三段式逆向教學(xué)設(shè)計的C語言課程教改創(chuàng)新實踐

　　摘  要：針對眾多高校 C 語言課程教學(xué)中的痛點問題，分析 C 語言教學(xué)的現(xiàn)狀，提出三段式逆向教學(xué)設(shè)計思路，介紹具體教學(xué)設(shè)計實踐。

　　李培， 計算機教育 發(fā)表時間：2021-09-10

　　關(guān)鍵詞：逆向設(shè)計;C 語言;課堂創(chuàng)新;教改實踐

　　0 引 言

　　首屆全國高校教師教學(xué)創(chuàng)新大賽已經(jīng)啟動，正如大賽通知所說“引導(dǎo)高校教師潛心教書育人，形成卓越教學(xué)的價值追求和自覺行動，打造高校教學(xué)改革的風(fēng)向標(biāo)，全力推進(jìn)高等教育的 ‘質(zhì)量革命’”。說到質(zhì)量革命，應(yīng)當(dāng)圍繞課程的痛點問題，以如何開展教學(xué)幫助學(xué)生在最短的時間內(nèi)獲得最大的學(xué)習(xí)能力，最高效地達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)為目標(biāo)，借助各種平臺工具，運用不同的教學(xué)手段，因地制宜地開展課程創(chuàng)新改革。

　　1 C語言課程教學(xué)的現(xiàn)狀剖析

　　C 語言作為程序設(shè)計語言的常青樹，在 2021 年 1 月最新發(fā)布的 TIOBE 編程社區(qū)全球開發(fā)語言排行中繼續(xù)保持第一，它不但擁有眾多其他語言無法比擬的優(yōu)點，而且有著非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。目前很多高校都開設(shè) C 語言課程，并且多數(shù)工科專業(yè)學(xué)生要學(xué)習(xí) C 語言，但是開設(shè)多年來，依然面臨部分學(xué)生興趣不高、上課時好像還可以聽懂，而課后自己要么編不出程序，要么編出的程序調(diào)試不出來，最終難以達(dá)到課程目標(biāo)的情況，特別是目前多數(shù)院校選擇采用在線評測平臺進(jìn)行期末考試，評判方式及規(guī)則導(dǎo)致成績兩極分化，出現(xiàn)無法執(zhí)行的代碼判零分導(dǎo)致的極低成績，反映出學(xué)生動手編程調(diào)試能力不合格;部分題目僅僅是對日常練習(xí)題稍加變化，得分率就明顯下降，反映出學(xué)生缺少舉一反三的思維和應(yīng)用能力 [1]。

　　以 C 語言課程大綱中的要求為例：通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生理解和掌握結(jié)構(gòu)化的編程思想和編程方法，掌握 C 語言的程序結(jié)構(gòu)和語法規(guī)則，具備程序設(shè)計的能力，培養(yǎng)學(xué)生使用計算機解決實際問題的能力。以逆向設(shè)計的思路思考最終課程大綱目標(biāo)的達(dá)成，結(jié)合教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行課程的教學(xué)創(chuàng)新改革實踐，需要依托新的教學(xué)理念，借助新的平臺工具，具體在每一節(jié)課的三段式逆向教學(xué)設(shè)計中，重點需要達(dá)到以下幾個要求：培養(yǎng)學(xué)生對程序設(shè)計的興趣;培養(yǎng)學(xué)生實際動手編程、調(diào)試能力;培養(yǎng)學(xué)生熟練掌握經(jīng)典例題;培養(yǎng)學(xué)生在經(jīng)典例題基礎(chǔ)上的舉一反三能力。

　　2 三段式逆向教學(xué)設(shè)計思路

　　教學(xué)創(chuàng)新改革的目標(biāo)決定了以學(xué)生為中心，更要求教師圍繞課程的痛點問題以及課程效果評價進(jìn)行有效的教學(xué)設(shè)計。一方面，教師扮演的是設(shè)計師的角色，基本的工作就是精致地設(shè)計課程和學(xué)習(xí)體驗活動，以滿足特定的教學(xué)需求;另一方面，教師扮演的是評估師的角色，診斷學(xué)生需求以指導(dǎo)教學(xué)，使教師、學(xué)生以及他人更好地檢查是否已經(jīng)達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

