基于知识图谱重构的“一体两翼”模块化教学实践——以C语言程序设计课程为例

何 凯，陈 湛，孔维广，叶 鹏，胡新荣

（武汉纺织大学 计算机与人工智能学院，湖北 武汉 430200）

0 引言

为深入贯彻中共二十大对高等教育培养人才的要求，应对新一轮科技革命与产业变革，教育部提出了新工科建设和《关于一流本科课程建设的实施意见》。新工科建设要求高校培养能够满足产业需求、能够解决复杂工程问题的具备实践能力强、创新能力强、素质高的复合型人才［1］。一流课程建设是人才培养质量的关键［2］。在新工科和“双一流”建设背景下，坚持以产出导向（Outcome Based Education，OBE）为理念，以学生为中心，以课程思政为导向、以计算思维能力培养核心，深入探究计算机类程序设计课程教学改革，提升教学效果和人才培养质量，是课程建设过程中需要不断关注和解决的问题［3］。C 语言程序设计课程是理论性、实践性非常强的课程，也是培养学生编程能力的基础课程，对学生学习后续编程课程非常重要。本文以C 语言程序设计为例，探讨其课程改革实践，为其他程序设计类课程教学设计提供参考。

1 相关研究

面对新需求和新技术的出现，为提高程序设计课程的教学质量和人才培养质量，相关学者进行了深入的教学改革研究。文献［4-7］从新工科及OBE 理念对程序设计课程教学的新要求出发，改革课程教学模式和教学方法，激发学生的学习动力，提高学生的工程实践能力和创新能力。一流人才培养落脚点在于课程建设，文献［8-10］按照金课的要求和“两性一度”建设标准，从教学模设计、教学资源、教学方法、考评机制建设等方面进行了探索与实践。课程思政是落实立德树人根本任务的重要举措，也是课程改革的新方向。文献［11-13］从专业知识、计算思维等方面融合课程思政，既提高学生的专业知识和能力，又培养他们的社会主义核心价值观。文献［14-15］通过开展混合式教学和翻转课堂教学，以提高教学效果。文献［16］提出项目式教学方法，旨在提高学生实践能力。文献［17］以知识图谱方式构建理论知识，帮助学生掌握知识点。文献［18］以课堂教学为切入点，提出由传统单向满堂灌的教学模式转变成“教学做合一”的教学模式改革。目前，针对高级程序设计课程开展了一系列教学建设与探索实践，但仍然存在一些问题待解决：①课堂教学模式还是偏以教师、教材和课堂为中心，向以学生为中心的转变不够深入；②课程知识概念和语法繁多、运算符和数据结构丰富、功能强大而灵活，学生难以形成知识体系，不利于培养解决复杂工程问题的计算思维；③教师对课程思政理解不够深入，课程思政与专业知识的融合不够恰当，存在没有时间开展课程思政或者将在课堂上讲授人生感悟当作课程思政。与现有教学改革方法不同，本文以OBE 理念为导向，将知识图谱与程序设计教学进行融合，构建清晰系统的课程知识体系并培养计算思维，加强实践和思政教学，形成“理论—实践—思政”全面的课程培养模式。

2 C语言程序设计课程教学改革思路与实践

针对上述重点问题，结合新生特点及学情，设计课程知识顶层框架图，构建课程知识图谱。在教学过程中，围绕课程知识体系，开展设计型、综合性实验以培养学生解决复杂工程问题的能力，并根据教学过程中学生学习的反馈信息对课程教学加以改进。

