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面向“做中学”的程序设计课程体系改革

2024-08-14 52 上传者：管理员

摘要：针对目前程序设计体系改革存在的弊端以及当前“做中学”教学模式只限定在单门课程所造成的不能综合提升学生程序设计能力和素养的问题，提出面向“做中学”的程序设计课程体系，介绍“做中学”程序设计课程体系项目方案选型、知识点脉络和项目教学流程，并说明教学改革成效。

关键词：
做中学
教学流程
知识点脉络
程序设计
课程体系
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“做中学”（Learning by Doing）是美国科学家杜威提出的教育思想和方法，其将教学过程看作“做”的过程，在教学中强调领域知识和实际生产的深度耦合，让学生的学习变为实践经验与理论总结的结合。历经多年实践，“做中学”已形成了一套完整的学习体系，总结出了一种科学的、有价值的教育思想和学习方法，用行之有效的方法去探究知识，注重培养学生的学习方法、思维方法、学习态度等多个方面[1]。

程序设计课程体系是计算机类专业重要的专业基础课程，主要培养学生利用程序设计语言、数据结构、算法等技术求解问题的工程能力，以及基于数据库、图像处理等系统软件开发应用系统的动手能力，为学生的职业发展打下坚实的基础[2]。故此，程序设计课程体系中每门课程的授课，都要注重理论知识及实践动手能力，通过多编程、多练习的形式，将抽象且枯燥的理论知识运用到实际编程中，并积极引导学生多思索、多总结，真正将理论与实践结合起来，这无疑与“做中学”的教育理念是深度吻合的。

1、存在的问题

尽管程序设计课程体系改革以及面向“做中学”的教学模式已经开展了多年，培养了众多程序设计人才，但是仍存在的一定的问题。为此，大量的教研人员和专家学者进行了各种改革，以期对程序设计课程体系的教学进行改进。在程序设计课程体系改革方面，文献[2]中提出“两性一度”的课程体系教学改革模式，以有效提升程序设计类课程教学效果；文献[3]中提出融合软件工程思想的程序设计类课程实验模式，以解决学生在学习与实践程序设计类课程知识时缺乏软件工程思想指导的问题；文献[4]中提出“知识学习、能力培育、实验磨练、竞赛提升”的教学模式，以总结程序设计类课程的学习认知规律并优化讲授路径；文献[5]中提出基于自适应导学的程序设计类课程实践教学模式，以提高学习者的积极性和学习效率以及教师的实践教学水平。同时，在“做中学”教学模式改革方面，文献[1]中基于“做中学”的教学思想，针对C++程序设计提出教学改革，培养了学生的学习兴趣，提高了其实践操作能力和解决问题的能力；文献[6]中针对C语言程序设计课程提出“做中学”教学模式改革，以提高学生程序设计能力；文献[7]中针对Java程序设计课程提出“做中学”教学方法，以提高学生的动手能力和理论知识理解能力；文献[8]中针对Python程序设计课程提出“做中学”教学方法，激发了学生的编程兴趣，培养了学生自主探究的精神。

综合分析以上的教学改革，可以发现目前仅有针对特定课程的“做中学”教学改革，尚未有针对程序设计课程体系的面向“做中学”的教学改革。程序设计课程体系涉及程序设计语言、数据结构、算法、数据库、Web开发、图像处理等各类知识，如仅仅某一门特定的课程以“做中学”思想为出发点进行教学改革，也只能提升学生该门课程的知识水平及相应的动手能力，但却不能综合提升学生的程序设计能力和素养，具有较大的局限性。故而，应针对程序设计课程体系的每个环节及每门课程，均按照“做中学”的理念，确定全局的、跨学科的项目方案，将项目所涉及知识点分解到课程体系的各个课程中去，强化体系间各课程知识点脉络的衔接与关联，系统地引导课程教学，提升教学效率，增强学生理论知识的深度和广度、动手实践的熟练度和成熟度。只有这样才能充分发挥“做中学”的优势，打造出一个成熟的课程体系，全方位进行程序设计人才培养。

