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本科生学习参与对其能力发展的影响的实证研究
本科生学习参与对其能力发展的影响的实证研究
第38卷第6期教学研究Vol38No6
2015年11月ResearchinTeachingNov.2015
应用型本科电子信息类学生
编程能力培养的探索与实践
包理群李锦珑兰聪花(兰州工业学院电子信息工程学院,甘肃兰州730050)
[收稿日期]20150515[基金项目]甘肃省十二五教育科学规划项目(GS[2013]GHB0940)
[作者简介]包理群(1983),女,甘肃定西人。
副教授,硕士,主要研究方向为程序设计、嵌入式系统等相关课程的研究和教学。
[摘要]硬件编程能力是应用型本科电子信息类学生的专业核心能力,本文分析了电子信息类学生编程能力培养现状、问题和难点,结合教学实践,探讨了教学案例设计与硬件编程应用相结合、实践教学采用软件仿真与实物调试相结合、编程思维与学习主动性培养等教学改革思路,教学成效显著。
[关键词]应用型本科;电子信息类学生;编程能力;教学案例设计
[中图分类号]G642.0[文献标识码]A[文章编号]10054634(2015)060085040引言
在教育领域,目前把大学分为学术型、应用型和技能型大学,应用型本科是针对我国普通本科培养单一学术性人才模式的一种改革,它要求专业基础知识够用,更注重知识的综合应用和解决实际问题能力的培养[1]。
应用型本科的主要任务是实施应用型本科教育,培养适应社会需求的应用型人才。
应用型人才,就是指相对于高精尖理论型、学术型人才而言,掌握应用型知识、更具有实践能力的人。
2014年,教育部提出将600所地方本科院校转向应用型[2],也体现了应用型人才对我国经济和社会发展的重要性[2]。
对于新建或新办应用型本科院校,不能穿新鞋、走老路,照搬旧模式,否则会与传统大学办学模式相似,失去自己的办学特色和竞争基础,因此大力推进教学改革势在必行。
电子信息是一门应用计算机等技术进行信息处理和信息控制的学科,编写程序完成数据采集、数据处理及硬件控制是该学科的主要技术领域。
编程能力对于电子信息领域相关专业的学生都有要求,学习和掌握编程技术可以让学生熟悉电子信息产品的运行原理和运行方式,提高电子信息产品的软件研发能力。
应用型人才更注重知识的综合应用和解决实际问题能力的培养,因此基于硬件环境的编程能力对于电子信息类学生显得尤为重要,研究电子信息类应用型人才编程能力的培养具有十分重要的现实意义[3]。
1电子信息类学生编程能力培养现状
目前,我国应用型本科院校电子信息类学生编程能力培养主要在两个环节完成:
一是在“程序设计”类课程(如《C语言程序设计》等)的教学中;二是在后续相关专业课程(如单片机、ARM、DSP等)的学习中。
程序设计基础课程一般在大一第二学期开设,该课程概念抽象、语法繁多,刚进入大学的学生在学习方式和思维方式须有较大改变,学生普遍感到难学;学生对课程知识的应用领域没有认识,导致学习兴趣不足;传统的程序设计教学侧重于语法知识,大多数教材都是以成绩管理为例讲述相关算法,没有与专业应用相结合,也使学生感到枯燥乏味;在后续专业课程的学习中,编程能力又成了制约这些课程学习的主要瓶颈,造成学、用脱节,这也是当前高校电子信息类学生培养中存在的主要问题和难点,有些学生对编程感兴趣,但又不能与硬件环境相结合;有些学生对硬件设计感兴趣,但缺乏硬件平台上的编程能力,直接导致学生发展后劲不足和难以适应市场需求。
综上,编程能力是电子信息类学生的薄弱环节,直接制约了学生技术应用能力和实践创新能力的培养,难以满足对应用型人才的社会需求。
本文以提高电子信息类学生编程能力为出发点,结合教学实践,探索教学改革思路。
2基于编程能力培养的教学改革
