程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的敏捷教學(xué)方法探索與實(shí)踐

馮 筠，吳 桐，盧 鑫，馮宏偉，孫 霞

（西北大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710127）

1 背 景

程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)科學(xué)類專業(yè)最重要的平臺課程之一，主要面向基本沒有編程經(jīng)驗(yàn)的大一新生，旨在引入計(jì)算思維、培養(yǎng)程序設(shè)計(jì)思想和編程技能[1]。然而，對大部分學(xué)生來說，在短短一個學(xué)期內(nèi)熟練掌握編程技能有一定的挑戰(zhàn)性。慣于接受應(yīng)試教育的學(xué)生會發(fā)現(xiàn)將知識和技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際問題的解決中不太容易，尤其是用計(jì)算思維來思考解決問題難以適應(yīng)[2]。同時，程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)也是能力需求密集型課程，部分學(xué)生可能會在學(xué)習(xí)中感到挫??；或者是能聽懂和理解課程，但卻在實(shí)際編程時無法完成任務(wù)[3]。

眾所周知，工科課程以理論知識講授和實(shí)際應(yīng)用能力培養(yǎng)為主，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和綜合性。因此教師在教授這類課程時不但要構(gòu)建合理的知識結(jié)構(gòu)，還需設(shè)計(jì)階段化的能力目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生在未來的學(xué)習(xí)和工作中都能良久受益的可持續(xù)競爭力。知識通常是顯性的、容易傳授的，學(xué)生對知識的掌握程度容易通過填空題、選擇題等概念性評測表現(xiàn)出來；而能力往往是隱含的，需要更加綜合的題型來嘗試評估。在程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中，常用編程題、程序填空題等間接測試。由于知識和能力的綜合性，學(xué)生的學(xué)習(xí)程度往往參差不齊，照本宣科、千人一面的教學(xué)方案顯然是不可取的。然而，如何將培養(yǎng)能力融入知識化的大學(xué)課程中至今還是一個開放問題。

傳統(tǒng)的教學(xué)方法類似軟件開發(fā)中的“瀑布模型”，一般需要經(jīng)過立項(xiàng)、設(shè)計(jì)、建設(shè)、實(shí)施、調(diào)優(yōu)等幾個階段，是按照教師事先設(shè)計(jì)好的教案按部就班的教學(xué)過程，很少考慮學(xué)生的個體性和差異性[4]。敏捷教學(xué)強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，注重學(xué)生的個人志趣與學(xué)校培養(yǎng)目標(biāo)相結(jié)合，定制適應(yīng)個體的培養(yǎng)方案；是理論、知識、能力和素質(zhì)多方位融合的教學(xué)體系，是激發(fā)學(xué)生潛能、培養(yǎng)學(xué)生可持續(xù)競爭力的教學(xué)過程[5]。敏捷理念最早源于制造領(lǐng)域，從20世紀(jì)90年代開始受到軟件開發(fā)領(lǐng)域的關(guān)注。21世紀(jì)初期，敏捷理念拓展到項(xiàng)目管理領(lǐng)域，并逐步擴(kuò)大到教育領(lǐng)域[6]。因?yàn)槊艚萁虒W(xué)過程較為快速、輕量化，而且學(xué)習(xí)任務(wù)安排合理、可交付，這使得那些渴望成功但缺乏基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生能夠得到教師的及時指導(dǎo)，一步一步實(shí)現(xiàn)能力達(dá)成的終極目標(biāo)。

顯而易見，教學(xué)效果的迅速反饋是敏捷教學(xué)的基礎(chǔ)[7]。與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，在敏捷教學(xué)過程中需要輔以更多的測試和評估，使教師迅速了解學(xué)生學(xué)習(xí)狀況，對下一輪迭代教學(xué)過程做出及時調(diào)整；同時，也使學(xué)生可以快速了解知識漏洞、自我反思、積極調(diào)整學(xué)習(xí)態(tài)度和方法。此外，敏捷教學(xué)注重培養(yǎng)學(xué)生與教師之間的溝通和互動，鼓勵學(xué)生積極地參與學(xué)習(xí)過程，充分發(fā)揮主觀能動性。對于工科課程，教師在教學(xué)的前期階段突出“教練”的角色；在后期隨著學(xué)生自信心和自學(xué)能力增強(qiáng)，教師從“教練”退出為“觀察者”，讓學(xué)生自己學(xué)習(xí)、互相學(xué)習(xí)、從經(jīng)驗(yàn)和失敗中學(xué)習(xí)，切實(shí)提高未來的“可持續(xù)競爭力”。

