的基本算法和算法的描述方法。

能力方面包括: ⑥能夠利用程序?qū)?shù)學和物理模型進行驗證；⑦能夠熟練使用一種程序開發(fā)工具；⑧在程序設(shè)計中養(yǎng)成良好的程序書寫習慣；⑨掌握并應(yīng)用自頂向下、逐步細化的模塊化的程序設(shè)計方法；⑩設(shè)計程序解決數(shù)學、物理及實際問題，并判定結(jié)果的有效性。

2 在教學過程中循序漸進地培養(yǎng)學生解決復(fù)雜工程的能力

普通高校大學一年級的學生大部分沒有接觸過計算機編程，程序設(shè)計課程對大一新生還很陌生，教師需要在課程過程中培養(yǎng)學生解決復(fù)雜工程問題的能力，培養(yǎng)學生的計算思維，這要求教師必須在教學的過程中激發(fā)學生的興趣，注重教學方法，循序漸進。

（1）掌握程序設(shè)計的基本原理，能夠利用程序驗證基本數(shù)學物理模型。程序設(shè)計基礎(chǔ)課程的教學內(nèi)容基本包括數(shù)據(jù)類型、控制結(jié)構(gòu)、數(shù)組、函數(shù)、指針、結(jié)構(gòu)體和文件。各學校一般也是按照上述順序進行教學的。在整個教學過程中，利用應(yīng)用習題提高學生程序設(shè)計的能力，有意識地結(jié)合數(shù)學、物理知識，練習設(shè)計程序完成數(shù)學物理模型的求解，具體安排見表1。

表1 數(shù)學模型驗證層次案例

（2）深入分析，構(gòu)建模型，解決復(fù)雜工程問題。程序設(shè)計學習的第一層次通過數(shù)學物理模型任務(wù)案例解決了計算機基礎(chǔ)應(yīng)用的問題，在第二層次，培養(yǎng)學生通過對一些實際問題的分析，綜合考慮各種要素，進行建模，然后用計算機程序解決復(fù)雜問題，見表2。受到學生層次的限制，在設(shè)計題目的時候需要進行必要的抽象和簡化，但在抽象和簡化的過程中，仍然需要考慮滿足復(fù)雜工程問題的條件。

表2 復(fù)雜工程問題訓練案例

表2列出了針對不同知識點設(shè)計的復(fù)雜工程問題，有些問題對于高年級的學生來說可能不夠“復(fù)雜”，但是針對大一的學生來說，是具有一定復(fù)雜程度的，這些問題都需要進行工程原理分析，問題涉及不同的領(lǐng)域問題，同時貼近實際，通過這些問題不僅能提高編程水平而且能夠拓寬知識面，提高分析問題的能力。另外這些問題在設(shè)計的時候兼顧到了所學知識的前后順序，能夠保證大一學生經(jīng)過分析探索是可以解決的。

購物打折是第一個實施復(fù)雜工程問題，主要是利用分支結(jié)構(gòu)來解決問題的，它來源于實際。商場購物有打折和返券兩種，如A商家滿120返60禮券；B商家滿258返120禮券；C商家，滿300返200禮券；D商家滿300減100禮券；F商家打4折，請問在哪家購買劃算。再如物理實驗數(shù)據(jù)擬合作業(yè)主要是運用數(shù)組進行計算，但卻首先應(yīng)建立數(shù)學模型（如最小二乘法），如果實驗數(shù)據(jù)量較大的話，使用文件更加合理。再者在使用分形方法繪制雪花圖案例中更需要運用數(shù)學、幾何知識、遞歸算法、繪圖知識等。

歸納起來復(fù)雜問題的題目設(shè)計思路如下：

（1）選題類型原則。復(fù)雜問題來源于實際，而不是簡單的抽象模型，這樣學生解決起來才有興趣。例如利用循環(huán)解決問題，一般練習的時候可能是1+2+3+4+…或者這種形式的變形的遞增或者遞減序列，這樣的問題必定會有學生提出為什么不用遞減序列的求和公式來解決？類似的購房問題綜合考慮工資的增長、消費指數(shù)的上漲，以及房價上漲等多種因素，就會體現(xiàn)出利用計算機求解的優(yōu)越性，同時對一些經(jīng)濟術(shù)語有所了解。

