基于融通赋能的软件工程专业核心课程的课程群建设研究

蒋 瑜

成都信息工程大学 软件工程学院

近几年，教育部针对高等教育推出了一系列改革方案，目的是为了进一步落实国家关于高等教育改革的战略部署，提高高等教育人才培养质量，为实现中国现代化建设提供人才保障与支撑^[1-2]。C 语言程序设计、数据结构和操作系统原理课程是计算机科学与技术、软件工程及相关专业重要的专业基础课，是软件工程专业的核心必修课程。这 3 门课程存在先修课程和后续课程的关系，目前，这 3 门课程大多采用独立授课方式，其基本情况见表 1。

总体来说，这 3 门课程都具有理论性强、内容多、难度大、知识抽象的特点。目前，针对这 3 门课程在教学中存在的问题，许多专家学者已提出了一些卓有成效的教改方法。有针对单门课程的教改，如文献[3—5]，分别是针对 C 语言程序设计、数据结构、操作系统原理课程提出的教改方案；也有针对多门课程的教改，如文献[6]给出了 C 语言算法与数据结构课程之间的教学改革探究。

基于构建主义理论的课程群建设^[7-8]，其思想是将内容联系紧密、内在逻辑关联、具有先修和后续关系的课程组建课程群，打破课程教学界限，将课程群内课程的内容融入到一个或一系列相关的真实或模拟的场景中，实现统一的一体化教学方式。根据构建主义理论课程群建设思想，以 C 语言程序设计、数据结构和操作系统原理 3 门课程为主要研究对象，重点探索如何通过构建主义理论课程群建设，促进课程改革，从而进一步促进教学改革。

C 语言程序设计、数据结构和操作系统原理这3门课程都具有理论性强、内容多、难度大、知识抽象的特点。在基础知识讲解阶段，采用传统的“广撒网的知识点”教学模式，主观认为“广撒网”就能“多捞鱼”的教学思想，不能真正了解学生对知识的掌握情况，不仅不能在课堂上做到对知识讲解的有的放矢，也不能在课后做到对每个学生的精准辅导，往往难以激发学生的学习积极性，不利于学生对知识的掌握。

C 语言程序设计、数据结构和操作系统原理这 3 门课程的知识不是独立的，它们之间存在逻辑上的关联，具有先修和后续课程关系，但在目前的教学过程中，C 语言程序设计、数据结构和操作系统原理这 3 门课程采用独立教学方式，先修课程和后续课程之间没有形成有效的衔接与过渡，导致学生在学习过程中难以将不同课程的知识点和技能有机地联系起来。这种情况可能会影响学生的学习效果和知识体系的构建。

目前，C 语言程序设计、数据结构和操作系统原理这 3 门课程考评由平时成绩和期末考试成绩构成，课程的平时成绩主要依靠考勤和作业定分数，这种传统的考核机制阻碍了学生参与教学过程的积极性。

课程群建设的目的是针对 C 语言程序设计、数据结构和操作系统原理这 3 门课程教学中存在的问题，提出有效的解决方案，调动学生学习的积极性和主动性，从而达到 1+1+1>3 的教学效果。

知识能力素养一体化评价模型，是在现有课程基础上，结合创新能力培养目标和人才培养体系，构建适合 C 语言程序设计、数据结构和操作系统原理这 3 门课程知识能力素养的不同层级的题库和实验，并基于学生对题库和实验完成的基础数据，构建异构图卷积神经网络的学生知识能力素养评价模型。教师可以根据模型结果，有的放矢设计课堂教学内容和教学手段，对不同学生布置差异化的课后作业并精准进行课后辅导。异构图卷积神经网络的知识能力素养评价模型的整体框架如图 1 所示。

异构图卷积神经网络的学生知识能力素养评价模型是基于学生对每个知识点题库和实验解答结果数据，构建每个学生及其对知识点解答结果的异构图。异构图中主要由两类结点所构成：学生结点和知识结点。学生结点的属性向量主要包含学号、姓名、分层等级等。知识点结点的属性向量主要包含知识点名称、类型、难度系数和得分。“单个学生—知识点异构图”和“多个学生—知识点异构图”作为异构图神经网络的输入，引入多层图卷积和激活函数，从而构建异构图卷积神经网络的学生知识能力素养评价模型。①基于该模型实现结点层面的任务，发掘每个学生对知识点的掌握程度，从而实现对每个学生布置差异化的课后作业及精准辅导；②基于该模型实现图层面的任务，发掘学生对知识点的掌握程度，从而实现在课堂上有的放矢的教学。图 2 给出了单个学生基于不同知识点题库和实验结果作为输入图的单个学生知识能力素养评价模型的过程。图 3 给出了多个学生基于不同知识点题库和实验结果作为输入图的学生知识能力素养评价模型的过程。