2.1教学案例设计与硬件编程应用相结合
程序设计类课程教学中,设计与单片机、ARM、DSP等实际编程应用相结合的、具有实际应用背景的教学案例,然后找到本课程相关知识在该案例解决中的应用。
新的教学内容开始时,不直接讲述课程知识点,而是先提出一些具有实际意义的硬件编程实例让学生去思考,看能否用已有的知识找到解决方法,然后再引入新的教学内容。
《C语言程序设计》课程是电子信息类专业的核心专业基础课,是后续单片机、DSP、ARM等嵌入式开发类课程的重要语言和编程基础。
下面以《C语言程序设计》课程教学中两个具体案例进行说明。
第6期包理群李锦珑兰聪花应用型本科电子信息类学生编程能力培养的探索与实践
教学研究2015
1)“位运算”教学。
“位运算”是一种特殊的运算,在嵌入式系统编程中,“位运算”比其他运算更常用,而教材的这部分内容通常不涉及其应用领域,因此可在“位运算”这一部分内容讲授时设计和引入“单片机/ARM控制流水灯显示”项目,让学生了解“位运算”的应用领域,既增强了学生学习本课程的兴趣和积极性,也实现了与后续专业课程的有效衔接。
2)“数组”教学。
“数组”是程序设计中一种非常重要的数据结构,是学生学完基本类型的“变量”之后接触到的第一种构造数据类型。
这部分内容的教学可与电子信息专业的后期专业应用相结合,例如,在“单片机控制数码管显示”问题中,就用到了对数组的访问;“求最大值、最小值”问题是数据应用中最基本的算法,传统教学在讲述该算法时还是以学生成绩最高分、最低分为例。
该算法也在传感器采集数据滤波问题中用到,因此在讲述这部分内容时,可以设计这些专业应用实例,引导学生的学习兴趣,加深学生对基础知识的理解。
下面以《C语言程序设计》课程中“一维数组的应用”一节教学内容设计为例进行说明。
学习内容:
一维数组的应用。
学习目标:
熟悉一维数组的使用,掌握应用一维数组进行数据处理的方法,实现与后续单片机、ARM、DSP等电子信息类专业课程的有效衔接。
学习重点:
应用一维数组进行数据处理的方法。
学习难点:
数组元素的引用(数组下标的灵活使用)。
【任务要求】
从下列数据中找出最大值并输出:
18.5,16.3,21.4,13.2,8.6,7.5,19.2,25.3,15.7,13.8。
【课堂讨论】
求最值在电子信息数据处理中的应用:
例如传感器采集数据的滤波。
【任务分析】
1、数据存储
floattemper[10];
2、数据处理
intmax=0;
temper[max]与temper[1]比较:
temper[max]与temper[2]比较:
max=2
……
temper[max]与temper[9]比较:
3、数据输出temper[max]
【程序代码】
#defineNUM10
main()
{floattemper[NUM]={18.5,16.3,21.4,13.2,8.6,7.5,19.2,25.3,15.7,13.8};
inti,max=0;
for(i=1;i /*如果找到了更大的数组元素,则max记录其下标值*/ if(temper[i]>temper[max]) max=i; printf("Thehighesttemperatureis%.1fdegrees",temper[max]); } 【课堂练习】 编写程序,从下列数据中找出最小值并输出(自己动手,掌握算法核心思想): 18.5,16.3,21.4,13.2,8.6,7.5,19.2,25.3,15.7,13.8 【应用举例】 演示单片机控制数码管显示时、分、秒应用系统,如图1所示现在是13时15分32秒。 分析此实例中的如下关键代码(假设变量hour、min、sec分别保存时、分、秒数值),巩固“数组下标的灵活使用”这一知识点。 