以“拼題”為代表的程序設(shè)計(jì)在線測試平臺目前國內(nèi)已有不少，并在程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的敏捷教學(xué)中扮演了重要角色；缺點(diǎn)是只有二級知識點(diǎn)，評估結(jié)果反饋不夠全面，只有知識點(diǎn)掌握情況分析，沒有能力達(dá)成分析。筆者團(tuán)隊(duì)在編程教育相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了多年的研究，利用層次化的知識點(diǎn)樹研究開發(fā)了個性化習(xí)題推薦系統(tǒng)[8]，該系統(tǒng)重點(diǎn)分析了學(xué)生在編程課程中對知識點(diǎn)掌握情況，從而進(jìn)一步推薦適合學(xué)生的習(xí)題來提高學(xué)習(xí)成績。也有學(xué)者研究基于評估結(jié)果的學(xué)生分組[9]，但是目前還沒有發(fā)現(xiàn)能夠滿足敏捷教學(xué)各項(xiàng)需求的完善在線評估平臺。

2 基于知識圖譜和能力層級的課程資源準(zhǔn)備

敏捷教學(xué)中的授課元素和評估過程可抽象如圖1所示。

（1）知識：主要是概念性的，可采用學(xué)生自學(xué)、MOOC微視頻、教師講授等方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過選擇、填空、判斷等題型進(jìn)行測試。

（2）能力：只能通過培養(yǎng)和練習(xí)達(dá)成，教師可通過實(shí)例、實(shí)訓(xùn)、示范等方法進(jìn)行傳授，通過編程、函數(shù)編寫、程序填空等題型進(jìn)行測試。

教師通過多種教學(xué)手段進(jìn)行知識傳授和能力培養(yǎng)，通過在線評估系統(tǒng)迅速得到教學(xué)效果反饋，實(shí)時修正教學(xué)內(nèi)容和策略。

根據(jù)課程的目標(biāo)，教師首先把需要達(dá)成的能力描述為多個等級。表1列出了程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的能力層級和先序關(guān)系描述。

圖1 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)敏捷教學(xué)過程

表1 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)能力層級描述

為了涵蓋所有的概念性內(nèi)容，將課程大綱細(xì)化為4層知識粒度，稱為不同層次的知識點(diǎn)。通過梳理知識點(diǎn)之間的關(guān)系，最終組織成為知識圖譜。知識點(diǎn)的上層和下層之間是包含關(guān)系，同級別知識點(diǎn)之間可能是遞進(jìn)、并列關(guān)系。程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的課程包括237個知識點(diǎn)、231個包含關(guān)系、125個遞進(jìn)關(guān)系。知識圖譜的構(gòu)建為將來的知識追蹤做好了鋪墊，為學(xué)生動態(tài)分組和知識漏洞的最終溯源提供了基礎(chǔ)。表2列出了程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的部分知識點(diǎn)定義。

為保證在線測試的評價準(zhǔn)確，約定概念性的知識通過選擇題、判斷題和填空題測試。為這些習(xí)題標(biāo)注已有知識圖譜的1～3個知識點(diǎn)（見表3）。

能力性的測試則通過程序填空題、函數(shù)題和編程題完成。這些題型由于涉及知識點(diǎn)比較多，需顯示學(xué)生的綜合能力，因此標(biāo)注能力層級即可。注意能力層級和第一層知識點(diǎn)之間并非唯一的對應(yīng)關(guān)系。表4顯示了編程題的能力層級標(biāo)注示例。

表2 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識點(diǎn)定義列表（部分）

表3 選擇題、判斷題、填空題的知識點(diǎn)標(biāo)注

表4 程序填空題、函數(shù)題、編程題的能力層級標(biāo)注

3 面向敏捷教學(xué)的在線評測系統(tǒng)

為了達(dá)到敏捷教學(xué)的目標(biāo)，通過評估迅速了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況至關(guān)重要。通過教學(xué)實(shí)踐，面向敏捷教學(xué)的在線評測系統(tǒng)需具有如下功能。

2016年4月，“華山-五院（上海市第五人民醫(yī)院，以下簡稱“五院”）-閔行（閔行社區(qū)）”醫(yī)聯(lián)體簽約建設(shè)。在此框架下，華山醫(yī)院在醫(yī)療服務(wù)、學(xué)科建設(shè)、教學(xué)科研等方面與五院逐步深入融合。從2016年初，華山醫(yī)院、五院和相關(guān)企業(yè)開展了醫(yī)聯(lián)體及腦卒中單病種業(yè)務(wù)合作，努力在篩查預(yù)警、卒中急救、遠(yuǎn)程卒中、卒中商保、診斷治療、隨訪評估、康復(fù)干預(yù)等方面創(chuàng)新探索。

（1）測試部署。教師能夠利用標(biāo)注好的習(xí)題庫，方便地組織和部署考試；系統(tǒng)最好能夠自動檢測測試內(nèi)容的完備性，并對測試難度給出估計(jì)。

