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  • 您的位置:互助文档网 > 名人名言 > 电影名言 > CS2013指导下的程序设计课程... 正文 2019-11-24 10:09:37

    CS2013指导下的程序设计课程实践教学实施方案设计与翻转实验教学实践_程序设计

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    CS2013指导下的程序设计课程实践教学实施方案设计与翻转实验教学实践

    CS2013指导下的程序设计课程实践教学实施方案设计与翻 转实验教学实践 摘要:针对CS2013缺乏与其相匹配的实践教学指导性 纲领的问题,以CS2013的知识体系为指导,设计了程序设计 课程的实践教学实施方案,制订了以系统编程、问题求解、 计算思维和自主学习能力培养为核心,涵盖程序设计完整知 识体系的实践教学大纲,并具体给出了一个实验课程设计案 例。然后,在这一大纲指导下进行了翻转实验的教学改革试 点,借助高级语言程序设计能力训练平台和编程题考试自动 评分系统,尝试了线上线下紧密结合,课内课外互为补充, 能力为导向,考、讲、练结合,学习成效驱动的翻转实验教 学模式,在本校程序设计课程实践教学中取得了良好的效果, 保障了学生的实验效果和实验目标的达成。

    从计算机诞生至今,计算学科的相关专业教育一直受到 国际学术学会组织的关注。美国计算机学会(ACM:
    Association for ComputingMachinery)和美国电气和电子 工程师学会计算机分会(IEEE-CS:Institute of Electrical andElectronics Engineers-Computer Society)联合任务 组于2013年推出了第四部计算机科学(CS:Computer Science)高等教育指导性大纲CS2013(Computer Science Curriculum 2013)。CS2013中的知识体系涵盖了18个知识领域,提供了不同大学和学院的121门案例课程,这些课程 从不同侧面体现了知识领域中的各个知识单元组合成课程 的不同方式。此外,CS2013也提供了5所不同大学和学院的 核心课程设置案例,这些案例展示了如何通过知识单元实例 化将完整的知识体系分配到专业培养方案中的一系列核心 课程中。这些案例不仅共享了课程和核心课程设置的经验, 而且展现了不同的教育理念。这些经验和案例为高等学校实 施教学改革和实践提供了切实可操作的课程设计方法和人 才培养方案改革模式,也引领了全球计算机教育领域的发展 方向,为计算机领域专业教育构建了一幅全面、具体、严谨、 深入、可操作性强的蓝本,因而受到国内外高等院校计算机 教育行业的普遍推崇,在全球计算机教育领域产生了广泛而 深远的影响,并引发了对其指导思想的深入研究和实践的热 潮。

    然而,作为计算机专业教育的基石,实践教学领域却一 直没能推出一部与CS2013相匹配的指导性大纲。造成了实践 教学一线缺乏清晰统一的指向和纲领,导致了先进教学理念 与实践教学的脱节。

    本文对程序设计课程的CS2013实践大纲的制订工作进 行了介绍和总结。程序设计课程群是计算机科学中的重要组成部分,在计算机专业课程体系中占有举足轻重的地位。而 如何在程序设计课程的实践教学中将CS2013的教育理念具 象,践行CS2013中的知识点覆盖和能力培养,体现CS2013中 从知识到能力到思维培养的层次性要求,同时兼顾我国计算 机专业教育的实际,是程序设计课程实践教学大纲制定过程 中着重解决的问题,也是本文重点阐述的内容。

    一、基于0S201 3的程序设计课程教学目标 1.CS2013中的程序设计课程 CS2013中将计算机科学的知识体(BodV ofKnowledge) 组织为18个知识领域(KnowledgeArea)构成的集合,分别 与计算领域中的各分支对应。其中,从各知识领域所涵盖的 知识单元来看,与程序设计课程相关的知识领域主要包括程 序设计语言和软件开发基础。程序设计课程相关的知识单元 和核心知识点如图1所示。

    2.基于CS2013的程序设计课程能力培养目标 与以往单纯强调对知识的掌握不同,CS2013中的一门课 程可能包含多个知识领域中的知识单元,涵盖某个知识领域 也可能需要多门课程,因此CS2013更强调学生对知识的实际运用能力,尤其是综合运用所学知识进行系统设计的能力, 即具有系统编程能力;
    同时,在实践中锻炼求解问题的技能, 要求学生能够将生活中的实际问题转化为可以运用掌握的 知识来予以解决的模型,进行合理的假设和抽象,还要求学 生对同一问题掌握多种求解方法,即问题求解能力;
    CS2013 虽没有反复强调问题求解技能,但对求解问题方法的选择和 求解代价的评估,以及对封装、抽象、系统级视角解决问题 等思维方式的引入,都蕴含了对学生计算思维能力的要求;

    此外,计算机学科的快速发展特性使得学生是否具有终身学 习的能力成为计算机学科对学生的培养是否成功的标准之 一。这种终身学习能力要求从向学生传授知识,改变为引导 学生自主学习,最后使之形成终身学习的习惯,因此如何引 导和强化学生形成自主学习能力应该是当今高等教育中所 有课程的实践教学环节所面临的重要任务。

