“課內(nèi)外貫穿，競(jìng)賽教學(xué)融合”的程序設(shè)計(jì)教學(xué)模式

韓建平， 劉春英， 胡維華

(杭州電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

“程序設(shè)計(jì)”是高校理工科類(lèi)專業(yè)的核心課程之一，其教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握程序設(shè)計(jì)的思想和方法，以及基本的程序設(shè)計(jì)過(guò)程和技巧，具備初步的分析問(wèn)題和利用計(jì)算機(jī)求解問(wèn)題的能力[1]。有效提升課程教學(xué)質(zhì)量，可以為后續(xù)學(xué)習(xí)和工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)存在的主要問(wèn)題是：教學(xué)模式單一、實(shí)踐能力弱化。課程的教學(xué)模式一般以課堂講授為主，實(shí)踐教學(xué)未得到足夠重視。作為深入接觸計(jì)算機(jī)領(lǐng)域知識(shí)的入門(mén)課程，學(xué)生往往難以理解程序設(shè)計(jì)的思維方式，因而缺乏學(xué)習(xí)信心，影響興趣和動(dòng)力。此外，教師批改編程習(xí)題的工作量大，由此也帶來(lái)反饋滯后，課內(nèi)課外脫節(jié)。我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中，以強(qiáng)化實(shí)踐為核心對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行了有效的改革。

依托我校程序設(shè)計(jì)在線學(xué)習(xí)與評(píng)測(cè)系統(tǒng) (HDOJ)的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建了從課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課外自主學(xué)習(xí)，到訓(xùn)練與競(jìng)賽的層次化、遞進(jìn)式的程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，有效地促進(jìn)了課程教學(xué)質(zhì)量的提高。

1 以課程為中心的在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)

ACM國(guó)際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽(ACM/ICPC)[2]是目前全球公認(rèn)水平最高、影響最大的編程賽事，比賽題目大多源于實(shí)際問(wèn)題, 具有一定的趣味性和挑戰(zhàn)性，已得到國(guó)內(nèi)外眾多知名高校的積極響應(yīng)和參與。ACM競(jìng)賽利用在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)(Online Judgment)對(duì)提交的程序進(jìn)行自動(dòng)、實(shí)時(shí)評(píng)判，包括程序結(jié)果的正確性、運(yùn)行時(shí)間、占用內(nèi)存資源和輸出格式的判別，其客觀、公正和實(shí)時(shí)的評(píng)價(jià)方式，得到學(xué)生普遍認(rèn)可。許多高校開(kāi)發(fā)了基于ACM/ICPC的程序設(shè)計(jì)在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)[3-6]，提供程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽與訓(xùn)練的開(kāi)放式環(huán)境，我校在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)是其中最優(yōu)秀的系統(tǒng)之一。

典型的在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)面向ACM/ICPC競(jìng)賽，有助于培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生的創(chuàng)新精神和團(tuán)隊(duì)合作能力[7-11]。但由于題目難度大、評(píng)判要求嚴(yán)格，使程序設(shè)計(jì)初學(xué)者入手困難。將面向競(jìng)賽的在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)直接應(yīng)用于程序設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)[12-14]，教學(xué)效果仍然存在較大的局限性。為了讓更多學(xué)生在編程能力培養(yǎng)方面受益，以強(qiáng)化課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)為目標(biāo)，不斷推進(jìn)HDOJ系統(tǒng)建設(shè)，提供了以課程為中心的Exams、ACM Step、Virtual/DIY Contest等模塊，適應(yīng)不同階段、不同層次的程序設(shè)計(jì)訓(xùn)練需求，引導(dǎo)學(xué)生從課內(nèi)到課外，由課程學(xué)習(xí)至學(xué)科競(jìng)賽，在平臺(tái)上訓(xùn)練提高程序設(shè)計(jì)水平。HDOJ深受受到了廣大師生與程序設(shè)計(jì)愛(ài)好者的青睞，注冊(cè)用戶幾乎涵蓋國(guó)內(nèi)所有重點(diǎn)高校，系統(tǒng)年提交量逐年攀升，不斷超越國(guó)內(nèi)外眾多同類(lèi)系統(tǒng)，2013全年提交量突破240萬(wàn)[15]，居全球數(shù)百個(gè)同類(lèi)系統(tǒng)首位。

2 競(jìng)賽融入課內(nèi)基本訓(xùn)練

程序設(shè)計(jì)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)是課程教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以幫助學(xué)生鞏固課堂教學(xué)所授基本知識(shí)，掌握程序設(shè)計(jì)的基本方法和常用算法，掌握程序調(diào)試的基本技能。我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中，將課程教學(xué)與競(jìng)賽相結(jié)合，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)以競(jìng)賽方式組織實(shí)施(見(jiàn)圖1)。

考慮到完全ACM競(jìng)賽模式評(píng)判苛刻且題目難度大，容易對(duì)初學(xué)者的信心產(chǎn)生不利影響。課程組一方面設(shè)計(jì)了一系列由簡(jiǎn)單到綜合、循序漸進(jìn)的練習(xí)題。另一方面優(yōu)化了評(píng)判方式，摒棄競(jìng)賽模式對(duì)輸出格式的苛刻要求。使學(xué)生從第一次課開(kāi)始，就可以在HDOJ平臺(tái)上編寫(xiě)、提交程序，體驗(yàn)“提交成功”的喜悅，并在一次次喜悅中掌握程序設(shè)計(jì)的思想和方法。

