基于SPOC的程序設(shè)計(jì)類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

熊啟軍，龔雄興，寧 彬，谷 瓊，程格平

（湖北文理學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053）

0 引 言

程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)貫穿計(jì)算機(jī)類專業(yè)人才培養(yǎng)的整個(gè)階段，其重要性不言而喻。針對(duì)程序設(shè)計(jì)課程群開展的教學(xué)研究層出不窮，且一直呈現(xiàn)欣欣向榮的景象。在日益重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)、強(qiáng)調(diào)動(dòng)手能力、倡導(dǎo)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)、推進(jìn)新工科建設(shè)的背景下，多種教學(xué)模式、評(píng)測(cè)手段應(yīng)運(yùn)而生，特別是MOOC、SPOC、翻轉(zhuǎn)課堂、大數(shù)據(jù)等新思維和技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)教學(xué)方式的改進(jìn)和教學(xué)質(zhì)量、教學(xué)效率的提升起到巨大的促進(jìn)作用[1]。從研究成果和應(yīng)用情況來看，理論研究成果豐富、應(yīng)用范圍廣泛，實(shí)驗(yàn)研究成果則略顯單薄、應(yīng)用也相對(duì)滯后，因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究和應(yīng)用是當(dāng)務(wù)之急。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

目前，實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要存在3種模式：傳統(tǒng)型、平臺(tái)型和復(fù)合型。

1.1 傳統(tǒng)型

廣大地方院校主要依照“準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)、報(bào)告、批閱”的四部曲組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)[2]，這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式及過程存在顯著的弊端，往往使得師生雙方都不滿意。

（1）實(shí)驗(yàn)缺乏參照性。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容必然依托課程的理論知識(shí)和示例，必定不是教材例題的簡(jiǎn)單重復(fù)，肯定是對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的驗(yàn)證、應(yīng)用和拓展。在面對(duì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)時(shí)，部分學(xué)生感覺缺乏直接參照物，首先想到的是“百度”，而不是積極思考，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效率低下。

（2）實(shí)驗(yàn)缺乏自主性。學(xué)生被固定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)時(shí)間所束縛，沒有自由支配的時(shí)間和空間，繼而產(chǎn)生“吃不到、吃不飽”的現(xiàn)象[3]，容易導(dǎo)致敷衍塞責(zé)或磨滅積極向上意志的后果。

（3）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)缺乏有效性。客觀存在的“一間教室、一位教師、一群學(xué)生”的實(shí)驗(yàn)條件[4]，使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中碰到的困惑、疑難、錯(cuò)誤，即使通過學(xué)生和師生互助、百度等方式解決一些，也仍有一些學(xué)生不能得到及時(shí)有效的指導(dǎo)和權(quán)威的答案，不能及時(shí)解決問題，實(shí)驗(yàn)熱情、實(shí)驗(yàn)效率大打折扣。

（4）實(shí)驗(yàn)評(píng)定缺乏公正性。由于實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)任務(wù)繁重、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的批閱量大，教師不得不過分關(guān)注實(shí)驗(yàn)結(jié)果，無可奈何地降低或放棄實(shí)驗(yàn)過程在實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定中的比重，使得成績(jī)?cè)u(píng)定缺乏公正性，間接助長(zhǎng)偷工減料和抄襲行為。即使開展過程性評(píng)價(jià)，由于操作的復(fù)雜性、局限性，也往往是虎頭蛇尾。

（5）實(shí)驗(yàn)后續(xù)缺乏側(cè)重性。實(shí)驗(yàn)批閱后，學(xué)生只關(guān)注自己的得分，而輕視和忽略教師對(duì)具體內(nèi)容的批改和評(píng)語，以及個(gè)人的反思和改進(jìn)。

1.2 平臺(tái)型

通過在線評(píng)測(cè)平臺(tái)（online judge）實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)過程是學(xué)生在平臺(tái)上刷題、提交程序代碼給服務(wù)器進(jìn)行自動(dòng)評(píng)判、返回評(píng)判結(jié)果[5]?；谠诰€評(píng)測(cè)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ匠尸F(xiàn)出的主要特點(diǎn)是以刷題量、正確率為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，屬于題海戰(zhàn)術(shù)；教師的工作重心從指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)向編撰實(shí)驗(yàn)題轉(zhuǎn)變；對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺性要求更高，但在實(shí)際應(yīng)用中，這種實(shí)驗(yàn)方式具有顯著缺點(diǎn)。

（1）缺乏師生交流。自動(dòng)評(píng)測(cè)平臺(tái)雖然將教師從繁重的體力和腦力勞動(dòng)中解放出來，但是師生交互大大降低或缺失；學(xué)生直面平臺(tái)反饋的簡(jiǎn)短程序調(diào)試信息，難于發(fā)現(xiàn)和改正錯(cuò)誤。