    其中,系统编程能力的训练应在实践教学中贯穿始终。

    随着实践教学的开展和深入,逐渐培养学生的问题求解能力, 在学生具备基本的编程能力、掌握一定的问题求解方法之后, 引导其进行自主学习,并最终形成计算思维,完成从手到脑 到思维的能力的逐级提升。

    3.基于CS2013的程序设计课程教学目标 教学目标决定着教学的过程和对教学的评价。只有设立了明确清晰、恰当合理的教学目标,才能聚焦教学活动中的 各个环节,使各项教学活动的设计紧紧围绕着目标而展开, 并为最终达成目标而服务。用目标的导向性避免教学活动的 盲目性和随意性,避免教师过分依赖个人的直觉和经验进行 教学。

    因此,为了制订与CS2013相匹配的程序设计课程实践教 学大纲,首先要明确程序设计课程的教学目标,即通过熟悉 一种程序设计语言(如c/c++)的基本语法和编程实践,了 解软件设计与开发的过程,掌握结构化程序设计和面向对象 程序设计的基本方法,掌握计算机问题描述和求解的思维方 法,以及软件系统设计与实现的基本方法,使学生熟悉程序 设计语言的集成开发环境,熟悉计算机求解问题的常用算法, 熟练运用结构化程序设计和面向对象程序设计方法解决实 际问题,增强系统分析、设计、编码和调试的能力,养成良 好的程序设计风格,使其具备今后无论使用什么语言编程都 能灵活应用这些思想和方法的能力。

    二、基于CS201 3的程序设计实践教学设计 1.基于CS2013的程序设计课程实践教学规划 根据程序设计课程的能力培养目标和教学目标,以及CS2013中对程序设计相关知识领域和主题的规划,结合国内 的实际教学情况,从CS2013中相关的主题中提炼出需要在教 学实践环节中予以强化、加深的知识点和能力点,并针对这 些需求规划制订了与课堂教学内容和进度匹配、覆盖重要知 识点和能力点的实验和课程设计。

    在整体规划中,实验部分包含不多于5个必修实验,不 多于2个选做实验,课程设计部分包含最多3个必修课程设计。

    各实验与相应知识领域、知识单元和知识点的对应关系如表 1所示。

    2.基于CS2013的实践教学内容设计原则 实践教学内容设计遵循以下三条原则:
    (1)基础实验部分循序渐进、层层深入地引导学生逐 步运用所学知识,对关键能力的形成进行反复训练,最终强 化为计算思维能力。

    (2)综合实验和课程设计兼顾趣味性和实用性,强调 学生综合运用所学知识进行系统编程能力的训练和培养。

    (3)实验任务强调自主性,鼓励学生自主选题或自主设计任务要求,为学生自主实验创造条件,激发学生的主动 学习意识和学习兴趣,从而逐步形成自主学习能力。

    3.基于CS2013的实践教学内容设计 CS2013制订的实践教学大纲的具体实验内容、题目和对 应的能力培养目标如表2所示。

    三、基于CS201 3的程序设计实验设计案例 以贪吃蛇游戏为例,介绍本实践教学大纲制订的思想和 设计方法。

    1.案例内容 题目:贪吃蛇游戏。综合运用面向对象知识,编程实现 贪吃蛇游戏,熟练掌握面向对象的程序设计方法,增强系统 分析、设计、编码和调试的能力。

    (1)用户账户管理功能:记录用户个人信息、得分和 级别,支持个人信息的增删改查。

    (2)游戏管理功能:按照食物出现的频率、贪吃蛇移 动的速度等设置不同的难度。使用键盘方向键控制贪吃蛇的上下左右移动,在没有用户按键操作情况下贪吃蛇自己沿当 前方向移动,在贪吃蛇所在的窗口内随机地显示贪吃蛇的食 物,并实时更新显示贪吃蛇的长度和位置;
    当贪吃蛇的头部 与食物在同一位置时,食物消失,表示用户吃掉了食物,贪 吃蛇长度增长,用户得分增加;
    当用户得分达到预设值时, 游戏过关;
    当贪吃蛇头部到达窗口边界或即将进入身体的任 意部分时,游戏结束。

    (3)进阶内容:实现学英语背单词功能。游戏开始后 向用户展示一张给定的单词表,单词表可从指定的单词文件 中随机抽取,随着游戏级别增长,单词表中单词的难度加 大;
    食物为字母,用户操纵贪吃蛇按顺序选择要吃掉的字母, 吃掉的字母形成单词表上的未被吃掉的单词后,用户得分增 加,单词表中的单词减少;
    当单词表为空时,用户过关。这 个进阶内容就是学生自主设计的一个任务。

    2.案例分析 该课程设计覆盖的知识点如表3所示。这些知识点涉及 cs2013中的软件开发基础和程序设计语言两大知识体,知识 点覆盖全面,基本涉及了从基本的数据结构到面向对象程序 设计,从算法到程序设计方法,从设计、编码到测试、验证 等程序设计课程中涵盖的几乎所有重要内容,是具有很强综合性的课程设计题目。