（2）在線答題。評估學(xué)習(xí)效果的基本方法有課堂提問、注意觀察學(xué)生課堂反應(yīng)等，但這些方式都不夠全面，難以量化。我們認(rèn)為最有效的方法是全體學(xué)生周期性在教學(xué)時間軸的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行在線測試。因此，方便的在線答題功能至關(guān)重要。對于程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程來說，主要用到的題型有：用于知識概念測試的選擇、判斷、填空題，用于能力水平檢測的程序填空、函數(shù)和編程題。此外，由于教師時間有限，測試結(jié)果的自動評判非常重要。程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程用到的所有題型目前各大平臺均能自動評判，問答題在該次課程教改中暫時沒有涉及。

（3）評估結(jié)果反饋?；诖髷?shù)據(jù)量答題記錄的各類統(tǒng)計(jì)、可視化模塊可使教師迅速及時了解整體學(xué)生對知識掌握情況和能力的達(dá)成情況，對敏捷教學(xué)的下一個周期迭代非常關(guān)鍵。

（4）教學(xué)及學(xué)習(xí)策略建議。根據(jù)學(xué)生的評估情況，建議教師進(jìn)行動態(tài)學(xué)生分組，對學(xué)生進(jìn)行知識漏洞提醒、掉隊(duì)學(xué)生預(yù)警等，促使教學(xué)過程的閉環(huán)盡快形成。

圖2展示了面向敏捷教學(xué)的在線評測系統(tǒng)的用例圖，并描述了系統(tǒng)的主要功能模塊。

下面簡述在敏捷教學(xué)過程中的一些關(guān)鍵內(nèi)容。

（1）測試部署的時間節(jié)點(diǎn)規(guī)范化、周期化。在能力層級提升的每個關(guān)鍵時間點(diǎn)，必須進(jìn)行在線測試，以即時獲得學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)反饋。圖3顯示了本文描述的敏捷教學(xué)改革學(xué)期進(jìn)行的15次測試和能力層級之間的關(guān)系。

（3）評估結(jié)果的可視化。如果班級人數(shù)多，大量測試結(jié)果和表格式的答題記錄很難讓教師迅速了解學(xué)生掌握情況。系統(tǒng)需要有多種分析和可視化的能力，可將答題記錄呈現(xiàn)在教師面前，一目了然。評估結(jié)果主要包括3個類別：班級整體情況、學(xué)生個體情況及教學(xué)策略建議。

圖2 面向敏捷教學(xué)的在線評測系統(tǒng)用例圖

圖3 本學(xué)期進(jìn)行的15次測試和能力層級示意圖

班級整體情況包括能力達(dá)成情況、知識點(diǎn)得分率分布情況、知識點(diǎn)掌握情況等，如圖5所示。根據(jù)班級整體分析和知識點(diǎn)掌握情況等，教師很容易得出教學(xué)內(nèi)容調(diào)整的策略。

學(xué)生個體情況分析用于學(xué)生對于知識點(diǎn)漏洞的自查，教師對個別學(xué)生的跟蹤等，可以展示任意層級知識點(diǎn)的掌握情況表及本人目前的能力層級、在班級的排位（圖6所示）等。

（4）基于數(shù)據(jù)挖掘的教學(xué)策略建議。在大數(shù)據(jù)支持的基礎(chǔ)上，基于答題記錄分析的教學(xué)策略建議，需要用到數(shù)據(jù)挖掘（無監(jiān)督）或機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)（監(jiān)督）。例如基于答題記錄的學(xué)生動態(tài)分組，可采用知識圖譜的相似度匹配和K近鄰技術(shù)完成[9]；基于知識追蹤的個性化學(xué)習(xí)資源推薦可采用協(xié)同過濾算法完成[10]等。

4 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)敏捷教學(xué)改革實(shí)踐

圖4 答題記錄表（自動生成）

授課班級為2018級信息學(xué)科學(xué)生，采用敏捷教學(xué)改革的班級稱為教改班級42人，采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行教學(xué)的對比班級38人，兩個班級入校高考成績分布基本相同。兩個班級使用相同的教學(xué)大綱和教材。2018年秋季學(xué)期程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)定為54理論課時+36上機(jī)機(jī)時，由于是新生，減去軍訓(xùn)、國慶假期，期中期末考試周，剩余共計(jì)12個教學(xué)周。教改班級按照第2節(jié)設(shè)定的11個能力層級，每周完成一個能力層級，周一開始，周五檢驗(yàn)，周末留給學(xué)生查遺補(bǔ)缺，留一周時間根據(jù)學(xué)生情況動態(tài)調(diào)整。

