實境與跟隨編程信息化技術(shù)在“互聯(lián)網(wǎng)+教學(xué)”中的應(yīng)用

劉經(jīng)緯，陳 瀅，李 嘉，張宇豪，閔昱瑤，李嘉欣，冀昊悅

（1.首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué) 信息學(xué)院，北京 100070；2.慧科教育集團(tuán)，北京 100191）

0 引 言

“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育蓬勃發(fā)展，新工科領(lǐng)銜的計算機編程教育得到廣泛普及和應(yīng)用[1]，IT行業(yè)人才供不應(yīng)求。如何應(yīng)對高校學(xué)生就業(yè)質(zhì)量低、教師科研教學(xué)精力不足、學(xué)校優(yōu)秀師資資源緊缺、編程教學(xué)存在理論與實踐脫節(jié)、編程實踐缺失、編程能力難以評價等問題[2]，新型教育范式探討應(yīng)運而生[3]。

1 問題描述

1.1 學(xué)生面臨的痛點問題

（1）不知所學(xué)課程的實用性。當(dāng)今大多數(shù)學(xué)生上課只關(guān)心該課程最后的所得分?jǐn)?shù)以及該課程是否對自己未來就業(yè)有直接的幫助，故學(xué)生上完課后不知所學(xué)課程的實用性在哪里。

（2）沒有掌握企業(yè)常用軟件，必要技能缺失。學(xué)生上課所學(xué)習(xí)到的內(nèi)容都是一些基礎(chǔ)性的知識或老化的舊知識且缺乏實踐性，最新技術(shù)及編程語言都沒有接觸過。

（3）上課參與少、聽不懂、不敢提問、走神。課堂教學(xué)缺乏溝通反饋機制，導(dǎo)致學(xué)生邊聽課邊走神，甚至放棄聽課。

1.2 教師面臨的痛點問題

（1）上課前備新課沒有資源且精力不足。大學(xué)新課明顯增多，教師備課缺乏參考資料和案例，很難找到優(yōu)質(zhì)前沿的教學(xué)資源；同時，高校教師評職稱壓力過大，很多教師把更多精力投入自己的項目和課題中而忽視了真正關(guān)乎學(xué)生權(quán)益的授課。

（2）上課時缺乏調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的手段。大學(xué)教師因缺乏企業(yè)工作經(jīng)歷，講課內(nèi)容落后無趣且與實際應(yīng)用相脫節(jié)。

（3）考試期間出題、判卷工作量大。大學(xué)課程期末都需要任課教師自己出題閱卷，期末考試出AB卷且驗證內(nèi)容需要花費大量時間，批改卷子工作量更是繁重。

1.3 學(xué)校面臨的痛點問題

（1）熱門專業(yè)建設(shè)和招生?？梢猿袚?dān)企業(yè)級項目開發(fā)教學(xué)的師資力量嚴(yán)重不足，導(dǎo)致高校難以開展熱門專業(yè)；一些學(xué)校由于知名度不夠，導(dǎo)致難以招收到高質(zhì)量的生源。

（2）學(xué)生的學(xué)習(xí)、就業(yè)質(zhì)量難以科學(xué)有效地控制。學(xué)生學(xué)習(xí)熱情缺乏，專業(yè)基礎(chǔ)知識不牢固，職業(yè)素養(yǎng)松懈落后，創(chuàng)新創(chuàng)造能力匱乏，自學(xué)能力和自我規(guī)劃能力極低，導(dǎo)致學(xué)習(xí)質(zhì)量偏低；社會強需求技能課程很難及時開設(shè)，導(dǎo)致就業(yè)質(zhì)量難以保證。

（3）教師的培養(yǎng)及教學(xué)質(zhì)量難以科學(xué)有效地控制。學(xué)校缺乏對教師能力的培養(yǎng)及統(tǒng)一的量化管理制度，教師接觸不到企業(yè)的強需求及最新技術(shù)。

1.4 小 結(jié)

導(dǎo)致上述問題的本質(zhì)原因是教學(xué)理念與教學(xué)范式的發(fā)展滯后于時代的發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”時代（第三代教學(xué)范式），對傳統(tǒng)教學(xué)范式（第一代）和以慕課和翻轉(zhuǎn)課堂為特征的教學(xué)范式（第二代）提出了挑戰(zhàn)。