    题目的特点是兼具趣味性、综合性、层次性、实用性。

    趣味性体现在题目来源于受众广泛的游戏,以游戏这种学生 喜闻乐见的形式来代替较为刻板的题目,可以提高学生的学 习兴趣;
    综合性体现在题目覆盖了贯穿程序设计课程的大多 数知识点,同时能够对程序设计、编码、测试、调试、纠错、 抽象和建模等多种能力进行训练,在知识点覆盖广度和能力 训练深度上具有综合性;
    层次性体现在题目中功能的设置从 易到难,由浅入深,学生可以根据能力选择其中的部分功能 予以实现,以适应不同层次的学生的不同需求;
    实用性体现 在经学生自己设计实现的这一系统可在自己的学习中实际 使用,这将大大促进学生对程序设计的实际价值的认知,从 而提高学生对程序设计的兴趣。

    四、学习成效驱动的翻转实验教学实践 如果没有好的测评作为导向,那么目标的制订和实施将 成为一纸空谈。有效的评价机制可以让教师及时了解教学目 标的实现程度和学生的学习状况,以便及时调整教学活动, 改善教学计划和方法。

    为了顺应“互联网+教育”的发展趋势,保障学生实验效果和实验目标的有效达成,我们自主研制开发了支持远程 在线自主实验的高级语言程序设计能力训练平台。该平台允 许学生自主选择实验内容,自主选择完成实验的时间和地点, 让学生“我的实验我做主”。这种方式从空间和时间上拓展 了传统实验课的“疆域”,使程序设计课程的部分实验从课 内迁移到课外,从而形成“线上线下紧密结合、课内课外互 为补充”的实验教学模式。在资源约束、空间约束和时间约 束的条件下,这种实验教学模式突破了传统实验在固定时间、 固定地点和可获取知识信息量有限等方面的制约,突破了场 地、时间和资源的限制,实现了实验教学手段的电子化、网 络化和信息化,促进了信息技术与高等教育的深度融合。

    实验的目的是什么?既不是教师在实验课上盯着学生 一行行敲代码,也不是仅仅给学生一个实验分数,而是让学 生在实验和师生面对面的交流过程中能够做有所得、学有所 获。既然如此,那么如何让学生在实验过程中“做有所得、 学有所获”呢? 基于这样的考虑,我们在高级语言程序设计能力训练平 台上增加了程序在线评测、错误反馈和定位等功能。原来学 生提交的实验程序需要教师手工评阅,现在学生提交实验程 序可以实时获得评分和成绩排名,允许学生多次提交程序, 直到成绩满意为止,对错误的程序还能给出相关提示辅助学 生自主修正错误。平台的在线评测、错误反馈和定位等功能 使得学生不仅在课外没有教师指导的情况下也能自主完成实验,而且在实验代码的一次次提交和改错中还能获得能力 的提升,既降低了教师指导实验的工作量,又达到了“以评 促学”的教学目的,提升了学生的程序调试和排错的能力, 教师还可以从平台上及时跟踪和了解学生的学习情况和学 习行为特点,使学生的实验效果可控、可观测。

    为了引导学生从关注“学习成绩”到关注“学习过程” 和“学习成效”,我们还改革了实验考核方式。一方面按学 生在高级语言程序设计能力训练平台上的刷题分排名取相 对分,作为平时实验分;
    另一方面完全取消了期末考试,每 次实验课都利用我们自主研制的编程题考试自动评分系统 进行机上考试,在所有实验考试成绩中去掉一个最低分作为 学生的实验上机考试分数。相对于期末只考一次而言,这种 分阶段马拉松式的考核方式能帮助学生及时发现自己在学 习上存在的问题,以便及时补救,从而达到“以考促学”的 目的,避免了期末考前临时抱佛脚、“亡羊补牢、为时已晚” 的问题。

    为了让学生每次都考得明明白白,学得扎扎实实,我们 又进行了如图2所示的实验翻转课堂试点。在每次考试结束 后,都由教师和学生共同点评错误的程序,让学生有反思自 己试卷的机会,共同点评典型错题之后再进行一次不计分的 模拟重考,让学生考一次收获一次、练一次进步一次。

    这种“考讲练相结合、能力为导向、学习成效驱动”的 翻转实验教学模式,在2015年秋季学期试点后取得了良好的效果。以前的实验课经常有迟到早退和上网聊天现象,自试 点翻转实验课以后,不再有迟到早退和上网聊天的现象,因 为学生从这种实验教学模式中尝到了甜头,实现了“考有所 得”。这种“一对多”的批量指导模式大大缓解了实验助教 严重不足和一对一指导实验工作量大的问题,提高了实验指 导效率,而且学生在教师点评错题后通过自己的思考和分析 自行解决自己的问题,也更容易产生成就感。此外,教师还 可从随堂考试和试卷点评中及时了解学生在学习上的薄弱 环节,进而有的放矢地调整后续的教学进度和教学内容。

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