dispbuf[0]=code[sec%10]; dispbuf[1]=code[sec/10]; dispbuf[2]=code[min%10]; dispbuf[3]=code[min/10]; dispbuf[4]=code[hour%10]; dispbuf[5]=code[hour/10]; 图1数组应用――单片机控制数码管显示 【任务拓展】 如何在后三个数码管上显示一个三位十进制整数qtity(动脑思考: 实际问题中数组下标的灵活应用)。 2.2实践教学采用软件仿真与实物调试相结合目前大多数高校在单片机等课程的实践教学中只采用实验箱[4],学生只通过简单的连线就完成了硬件电路连接,而且实验箱的线路连接已经固定,因此学生不能深入掌握硬件电路的工作原理和设计方法[5],更不会自己设计硬件电路;在程序编写时也是简单的模仿实验例程,不能真正提高学生自主分析和解决问题的能力,也难以激发学习兴趣。 Proteus软件是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。 可实现单片机、ARM等与外部设备的仿真,可在没有实际硬件的场合实现软硬件联合调试。 学生只需要一台电脑就可以完成原理图设计、PCB设计、软件编写到软硬件联合调试整个过程,有效避免了学生只能在做实验时调试程序,课堂教学、实验教学和课后自学相脱节的难题。 因此,在实践教学中,可以采用Proteus系统仿真与实物调试相结合的方法,让学生更方便、直观地感受硬件编程环境和编程场景,为学生在硬件平台上的软件编程能力培养创造和提供条件。 以单片机系统实训为例,将其分为Proteus系统仿真与实物调试两个环节,图2是笔者设计的实训题目――“多功能电子万年历”的单片机系统仿真图,具有日期时间显示和调节、闹钟参数设置、温度显示、音乐播放等功能。 实习内容分为基本任务和拓展任务,以满足不同层次学生的培养要求。 通过该仿真环节的实现,培养学生以下几方面的技术应用能力。 1)单片机应用系统设计方法(包括硬件电路和软件编程); 2)按键、液晶、发光二极管、蜂鸣器等基本输出设备的使用和编程控制; 3)时钟芯片、温度传感器等常用集成电路芯片的编程; 4)分析和解决问题的能力、查阅资料的能力和团队合作能力。 图2单片机控制多功能电子万年历仿真图 2.3编程思维与学习兴趣的培养 传统的程序设计教学,往往把精力和时间花在语法知识上,而没有把程序设计思路作为教学重点,学生不具备编程的抽象思维能力。 因此,教师要转变教学观念,从案例入手,在案例中引出问题,在问题的解决中消化知识点,然后再引导学生应用所学知识解决实际问题[6],以此激发学生的学习兴趣,培养编程思维。 采用基础实验实习实训学生竞赛的实践教学培养体系和分层递进的实践项目,将编程能力的培养贯穿于大学四年的学习之中,让编程能力培养在四年学习中不间断,一般学生的能力得到最大程度的发挥,优秀学生脱颖而出,带动和激励大多数学生的学习积极性和创造性。 在编程能力的后续培养中,一部分对编程感兴趣的同学能积极参与各种竞赛,锻炼和提升了学生的能力,另一部分学生处于自发的摸索状态,缺乏相互的交流与合作,还有大部分同学放弃了编程学习。 因此,可将学生分成各种层次、类型的兴趣小组,创造良好的学习交流氛围,形成激励机制,让高年级学生或者编程能力较强的学生带动、帮扶中等和较差的学生,定期举办讲座等学术交流活动,请优秀学生讲解学习经验、开发技巧。 鼓励学生参与教师的科研项目,以科研促教研,实现教学与工程实际、科学研究和社会应用的密切结合。 3结束语 应用型本科要求学生具有较强的实践能力和技术应用能力,本文针对应用型本科电子信息类学生编程能力培养中存在的问题和难点,探讨了基于编程能力培养的教学改革思路,对提高应用型本科电子信息类人才培养质量具有重要的现实意义。 (下转第92页) 胜任力是1973年DavidMcClelland提出的概念,主要指直接影响工作绩效的个人条件和行为特征[1]。 