　　堅持目標(biāo)導(dǎo)向、問題導(dǎo)向、結(jié)果導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計，與傳統(tǒng)的以固定的教材、擅長的教法以及常見的活動相比，本質(zhì)上是需要進(jìn)行逆向設(shè)計。按照逆向設(shè)計的思路，教師將一節(jié)課的教學(xué)設(shè)計分為 3 個階段：第 1 個階段為確定預(yù)期結(jié)果的階段，要確定本節(jié)課結(jié)束后學(xué)生應(yīng)該理解什么知識，掌握什么技能，達(dá)到什么水平;第 2 階段為確定評價方法的階段，要確定本節(jié)課后應(yīng)該如何評價學(xué)生的學(xué)習(xí)達(dá)到了預(yù)期地結(jié)果，有哪些證據(jù)可以公平且明確地證明;第 3 階段為設(shè)計學(xué)習(xí)體驗和教學(xué)，要確定最適合的教學(xué)方式方法、資源和工具。最終，教師通過學(xué)生需要掌握的知識和技能來思考指導(dǎo)學(xué)生做什么，哪些活動可以使學(xué)生獲得所需的知識和技能，提供的資源是否合適高效 [2-4]。

　　同時，可以通過 6 個方面對設(shè)計及效果進(jìn)行核查和評估，包括：①能解釋，即能歸納總結(jié)解釋概念;②能闡明，即能具體闡述現(xiàn)象、事實; ③能應(yīng)用，即能在合適的情境中有效使用知識; ④能洞察，即能批判性地看待分析;⑤能發(fā)現(xiàn)，即能在經(jīng)驗基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)價值;⑥能自知，即能準(zhǔn)確認(rèn)識自己，反思學(xué)習(xí)。

　　3 三段式逆向教學(xué)設(shè)計實踐

　　將三段式逆向教學(xué)設(shè)計應(yīng)用于 C 語言課程教改創(chuàng)新實踐，以設(shè)計一節(jié)基于該理念的課堂教學(xué)為例，選擇 C 語言 3 種基本結(jié)構(gòu)中在教學(xué)中涉及的最后一種結(jié)構(gòu)，也是難度升級的一個結(jié)構(gòu)，即循環(huán)結(jié)構(gòu)，具體主題為循環(huán)結(jié)構(gòu)典型應(yīng)用——窮舉法。

　　在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容之前，學(xué)生已經(jīng)掌握 C 語言中基本數(shù)據(jù)類型的內(nèi)容以及順序、選擇結(jié)構(gòu)的程序設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上能夠針對一些簡單應(yīng)用編寫程序。本節(jié)課所在的章節(jié)是 C 語言 3 種基本結(jié)構(gòu)中最后一種循環(huán)結(jié)構(gòu)，學(xué)生已經(jīng)完成實現(xiàn)循環(huán)結(jié)構(gòu)的 3 種語句學(xué)習(xí)，能夠使用 while 語句、dowhile 語句、for 語句實現(xiàn)循環(huán)結(jié)構(gòu)及循環(huán)嵌套，能夠解決一些簡單的循環(huán)嵌套問題，已經(jīng)在程序設(shè)計和實現(xiàn)方面有了很大的進(jìn)步，但是循環(huán)嵌套還需要加強。面對一些課內(nèi)未涉及的問題時，還不能做到通過自行分析問題，獲取編程求解的算法思路，期待通過學(xué)習(xí)掌握這類問題的思路和方法以及全面掌握循環(huán)結(jié)構(gòu)典型問題，進(jìn)一步體會計算機編程豐富的應(yīng)用。

　　具體三段式逆向教學(xué)設(shè)計的整體思路：要理解并掌握窮舉算法，才能夠利用計算思維的思想將其轉(zhuǎn)換為程序設(shè)計代碼，在實現(xiàn)過程中不乏較為隱蔽的條件或技巧，因此，需要按照由淺入深的步驟，從算法理解著手，從簡單實現(xiàn)著手，逐步提升難度，特別是借助一些經(jīng)典有趣的問題，激發(fā)學(xué)生的興趣，使其迎難而上，掌握升級版的循環(huán)結(jié)構(gòu)典型題，從而能夠解決更多循環(huán)結(jié)構(gòu)應(yīng)用問題，并通過分析改造程序，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生優(yōu)化程序設(shè)計的能力。

　　3.1 第 1 階段詳細(xì)設(shè)計

　　按照知識目標(biāo)、能力目標(biāo)和情感目標(biāo)明確本節(jié)課的最終教學(xué)目標(biāo)。

　　(1)知識目標(biāo)：①鞏固循環(huán)語句的使用;② 鞏固循環(huán)嵌套的使用;③掌握窮舉法解決問題的方法;④能夠?qū)Τ绦蜻M(jìn)行優(yōu)化。

　　(2)能力目標(biāo)：①培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，理解計算思維與數(shù)學(xué)思維的關(guān)聯(lián);②培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和敬業(yè)精神，通過程序優(yōu)化，培養(yǎng)工匠精神;③培養(yǎng)學(xué)生歸納總結(jié)、舉一反三的能力。

