黃 堅，宋 友，楊晴虹，路新喜

（北京航空航天大學(xué)軟件學(xué)院 北京 100191）

程序設(shè)計實踐課程通常依托于某一門編程語言設(shè)立，通過大量習(xí)題的演練提高低年級本科生對編程語言的掌握程度[1-2]。近年來，隨著新工科理念[3]、卓越工程師培養(yǎng)計劃[4]等教育改革與人才培養(yǎng)計劃的提出，程序設(shè)計實踐的 “實踐課” 屬性被重視起來，諸多高等院校開始在課程建設(shè)中引入項目驅(qū)動、專題性實踐等教學(xué)方法，增強(qiáng)學(xué)生獨立解決復(fù)雜工程問題的實踐能力[5-6]。然而調(diào)研可知同類課程多采用復(fù)現(xiàn)應(yīng)用案例的實踐方法，在實踐選題的應(yīng)用需求設(shè)定、技術(shù)路線選擇等方面多有限制，制約了學(xué)生工程思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為此，本研究結(jié)合具體教學(xué)實踐，對程序設(shè)計實踐課程體系的建設(shè)進(jìn)行了探索。

1 課程設(shè)置與問題分析

北京航空航天大學(xué)軟件學(xué)院是首批特色化示范性軟件學(xué)院，在 “形成一批具有示范性的高質(zhì)量軟件人才培養(yǎng)新模式” 的建設(shè)要求下，將創(chuàng)新精神和軟件技術(shù)攻關(guān)能力作為人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要指引。在此背景下，程序設(shè)計實踐課程作為學(xué)院本科生接觸的第一門實踐課，也承擔(dān)了培養(yǎng)工程思維和創(chuàng)新能力的責(zé)任。為此在多年建設(shè)中課程團(tuán)隊對課程進(jìn)行了系統(tǒng)化的革新，實現(xiàn)從 “知識本位教育 “向 “能力本位教育” 轉(zhuǎn)變。

目前該課程在大一下的暑期開設(shè)，包含16學(xué)時的軟件開發(fā)基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)和為期一周的開發(fā)實踐。學(xué)生通過開放式自主命題，不限制技術(shù)路線，在課程實踐中獨立開發(fā)完成一個1千行以上代碼，具備完善功能和應(yīng)用價值的創(chuàng)新創(chuàng)意軟件作品。通過課程的學(xué)習(xí)實踐，填補(bǔ)學(xué)生從計算思維邁向工程思維中的教學(xué)空白，達(dá)到承上啟下，融匯基礎(chǔ)知識、訓(xùn)練實踐能力、培養(yǎng)軟件工程意識、鼓勵創(chuàng)新創(chuàng)意的目標(biāo)（圖1）。

圖1 程序設(shè)計實踐課程定位

課程的建設(shè)響應(yīng)了 “兩性一度” 的要求。在挑戰(zhàn)度方面，在大一新生只學(xué)習(xí)了課程基本編程語言知識的情況下，帶領(lǐng)他們挑戰(zhàn)完整的軟件項目開發(fā)，提升了難度，學(xué)生需要 “跳一跳” 才能完成課程任務(wù)；在高階性方面，課程強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的軟件工程思維，強(qiáng)化學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，使他們在面對未經(jīng)歷過的開發(fā)過程和技術(shù)問題時，能夠通過探究式學(xué)習(xí)來自主尋找解決方案。

然而，上述要求顯然給課程的實施帶來巨大挑戰(zhàn)：

①由于學(xué)生只具備基本編程知識，對分析、設(shè)計、開發(fā)、交付軟件工程的過程缺乏了解，在此情況下能否完成完整的軟件項目開發(fā)？

②該課程采用開放式選題，不限制技術(shù)路線（語言、平臺、工具等），在此情況下有限的師資力量如何幫助學(xué)生解決無限的技術(shù)難題？

針對這些困難，在創(chuàng)新性方面課程團(tuán)隊進(jìn)行了精心設(shè)計，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面給出多種措施，保障課程的有效實施。