之后,胜任力概念进一步具体化,Fleishman等将胜任力归纳为知识、技能、能力、激励、理念、价值观和兴趣的综合。 并且提出胜任力的有效发挥,很大程度上会受到工作环境、工作条件以及岗位特征的影响[2]。 国内胜任力研究自20世纪90年代末开始,逐渐成为管理领域关注的焦点[3],也有学者将胜任力模型引入到高校教师管理方面,如徐锋研究了基于胜任力模型的高校教师信息化管理[4];王健等对高校教师胜任力模型进行研究及应用[5];熊科就基于胜任力模型的高校教师人力资源管理改革工作进行研讨并实践[6]。 本文结合广州大学机电工程系CDIO工程教育改革实际情况,借鉴胜任力概念,构建教师CDIO胜任力模型,并应用到日常教学管理中,为工科院系的教学管理提供参考思路。 1机电系教师CDIO胜任力模型 广州大学机电工程系自2008年开始实施CDIO工程教育改革试点,先后制定了2008~2009级改进性人才培养方案、2010级CDIO机电工程人才培养方案、2012级CDIO改善型机电工程人才培养方案。 从人才培养方案和课程大纲演变过程看到,教师教学胜任力较其他普通机电院系有一定的特殊性: 知识深度与广度、实践技能的全面性、学生评价的全面性等方面有更高的要求。 根据这种情况,构建的教师CDIO胜任力模型包括教师CDIO胜任力内容、教师CDIO胜任力提升机制、教师CDIO胜任力评价三个方面。 1.1教师CDIO胜任力内容 教师CDIO胜任力内容包括10个方面: 教师的学习能力、教育能力、专业综合能力(包括教师工程背景与实践能力)、创新能力、管理能力、思想道德素质、身心健康素质、亲和力、工作热情度、沟通技能,如图1所示。 图1教师CDIO胜任力内容 学习能力是指教师获取信息、掌握新知识、增长专业技能的能力。 学习能力使教师具备自学习能力、指导学生学习的能力、科研能力,并使教师不断获取本领域的新技术、新进展,及时进行技术与知识更新。 例如机械原理教学,教师要能及时获取机械原理研究的进展状况,将新技术(如机构自由度的计算、变胞机构等)融入到教学中;教育能力是教师在教学过程中引导和帮助学生学习知识的技能综合,并指导学生树立正确的世界观、人生观和价值观。 例如机械课程教学中,要能根据课程的不同,调整教学方法,提升教学效果,让学生掌握更多更深的专业知识。 专业综合能力是教师传授专业知识的基础,教师应掌握本专业领域的基础知识,除了对传授的课程知识非常熟悉外,还需熟悉邻近领域的知识,如机械设计课程教学也需要提到一些力学、机构、机械控制等方面的知识。 在CDIO工程教育中,教师的专业综合能力还包括其工程背景和实践能力,能够给学生介绍知识的工程背景,并在实践教学中有效地指导学生;创新能力是教师不断超越自我和现状并取得新成绩的能力,包括创新观念、创新思维、创新方法、创新集成等方面。 由于学生群体生活环境不断变化,教育理念也应与时俱进,要在教学过程中及时发现问题、提出新的教学方法、驱动项目,敢于不断突破、不断创新。 例如,随着机械设计技术的发展,机械CAD/CAE/CAM一体化技术应用越来越广泛而且相当实用,在相关课程教学中,可以将这些平台融入到教学中,提高学生的学习积极性;管理能力是教师在教学过程中的调控能力及教学团队的管理能力,包括领导能力、培养骨干能力、整合资源能力、组织协调能力等,使学生处于高效学习状态。 例如,在课堂教学过程中对教学进度与课堂秩序的掌控能力,有助于获得良好的教学效果;思想道德素质包括思想素质、政治素质和道德素质。 教师具备较高的思想道德素质,有助于全身心地投入教学中,并具备乐于奉献的精神,易于服从教学管理;身心健康素质要求教师有充沛的精力、健壮的体质、敏捷的反应及健康的人格和心理状态。 