　　(3)情感目標(biāo)：①正確認(rèn)識計算機的特性，進(jìn)而充分發(fā)揮計算機的優(yōu)勢為人類服務(wù);培養(yǎng)創(chuàng)新思維的能力，追求真善美;理解解決問題要思路開闊，只有想不到的，沒有做不到的;通過不同解題方法的對比分析，深入理解自然辯證法中對立統(tǒng)一的關(guān)系。

　　由于學(xué)生的基礎(chǔ)參差不齊，在課前自學(xué)后預(yù)計 90%~100% 的學(xué)生可以理解窮舉法的解題思路，通過整理筆記的方式發(fā)現(xiàn)規(guī)律;在老師詳細(xì)分析講解后預(yù)計 80%~90% 的學(xué)生可以掌握窮舉法的編程求解問題，經(jīng)老師指導(dǎo)、小組合作完成當(dāng)堂任務(wù)，70%~80% 的學(xué)生可以掌握優(yōu)化或多種方法編程求解，其中，50% 以上的學(xué)生能夠做到對同類型問題的舉一反三，10%~20% 左右的學(xué)生甚至聯(lián)想拓展算法應(yīng)用，可以挑戰(zhàn)高難度應(yīng)用問題(課后的最強大腦問題)，能從較為新穎的角度解決問題等。10%~20% 的學(xué)生掌握起來會有些吃力，必須加強練習(xí)，配有一定的課外輔導(dǎo)與答疑，才可以達(dá)到課程對本章節(jié)的掌握要求。

　　3.2 第 2 階段詳細(xì)設(shè)計

　　首先，針對課程目標(biāo)提高學(xué)生運用 C 語言編程解決實際問題的能力，最終課程期中、期末考核為在線評測平臺 PTA 實時評測，因此除了實驗課，平時考核也應(yīng)重點以此平臺為實踐考核平臺。在理論課堂上，一方面重點借助該平臺進(jìn)行考核，另一方面重視動手實踐操作。

　　針對本節(jié)課內(nèi)容，教學(xué)設(shè)計重點利用該平臺用于課堂教學(xué)效果的評測，包括課前測、隨堂測和課后測，方便實時查看學(xué)生的提交情況(時間、得分、測評結(jié)果、查重等)，全面了解正確提交前的整個過程，一次成功還是多次成功?直觀展示出錯及改正的過程，查看錯誤信息，第一時間檢驗授課效果，及時發(fā)現(xiàn)問題，隨時查看個人代碼，共同探討并加以解決。對該平臺不便考查的小組合作完成類任務(wù)，采用編譯環(huán)境下運行調(diào)試通過，配合結(jié)果截圖作為驗證標(biāo)準(zhǔn)。

　　整節(jié)課借助 PTA 平臺并通過學(xué)習(xí)通小組任務(wù)進(jìn)行知識目標(biāo)和能力目標(biāo)的考查，同時，借助學(xué)習(xí)通調(diào)查問卷和最強大腦討論題對能力目標(biāo)及情感目標(biāo)進(jìn)行補充考核。工具方面，利用筆記本或手機端的編譯器實現(xiàn)課堂現(xiàn)場代碼的編寫、調(diào)試及運行，完成 PTA 考核及學(xué)習(xí)通小組任務(wù)的提交 [5]。

　　3.3 第 3 階段詳細(xì)設(shè)計

　　本階段最重要的創(chuàng)新在于以能力為導(dǎo)向，變傳統(tǒng)的理論課只講不做為邊講邊做，圍繞課程目標(biāo)對學(xué)生實際編程水平的要求，全程將理論與實際操作相結(jié)合，任務(wù)驅(qū)動。

　　首先，圍繞本節(jié)課要講的窮舉法，選取 3 個具有代表性的趣題，分別是雞兔同籠問題、換硬幣問題、百錢白雞問題。由課前編程求解的雞兔同籠問題引出窮舉法的思想，并提供代數(shù)求解的思路。課上由老師提供三重循環(huán)求解換硬幣問題的基本思路，并進(jìn)行編碼及環(huán)境演示，由學(xué)生小組討論編寫求解代碼，引導(dǎo)嘗試用二重循環(huán)、一重循環(huán)實現(xiàn)，并圍繞不同的代碼進(jìn)行執(zhí)行次數(shù)的討論，從而理解代碼優(yōu)化的意義。在此基礎(chǔ)上，讓學(xué)生嘗試完成百錢白雞問題的代碼補充，從而加深學(xué)生對窮舉法求解的全面認(rèn)識，使其掌握分析問題的嚴(yán)謹(jǐn)思維。最后，所有學(xué)生完成 PTA 平臺上的換硬幣問題作為本節(jié)課的考核，評測問題增加了約束條件和輸出要求，結(jié)束前圍繞 PTA 平臺上未通過評測學(xué)生的報錯信息，集體討論當(dāng)堂解決，課后進(jìn)行慕課平臺作業(yè)、PTA 實驗任務(wù)完成情況、學(xué)習(xí)通拓展窮舉問題討論及上課效果的調(diào)查。