每一次實(shí)驗(yàn)課，教師均在平臺(tái)上布置程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，學(xué)生規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成程序的編寫(xiě)和調(diào)試后提交程序源代碼，系統(tǒng)服務(wù)器端對(duì)提交的程序自動(dòng)評(píng)判，實(shí)時(shí)反饋。成功解題的成就感非常有利于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。同時(shí)，系統(tǒng)按照一定規(guī)則根據(jù)完成情況對(duì)學(xué)生進(jìn)行排名，激發(fā)青年學(xué)生的競(jìng)爭(zhēng)心理，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，自動(dòng)評(píng)測(cè)能夠極大減輕教師批改作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)快速了解學(xué)生學(xué)習(xí)中的問(wèn)題，從而使教師可以有更多精力來(lái)加強(qiáng)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程及學(xué)習(xí)效果的反饋，構(gòu)成老師和學(xué)生互動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，降低實(shí)驗(yàn)組織的難度、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。

圖1 競(jìng)賽融入課內(nèi)基本訓(xùn)練

3 激勵(lì)競(jìng)賽，引導(dǎo)課外自主訓(xùn)練

在大眾化教育的背景下，學(xué)生的基本素質(zhì)和學(xué)習(xí)能力參差不齊，這使得課外自主學(xué)習(xí)的重要性突顯。只有引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況在課外大量編程練習(xí)，才能到達(dá)提升實(shí)踐與創(chuàng)新能力的目的，而有效吸引學(xué)生課外自主訓(xùn)練，激發(fā)興趣、營(yíng)造氛圍是成敗的關(guān)鍵。課程組在將競(jìng)賽融入課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步依托HDOJ構(gòu)建如圖2的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。將在線訓(xùn)練應(yīng)用到程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)的各個(gè)階段，并根據(jù)不同階段的特點(diǎn)，提供適當(dāng)?shù)墓δ苣K，供學(xué)生選擇。

圖2 依托HDOJ的多層次程序設(shè)計(jì)訓(xùn)練模式

ACM Step模塊實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)從課內(nèi)延伸至課外的第一步，該模塊的主要特色是引進(jìn)游戲的設(shè)計(jì)思路，吸引學(xué)生從游戲走向編程。將程序設(shè)計(jì)的核心知識(shí)點(diǎn)分成若干關(guān)，每一關(guān)又分為若干節(jié)，完成前面的關(guān)，才能進(jìn)入下一關(guān)答題，每一關(guān)都有一個(gè)主題，所有題目均和本章主題相關(guān)。ACM Step模塊的訓(xùn)練內(nèi)容與課程教學(xué)緊密相關(guān)，但其評(píng)判方式采用完全的ACM競(jìng)賽方式，題目難度也略高于課內(nèi)基本訓(xùn)練。

為了進(jìn)一步激發(fā)廣大學(xué)生的程序設(shè)計(jì)興趣，并讓優(yōu)秀的學(xué)生脫穎而出，課程組從平臺(tái)和舉措上鼓勵(lì)學(xué)有余力和愛(ài)好編程的學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽。HDOJ平臺(tái)的DIY Contests、Virtual Contests等功能模塊為競(jìng)賽提供了全方位、多層次開(kāi)放的訓(xùn)練環(huán)境。DIY contest讓教師與學(xué)生都可以創(chuàng)建自己的在線比賽；Virtual Contests功能使得學(xué)生可以選擇任意一場(chǎng)已經(jīng)結(jié)束的比賽作為虛擬比賽的題目來(lái)源，系統(tǒng)將在比賽過(guò)程重現(xiàn)原比賽的提交信息和排名信息，學(xué)生一如穿越時(shí)空隧道與歷史人物同場(chǎng)競(jìng)技。

學(xué)生在課外自主訓(xùn)練，提升至一定的水平后,可以參加一學(xué)期四次的程序設(shè)計(jì)校內(nèi)月賽，其中優(yōu)秀的學(xué)生被選拔進(jìn)入校集訓(xùn)隊(duì)，進(jìn)而參加ACM的預(yù)選賽和全球總決賽。依托HDOJ平臺(tái)形成從課內(nèi)實(shí)驗(yàn)到自主訓(xùn)練，再到學(xué)科競(jìng)賽的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)良性循環(huán)。

4 課程考核模式改革

程序設(shè)計(jì)課程考核的根本目的是為了客觀、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)學(xué)生，促進(jìn)學(xué)生通過(guò)參與各種形式的編程實(shí)踐提高自己的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力[16]。

我們利用HDOJ在線實(shí)踐平臺(tái)這一優(yōu)勢(shì)，實(shí)施“全面機(jī)試，面向過(guò)程”的考核和評(píng)價(jià)方式。學(xué)生的每一次上機(jī)作業(yè)都在線提交，實(shí)時(shí)反饋，記載成績(jī)。學(xué)生最終取得的成績(jī)包含平時(shí)、期中和期終，分散在整個(gè)學(xué)期內(nèi)。除了平時(shí)上機(jī)以外，期中和期末考試也全部實(shí)行采用直接上機(jī)編程的“機(jī)考”考核方法，各部分的權(quán)重分別為30%、30%和40%，使得學(xué)生必須通過(guò)平時(shí)多上機(jī)，多實(shí)踐，真正熟悉程序設(shè)計(jì)和調(diào)試的各個(gè)環(huán)節(jié)，才能取得好成績(jī)。

5 結(jié) 語(yǔ)

我們采用循序漸進(jìn)的方式將課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)與ACM 競(jìng)賽相結(jié)合，形成“課內(nèi)課外貫穿，競(jìng)賽教學(xué)相互融合”的教學(xué)模式，這種模式既拓展了程序設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，又大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，推進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。

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