（2）缺乏質(zhì)量保證。雖然通過“刷題”可以大大地增加程序代碼量的訓(xùn)練，卻缺少程序編碼風(fēng)格化和程序格式規(guī)范化的訓(xùn)練和培養(yǎng)，可能導(dǎo)致程序代碼的可讀性變差，即重?cái)?shù)量、輕質(zhì)量。

（3）缺乏實(shí)驗(yàn)過程。在評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)成績(jī)時(shí)，以“刷題”的程序代碼“Pass”為主要評(píng)分依據(jù)，忽略思考和設(shè)計(jì)的過程。

（4）缺乏實(shí)驗(yàn)文檔。在線評(píng)測(cè)平臺(tái)一般不具備自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的功能，學(xué)生也會(huì)忽視實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告文檔的格式和內(nèi)容缺乏了解，更重要的是缺乏寫作能力的鍛煉和培養(yǎng)。

1.3 復(fù)合型

復(fù)合型教學(xué)模式是將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與自動(dòng)評(píng)測(cè)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)取長(zhǎng)補(bǔ)短、相得益彰。通常，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中編程題通過傳統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)、客觀題通過自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，或者對(duì)大眾采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式、對(duì)學(xué)有余力者采用自動(dòng)評(píng)測(cè)平臺(tái)方式?；蛘哒f，傳統(tǒng)式側(cè)重于對(duì)基本概念和原理的理解、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，平臺(tái)型側(cè)重于應(yīng)用性、綜合性實(shí)驗(yàn)。

2 SPOC實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)

隨著MOOC、SPOC、微課、翻轉(zhuǎn)課堂等新型教學(xué)資源和教學(xué)方式的興起，個(gè)性化、碎片化、自主性學(xué)習(xí)備受推崇，且成為了教學(xué)研究和教學(xué)實(shí)施的主流[6]。SPOC是MOOC的補(bǔ)充和拓展，充分利用SPOC的微小性（篇幅短小）、特定性（針對(duì)特定問題和特定對(duì)象）、普遍性（針對(duì)學(xué)生普遍存在的問題和難題）開展教學(xué)[7]，形成SPOC實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。概括起來，基于SPOC的實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有“四化”的優(yōu)勢(shì)。

（1）實(shí)驗(yàn)知識(shí)專題化。針對(duì)實(shí)驗(yàn)所涉及知識(shí)點(diǎn)或?qū)W生在實(shí)驗(yàn)中普遍存在的問題、疑惑、錯(cuò)誤開辟專題教學(xué)，既可以供學(xué)生課內(nèi)外隨時(shí)查閱和學(xué)習(xí)，又可以避免教師的重復(fù)性勞動(dòng)。

（2）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)同步化。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)不是實(shí)驗(yàn)示例、實(shí)驗(yàn)原理的簡(jiǎn)單羅列和歸納，而是借助SPOC平臺(tái)，把具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、操作步驟、主要代碼、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入、結(jié)果輸出的詳細(xì)解析等制作成微視頻、PPT、Word文檔。這樣，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中碰到困難時(shí)，既可隨時(shí)查看和參考實(shí)驗(yàn)操作步驟、方法、代碼等，避免實(shí)驗(yàn)中途的卡殼，又可以通過SPOC平臺(tái)的答疑區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)求助和答疑。在實(shí)驗(yàn)評(píng)分時(shí)，可依據(jù)查閱參考答案的次數(shù)、求助問題的難度等進(jìn)行加權(quán)減分。

（3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容碎片化[8]。一方面教師可以給出實(shí)驗(yàn)題目的解答框架，讓學(xué)生補(bǔ)充具體內(nèi)容和細(xì)節(jié)；另一方面可采用碎片化的項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，旨在培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的綜合性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性等能力，但初學(xué)者可能對(duì)項(xiàng)目開發(fā)束手無策，因此，可以從項(xiàng)目的提出、需求分析、總體功能設(shè)計(jì)、詳細(xì)算法設(shè)計(jì)、具體編碼和調(diào)試、測(cè)試等步驟著手，進(jìn)行過程性分析、碎片化分解、示例性講解，讓學(xué)生感受到有章可循、有例可仿、有新可創(chuàng)。