（1）第一代傳統(tǒng)課程范式指以傳統(tǒng)的手段授課，此種教學(xué)方式最大問題是導(dǎo)致學(xué)生厭學(xué)。

（2）第二代慕課、翻轉(zhuǎn)課堂范式?jīng)]有規(guī)模限制，但很多課程還沒有學(xué)分認(rèn)證。學(xué)生線下學(xué)習(xí)缺乏自主性，線下學(xué)習(xí)過程失控，教師無法做到統(tǒng)一管理。

基于以上高校教育教學(xué)中現(xiàn)存的痛點問題及原因，我們提出了第三代實境編程、跟隨編程的教育教學(xué)改革教學(xué)范式，是集教、學(xué)、練、測、評于一體的“互聯(lián)網(wǎng)+教育教學(xué)”系統(tǒng)。

2 解決方案

實境編程基于雙向代碼互動輕視頻技術(shù)開發(fā)，包括新課備課系統(tǒng)、跟隨授課系統(tǒng)、實境自學(xué)作業(yè)考試系統(tǒng)，以解決高校編程教學(xué)目前存在的理論與實踐脫節(jié)、編程實踐缺失、編程能力難以評價等問題，大幅度降低了教師工作量，對于推動高校計算機教學(xué)模式創(chuàng)新有著重要的促進(jìn)作用。

對于編程類教學(xué)，學(xué)生的參與感體驗尤為重要，實境編程教學(xué)系統(tǒng)自帶編程實踐環(huán)境，為學(xué)生打造全新的實境編程學(xué)習(xí)體驗。實境編程教學(xué)系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)的視頻單向輸出的慣有模式，重點增加交互、即時反饋等功能，學(xué)生可以在具有雙向互動特性的“輕視頻”上進(jìn)行二次編輯代碼，實現(xiàn)即學(xué)即練。

相較于傳統(tǒng)的編程只給出編程結(jié)果、缺少完成過程的傳統(tǒng)教育模式，實境編程提供面向過程的側(cè)重傳遞編程思維、邏輯可視化的教學(xué)方式，幫助學(xué)生追根溯源，了解整個編程的脈絡(luò)，形成自己的編程思維。

2.1 實境編程備課系統(tǒng)

實境編程教學(xué)系統(tǒng)提供了大量已錄制好的課程體系，各類各樣的新課熱課視頻示范性課程，教師備課只需模仿課程庫中的示范視頻課程的講解，無需自己苦思備課，大大減輕了教師備課的壓力。

同時實境編程備課系統(tǒng)擁有便捷的在線編程課程制作功能，教師上課無需攜帶課件，可利用分享和協(xié)作工具來進(jìn)行教學(xué)活動設(shè)計和教學(xué)過程管理，通過創(chuàng)建章節(jié)及詳情、錄制代碼編寫過程、添加語音講解3個步驟完成在線編程課程制作，提高教學(xué)效率。

2.2 跟隨編程授課系統(tǒng)

跟隨編程授課系統(tǒng)支持學(xué)生隨著教師的代碼講解進(jìn)行操作練習(xí)。此系統(tǒng)分為學(xué)生端與教師端，在教師端，系統(tǒng)提供相應(yīng)課程的課件、編程參考代碼及運行結(jié)果供教師參考。

在學(xué)生端，系統(tǒng)提供左右兩個板塊。左端上下部分分別為教師敲寫代碼的過程呈現(xiàn)及運行結(jié)果預(yù)覽。右端上下部分分別為學(xué)生自己敲寫代碼的編輯器及運行結(jié)果的預(yù)覽呈現(xiàn)。

在講課過程中教師在教師端敲寫代碼，學(xué)生的手機、平板、電腦同步顯示并隨之敲寫。由此，在實際的編程過程中，教師講解了代碼的編寫邏輯、技巧以及基礎(chǔ)的語法、概念。學(xué)生實時跟隨教師的講解輸入代碼編寫程序，縮短了學(xué)習(xí)過程，學(xué)生少有掉隊和走神。同時學(xué)生實時背靠背無顧忌提問題，教師可以快速掌握學(xué)生對課上內(nèi)容的接受情況。

2.3 實境編程自學(xué)系統(tǒng)

