新农科公共程序设计类课程教学改革与实践

邓君丽，吴鹏飞

（华中农业大学信息学院，湖北 武汉 430070）

0 引言

未来农业的发展方向是以大数据、物联网、人工智能等先进技术为主的智慧农业与自动化农业，农产品种植与养殖将实现管理一体化，其采销也会纳入数据采集全链路，农产品生产过程可全程追溯，用户足不出户即可吃到安全、放心的农副产品［1］。

智慧农业主要包括3 个方面的技术：智能信息技术、现代生物技术和现代工程技术。在新农科背景下，农业类高等院校的计算机公共程序设计类课程需要培养适应新农科未来发展的人才。智慧农业的出现为农业发展提供了新契机，农业科技创新要依靠创新教育培养大批全面发展的创新人才［2-7］。程序设计类课程的发展必须与高校的农业传统学科如生命科学、环境工程、园艺林学、动物科学、植物科学等，以及优势学科如生命科学等专业特色相结合，探索新的人才培养模式，以适应社会需要，为智慧农业的发展提供技术支持。深化教学内容和课程体系改革，是新农科背景下人才培养模式改革的主要落脚点，也是教学改革的重点和难点，必须从高等教育整体着手，改革教学内容和教学方式，促进学生创新能力的发展［8-11］。

1 公共程序设计类课程教学现状分析

良好的教学方法是提高教学质量的重要保障。程序设计类课程是一门理论与实践同步开展教学的课程，其具有如下特点：知识点多、概念复杂、规则繁多、使用灵活、自由度高以及抽象程度深等。在传统的计算机程序设计类课程教学中，程序设计与各学科专业特点脱节，教师侧重于讲授，学生则被动接受，导致学生不能很好地掌握程序设计相关知识。特别对于农业院校而言，如果程序设计课程教学不能与农科专业相结合，学生学习时则会缺乏积极性，只是被动地接受教师所灌输的知识。整个课程结束时，教师讲授了课程所有要点，学生掌握的却只是零碎的知识点，没有系统学习到课程体系结构和精髓，更不会应用C/C++等程序设计语言解决实际生活中的问题。同时，学生并不知道为什么要学习计算机技术，以及学习计算机技术对自己未来有哪些帮助，导致学生学习缺乏主动性，学习效果较差。因此，革新传统教学方法，改变程序设计课程与学科专业脱节的现象，是提高计算机类课程教学效果的前提。

本文从作好学生学情分析入手，设计以学生为中心的课程教学模式，从理论教学、实验教学与实践教学几方面，多视角、多维度地开展计算机公共程序设计类课程改革，通过覆盖课前、课中、课后的一站式教学环节完成对学生的知识传授、能力培养和价值塑造。

2 公共程序设计类课程教学改革思路

2.1 作好学生学情分析

农业院校计算机公共程序设计类课程一般针对学校各院系的大一、大二学生开设，比如华中农业大学每年会针对生命科学、环境工程、园艺园林、公共管理、动物科学、植物科学、机械工程、智慧农业等专业的大一新生开设C++语言程序设计、C 语言程序设计、Python 语言程序设计课程。学生来自全国各地，计算机基础参差不齐，大多数学生在中学时几乎没有学习过计算机相关知识。同时对于各院系的大一新生，其自己院系的专业课程还没有开课，或者只进行了少量粗略的学习，他们并不清楚作为一名非计算机专业学生，为什么要学程序设计类课程，以及怎样才能学好该课程并为其所用。

针对不同专业、不同基础的学生，通过问卷调查、网上测评、课前测试、学生走访等多种形式充分作好学生学情分析，了解学生“已知”、“未知”、“能知”、“想知”和“怎么知”等问题。

2.2 设计以学生为中心的课程教学模式

以学生为中心强调在学习过程中发挥学生的主动性，学生作为教学关系中的主体，是驱动教育模式运作的源动力。学生的学习结果对整个教学活动的有效性评价起着关键性作用。

在传统教学过程中，教师是学生单一来源的优质教育资源提供者。教师关注的是如何把复杂、抽象的教学内容在有限时间内以学生容易理解的方式讲授清楚，进而让学生学会相应知识和技能，可教师讲授清楚并不等于学生完全理解。在如今这样一个优质教育资源不再稀缺的移动互联时代，学生主动获取知识的能力和意愿显著增强。

2.2.1 环境变化

随着精品开放课、慕课等优质教育资源的普及，学生可在网上找到很多自己想学习的优秀课程；“互联网+”时代，教育势必会“+互联网”或者被“互联网+”；微机互联时代已经逐步被移动互联时代所取代。

2.2.2 学生变化

学生的学习习惯在变化，过去学生学习是系统化的，而移动互联时代在网站、慕课上的知识获取都是碎片化的；学生的学习态度在变化，过去学生唯一的出路就是成绩好、考试过、优胜劣汰，现在学生的价值取向多元化；学习方式在变化，过去学习可能只能通过书籍与课堂，现在信息来源丰富化。