2、面向“做中学”的程序设计课程体系改革思路与实践

针对目前程序设计课程体系中存在的问题，开展面向“做中学”的程序设计课程体系改革，主要包括项目方案选型、知识点脉络、项目教学流程。

2.1 项目方案选型

面向“做中学”的教学改革，首先应该确定“做什么”，而“做中学”程序设计课程体系项目方案选型就是解决“做什么”的问题。程序设计课程体系中涉及的课程较多，包含数据科学导论、程序设计基础1、程序设计基础2、离散数学、数据结构、Java程序设计基础等学科基础课程，软件工程、数据库原理及应用、数字图像处理、Web应用开发技术、数据可视化、移动开发技术、数据采集技术等专业教育课程，以及大数据综合课程设计、毕业设计等课程。选型项目的知识点必须涵盖各课程，做项目的过程本质上也是将各个课程中所学知识点应用或转化到项目中的过程。有鉴于此，面向“做中学”课程体系项目方案确定为轻量化信息分发与任务管理系统。项目方案如图1所示，完成前端—后端—移动端间轻量化信息的分发与任务的下发及其管理。具体过程为前端通过轻量化信息分发与任务管理服务端，进行消息的编排与任务的制订，并将消息/任务进行编码、压缩等轻量化措施后经由交换机、基站、Internet网络、基站、交换机，分发/下发给轻量化信息分发与任务管理移动端；移动端对接收到的信息/任务通过解压及解码后进行可视化处理并执行对应的任务，将任务执行反馈/信息需求经编码及压缩后，经原网络反向上传到轻量化信息分发与任务管理服务端；服务端将接收到的任务执行反馈进行解压及解码后存储于数据库中，供前端进行信息查询及可视化展示，同时针对移动端的信息需求，通过查询数据库将结果以信息分发的形式分发给移动端。本项目方案的具体功能结构如图2所示，该系统的知识点可以涵盖程序设计课程体系的所有课程。

图1“做中学”程序设计课程体系项目方案：轻量化信息分发与任务管理系统

图2“做中学”程序设计课程体系项目功能结构

2.2 知识点脉络

“做中学”程序设计课程体系综合运用以上课程知识，构建基础理论知识脉络（如图3所示），设计并实现轻量化数据分发与任务管理系统，将知识点脉络贯穿学科基础课程及后续课程设计与毕业设计环节，并合理安排在各个学期，为“做中学”的顺利实施奠定基础。

(1）面向“做中学”的轻量化信息分发与任务管理系统的前端，包含可视化显示、信息编排与任务制订等功能，主要是通过react、HTML、CSS、echarts等技术构建前端的可视化页面，这些知识点是在数据可视化中讲授与实践，相应的先修的课程则为数据结构、离散数学等。

(2）面向“做中学”的轻量化信息分发与任务管理系统的后端，包含信息的存储、查询、编排、分发、需求接收与响应，以及任务的下发、查询、存储、反馈接收与响应等功能，主要是通过Spring Boot、MyBatis和RabbitMQ来进行数据的增删改查以及消息的接收与分发，相关知识点主要是在Web开发技术中进行讲授与实践，相应的先修课程为数据库原理及应用、数据结构、Java程序设计、程序设计基础1、程序设计基础2等。

(3）面向“做中学”的轻量化信息分发与任务管理系统的移动端，主要利用Android技术进行数据音视频数据采集与发送，以及数据的增删改查等处理，其知识点所涉课程为移动开发技术和数据采集技术，先修课程则为数据库原理及应用、数字图像处理、Java程序设计、程序设计基础1、程序设计基础2等。

(4）面向“做中学”的轻量化信息分发与任务管理系统的目标、关键技术介绍等项目导入知识，主要涉及数据科学导论课程；系统方案的设计则涉及软件工程课程；系统的测试与优化则分别涉及大数据综合课程设计和毕业设计两门课程。

2.3 项目教学流程

本课程体系所做项目贯穿4年本科教学，时间上分为6个阶段：“做中学”项目导入、项目需求分析、工程知识储备、项目设计、项目实现与测试、项目优化与部署，每个阶段分设在不同学期，涉及不同理论知识的学习以及动手编程的实操，且每个阶段间为层层递进的关系。项目具体时间节点安排如图4所示。