（2）選題場景。問題選題最好選自不同的領(lǐng)域，如財務(wù)、管理、物理應(yīng)用等，這樣，既能和生活實際緊密相連，又能讓學生會體會到多學科背景的重要性。

（3）選題的難度問題。復(fù)雜工程問題不等于復(fù)雜性問題[4]，針對大一新生的題目難度不能太高，涉及的知識點要考慮到循序漸進。如商品打折問題可以考慮判定都買一定價錢的物品，也可以要求給出不同價格的最佳選擇。

3 采用多樣的教學方式培養(yǎng)學生的程序設(shè)計能力

傳統(tǒng)的課堂教學和現(xiàn)代的MOOC、微課等教學手段相結(jié)合可以提高學習的效果[5-7]，考核方式多樣化不僅可以檢測知識的掌握程度，而且能夠促進各種能力的不斷提高。考核學生是否具備解決復(fù)雜工程問題的能力，考核內(nèi)容包括：理論知識考核（學生練習、課后作業(yè)、學生自測、期末考試）、實踐能力考核、創(chuàng)新能力考核、團隊協(xié)作能力考核等幾方面。通過各個環(huán)節(jié)的全面考核，綜合評價學生成績。結(jié)合教學管理平臺完成理論知識的考核比較適合，考核評價要注意到題目類型的多樣性、試題的內(nèi)容是否與課程目標以及畢業(yè)要求指標點相一致。創(chuàng)新能力和團隊能力考核與課程設(shè)計中考核評價相結(jié)合比較適合。不同的考核內(nèi)容采用不同的現(xiàn)代技術(shù)平臺能夠減輕教師和學生的負擔，特別是在線判題系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠大大提高考查的效率[8-9]。

對于程序設(shè)計課程來說，注重的是培養(yǎng)學生的編程水平和動手能力，并逐步培養(yǎng)學生解決復(fù)雜問題的能力。因此對于實踐環(huán)節(jié)的考核就非常重要。學生一般認為程序設(shè)計實踐環(huán)節(jié)的考核具有彈性，或者程序的結(jié)果正確就達到了目標。針對程序課程的目標和畢業(yè)要求的指標點，從問題分析、方案設(shè)計、編程實現(xiàn)、代碼書寫規(guī)范[10-11]、報告質(zhì)量5方面進行規(guī)范，見表3。評分標準在開學初就公布在網(wǎng)站上，指導教師對典型的設(shè)計性報告根據(jù)規(guī)范進行評價，最終的評分作為總體評價的一部分。表3列出的考核評價標準規(guī)范了評價過程，同時能夠促進學生專業(yè)技能和業(yè)務(wù)素養(yǎng)的提高。

采用多種教學方式和考核方式后，學生程序設(shè)計課程學習的效果明顯改善，不及格率由26%降低到7%，基礎(chǔ)知識錯誤率明顯降低。學生編寫程序的能力顯著提高，代碼注釋率增加，程序中標識符定義更加規(guī)范，并且后續(xù)課程教師普遍反映學生編程能力增強。

表3 程序設(shè)計實驗評價標準

4 結(jié)語

高等院校在工程教育認證的過程中，首先要領(lǐng)會OBE的教學理念，真正理解“復(fù)雜工程問題”的內(nèi)涵，明確專業(yè)畢業(yè)要求和指標點，確定課程目標。在教學內(nèi)容、教學方法、考核內(nèi)容、評價標準上從課程的特點、學生的特征出發(fā)，因勢利導，遵循教育規(guī)律，循序漸進。即使是在程序設(shè)計基礎(chǔ)這些公共課程中也完全可以逐步培養(yǎng)學生解決復(fù)雜工程問題的能力。