實境編程自學(xué)系統(tǒng)提供了教師提前錄制好的視頻課程。此視頻課程包含了教師輸入代碼的全過程及相應(yīng)語音講解，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可以隨時暫停視頻，直接在視頻課程上進(jìn)行代碼的改寫及編譯測試，測試完畢后再次開啟視頻，系統(tǒng)可以自動清空學(xué)生編寫的代碼，繼續(xù)播放教師的視頻編碼課程。

此系統(tǒng)可以實現(xiàn)讓優(yōu)秀的學(xué)生超前學(xué)習(xí)、基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生反復(fù)學(xué)習(xí)，極大地提高了學(xué)生編寫代碼的熟練度。

2.4 實境編程作業(yè)與上機系統(tǒng)

實境編程作業(yè)與上機系統(tǒng)擁有得天獨厚的交互式作業(yè)批改模式，不僅客觀題，編程題也可以實現(xiàn)在線自動測評，通過測試用例檢測學(xué)生編程過程。

學(xué)生寫作業(yè)敲代碼的全過程可以全部記錄和錄音，以此規(guī)避了學(xué)生作弊抄襲的行為。學(xué)生寫完作業(yè)后，系統(tǒng)便可通過即答即現(xiàn)的方式，自動判分出分，讓學(xué)生迅速收到反饋信息。學(xué)生同時也可以通過該系統(tǒng)不斷地刷分，以此激勵學(xué)生反復(fù)練習(xí)，以期提高學(xué)生編寫代碼的熟練度，掌握更多編程知識。

同時該系統(tǒng)也方便教師以語音、文字等方式進(jìn)行即時批改和輔導(dǎo)。每種行為都會產(chǎn)生和教學(xué)相關(guān)的數(shù)據(jù)，形成多樣化的教學(xué)流數(shù)據(jù)。讓教師更精準(zhǔn)把握教學(xué)節(jié)奏和教學(xué)評估，智慧地指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，提升其學(xué)習(xí)效率和精準(zhǔn)度。

2.5 實境編程考試系統(tǒng)

實境編程考試系統(tǒng)在考試時可以自動出試卷，使考試前無需再進(jìn)行環(huán)境的部署，系統(tǒng)自動的時間測控也保證了學(xué)生們在考試時間上的公平性?？荚囅到y(tǒng)具備反作弊功能，記錄了學(xué)生編程的全過程和語音?？纪暝嚭罂荚囅到y(tǒng)又可以進(jìn)行自動判分，同時也可以模糊判分，即學(xué)生編程結(jié)果不對系統(tǒng)也會根據(jù)題目的要點去鎖定學(xué)生所寫代碼的過程，給出合理恰當(dāng)?shù)姆謹(jǐn)?shù)。

3 實境編程教學(xué)系統(tǒng)特點與優(yōu)勢

實境編程教學(xué)系統(tǒng)有兩個特色：第一是實現(xiàn)實時教學(xué)同步，即通過信息實時同步的技術(shù)，把教師輸入的代碼實時傳遞到學(xué)生的客戶端，同時學(xué)生敲的代碼也可以傳遞給教師，這樣的一個雙向同步，就像進(jìn)行編程的實時直播。第二是能夠在遠(yuǎn)程云端編譯、運行，然后再返回到主機上。即本機上可以不安裝任何軟件或工具，只要一個瀏覽器就可以運行任何代碼。

首先，提升了教師備課和授課的效率。一方面，教師不僅可以把上課需要講授的代碼提前敲入系統(tǒng)中做備份，減少課堂上的調(diào)試環(huán)節(jié)，還可以上傳PPT、教案來共享教學(xué)成果，讓優(yōu)秀的教學(xué)方案被更多教師看到、使用。另一方面，在日常授課中，教師也可以通過如下兩方面提升教學(xué)效率和質(zhì)量。第一，師生互動變得更加簡潔、有效。當(dāng)教師需要了解學(xué)生對某一知識點的掌握情況或教學(xué)成果尋求反饋時，可以直接從自己的主機上向?qū)W生發(fā)送調(diào)查題目或問卷，學(xué)生端即時接收到后可以將結(jié)果即刻返送回教師端的主機上；除此之外，當(dāng)學(xué)生遇到困難，需要向教師尋求幫助的時候，可以直接在自己的屏幕上點擊按鈕，教師在自己的主機上接收到學(xué)生的請求幫助后，可以從云端直接把學(xué)生的問題同步到主機上進(jìn)行調(diào)試和解答，無需來回走動解答學(xué)生的問題，這樣不僅能夠減少教師頻繁穿梭在學(xué)生之間花費的時間，還可以利用在自己主機上展示問題的便利，讓遇到同種類型問題的同學(xué)能夠同步學(xué)習(xí)，提升溝通和教學(xué)效率。第二，教師能夠便捷地獲取更多的教學(xué)反饋數(shù)據(jù)，為教學(xué)研究積累豐富的素材。教師可以通過系統(tǒng)的設(shè)置，收集學(xué)生對某一個知識點或者問題的反饋，來查看學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的掌握程度，并通過數(shù)據(jù)的積累和沉淀，最終實現(xiàn)信息化教學(xué)和資源的最優(yōu)化配置。

