12“程序设计基础”的实施方案与改革实践浙江大学 何钦铭今天我与各位教师交流一门具体课程——“程序设计基础”的教学改革经验和教学实施方案。
1 教学中存在的问题李未院士讲到“程序设计”是计算机学科的核心课程，吴文虎教授也谈到“程序设计”课程的教学经验，凡是主管这门课程的教师都知道，这门课程很难上，学生在学习过程中很难理解教学内容，掌握起来也有难度。
原因有以下几方面：(1) 教师以自己为中心，重教轻学；(2) 教学中重理论轻实践，纸上谈兵，忽略了对程序设计能力的培养；(3) 信息技术在中学的普及存在差异，教学中对学生个性化学习需求关注不够。
因此，大学教师在教学中需要重点解决的两个问题是： (1) 如何提高学生的实际编程能力；(2) 如何在考虑学生基础差异性的基础上实施教学。
2 浙江大学教学改革与实践浙江大学从90年代初开始进行该课程的教学改革，目标是：(1) 培养学生的程序设计能力； (2) 解决学生基础差异的问题。
经过十多年的探索，我们总结出一套经验，目前基本形成了比较完整的教学体系，该课程还于2004年被评为“国家精品课程”。
突破口概括起来有两点，第一，课堂教学中采用案例驱动教学方式；第二，建立较好的教学实践体系。
2.1 改革研究的主要内容总结十多年的改革，我们研究的主要内容有以下五个方面：(1) 教学内容的组织方式：以程序设计为主，语言知识为辅。
(2) 在课堂教学中采用“案例引入的主题式教学”方法。
① 教学内容分主题，以程序设计作为贯穿各主题的主线。
② 各主题的教学过程是：“案例分析－要点讲解”、“自学/上机实践”、“疑难解答”。
(3) 建立实践训练体系：通过2类训练/3种作业，从知识点、内容主线和应用面3个层次上逐步提高编程能力；不同类型的学生在这个体系中都有自己的发展空间。
(4) 强化动手能力的考核方式。
笔试(50%)＋(在线编程考试＋平时编程练习)(50%) (5) 借用网络支撑环境建设，包括考试系统和网站等。
13① 支撑实践教学的开展。
② 鼓励个性化、自主学习。
2.2 突破口一——案例驱动教学2.2.1 以程序设计为主线，编程案例为驱动学生在高中阶段接触到计算机并学习了如何使用计算机，到了大学阶段，“程序设计基础”是大一或大二学生深刻理解计算机核心理念和思路的第一门课。
在没有计算思维方式的情况下，学生的学习具有一定困难。
如果照本宣科，以理论为主，学生无法学习到核心内容，也就对程序设计产生畏难情绪，很难接受。
案例教学是很好的方法，通过具体案例让学生理解程序设计的理念和方法。
教师在教学中把整个课程分为多个主题，每个主题通过案例引入程序设计的解决方案，其中贯穿讲解程序设计的方法，再引导学生进行上机实践，在上机过程中发现学生的疑难问题，并统一进行讲解。
这四部曲周而复始，循环往复，以程序设计为主线，编程案例为驱动，其中程序设计贯穿各主题(纵向)，编程应用为驱动(横向)，通过实践训练学生的编程能力。
2.2.2 教学案例如在讲解循环结构时，我们遵循“案例分析－要点讲解”、“自学/上机实践”、“疑难解答”的教学过程，用以下几个具体案例进行案例教学：(1) 输出华氏摄氏温度转换表 学习的循环结构：for(2) 用格里高利公式求π的近似值 学习的循环结构：while (3) 统计一个整数的位数 学习的循环结构：do-while (4) 判断素数学习的循环结构：break /continue (5) 求1! + 2! + …. + 100! 学习的循环结构：嵌套循环2.3 突破口二——程序设计实践能力的培养2.3.1 加强实践存在的障碍在“程序设计基础”课程中，提高学生的实践能力至关重要，也是最核心的内容，具体就是让学生通过练习达到学习的目的。
但在实际操作中，无论是在学生方面还是在教师方面都存在一定困难。
计算机专业学生一般四年内的编程量应在2万行以上，重点学校学生应在4万行以上。
分解到每个学年，第一年至少完成程序5000行以上，本课程应在2000行以上。
以每个编程题30行计算，至少需要练习60道编程题。
以一个班30名学生计算，教师批改作业量至少在6万条以上，这基本不可能完成。
因此本课教师布置的作业量少，而学生无法得到充分锻炼。
第二，学生的计算机基础悬殊太大，作业量大，基础弱的学生完不成任务；作业量少，根本无法满足基础强学生的要求。
因此，学生的差异、教师工作量的差异导致本课的实际训练量不够，学生编程能力的培养和提高就存在严重障碍。
2.3.2 培养与提高学生实践能力的主要途径与方法为了培养和提高学生的实践能力，我们开展了课程实践教学和课外实践活动(竞赛)。
课程实践教学培养学生的基本实践能力，实践训练体系包括2类训练/3种作业，从知识点、内容主线和应用面3个层次上逐步提高编程能力。
(1) 基本编程训练包括自测作业(系统，在线判题)和主题作业。
这两种训练是平常作业，有近100道题。
(2) 综合编程训练(project)包括大型作业、小组合作、自己命题、分组答辩。
学生小组合作做项目，鼓励学生创新，考核以答辩方式进行。
学生在学习过程中找素材，团队合作，提高了自学能力、团队合作能力、探索能力和创新能力。
课外实践活动培养学生的创新实践能力，满足一部分优秀学生的发展需求。
我们采取了多层次、多方位的编程实践训练，采用了多种手段激发学生学习兴趣，学生根据自身水平和兴趣选择适合的训练方式，不同水平的学生在课程中都有锻炼机会。