圖5 班級整體情況可視化模塊

圖6 學(xué)生個體情況分析模塊

理論教學(xué)主要是知識的傳授過程，采用混合式教學(xué)模式。已在愛課程上線程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)例與案例SPOC課程，只用于預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)和查遺補(bǔ)缺，不作為主要的教學(xué)手段，也未采用翻轉(zhuǎn)課堂形式。能力培養(yǎng)采用實(shí)例示范+程序訓(xùn)練模式。針對每個能力層級編制了實(shí)驗(yàn)手冊，引導(dǎo)學(xué)生從理論知識點(diǎn)出發(fā)，從實(shí)例中思考，摸索和擴(kuò)展。上機(jī)時學(xué)生跟著實(shí)驗(yàn)手冊邊做邊練，然后布置作業(yè)在課后完成。

教學(xué)改革中每周實(shí)施：2學(xué)時在教室理論講授，2學(xué)時在機(jī)房練習(xí)實(shí)驗(yàn)手冊，2學(xué)時在機(jī)房在線PTA平臺測試。除了統(tǒng)一的課時和機(jī)時外，每周留課外上機(jī)作業(yè)，根據(jù)調(diào)查學(xué)生大約會花每周4～10學(xué)時完成作業(yè)。整體的教學(xué)過程按照能力層級設(shè)定逐步展開，大部分學(xué)生基本上每周登上一個能力層級。圖7展示了一個周期的教學(xué)及自學(xué)安排。

圖7 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)敏捷教學(xué)的一個周期

周五授課結(jié)束后，通過平臺進(jìn)行在線測試，可以得到學(xué)生的整體學(xué)習(xí)情況：包括（1）能力層級達(dá)成度分析；（2）知識點(diǎn)掌握情況分析。確定下周課程是否重新強(qiáng)調(diào)某些知識點(diǎn)或安排更多實(shí)例練習(xí)。發(fā)現(xiàn)知識有漏洞的學(xué)生，進(jìn)行（1）個性化教學(xué)資源推薦，包括教學(xué)視頻（SPOC），或推送更多的參考練習(xí)題；（2）組成動態(tài)討論小組，由助教組織進(jìn)行再講解和分享。

課程教學(xué)一學(xué)期結(jié)束后閉卷期末考試，傳統(tǒng)班級和教改班級題目相同。傳統(tǒng)班級采用紙質(zhì)考試（編程題有過程分），教改班級在線考試（編程題沒有過程分，但有多個測試得分點(diǎn)）。兩個班級期末考試分?jǐn)?shù)對比如圖8所示。

圖8 教改班級和傳統(tǒng)班級期末考試成績對比

可以看出，敏捷教學(xué)模式大大地提高了學(xué)生能力水平及知識點(diǎn)的掌握程度。教改班級期末考試90分以上的學(xué)生占45%以上。傳統(tǒng)方式培養(yǎng)的學(xué)生分?jǐn)?shù)段集中在60～80分左右。值得注意的是，由于教改班級判分嚴(yán)格，不及格人數(shù)占比4%，而傳統(tǒng)教學(xué)班級紙質(zhì)考試判分較靈活，無不及格。還有一種可能是強(qiáng)節(jié)奏的能力沖擊是使個別學(xué)生跟不上，最終掉隊(duì)。

圖9顯示了教改班級期末考試知識點(diǎn)掌握情況柱狀圖，大部分學(xué)生掌握情況良好。但發(fā)現(xiàn)學(xué)生對指針、變量作用域等知識點(diǎn)掌握得不盡如人意，分析是因?yàn)榕R近期末教學(xué)比較匆忙，指針內(nèi)容靈活難以消化；而變量作用域則是因?yàn)闆]有專門進(jìn)行測試和布置作業(yè)，造成知識消化不夠完全。令人驚奇的是，第一能力層級的輸入輸出語句得分率偏低，查閱下一層知識點(diǎn)掌握情況發(fā)現(xiàn)，由于“格式化輸入輸出”記憶性和技巧性較強(qiáng)，并學(xué)過的時間較長，很多學(xué)生已經(jīng)忘記或者忽略，提示下一輪教學(xué)中，考試前需要給學(xué)生強(qiáng)調(diào)記憶并加強(qiáng)練習(xí)。

圖9 教改班級期末考試知識點(diǎn)掌握情況

5 結(jié) 語

我們提出對程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程進(jìn)行知識圖譜及能力層次構(gòu)建，利用在線考試平臺的不同平臺進(jìn)行概念測試和能力評估。進(jìn)而提出適合程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的一種混合敏捷教學(xué)模式，在教學(xué)實(shí)踐中取得了較好的效果，有積極的推廣意義，并為其他工科課程改革提供了有益的參考。