0 引 言
當前，數字化、網絡化、智能化等新一輪科技革命和產業變革推動人類社會邁向智能經濟時代。習近平在全國科技創新大會上指出，科技是國之利器，科技興則民族興，科技強則國家強。要實現“兩個一百年”奮斗目標，實現中華民族偉大復興的中國夢，必須堅持走中國特色自主創新道路，在科技創新方面要有新理念、新設計、新戰略[1]。為了推動我國硬科技發展，提升國際競爭力和國家硬實力，培養創新性工程科技人才，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，并發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》《關于加快建設發展新工科 實施卓越工程師教育培養計劃2.0的意見》，全力探索具有中國特色的新工科教育體系。實驗教學是教學體系的一個關鍵環節，是培養學生創新能力和相關技能的重要階段。然而，傳統的實驗教學只是停留在知識和概念的掌握層次上，在強化學生創新意識和能力培養上存在不足。
作為計算機公共基礎課程，C語言程序設計課程是非計算機專業學生接觸的第一門實踐性很強的程序設計課程。該課程主要培養學生的計算思維能力、數據分析能力、問題求解能力和基本編程能力，不僅為學生后續課程學習奠定良好基礎，還為培養學科交叉人才奠定堅實基礎[2]。然而，相當一部分學生認為，C語言程序設計與自己的專業沒有關系，他們將來也不從事編程方面的工作，抱著學不學無所謂的態度，學習的積極性不高，課前課后投入精力不足的現象比較普遍。
實驗教學與理論教學是相互依存、相互促進的教學體系。通過實驗教學，學生所學的理論知識可以得到直觀演示，學生能夠積極主動地建構知識、理解和掌握知識。C語言程序設計課程要求學生在掌握語法規則的基礎上，編寫并調試程序，因此上機實驗對課程學習尤為重要。但是，在實際教學過程中，C語言程序設計課程實驗教學存在一些問題。首先，很多學生課前準備不充分，程序出現錯誤也不知道該如何解決，過度依賴教師解決問題。有些學生缺乏自主學習能力，只能解決一些簡單問題，遇到復雜問題時，不會觸類旁通、舉一反三，不能在原有的知識理論基礎上建構知識，以致難以提出有效解決方案。其次，由于實驗課程學時有限，僅依賴課內上機實驗難以讓學生理解、習慣程序設計的創造性思維方法。最后，實驗教學由于受機房容量、時間等方面的影響，很難與理論教學同步，使得學生不能及時內化所學知識，無法滿足學生的個性化需求。
1 構建面向能力培養的程序設計
實驗教學設計教育包括知識、能力和素質3個方面。其中，“知識”是基礎，“能力”是技能化的知識，“素質”是知識和能力的升華。程序設計課程實驗教學并不是教師單純地教學生編寫程序，而是通過教師的教，學生從中逐漸建立“程序設計”理念程序設計低級語言有哪些，形成計算思維，提高思維能力；通過教師的教，引導學生從“設計”開始程序設計低級語言有哪些，建立基本的時空復雜度等概念，了解和掌握程序的設計、實現、測試、分析等方面的知識和方法，促進學生在思維層面的聯想與創新，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高階復雜性思維技能。針對非計算機專業學生，C語言程序設計課程實驗教學設計遵循2條培養主線，即思維方式培養主線和程序設計能力遞進式培養主線。
1.1 思維方式培養實驗教學設計
C語言程序設計課程實驗教學主要是培養學生的計算思維、算法思維和系統思維，從而為學生后續課程的學習夯實基礎。計算思維最早是1996年由麻省理工學院的 教授提出，美國卡內基梅隆大學的周以真教授第一次明確使用。計算思維是指運用計算機科學的基礎概念求解問題、設計系統和理解人類的行為，其特征是抽象和自動化。