C 语言程序设计、数据结构和操作系统原理这 3 门课程的知识之间存在逻辑上的关联，课程群建设要求授课教师基于建构主义教育理论解决先修课程和后续课程之间缺乏连接主线和逻辑关联的问题，可以采取以下两个策略。

（1）情境创设：根据建构主义学习理论，C 语言程序设计、数据结构和操作系统原理课程学习应该在与学习内容相关的情境中进行。例如，在讲解操作系统原理课程中的时间片轮转调度算法时，可利用问题导向创设情境，激发学生主动思考的动机。问题导向情景创设：该调度算法用到何种数据结构——栈、队列？用 C 语言中的哪些数据类型能实现该数据结构——数组、结构体、链表？这样的情境创设将先修课程和后续课程的内容融入到一个或一系列相关的真实或模拟的场景中，让学生在学习过程中自然地应用并联系前后课程的知识。

（2）意义建构：教师应帮助学生通过先修课程的学习构建对基础知识的理解，在后续课程中进一步深化并扩展这些知识。在 C 语言程序设计、数据结构和操作系统原理课程的课程群设计时，明确前后课程之间的联系逻辑，帮助学生看到学习的整体性和递进性。例如，在讲解操作系统原理课程中的 LRU 页面置换算法时，利用 C 语言对二维数组进行初始化操作，当该数组的元素达到一定数量级时，按行初始化该数组的执行时间少于按列初始化该数组的执行时间，原因是 C 语言中的二维数组是按行存取，由于 LRU 页面置换算法策略的影响，按行初始化的缺页次数低于按列初始化的缺页次数，从而导致不同初始化方式带来不同的执行效率。这样的意义构建，让学生看到了后续课程操作系统原理的学习有利于深入理解先修课程 C 语言程序设计的知识，并能更好地使用 C 语言进行程序设计。

这 3 门课程的课程群建设要求教师在课程群内可以针对一些关联性比较强的知识点设计跨课程的一体化实例，实现“实际应用（操作系统原理）—算法设计（数据结构）—具体实现（C 语言程序设计）”的 3 门课程的有机结合，并且基于一体化实例，实现跨课程的相互协助配合的分组实验的实现，从而达到培养学生的团队协作能力和“传帮带”的教学效果。表 2 给出了课程群内跨课程的一体化教学实例和实验分组。

C 语言程序设计、数据结构和操作系统原理这 3 门课程互为先修和后续课程。先修课程的教学内容和重点不仅由课程本身决定，而且还应该立足于为后续课程服务，由后续课程的实际需求决定。后续课程的反馈结果在一定程度上让先修课程教师真正了解在后续课程实际应用中学生对先修课程所学知识的不足，从而使先修课程教师调整教学方法和手段，进一步加强知识的讲解与练习。另外，后续课程教师可以基于教学内容设计一些实际案例转交给先修课程教师，让先修课程学生明白所学知识的实际应用场景，有利于调动学生学习积极性，加强对知识的掌握。图 4 给出了课程群内 3 门课程的需求和反馈机制。其中，需求代表后续课程在实际过程中需要先修课程提供的知识；反馈代表后续课程反馈给先修课程说明其知识支撑的具体程度和不足之处；支撑代表先修课程对后续课程提供的知识。

多方法融合的教学模式主要是在 C 语言程序设计、数据结构和操作系统原理课程的教学过程中，基于现有的一些信息技术手段，采用多方法融合的教学模式，如情景教学、实例教学、线上、线下、平台技术、可视化教学、个性化教学、讨论教学等，重构课程群内 3 门课程教学方法和手段，重构课程群内课程教学模式，开展理论教学，从而提高课程的教学效果和质量。以沉浸式情景教学模式和实例教学模式为例，设计课程教学如下。

1）沉浸式情景教学模式设计——以数据结构课程为例。

沉浸式情景教学模式可以让学生对数据结构课程产生“趣”，同时又加深了学生对知识点的掌握与理解。例如，在讲授最优编码（Huffman 编码）知识点时，可以基于沉浸式情景教学模式让学生身临其境，从而达到对知识的学习与掌握。