　　對課堂上的應(yīng)用問題直接動手編程求解，課上老師演示加小組合作實際操作;對易于接受和獨立掌握的內(nèi)容，通過課前測試考查簡單總結(jié)，作為課上的“小菜”，而將難度較大、適合討論研究且需要啟發(fā)的內(nèi)容精講精練，充分討論，作為課上的“主菜”，充分發(fā)揮老師在課堂上的作用，不僅僅是知識的傳授者，還要扮演引領(lǐng)者、啟發(fā)者。有針對性地指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，使其掌握有效的學(xué)習(xí)方法，達(dá)到最好的學(xué)習(xí)效果;同時，布置進(jìn)階型任務(wù)，激發(fā)學(xué)生挑戰(zhàn)的欲望，滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，達(dá)到個性化定制學(xué)習(xí)的目的。

　　整堂課以能力為導(dǎo)向，圍繞課程目標(biāo)對學(xué)生實際編程水平的要求，全程將理論與實際操作相結(jié)合。通過精心設(shè)計核心問題，圍繞核心問題代碼開展代碼編寫、補充、改造、分析及查錯改錯等全環(huán)節(jié)的練習(xí)，利用代碼之間的聯(lián)系，實現(xiàn) 50min 除了講解討論分析，還完成了多個代碼編寫調(diào)試的實際操作。課堂設(shè)計思路如圖 1 所示，每個學(xué)生參與完成 3 個完整代碼，學(xué)習(xí)掌握 2~4 種代碼實現(xiàn)思路，從而真正提升程序設(shè)計語言類課堂的教學(xué)質(zhì)量。

　　整節(jié)課的全部問題都通過學(xué)生實際動手編程、調(diào)試，最終運行得到正確結(jié)果;同時，課前、課中、課后及學(xué)期末都在 PTA 平臺進(jìn)行及時的教學(xué)目標(biāo)評估用于反饋，提供教學(xué)反思及改進(jìn)參考。

　　3.4 效果評估

　　本節(jié)課后實驗在 PTA 平臺上布置基礎(chǔ)實驗(必做)和拓展實驗(選做)兩套題目，結(jié)合課堂教學(xué)，學(xué)生完成情況理想，達(dá)到了課程對循環(huán)基本結(jié)構(gòu)、循環(huán)嵌套及窮舉法的掌握要求。在學(xué)期末的統(tǒng)一機考中，作為難點的循環(huán)嵌套知識點平均得分率只有 60%，而采用三段式逆向教學(xué)設(shè)計授課班級的該知識點得分率達(dá)到了 80% 以上，表明本節(jié)課從教學(xué)目標(biāo)逆向分析設(shè)計，借助典型 應(yīng)用題，對循環(huán)嵌套在實際應(yīng)用中強化鞏固，對該難點的突破取得了一定成效。同時，在學(xué)期末的統(tǒng)一機考中，該教學(xué)設(shè)計實踐應(yīng)用提升了學(xué)生舉一反三的能力，使得該班整體成績優(yōu)秀且高分人數(shù)大幅增加。

　　借助信息化平臺和工具，課程教學(xué)全程都有記錄留存，教學(xué)評價兼顧形成性評價和總結(jié)性評價，隨時可導(dǎo)出加以計算，通過整合所有的數(shù)據(jù)，形成完整的可查、可分析、可回溯、可存檔的全套考核資料，可以對學(xué)生整個課程的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行全面評價，針對個人和班級進(jìn)行有針對性的全面分析，可適當(dāng)應(yīng)用一些算法，另外加入監(jiān)控機制，及時進(jìn)行教學(xué)預(yù)警。

　　4 結(jié) 語

　　教學(xué)改革創(chuàng)新實踐對照前述的 6 個方面進(jìn)行檢查，有針對性的教學(xué)設(shè)計達(dá)到了能解釋、能闡明、能應(yīng)用、能洞察、能發(fā)現(xiàn)、能自知的目標(biāo)。

　　縱觀計算機歷史長河，很多編程語言都曾輝煌過，但都是曇花一現(xiàn)，終究走向沒落，唯獨 C 語言在計算機行業(yè)中始終處于重要地位，作為科技強國的重要組成部分，計算機科學(xué)的發(fā)展至關(guān)重要，而讓我們的學(xué)生真正掌握 C 語言，適應(yīng)國家發(fā)展的需要，教學(xué)改革創(chuàng)新實踐勢在必行。相信在未來課程教學(xué)中仍會不斷涌現(xiàn)新的問題，唯有大膽創(chuàng)新實踐才能使 C 語言課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成情況不斷提升。