2.1 课程教学目标

通过对计算机类专业培养目标的核心特征进行深入分析，培养目标概括为3 个方面：以夯实专业基础为目标的知识传授；以提升学习能力、实践能力、创新能力为目标的能力培养；以塑造价值观与安全观、强化责任感与使命感的素质培养。①知识目标：能够区别C 语言程序设计中数据表示和存储的方法，阐释C 语言程序设计中数据处理的流程和结构，使用程序设计结构和算法解决工程问题；②能力目标：熟练使用C 语言资源和编程工具；养成计算思维和持续学习能力，并运用计算思维分析工程实际问题，解决复杂程序设计问题，能独立思考和自主学习，并获取新知识、新技能、新方法；③素质目标：采取“知识—情感—意志—信念”的思政教育线教学设计理念，锻炼培养学生奋发学习、科技报国的热情和不畏困难的坚毅品格。

2.2 重构课程内容知识图谱体系，培养计算思维

设计塔式知识结构顶层图，构建知识体系。C 语言课程包含152 个知识模块，知识点分散、逻辑性差。为了避免这种情况，按照程序设计思想，将课程内容分为3 个层次，有利于学生理解课程教学内容及各知识点之间的逻辑关系，建立良好的认知结构。C 语言知识顶层总体框架如图1所示。

Fig.1 C language curriculum knowledge top-level overall framework图1 C语言课程知识顶层总体框架

构建课程内容知识图谱，将C 语言课程中分散的知识点用知识图谱的形式进行存储和表示，展示核心概念、知识点之间的关系和知识的整体结构，帮助学生更好地掌握知识。C 语言知识图谱如图2所示。

Fig.2 C language knowledge graph图2 C语言知识图谱

基于重难点知识构建局部知识图，加深理解。图3 是分支结构中switch 和if对比知识图。

Fig.3 Branch switch and if compare knowledge graph图3 分支switch和if对比知识图

思政元素与知识图谱的各知识节点紧密融合，可以充分引起学生共鸣，提高学生学习的内生动力。课程团队会定期开会研讨教学内容知识点和挖掘思政元素［5］，如图4所示。

Fig.4 The mapping relationship between expertise and ideological and political elements图4 专业知识与思政元素的映射关系

2.3 优化课程内容，改进教学方法

通过多年实践，探索出“一体两翼”的培养模式（见图5）：构建以课程内容模块为主体的知识体系，辅以课外赛练实践和基础能力提升的实践教学。

Fig.5 "One body and two wings" cultivation mode图5 “一体两翼”的培养模式

（1）课程按照课前准备、思政案例导入、理论讲解、案例教学、课内小组编程练习、思维导图总结、课后实践和讨论7 个环节展开课堂和实践教学。其中，理论教学采取“讲练结合、精选案例、课堂翻转”的课堂教学方法；实践教学采取“任务驱动、内容分层、过程考核”的实践教学方法。课前，根据教学知识线布置学习任务，引入教学内容，根据知识点设计教学案例；课堂上，开展启发式教学，设计递进关系案例进行教学互动，遵循“照写—仿写—改写—编写”的“做中学“思路；课后，布置拓展案例和课后任务，强化课程内容，如图6所示。

Fig.6 Teaching process（while knowledge point for example）图6 教学过程（以while知识点为例）

（2）采取小班情境授课，贯彻知行合一理念，实施差异化教学。①机房讲练授课方式，注重教学案例的基础性和趣味性，激发学生程序设计兴趣；②搭建在线实践平台，精心组织实践教学，拓展学生实践环节；③关注学生个体差异，分层次分配实践任务，提升学生实践能力及效果。

2.4 改进课程评定方式，注重教学评价反馈

（1）课程评定更注重对学习过程、能力和素质、课程目标达成度的评价。考核内容组成和比例如表1所示。

Table 1 Total score composition表1 成绩组成

课前自学表现是对学生课前预习完成情况的综合评价，包括预习内容完成率、自测题答题情况等；课堂表现是对学生理论课堂的综合评价，包括互动测验参与情况、课堂活跃度等；课堂辅导训练是对学生辅导完成案例训练情况的评价；课后自主训练是对学生具有挑战度问题解决情况的评价；期末考试为学习效果检验的综合集中评价。考试均采用机考形式进行，题型均为求解问题所需编程能力有关的程序题，覆盖课堂教学和课后教学全部内容。