身心健康的教师能够心平气和地对待教学工作,也利于客观地评价学生;亲和力是指教师能与学生建立相互信任的关系,形成一种无声的感召力,能够融入学生群体。 亲和力高有利于教师与学生交流,真正了解学生学习中存在的问题,为不断完善教学奠定基础;工作热情度要求教师甘于奉献、能为教育事业全身心的投入;沟通技巧是教师与学生或教师间信息传输及时与准确的技能,包括良好的语言表达能力、良好的沟通与倾听技巧,能够在沟通中捕捉信息、发现问题、沟通思想、适时指导。 第6期江帆张春良王一军萧仲敏陈从桂基于胜任力模型的教师教学管理 教学研究2015 从上面的分析看到,教师的CDIO胜任力涵盖的方面比较广,很难要求教师一开始就具备如此的胜任力,因此需要有提升机制和评价体系促进教师胜任力提升。 1.2教师CDIO胜任力提升机制 教师CDIO胜任力提升是一个值得关注的问题。 这里应注意到教师胜任力受一些因素的影响,如自身素质、学校环境、社会环境,如图2所示。 其中自身素质包括知识与技能(教师对专业领域知识与技术的掌握情况)、个性行为特征(教师的人格特征及其典型行为方式)、智商与情商、动机与需要(教师为达到一定目标而采取行动的内驱力);学校环境包括岗位特征(岗位应与个人能力匹配)、激励因素(要有教师价值认可、工作成就感、良好的福利待遇及个人发展空间)、校园文化(有利于教师CDIO胜任力发展的校园文化)、进阶计划(学校的远景规划、满足教师不断进阶的发展空间);社会环境包括政策、社会习惯、文化传统、道德风气、价值观、经济发展水平、创新方法推广等。 图2教师胜任力影响因素 教师的CDIO胜任力不是与生俱来,而是在学校和社会环境下不断学习与积累的结果,这种学习与积累直接影响胜任力的发展和形成,故从这些影响因素中寻求胜任力提升机制,根据胜任力内容及各影响因素,初步构建的胜任力提升机制如图3所示。 图3教师胜任力提升模型 从图3中看到,教师胜任力提升主要靠教师的自学习与内外部的激励。 教师通过不断学习(探索反思),使专业技能、思维能力、创新能力、再学习能力、抗压能力等得到加强与拓展,是对原有胜任力的一个扩展与重构的过程。 教学这种自学习需要一种动力支撑,这个动力需要内外部的激励来维持,内部激励来自教师自身的进步要求、自我目标实现的需要;而外部激励需要学校环境和社会环境给予激励,如选派进修、鼓励、奖励、认可等。 同时也应看到,教师胜任力的提升是无止境的,并随着时代的进步需要不断完善与更新,表现为一个螺旋上升的通道。 对于教师专业综合能力的提升,针对理论与实践采用对应的方案: (1)定期选派教师去国内外知名高校做访问学者,参与机械专业领域比较知名的课题组的科研工作,了解专业领域的发展前沿,丰富教师的专业新知识、新技术; (2)定期选派教师特别是青年教师去企业挂职锻炼,让教师脱产去知名企业从事技术工作,使教师在工程实践中了解制造工艺、解决工程实际问题,提升其实践能力。 1.3教师CDIO胜任力评价 根据教师CDIO胜任力提升的机制,需要建立一个有效的评价方案。 根据先前的工作经验,引入CMM评价方法。 CMM是美国卡耐基梅隆大学软件工程研究所推出的评估软件能力与成熟度的一套方法,提供了一个过程能力阶梯式进化的框架,阶梯分为5个不断进化的级别。 中南大学的胡志刚、陈启元等人将CMM模型引入到CDIO教学中的学生与教师的能力评估与提升中。 参考他们的成果,结合广州大学机电工程系实际情况,建立了适合本系师生CDIO能力评估与提升的方法[7,8]。 引入一些柔性元素,如对教师CDIO能力评价,评估指标包含基本素质、教学环节、教学内容、教学技巧、知识更新、实践设计、实践实施、培养效果等8项一级指标,并细化设计了30项二级指标,评价结果分为5个等级(优、良、中、合格、不合格)。 这个评价结果通常采用模糊评价方法,因这些指标很难用一个确切的值来衡量。 