因此，教师不再作为优质教育资源的单一来源，新时期的教学得借助移动互联时代的工具更多地了解学生需求，只有让学生对课程内容产生浓厚兴趣，愿意在课内和课外投入时间钻研，才能获得更好的教学效果。赵炬明提出的“新三中心”就是以学生发展为中心、以学生学习为中心、以学习效果为中心。建立以学生为中心的课堂教学新形式，引入翻转课堂、MOOC 资源等新的教学方法与工具，由内而外激发学生对知识的渴求，不仅延伸了课堂教学，亦能培养学生的自主学习能力和创新思维［12-15］。

2.2.3 建立以持续改进为目标的课程考核机制

以华中农业大学信息学院为例，改进后的课程评价体系如下：

（1）慕课学习（分数占比30%）。学院已在中国大学慕课平台上建立了自己课程的慕课，学生学习慕课上的教师教学视频，并进行测试与讨论，按权重打分。

（2）在线教学平台上的实验成绩（分数占比30%）。根据课程进度安排，布置不同章节、不同内容、不同难度的题目放到学院的在线教学平台上，学生对每一部分的题目完成情况会计入过程考核。

（3）标准化考试（分数占比40%）。学校公共程序设计类课程因学时较少，没有安排期中考试，而是根据学生期末的标准化考试成绩予以评定，期末考试成绩50 分以下不能参与总评。

3 公共程序设计类课程教学改革实施

采用“程序设计+学科”交叉体系，对农业院校而言，具体包括程序设计+园林、程序设计+环工、程序设计+动科、程序设计+植科、程序设计+食科、程序设计+生科、程序设计+生物医学、程序设计+林学等。面向各传统学科如园艺林学、动物科学、植物科学、环境工程等，优势学科如生物科学等，分别从理论教学、实验教学、实践教学等方面，探讨在新农科智慧农业技术背景下，如何进行传统优势学科程序设计类课程教学方法与教学内容改革［16］。

3.1 理论教学

程序设计类课程一般针对各院系大一、大二学生开设，在学习程序设计课程的同时，也需要他们对自己本身的学科专业有自主、深入的学习，掌握相关学科的基本知识，才能明白程序设计类课程如何应用于自己的专业领域，解决实际的项目问题，从而实现各学科知识的相互融合。

在立德树人思想的指导下，以社会主义核心价值观引导学生树立正确的三观，并将其融入教学过程中。通过线上线下混合性教学，做到每日知识学习、每周思维讨论、每月创新设计、每期素养汇报，最终完成对学生的知识传授、能力培养与价值塑造。在整个教学环节中探索符合学生学情的教学方法，突出以学生为中心的教学主线。

笔者针对不同学科专业，对每个章节的理论和实验教学内容进行设计与展开，如图1所示。

教学设计在不同的教学环节中加以体现：

Fig.1 Teaching design图1 教学设计

（1）课前线上环节。通过MOOC、SPOC、信息学院在线教学平台等多种途径作好学生学情分析，这是教学的依据。作好学情分析才能作到因材施教，在合适的部分适当对知识进行拓宽及延伸。

采用多振型反应谱法对桥梁结构进行抗震分析时，在同时考虑纵向、横向和竖向震动方向的情况下，在计算方向上所要考虑的振型阶数应获得90%以上的有效质量，如果计算后各方向振型参与质量达不到90%，则应适当增加阶数重新计算[6-7]。裸塔的特征值分析中48阶频率数量能够满足要求。其中X方向上的主振型为第五阶振型，Z方向的主振型为第九阶振型，Y方向的主振型为第一阶振型如图5所示。

（2）课中线下环节。融汇串讲—启发讨论—翻转课堂—实战演练。为弥补MOOC 知识点碎片化以及不同教师分开讲解风格不同等不足，每次课程中笔者都会针对自己授课班级的学生情况进行重难点系统融汇串讲，除基本理论部分采用直接讲授外，大部分课程都以师生互动、翻转课堂的形式展开。用随机点名的方式进行知识回顾，用弹幕的方式激发学生思维并提出自己的观点，用投稿功能让学生实时分享自己的代码，用课堂出题的方式检验学生学习情况。

在教学过程中，采用视频引导、案例引导、归纳演绎、分类对比、典型实例、演算互动、错误示范归纳、渐进推演、多媒体动态辅助、首尾呼应等多种教学方法灵活穿插，相得益彰。

对每个知识点按照“提出问题—定位知识—代码设计—应用拓展”4 步进行讲授，在课程教学过程中需要注意多个知识点的相互融合、不同课程之间知识的相互融合，以及新开设课程与已学课程知识的相互融合。为帮助学生巩固所学知识，还要通过实验与课外实践进行深入研究。要遵循“引导入门—基础系列—专题研究—科学研究”的步骤，循序渐进地开展教学过程。

（3）课后混合环节。线上作业—知识内化—讨论答疑—教学反馈。在信息学院在线教学平台上，根据不同专业课程的进度安排布置不同章节、不同内容、不同难度的题目，学生在规定时间内完成练习并提交，以巩固所学知识。每周分小组进行讨论答疑，给学生提供多渠道互动机会，并及时反馈。