（2）通过批改作业、课后答疑、网络沟通、问卷调查、期中座谈等多种形式了解学生情况，总结存在的问题，并进行教学反思，以改进教学方法，提高教学质量。

3 教学改革实践成效与建议

3.1 教学改革实践成效

3.1.1 教学效果

教学效果主要体现在如下方面：①近3 年学生的期末考试平均成绩、实验平均成绩以及大作业平均成绩都在逐年提高，学生平均代码量超过3 000 行，2022 年课程目标达成度均超过0.8，如图7 所示；②在各类程序设计类比赛中取得明显进步，参与人数和获奖人数逐年上升，国家级项目增长明显，其中2022 年参加程序设计类比赛232 项，国家级竞赛15 项；③在C 语言课程学习过程中，学期中出现松懈和投入时间减少的情况得到改善，学生持续学习的动力得到改善和加强。

Fig.7 Teaching effect data comparison图7 教学效果数据比较

此外，还体现在如下两个方面：①搭建在线实践平台，提高学生学科竞赛和实践创新竞争力；②师生共创1024工作室、信息安全等10 余个学习社团或俱乐部，校企共建校内外实习实训基地，增强学生双创意识。

3.1.2 学生反馈

近3 年该课程教学获得学生的高度评价，团队成员评教结果显示多人次位于学院前10%。学生们普遍反映，他们学习的畏难情绪减少，学习自主性较之前有了大幅改观，编程能力得到较大提升。同时，课程目标达成较好，对课程的参与度和满意度均有明显提高。

毕业生也反映，该课程对就业帮助大，用人单位对该专业学生解决复杂工程问题的能力给予了高度赞赏，团队多名成员获得校级教学质量优秀奖。

3.2 相关建议

虽然课程改革已取得一定成效，但仍存在一些问题亟待解决，结合教学实践提出建议如下：

（1）基于OBE 理念，持续改进教学方法和手段。借鉴国内外优秀的教学方法，针对本专业学生特点，采用以学生为中心、以成果为导向的教学方法，实现过程管理科学化、学情数据分析精细化，打通“学习反馈—内容组织—教学目标”之间的反向联系。

（2）建设高水平的混合式教学教师团队。完善课程团队成员动态调整机制，建立教学综合评价机制和教师持续学习机制，确保团队成员跟踪并贯彻执行新的教学理念。

（3）建立定性与定量相结合的课程目标达成度评价模型。定性与定量相结合的达成度评价和分析机制有利于及时发现课程教学中存在的问题和改进的方向，增加评价工作透明度。

（4）提出基于PDCA 循环（Plan 改进计划、Do 执行、Check 检查和Act 处理）模型的持续改进机制。建立规范、稳定、配套的课程建设制度体系，包括团队工作计划、分工合作机制、持续的课程目标达成度分析与改进机制等，在此基础上建设基于PDCA 流程的持续改进机制，以保证课程教学效果。确保先进的教学理念得到贯彻落实，建立形成性评价机制。

4 结语

经过多年的探索实践，创建“一体两翼”的课程体系培养模式，坚持立德树人，突出“以学生为中心”，注重理论教学和实践教学相结合。利用知识图谱重构知识体系，提高教学效果；使用模块化教学手段，挖掘课程思政元素，突出素质培养；贯彻实施“讲练结合、任务驱动、分层实践”的教学模式。同时，充分利用现代技术手段提高教学效果，搭建实践训练平台，注重能力培养；以任务驱动，案例教学为导向，精心设例，循序善诱，启迪思维，提升学生的参与感和积极性，培养学生科学探索精神和思维创新能力；组织模块测试、注重学习过程的多元考核和评价，持续改进。本文提出的培养模式和教学方法已在C 语言程序设计教学中进行了几个教学周期的实践，获得了良好的教学效果，学生解决实际复杂问题的工程应用能力得到有效提高。