情景设置：在抗日战争时期，我地下工作者获取了有利情报，并用电台把情报汇报给上级部门，这时敌人的无线电定向车正在定位我方发报人员的位置。

提出问题：为了避免暴露，我地下工作者应该缩短发报时间，那么在发送相同信息的前提下，怎样才能缩短发报时间？

引入知识点：Huffman 编码（最优编码），在表示相同信息的前提下，具有最短码长。

这种知识点的沉浸式情景教学模式设计，既让学生沉浸于当时紧张的情境中，又让学生对 Huffman 编码产生了浓厚的兴趣，从而有利于激发学生的学习积极性和主动性，有利于对 Huffman 编码的学习、理解和掌握。

2）实例教学模式设计——以操作系统原理课程为例。

实例教学模式能够更好地帮助学生理解并掌握知识及其应用场景，能回答学生所关心的“学了操作系统原理这门课程能干什么？”这一问题，让学生真实感受到操作系统原理知识的应用就在我们身边，增强学生对操作系统原理课程的认同感，使他们能够更好地将所学知识应用到实际工作中，提高学习效果。

教学实例：1997 年 7 月 4 日发射的火星探路者号（Mars Pathfinder），刚刚登陆火星表面没几天整个系统无故重启，从而导致数据丢失。

分析问题：火星探路者号运行的是 VxWorks 实时操作系统，VxWorks 提供了抢占式进程调度。探路者号上的进程按照优先级来执行。探路者号上有 3 个进程：数据总线进程（高优先级）、气象数据进程（低优先级）和通信进程（中优先级）。在数据总线进程阻塞并等待气象数据进程的间隙，中断可能会导致通信进程被执行。在这种情况下，通信进程如果长时间运行，就阻塞了比它优先级低的气象数据进程，最终的后果是数据总线进程得不到运行。过了一段时间，看门狗意识到数据总线进程很久得不到执行，认为系统发生了严重故障，于是重启了整个系统。

引出知识点：操作系统原理中的优先级反转——高优先级任务被低优先级任务阻塞，导致高优先级任务迟迟得不到调度。

精细化考评体系既包含对学生的考评，也包含对课程组教师的考评；既包含课程考评，又包含先修和后续课程之间的互考评与跨组实验考评，采用多维度、多方式的考评机制，让课程考评借助已有的平台，构建记录学生学习过程的考评机制，把学生的整个学习过程（课前、课中、课后）和表现都记录在考评平台中。课程教学的考评机制构成：理论成绩+考勤考核+过程考核+课后作业+实验成绩。让教师和学生都参与过程考核，体现评价的客观性（见表 3）。

（1）先修课程考评：是在后续课程的实际应用中，学生对先修课程知识掌握效果的考评。主要是对先修课程教师的考评。

（2）后续课程考评：是考评后续课程教师对学生先修课程知识掌握效果的反馈情况，以及给先修课程提供的跨课程一体化教学案例和跨课程组实验情况。主要是针对后续课程教师的考评。

（3）跨课程实验考评：是基于跨课程实验中来自不同课程学生对实验的贡献和最后实验的结果来考评学生对知识的掌握情况。

C 语言程序设计、数据结构和操作系统原理课程群建设应用于成都信息工程大学的软工 232 班中，极大地调动了学生学习积极性和主动性。从 2024—2025 年第一学期开设的数据结构课程来看，学生出勤率达到了 99.33%，开课前、开课中和结课后的 3 次问卷调查显示，学生对“学了数据结构这门课能干什么？”这一问题的知道程度分别从 13.64% 提升到 65.91%，最后达到 97.73%。在课程群建设实施后，该班学生利用所学的 C 语言程序设计知识和数据结构知识，积极参加 C/C++ 程序设计、编程技能竞赛项目等比赛，部分学生分别在蓝桥杯大赛获四川省赛一等奖，在睿抗编程大赛中获全国三等奖，在马蹄杯国赛获铜奖，在计算机挑战赛获四川赛区三等奖。

本次教改的主要目的是探索异构图卷积神经网络的学生知识能力素养一体化评价模型，让教师准确掌握学生的基本情况，并基于该评价体系结果，构建对学生的分层教学，针对不同层次的学生有的放矢地设计课堂教学内容和方法，对每个学生实现布置差异化的课后作业及精准辅导，让学生真正理解并掌握课程的知识，增加学生对课程的认同感，激发学生学习积极性和主动性。探寻课程之间的内在联系，构建课程群内跨课程的一体化实例教学并促进课程群内课程有效关联，以多方法融合手段为基础，重构课程群内 C 语言程序设计、数据结构、操作系统原理这 3 门课程的教学模式，从而提高课程的教学效果和质量。本次教改只是以 C 语言程序设计、数据结构、操作系统原理课程群为切入点，其教改思路和方法可以推广到以理论教学为主的计算机、软件工程等相关专业的基础课程群建设之中。