在教学中要实现“知识导向”向“能力导向”的转变，课中向课后自然延伸，将课上的时间空间拓展到无限。教师不仅仅是教授学生知识，更要教会学生如何分析与解决问题。可采用互动式教学法和案例教学法，教师根据教学目的和要求，运用多种方式启发学生独立思考，对遇到的实际问题进行综合分析与研究，提出见解并作出判断与决策，从而提高解决实际问题的能力。

（4）课外拓展环节。能力转化—项目设计—创新思维—价值塑造。在学生积累了一定专业学科知识的背景下，引导学生选取自己感兴趣的专业学科内容，以小组或个人形式根据课程进度，利用程序设计语言作出具有学科特色的课程设计，以PPT 形式在课堂进行汇报展示，并现场调试代码，现场讨论与答疑解惑，可将其为教学环节的过程考核。

3.2 实验教学

在实验教学中，实现“单纯技术知识的实验验证”向“综合应用能力的实训实践”转变。将慕课教学与智能平台教学相结合，利用课程实验、作业、考试、监考阅卷一站式平台辅助教学。采用仿真与实际相结合的手段，帮助学生学会运用理论知识解决实际问题。为配合理论教学，可将实验分为以下3 种类型［17］：

（1）基础型实验。该实验主要涉及到课程相关知识点，其目的在于培养学生的逻辑分析能力，主要包括以下3个方面：学会使用程序流程图和伪代码描述问题，学会通过计算机处理问题的方式思考问题，从而帮助学生掌握基础知识，提高学生分析与解决实际问题的能力。

（2）开发型实验。该实验主要培养学生综合应用知识与技术的能力，是对基础性实验的提升。在开发型实验中，给学生布置问题，学生带着问题总结知识要点，查找解决问题的方法，并通过程序设计实现解决方案。实际中结合学生各学科的专业特色，开发信息管理系统、数据管理系统等。

（3）创新型实验。创新型实验对学生能力要求较高，只针对基础知识扎实、对程序设计课程有强烈兴趣、编程能力较强的学生开设，其目的在于培养学生的研究能力与创新意识。

3.3 实践教学

智慧农业技术创新人才培养的实践性较强，仅通过课堂讲授远远不够，必须加强实践教学环节，通过实践活动培养学生的创新能力。笔者所在高校已建立了多种类型的实习基地，涵盖农业传统学科的各个方向，在实习基地培养学生将基本技能转化成现实的工作方法和工作能力。

在进行教学方法改革时，一定要从农业院校的实际需求出发，课程设置既要结合传统学科，又能涵盖课程教学要求，以项目开发和程序拓展驱动教学，实践项目内容从知识方法应用、综合设计到研究探索循序渐进，扩展实践项目的层次性，从而使程序设计类课程体系更加适应社会需求。

4 公共程序设计类课程教学改革实施效果

（1）计算机公共程序设计类课程教学模式、教学方法改革在华中农业大学生命科学、环境工程、园艺园林、动物科学、植物科学、食品科学等专业实施试点后，学生学习兴趣和学习积极性明显提升。很多学生培养出对于程序设计的兴趣，先后申请转专业到信息学院计算机专业。

（2）在新的课程考核机制下，学生总成绩更注重学生自主过程中的学习效果，标准化考试成绩普遍提高，不及格率明显降低。

（3）将课程项目设计与学科专业、课程思政、时政热点等相结合，通过多种方式让每一个学生设计编写程序应用于智慧农业物联网、DNA 和RNA 序列转录与逆转录、新冠疫情核酸检测方法推荐等，形成了丰富的教学案例。

（4）涌现出一批有兴趣且有能力的学生积极参与大学生计算机设计大赛、ACM 大赛、大数据技术大赛、物联网创新大赛等计算机竞赛并取得佳绩，推动了专业知识传授与创新创业能力训练的有机融合，拓展了相关学科知识的深度和广度，有效提升了学生的创新创业能力，培养出一批与国际接轨的高端复合型人才。

5 结语

新农科背景下计算机公共程序设计类课程教学方法改革对促进教学工作、提高教学质量有着重要意义：

（1）程序设计类课程是高校计算机教育的基础与重点，也是一门理论与实验同步开展教学的课程。本文将程序设计与各传统优势学科专业特点以各种方式紧密结合，教师作为引路人，以唤醒学生求知欲为主要目标。学生对为什么要学习编程技术，学习该技术对自己未来发展有什么帮助有明确感知，从而提高学习的主动性和积极性。

（2）由“知识导向”向“能力导向”转变，学生掌握的不是大量离散的知识点，而是系统的课程体系结构和精髓，能自如地应用程序设计语言解决实际问题。

（3）对于开设了程序设计类课程的不同院系学生而言，促进其对自己的专业学科进行更深入地学习、更系统地理解，了解自己所学知识的实际用途，可有效加强各学科知识的相互渗透，从而培养出全面发展的创新型人才。