也考虑到教师从事的是创造性活动,创造性活动充满了不确定性和偶然性,且教学活动本身难以直接计量,所以创造性工作也难以量化。 对于这些无法直接定量出来的问题进行模糊化处理,给定一个模糊的区间值,再经过统计回归,这样的评价结果能够让教师接受,有利于保护教师的积极性和创造性[9]。 在教师CDIO胜任力评价中主要基于过程、综合评价的原则,使教师胜任力得到充分认可、给出改进方向、提供改善与提升动力。 CDIO胜任力提升与评价是相互促进的,通过评价找到胜任力不足的方面,进而改善提升,再评价再提升。 最终目的是使教师的CDIO能力呈螺旋阶梯不断上升。 根据对教师胜任力模型各个部分的分析,教师CDIO胜任力模型如图4所示。 图4教师CDIO胜任力模型 胜任力内容和影响因素是基础,是胜任力评价和提升的对象。 胜任力评价与胜任力提升模块相互作用,并对胜任力内容及其影响因素进行肯定或者否定,给出改善点和改善方案。 影响因素是胜任力内容的延伸和控制因素,为胜任力内容、胜任力提升提供关键控制点。 2基于CDIO胜任力的教学管理 基于CDIO胜任力的教学管理要对教师CDIO胜任力内容、胜任力影响因素进行具体分析,而后通过胜任力评价和胜任力提升机制促进教师不断完善、提升胜任力,并在此过程中实现自管理,减少教学管理压力。 将教师CDIO胜任力引入到教学管理中可以协助解决教学管理的难题,如排课困难、教师责任心不够等。 广州大学机电工程系的主要做法如下。 1)根据教师胜任力安排课程。 在CDIO改革初期,根据CDIO标准和项目驱动原则,设计了一套综合课程体系,该课程体系的课程往往涉及不同领域的知识内容,一位教师有时无法胜任,需要多位教师共同承担,这样会带来一些问题,如知识点的衔接、排课困难等。 引入胜任力模型后,根据教师的专业技能将课程细分,使课程符合教师的专业技能(同时也要求教师主动适应课程知识的更新),这样教学过程由一位教师掌控,使得教学连续性、教师成就感增强,教学效果得到改善。 这个方案在2012和2013年人才培养方案中得到进一步完善。 2)通过胜任力模型提升教师责任感。 教学管理过程中需要教师提交各种教学文件,如教学进度表、实习计划、及时批改作业等。 教师CDIO胜任力内容中就有工作热情度、思想道德素质、管理能力的要求,通过教师对自身胜任力的提升,有序地完成各项教学文件的主动提交,这样可以进一步减缓管理人员的压力。 此方案在实施时需要学校政策(规章制度)与激励的支持。 3)通过教师胜任力的提升完成课程知识更新。 科技进步日新月异,专业知识的传授需要随时代的发展而不断更新。 而实际中会出现课程适应教师的现象,即教师会什么,课程的大纲就怎么编,这个现象不利于学生接受新知识,也不利于科技进步。 教师胜任力提升机制中要求教师不断自学习,及时完成知识更新,有利于培养适应专业科技发展需要的学生。 这个机制同样激励教师提升其实践能力,通过到国内外知名高校访学与去企业进行实践能力培养,改善教师的工程实践能力,了解专业知识的工程背景,并提升教师胜任项目驱动教学的能力,改善实践教学效果。 4)利用教师胜任力模型改善管理方法。 在教学管理中,充分考虑教师胜任力,不断创新管理方法,逐步实施柔性化管理。 建立柔性化激励机制、柔性化决策机制、柔性化评价机制、柔性化沟通机制的具体实施方案,并采用TRIZ理论理想化水平评估柔性化教学管理的理想化水平。 这种管理模式能够提升管理效率,实现管理目标,在管理实践中能够有效减少矛盾,实现和谐管理。 3结束语 为了有效地进行CDIO教学管理,本文将胜任力模型引入教学管理中,建立教师CDIO胜任力模型,包含10个方面的内容。 并分析了教师胜任力影响因素,建立由自学习与激励循环的胜任力提升机制与评价方案,结合CMM模型、柔性管理、TRIZ理想化水平评估,
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