思維方式培養實驗教學設計魚骨圖如圖1所示。首先，通過順序結構程序設計實驗，培養學生對基本的C語言語法規則、順序結構程序設計思想的理解和掌握，能夠運用計算的概念求解簡單問題，有意識地學習和掌握程序設計的概念和思維方法，以及對程序設計的感性認識，強化計算思維。其次，通過選擇結構、循環結構、數組、結構體和指針的實驗，引導學生能夠將問題轉變為計算機內的表示形式；利用數組、結構體、指針等組織數據，根據要完成的功能設計算法，培養學生的算法思維。最后，通過函數、文件等實驗，引導學生在解決復雜問題時，運用模塊化設計思想，即通過需求分析、模塊設計、編程實現等過程，完成一個小型項目，培養學生的系統思維、獨立研究能力和創新能力。
1.2 程序設計能力遞進式培養實驗教學設計
程序設計能力不僅是理工科學生必備的基本技能，也是體現創造性思維的信息素質培養。程序能力培養主要是培養學生的算法設計與分析能力、程序設計與實現能力。能力是練出來的，為了實現學生程序設計能力的遞進式培養，C語言程序設計實驗教學內容包括實驗任務、基礎訓練和能力培養3部分內容，具體實驗教學內容見表1。
學生程序設計能力的遞進式培養過程如圖2所示。C語言程序設計實驗教學內容包括10個實驗，這10個實驗的難度由淺入深，循序漸進，逐步增加難度，減輕學生壓力，緩解學生的畏難情緒。實驗內容不僅有知識性題目，還有智慧性題目；不僅有需要憑借知識技能實現的任務，還有必須經過創造性思考才能解決的任務。通過這10個實驗，學生首先熟悉當前C語言程序設計語言的基礎開發環境。其次，學生能夠掌握C語言的基礎知識、算法的概念、程序設計概念；掌握計算機問題描述和求解的思維方法，了解軟件設計與開發過程，掌握結構化程序設計和面向過程的程序設計與實現的基本方法。最后，學生能夠運用結構化程序設計方法解決實際問題，增強其系統分析、設計、編碼和調試的能力[3]，進而培養學生的計算思維能力、系統思維能力、算法設計與分析能力和程序設計與實現能力。
2 以能力培養為導向的程序設計實驗教學實踐
C語言程序設計課程的實驗教學內容包括基礎性實驗和綜合性實驗。基礎性實驗主要是培養學生的基本實驗技能，引導學生逐步運用所學知識，對算法設計與分析能力的形成進行反復訓練，最終強化為計算思維能力。綜合性實驗進一步加強學生的邏輯思維、抽象思維、算法思維、系統思維等思維能力培養，加深學生對所學知識的理解和掌握，引導學生綜合運用所學知識進行系統編程訓練，培養學生的程序設計與實現能力。
借鑒美國學者理查德提出的基本OBE（-Based ，基于成果的教育）模式的課程設計模型[4]，C語言程序設計實驗教學采用線上線下翻轉模式實現學生的程序設計能力培養。線上實踐是使用西安理工大學計算機科學與工程學院在中國大學MOOC平臺上提供的C語言程序設計課程在線實驗平臺。線上線下實驗翻轉模式包括學生學習目標確立，學生自主學習，學習過程指導和學習結果評估，具體流程如圖3所示。
以C語言程序設計課程實驗6數組為例，首先，教師布置線上實驗任務，包括一維數組、二維數組和字符數組的基本使用，目的是夯實學生基本概念。鑒于學生線上實驗需要獨立完成，因此任務相對簡單，主要是基礎性實驗。這樣即使學生在完成過程中遇到問題，學生通過自主學習也可以解決。
其次，在進行線上實驗時，學生根據自己的時間可以隨時隨地登錄到在線實驗平臺。實驗完成后線上提交，系統會自動進行評判。如果程序錯誤，系統會給出相應的錯誤提示信息。這時，學生可以通過查閱資料、自主學習或與同學討論等方式自主修正錯誤。系統自動批閱實驗的功能不僅可以使學生在沒有教師指導的情況下自主完成實驗，而且學生獨立進行程序調試、改正錯誤可以提高其解決問題和自主學習的能力。
第三，在線下實驗過程中，教師布置一些具有挑戰性的任務，例如將兩個有序數組合并于一個新數組中，然后輸出。解決這個問題，一方面要求學生用函數完成合并操作，進一步強化學生的系統觀；另一方面，合并數組時需要用到排序算法。通過布置較為復雜的任務，讓學生需要“跳一跳”才夠得著，目的是激發學生的學習興趣。一方面，使學生能夠享受學習的樂趣，進而養成學習習慣，培養終身學習的意識；另一方面，學生在感性認識的基礎上，循序漸進總結算法設計、編程構思，加強學生的計算思維能力和創新能力培養。