图3“做中学”轻量化信息分发与任务管理系统知识点脉络

为“做中学”程序设计课程体系项目的6个不同阶段分别设置不同的实验，如图5所示。①在项目导入阶段设置实验1：项目调研分析，所涉课程为数据科学与导论；②在项目需求分析阶段设置实验2：软件需求分析，所涉课程为离散数学；③在工程知识储备阶段设置实验3：信息与任务数据结构，所涉课程为离散数学、Java程序设计、程序设计基础1和程序设计基础2；④在项目设计阶段设置实验4：系统设计，包括系统方案总体设计、数据库设计和轻量化结构设计，涉及课程为软件工程；⑤在项目实现与测试阶段设置实验4—实验15，分别完成项目的前端、后端和移动端的功能，所涉课程分别为数据可视化、Web应用开发技术、数据库原理及应用、数字图像处理技术、数据采集技术、移动技术开发和大数据综合课程设计；⑥在项目优化与维护阶段设置实验16：系统优化与部署，涉及课程为毕业设计。最后，项目预期成果包括调研说明书、测试说明书、软件测试报告、源代码、视频等。整个项目开发的过程可分解成各个动手实践的过程，既掌握了理论，又充分锻炼了动手能力。

3、教学改革效果

中北大学计算机科学与技术学院自2021年9月开始，在数据科学与大数据技术专业开展面向“做中学”的程序设计课程体系教学改革，按照“做中学”思想，将程序设计课程体系的教学与做“轻量化信息分发与任务管理系统”相结合，大幅提升了学生理论知识与动手实践相结合的能力。图6给出了自改革后3年内学生参加国家教育部发布的《普通高校大学生竞赛分析报告》竞赛目录中列出的各类竞赛的获奖统计，可以看出数据科学与大数据技术专业学生在2023年获得了最好的成绩。通过3年的培养，学生的动手能力、探索能力都得到了增强，因此在大三的时候参加学科竞赛获取好成绩是水到渠成的事情。

图4“做中学”程序设计课程体系项目流程时间节点

图5“做中学”程序设计课程体系教学流程

图6 2021—2023年学科竞赛获奖统计

4、结语

面向“做中学”程序设计课程体系是将“做中学”的思想引入到从数据科学导论、程序设计基础到大数据综合课程设计、毕业设计等一系列课程的过程，以轻量化信息分发与任务管理系统为案例，将该系统的功能与课程体系中各个课程的知识点进行了脉络关联，并对项目导入、需求分析、知识储备、设计、实现与测试、优化与安装的各个流程，安排了对应的实验，将“做”轻量化信息分发与任务管理系统的过程安排到各个实验的“学习”中。教学实践表明，该教学实践改革为学生参加国家级学科竞赛提供了强力支撑，能够综合提升学生的理论素养和实践能力，全方面培养素养好、层次高、能力强的程序设计人才。

参考文献:

[1]杨树媛,张志勇,冯向萍.“从做中学”教学思想在“C++程序设计”课程教学改革中的应用[J].软件导刊, 2014, 13(11):196-198.

[2]邓泽林,李峰,陈曦,等.强化“两性一度”的程序设计类课程教学模式改革[J].计算机教育, 2022(11):82-86.

[3]肖志娇,白鉴聪.融合软件工程思想的程序设计类课程实验改革[J].计算机教育, 2022(4):178-181.

[4]卢冶,王勇,张小立.程序设计类课程“学､育､练､赛”教学设计与实践[J].计算机教育, 2022(8):98-102.

[5]赵满坤,刘志强,张文彬,等.基于自适应导学的程序设计类课程实践教学探索[J].计算机教育, 2023(4):136-139.

[6]尚操.“C语言程序设计”课程“做中学”教学模式改革[J].课程教育研究, 2015(4):240.

[7]郑蕊.基于“做中学”的“Java程序设计”课程研究[J].无线互联科技, 2018, 15(8):76-78.

[8]陈晓娟.做中学:Python程序初识例谈[J].中国教育技术装备, 2019(3):98-99, 102.

基金资助:2023年山西省高等学校一般性教学改革创新项目“‘做案例学知识促创新’:程序设计课程体系的教学改革模式探索与研究”(J20230714);2023年山西省高等学校一般性教学改革创新项目“‘做中学’理念下计算机科学与技术专业实践教学体系探索与实践”(J20230712); 2023年度研究生教育创新计划思政示范课程项目“面向对象技术与方法”(2023SZ19); 2022年山西省高等学校教学改革创新项目“工程认证背景下面向计算机系统能力培养的‘操作系统’改革与探索”(J20220651);

文章来源:熊风光,贾志燕,张建华,等.面向“做中学”的程序设计课程体系改革[J].计算机教育,2024,(08):103-108.