（4）實(shí)驗(yàn)自主化。經(jīng)過一系列的訓(xùn)練后，學(xué)生完全可以在課堂內(nèi)外進(jìn)行自主性實(shí)驗(yàn)，從而建立起以熟悉基本概念、掌握常用算法、培養(yǎng)編碼能力為主線，以學(xué)生為主體，以主動(dòng)學(xué)習(xí)為主軸，線上線下優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[9]。該教學(xué)模式具有更貼近教學(xué)班級(jí)的實(shí)際情況、自主掌控實(shí)驗(yàn)進(jìn)度、靈活多樣的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)形式等特點(diǎn)，正日益受到師生的青睞[10]。

3 SPOC實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

3.1 SPOC模式實(shí)施方案

對(duì)于程序設(shè)計(jì)類課程，實(shí)驗(yàn)題型主要涉及選擇、填空、判斷、改錯(cuò)等類型的客觀題和編程、辨析等主觀題，實(shí)質(zhì)內(nèi)容是基本概念和原理的理解和應(yīng)用、算法設(shè)計(jì)、編碼和程序調(diào)試[11]。基于SPOC的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型如圖1所示，在SPOC教學(xué)平臺(tái)上，圖中的各部分之間通過菜單和超鏈接組織在一起。

圖1 基于SPOC的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型

3.2 SPOC模式實(shí)施范例

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法是計(jì)算機(jī)類專業(yè)、程序設(shè)計(jì)類課程的核心基礎(chǔ)，線性鏈表則是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程內(nèi)容中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。以該課程中的“使用鏈表實(shí)現(xiàn)一元多項(xiàng)式乘法”為例[12]，SPOC實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降木唧w實(shí)施如下。

該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的元知識(shí)點(diǎn)包括一元多項(xiàng)式結(jié)點(diǎn)和鏈表類型定義、存儲(chǔ)空間的動(dòng)態(tài)申請(qǐng)、指針賦值、數(shù)據(jù)項(xiàng)訪問等；由這些元知識(shí)再構(gòu)成鏈表的基本操作，如鏈表的建立、遍歷、插入、刪除等；進(jìn)而再構(gòu)成鏈表更復(fù)雜的運(yùn)算，如同類項(xiàng)合并、多項(xiàng)式乘法等。在算法設(shè)計(jì)和解答示例中提供演示數(shù)據(jù)及程序運(yùn)行效果圖，各實(shí)驗(yàn)步驟以元知識(shí)點(diǎn)講授、基本運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)、復(fù)雜算法的設(shè)計(jì)為單位，采取圖文并茂的形式制作PPT文稿、錄制微視頻、編輯Word文檔。圍繞圖1，將各部分內(nèi)容進(jìn)行分類組織，可構(gòu)成“使用鏈表實(shí)現(xiàn)一元多項(xiàng)式乘法”實(shí)驗(yàn)的SPOC模式解決方案，如圖2所示。

3.3 教學(xué)效果對(duì)比

在湖北文理學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院2016級(jí)軟件工程專業(yè)兩個(gè)平行班（各60人）進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)一的主要內(nèi)容是“順序表實(shí)現(xiàn)一元多項(xiàng)式加法[13]”，實(shí)驗(yàn)二是“鏈表實(shí)現(xiàn)一元多項(xiàng)式乘法”，圖3所示是1班采用SPOC實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ蕉?班不采用時(shí)，實(shí)驗(yàn)一成績(jī)對(duì)比；圖4所示是均采用SPOC實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綍r(shí)，實(shí)驗(yàn)二成績(jī)對(duì)比。從圖3中可以看出，采用與不采用SPOC實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降娘@著差別；從圖4可以看出，在2班采用SPOC實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式后，實(shí)驗(yàn)成績(jī)顯著提升，成績(jī)分布與1班非常接近。由此可見，基于SPOC的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式可以提高實(shí)驗(yàn)成績(jī)，從而提升實(shí)驗(yàn)效率、效果和教學(xué)質(zhì)量。

圖2 SPOC模式解決方案示例

圖3 實(shí)驗(yàn)一成績(jī)對(duì)比

圖4 實(shí)驗(yàn)二成績(jī)對(duì)比

4 結(jié) 語

各級(jí)各類學(xué)校在研究如何教學(xué)方面的投入是巨大的，也取得了一些成效，但在研究如何解決學(xué)生主動(dòng)學(xué)方面卻顯得極為薄弱，且后者才是提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。目前，湖北文理學(xué)院正在開展“千問計(jì)劃”，即對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到的各種問題和建議進(jìn)行收集、分類、整理、回答，集編成冊(cè)，這既為教師掌控和改進(jìn)教學(xué)提供第一手資料，又為學(xué)生學(xué)習(xí)提供參考和借鑒，這一舉措必將使SPOC 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式更加完善，對(duì)教學(xué)改革和教學(xué)質(zhì)量建設(shè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。