第四，在線下實驗指導過程中，面對面的指導可以使教師及時發現學生的薄弱環節，進而在后續課堂上進行重點講解，幫助學生深度理解知識，提高學生的編程能力。
最后，教師進行驗收檢查。在驗收過程中，一方面學生用自己的語言闡述自己對實驗內容的認識和理解，這是一個開放式思維、表達訓練的過程，能夠有效地促進學生獨立思考，將書本知識轉化為自己的知識，從而更深層次地理解知識、運用知識[5]；另一方面，教師鼓勵學生提出新問題、新見解，將思考的主動權給學生，使學生真正做到主動思考、獨立思考。
3 面向能力培養的程序設計課程教學實踐效果
為了檢驗面向能力培養的C語言程序設計課程實驗教學效果，筆者選擇2019級1個專業的學生進行了“面向能力培養”的線上線下實驗翻轉教學。與傳統實驗教學測驗內容一樣，在教學過程中進行了5部分內容的程序設計與實現測驗，分別是順序結構與選擇結構、循環結構、函數、數組和結構體。每部分程序設計題5道，每道20分。圖4是采用“線上線下實驗翻轉”教學模式（2019級）和傳統實驗教學模式（2018級）的2個專業學生（67人和63人）在檢測5部分內容的學習成果評價對比。
圖4顯示，采用線上線下實驗翻轉教學模式的學生編程學習效果明顯高于采用傳統實驗教學模式的學生。在線上線下實驗翻轉教學中，學生可以不受時間和地點的限制進行線上實驗；在調試程序的過程中，培養了學生的自主學習能力，使學生從“要我學”向“我要學”和“我能學”轉變，進而培養學生的發展性學力和創造性學力。
4 結 語
培養一大批工程實踐能力強、創新能力強，具備國際競爭力的高素質復合型“新工科”人才，是“新工科”建設的目標。通過思維能力培養和程序設計能力遞進式培養2條主線設計C語言程序設計課程實驗教學內容，循序漸進地培養學生的計算思維、算法思維和系統思維等思維模式，潛移默化地培養學生的計算思維能力、算法設計與分析能力、程序設計與實現能力。構建的線上線下實驗翻轉模式，通過學習目標確立、自主學習、學習過程指導和學習結果評估4個過程，加強了對學生的程序設計能力培養。
參考文獻
[1] 中華人民共和國中央人民政府. 全國科技創新大會 兩院院士大會 中國科協第九次全國代表大會在京召開[EB/OL]. (2016-05-30)[2020-11-02].
[2] 李薇, 申小玲, 王磊, 等. 敏捷式教學的探索與實踐[J]. 計算機教育, 2019(9): 129-133.
[3] 蘇小紅, 趙玲玲, 邱景, 等. 指導下的程序設計課程實踐教學實施方案設計與翻轉實驗教學實踐[J]. 中國大學教學,2016(5): 55-60.
[4] M R, Brent R. and to the ABET [J]. of ,
2003, 29 (1): 7-25.
[5] 李薇, 黑新宏, 王磊. 學習成果監控與評價機制的探索與實踐[J]. 高等工程教育研究, 2020(2): 179-186.
基金項目：西安理工大學教學改革項目“目標導向的敏捷式課程體系的構建與研究”（），“雙一流背景下研究生學術能力培養模式的探索與實踐”（310-）；陜西省教學研究重點項目“面向‘系統能力’培養的計算機專業拔尖人才培養模式改革與實踐”（），“面向對象程序設計課程思政”（1)，“面向工程教育認證的數據庫原理教學改革研究”（）。
作者簡介：李薇，女，副教授，研究方向為智能計算、機器學習，；王磊（通信作者），男，教授，研究方向為智能計算、機器學習，。
引文格式：李薇,黑新宏,王磊,等.新工科背景下的C語言程序設計課程實驗教學[J].計算機教育,2021(7):188-192.