我们还提供了丰富的资源供学生自学，让不同程度的学生有不同的发展空间，鼓励个性化、自主性学习。
14 在考核方式上，我们采取了“笔试＋在线编程考试＋平时练习”的方法，在保证基本要求的基础上，以相对做题数作为衡量标准，鼓励学生多学多练，给基础好和基础弱的学生都留有空间。
我们广泛应用了网络化辅助教学手段作为支撑环境，如建设了国家精品课程网站、作业和考试平台、浙江大学ACM程序竞赛网站等，组织校内外的竞赛，取得了良好的效果。
作业和考试平台是我在20年前做的平台，随着教学的发展而日臻完善。
它的程序自动评判功能有效地解决了学生平时练习和上机考试评分难的问题；能将日常的教学过程与考核有机结合，引导学生加强平时的学习和训练，如图1所示。
图1 “程序设计基础”作业和考试平台从1997年起，全校范围内已有10届4万名左右的学生使用过它，它可以自动组卷和评分，对各种语言的程序进行自动判别，减轻了教师负担，还从强化实践的角度加强了对学生的要求。
课堂的教学时间毕竟有限，教师鼓励学生学习完这门课后继续开展课外实践活动。
为了促进精英化教育向平民化、大众化运动转变，我们计算机学院设计和维护了浙江大学ACM程序设计竞赛网站，目前已积累2100余道题目，举办全球公开赛80多场，在线提交量达420万余人次，是全球最有影响力的程序设计竞赛类网站之一。
网站的界面如图2所示。
图2 浙江大学ACM程序设计竞赛网站2.4 教学应用效果2.4.1 培养学生的自主学习能力和基本编程能力在这样的教学和学习过程中，连续10届4万多名学生使用了考试与练习平台，平均每年4000人左右。
通过多种编程训练，学生编程能力明显提高。
学生完成大型作业时，编写的C源程序达到1000~6000多行，为全校范围的程序设计竞赛奠定了良好的基础。
2.4.2 程序设计竞赛活动在全校蓬勃开展每年有40多个专业(包括非计算机专业)的1000多名学生参加程序设计竞赛。
统计数据如表1所示。
表1 历年参加程序设计竞赛情况统计表年份200120022003 2004 2005 20062007 参加队数48 76 100 135 213 277286 参加人数100多207257 346 587 近1000涉及专业数10多20多20多 20多34 40多2.4.3 省内推广从2002年开始，程序设计竞赛活动在全省推广，我校开始承办浙江省程序设计竞赛。
情况如下：(1) 2003年(邀请赛)：69队、学校数15所。
(2) 2004年：162队、学校数45，占全省高校比例63%。
15(3) 2005年：183队、学校数50，占全省高校比例70%。
(4) 2006年：295队、学校数59，占全省高校比例82%。
(5) 2007年：173队、学校数69，占全省高校比例95%。
计算机编程竞赛使学生的实践能力迅速提高，使全省高校计算机教学水平快速提高，很多学校学生的编程水平提高较快，就业形势很好。
2.5 主要固化成果2.5.1 教材——支撑案例教学(1)《C 语言程序设计》，何钦铭、颜晖主编，高等教育出版社，“十一五”规划教材，2008.1。
该书以程序设计为主线，用典型例子引导组织内容。
(2)《C 语言程序设计实验指导》，颜晖主编，高等教育出版社，2008.1。
该书遵循“模拟\改编\编写”程序的思路编写，循序渐进地组织实践内容。
(3)《C 程序设计基础课程设计》，张引、何钦铭等，浙江大学出版社，2007.9。
该书指导学生应用软件工程的思想和方法编写大型程序。
2.5.2 程序自动评判系统——支撑实践体系(略) 2.5.3 案例引导的教学内容设计例子——“第4章 循环结构”比如“第4章 循环结构”使用案例引导的教学内容设计如图3所示。
图3 “第4章 循环结构”教学内容设计为了加强学生的实践能力，浙大在“程序设计基础”课程中的改革持续了10多年，80%的课程包含了大的项目(projects)。
2007年9月，计算机学院组织编写了国内计算机专业第一套较完整的课程设计系列教材，共13本，其中包括一本《C 程序设计基础课程设计》。
它的内容结构是这样的：第1章：通过一个简单的“扫雷”游戏软件的开发，详细讲解基于软件工程的大型程序开发方法。
第2章：介绍编写大型程序可能会涉及到的硬件基础知识。
第3章：一些高级编程技术，包括文本和图形的显示、键盘和鼠标的操作控制、图形绘制、动画生成、乐曲演奏、汉字显示、图像显现和精确的时间控制等。
第4章：分析3个大型程序范例，通讯录\计算器\俄罗斯方块。
第5章：提供9个大型程序训练的题目，给出了问题的描述、难点分析、主要数据结构及主要算法提示。
下面我来详细介绍“程序设计基础”课程实施方案的内容。
3 课程教学实施方案研究背景2008年，教育部高等教育司函［2008］71号文件批准了地方院校计算机应用人才培养研究与试点等5个项目立项，“高等学校计算机科学与技术专业核心课程内容实施方案研究”项目包括8门课程，即离散数学、程序设计基础、数据结构、操作系统、计算机组成、计算机网络、数据库系统、软件工程，针对科学、工程、应用三种类型。
我们的工作目标是，在“专业规范”的指导下强化课程教学对人才培养的支持；围绕课程培养目标实施教学；对具体课程教学有指导意义。