其次，學(xué)生在一個電腦屏幕中一邊學(xué)習(xí)教師講授的內(nèi)容，一邊自己進(jìn)行實踐操作，省去頻繁抬頭、低頭的中斷性動作，實現(xiàn)更加流暢的編程學(xué)習(xí)，在有限的45分鐘課堂上提升學(xué)習(xí)效率，更有利于牢固地掌握知識點，實現(xiàn)理論和實踐無縫銜接，進(jìn)一步提高自身的實踐能力。

4 應(yīng)用與實踐

第三代教育教學(xué)改革教學(xué)范式（實境編程教學(xué)系統(tǒng)）已在首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)的編程課堂上展開了應(yīng)用?！案S式實境編程教學(xué)法”能夠在課堂上實現(xiàn)教師與學(xué)生“教與學(xué)”“傳授與吸收”的同步運行，對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的反饋和實踐能力的提升有“看得見”的效果。信息學(xué)院2015級本科同學(xué)表示：“我們在課上要動手操作，緊跟教師的學(xué)習(xí)進(jìn)度，還要忙著搶答問題，一堂課過得很快，根本顧不上低頭看手機?！?/p>

教師在課堂上采用“實踐導(dǎo)向教學(xué)范式”，通過教給學(xué)生實用的知識和技能，來調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。信息學(xué)院2017級研究生同學(xué)表示：“在教師發(fā)布任務(wù)時，我有一種參加比賽的感覺，不僅會用到課上剛學(xué)的知識，還要記住以前課上學(xué)過的代碼，做出來之后真的很有成就感?！?/p>

班上有實習(xí)經(jīng)驗的同學(xué)也紛紛表示課堂上的知識非常實用。在教師的教學(xué)計劃中，對學(xué)生的考核貫穿課堂始終，課堂搶答、課后作品都計入成績，整個考評環(huán)節(jié)串聯(lián)起所有課程點，以過程性、激勵性評價取代一定的考試成績。我們可以發(fā)現(xiàn)，“跟隨式實境編程教學(xué)法”能夠大大提升教學(xué)效果和效率，使教、學(xué)、測、評成為一個閉環(huán)。

不僅如此，教師還可以在系統(tǒng)里上傳PPT、教案來共享教學(xué)成果，讓優(yōu)秀的教學(xué)方案被更多教師看到、使用。這極大地減輕了教師的備課負(fù)擔(dān)，使他們能將更多精力投入課堂互動、教學(xué)改革和科研項目等工作中。目前，信息學(xué)院已經(jīng)開始組織教師試聽并論證這種方法的可行性，院方表示：“學(xué)院設(shè)立了許多獎項激勵教師創(chuàng)新教學(xué)方法，也希望教師能夠共享優(yōu)秀的教學(xué)資料，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。”從學(xué)校的角度看，分享優(yōu)秀教師的教學(xué)方案，也可以在一定程度上保證教學(xué)效果。

“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，實境編程教學(xué)理念和系統(tǒng)針對高校教育過程中真實的痛點問題，整合課程、平臺、制課等服務(wù)，將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與高校現(xiàn)有教育體系不斷融合，深度挖掘互聯(lián)網(wǎng)時代信息技術(shù)，為教育注入新的思路，為教學(xué)中教師教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)、學(xué)校提升教育質(zhì)量提供了一套工作量低、全過程可監(jiān)控、質(zhì)量有保證的解決方案。