2 課程教學(xué)實施

2.1 提煉程序設(shè)計實踐知識體系

開放式的實踐選題對課程的教學(xué)內(nèi)容提出了非常高的要求，學(xué)生可以選擇從Windows應(yīng)用程序、智能手機(jī)APP，到數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)、Web應(yīng)用系統(tǒng)甚至人工智能應(yīng)用程序等不同形態(tài)的軟件作品，學(xué)生需要學(xué)習(xí)的知識點量大且分散。在沒有預(yù)設(shè)實踐技術(shù)路線的情況下，課程教學(xué)需要整理更全面更有針對性的知識體系來應(yīng)對學(xué)生的知識需求。為此，課程組一方面在歷年教學(xué)實踐中注重收集總結(jié)學(xué)生學(xué)習(xí)開發(fā)過程中涉及、關(guān)心的各領(lǐng)域基礎(chǔ)知識點，提煉制約開發(fā)實踐的核心關(guān)鍵內(nèi)容；另一方面，通過與百度技術(shù)學(xué)院等機(jī)構(gòu)進(jìn)行校企合作，從企業(yè)研發(fā)人才需求出發(fā)，總結(jié)和補(bǔ)充軟件企業(yè)所重點關(guān)注的知識點，如軟件質(zhì)量保證、產(chǎn)品交互設(shè)計等，逐步積累形成了能有效支撐編程初學(xué)者進(jìn)行創(chuàng)意軟件作品開發(fā)的知識體系，如圖2所示。

圖2 程序設(shè)計實踐基礎(chǔ)知識體系

知識體系的設(shè)計以實用性為導(dǎo)向，主要解決缺乏知識儲備的編程新手，如何在短時間內(nèi)學(xué)習(xí)掌握關(guān)鍵知識點，實現(xiàn)軟件開發(fā)目標(biāo)的問題。課程開設(shè)了16學(xué)時的專題技術(shù)講座，淺顯易懂地講解重要知識點（圖2中前四項知識點）的內(nèi)涵外延及其在項目中應(yīng)用的方法。對于其他有用的知識點，由于課時限制無法安排集中授課，課程組也制作了相應(yīng)的線上學(xué)習(xí)資源，供有需要的學(xué)生選學(xué)。通過上述課程教學(xué)安排，使得學(xué)生對完整的軟件開發(fā)過程有了初步認(rèn)識，消除了無從下手的焦慮。

2.2 任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)方法

開放式的選題決定了開放式的技術(shù)實現(xiàn)途徑，因此除了公共基礎(chǔ)知識體系部分由任課教師進(jìn)行集中培訓(xùn)之外，學(xué)生還需為實現(xiàn)自己的軟件開發(fā)目標(biāo)進(jìn)行大量的自主學(xué)習(xí)。為提高學(xué)生學(xué)習(xí)和解決問題的效率，課程組應(yīng)用了任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)方法：學(xué)生在強(qiáng)烈的解決問題和完成項目的動機(jī)驅(qū)動下，通過教師的引導(dǎo)和幫助，積極主動應(yīng)用學(xué)習(xí)資源進(jìn)行自主探索和個性化的學(xué)習(xí)。課程的任務(wù)驅(qū)動教學(xué)方法具有如下特點：

2.2.1 學(xué)生的主體性

學(xué)生利用各種學(xué)習(xí)資源和工具，自主完成項目任務(wù)，整個過程都需要主動地探索并解決碰到的問題，充分調(diào)動學(xué)習(xí)積極性。

2.2.2 教師的主導(dǎo)性

教師對學(xué)生項目開發(fā)進(jìn)程中的關(guān)鍵問題（從技術(shù)選型、系統(tǒng)設(shè)計，到功能實現(xiàn)、錯誤調(diào)試等）進(jìn)行把控和指導(dǎo)，建設(shè)和提供給學(xué)生所需的各類學(xué)習(xí)資源，并進(jìn)行各種學(xué)習(xí)活動（如案例解析、在線討論等）的組織與管理。課程組配備了應(yīng)用開發(fā)經(jīng)驗豐富的教師和助教隊伍，通過線下一對一指導(dǎo)，和線上GitHub討論區(qū)、微信群等在線討論方式，在課堂內(nèi)外隨時掌握學(xué)生實踐狀態(tài)，及時響應(yīng)和解決技術(shù)問題，推動軟件項目開發(fā)進(jìn)展。指導(dǎo)過程中教師往往不是直接告訴學(xué)生面臨問題的解決答案，而是向他們提供解決問題的有關(guān)線索，如問題背后涉及哪類知識原理，從何處獲取有關(guān)的信息資料等，強(qiáng)調(diào)發(fā)展學(xué)生的 “自主學(xué)習(xí)” 能力。同時，根據(jù)需要積極組織專家講座、學(xué)生內(nèi)部討論交流等，通過不同思路的碰撞，加深學(xué)生對問題和解決方案的理解。

2.2.3 教學(xué)資源的支撐作用

鼓勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)，而這離不開豐富的教學(xué)資源的支撐。課程經(jīng)過了多年建設(shè)，積累了500個以上的學(xué)生實踐作品，師生線上討論解決各類技術(shù)問題的討論串也達(dá)到了數(shù)千條目。在這些寶貴的課程資料的基礎(chǔ)上，課程組積極開展教學(xué)資源建設(shè)：編撰了優(yōu)秀學(xué)生作品的案例詳解，作為內(nèi)部教材，供學(xué)生學(xué)習(xí)了解高水平作品的實現(xiàn)過程；開發(fā)了課程成果展示平臺，學(xué)生可以通過平臺尋找與自己技術(shù)路線相似的往屆作品進(jìn)行案例學(xué)習(xí)；同時基于歷年的線上討論數(shù)據(jù)整理了技術(shù)問答庫，方便學(xué)生遇到問題時查閱有效的解決方案。通過教學(xué)資源的建設(shè)積累，使得學(xué)生能夠進(jìn)行高效學(xué)習(xí)，自主解決問題，有效緩解了有限的師資力量與無限的技術(shù)問題之間的矛盾。

課程組實施的 “任務(wù)驅(qū)動” 教學(xué)法，以完成自主命題軟件作品為主線，學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，改變了以往 “教師講，學(xué)生聽” ，以教定學(xué)的被動教學(xué)模式，實現(xiàn)了以學(xué)定教、學(xué)生主動參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型學(xué)習(xí)模式。實踐證明，這一方法有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)及與他人協(xié)作的能力。

2.3 創(chuàng)新能力培養(yǎng)

課程以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為重要目標(biāo)。在學(xué)生選題階段，教師積極引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生通過觀察生活，總結(jié)痛點需求，自主尋找軟件作品的創(chuàng)意思路，開啟創(chuàng)新意識。學(xué)生作品的內(nèi)容從工具軟件、生活類APP、小游戲，到AI應(yīng)用等不一而足，歷年選題的重復(fù)率通常在10%以下，其中非常有創(chuàng)新性和應(yīng)用價值的創(chuàng)意作品設(shè)計更是大量涌現(xiàn)。

然而，受限于專業(yè)基礎(chǔ)知識不足和較短的課程實踐時間，學(xué)生在課程結(jié)束時提交的作品往往不能達(dá)到最理想的實現(xiàn)效果。為此，教師會鼓勵學(xué)生在課程結(jié)束之后繼續(xù)打磨作品。對于優(yōu)秀的創(chuàng)意，教師會對學(xué)生進(jìn)行一對一的討論輔導(dǎo)，給出作品迭代優(yōu)化的方向和技術(shù)路線指導(dǎo)，幫助他們完善作品之后參加不同層級的科技競賽。近年來，軟件學(xué)院獲得的十余項科技競賽成果直接起源于本課程的作品創(chuàng)意，涉及的競賽包括北航馮如杯科技大賽、騰訊T派創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、中國軟件杯大賽等。而這些競賽成果的取得，也大大激勵了下一屆同學(xué)課程實踐的積極性，促進(jìn)更多優(yōu)秀作品的產(chǎn)生，形成了良性循環(huán)。

3 結(jié)語

北航有一門傳統(tǒng)的金工實習(xí)課程，學(xué)生通過設(shè)計圖紙、操作機(jī)床等步驟，制作完成人生中第一件金工作品——一把金屬錘子，這成為北航學(xué)子共同的校園記憶。程序設(shè)計實踐課通過教學(xué)改革，幫助每個軟件學(xué)院的學(xué)生創(chuàng)作完成人生中第一個能投入應(yīng)用的軟件作品，增強(qiáng)了他們的軟件技術(shù)攻關(guān)能力和專業(yè)自豪感，培養(yǎng)了學(xué)生用軟件改變生活的創(chuàng)新精神，取得了較好的教學(xué)效果。