程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)混合式教學(xué)實(shí)踐與思考

陳 娟，鄧春燕，呂 帥，李 河，張長(zhǎng)海

（1. 吉林大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130012；2. 吉林大學(xué) 軟件學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

0 引 言

慕課（Massive Open Online Courses，MOOC）作為全新的網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)模式，自2012年出現(xiàn)就迅速風(fēng)靡全球，以自己特有的方式改變著各國(guó)在線學(xué)習(xí)模式。慕課以其完全免費(fèi)和開(kāi)放的理念在促進(jìn)教育公平和推動(dòng)教育大眾化、國(guó)際化、民主化以及終身教育方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1-2]；然而慕課沒(méi)有先修條件、缺少互動(dòng)答疑、完全依賴于學(xué)習(xí)者的自控力和學(xué)習(xí)力等缺點(diǎn)使得單純慕課教學(xué)并不適合于普通高校教學(xué)。

SPOC是Small Private Online Course的英文縮寫(xiě)，是面向特定人群的、面向“線下線上結(jié)合”的集管理、網(wǎng)絡(luò)媒體教學(xué)環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)媒體教學(xué)工具于一身的輔助教學(xué)手段[3]。SPOC則具有更多的選修要求和控制措施，課程的學(xué)習(xí)者也具有相同的知識(shí)基礎(chǔ)和認(rèn)知結(jié)構(gòu)，更貼近高校教學(xué)的過(guò)程，更符合高校教學(xué)管理的實(shí)際，更具有可操作性[4-7]。

狹義上來(lái)講，SPOC和慕課對(duì)線上內(nèi)容的組織和操作等技術(shù)實(shí)現(xiàn)層面是相同的；不同的是受眾規(guī)模大小。慕課難以實(shí)現(xiàn)面對(duì)面師生交流，而SPOC則有可能實(shí)現(xiàn)。如果將這種線下或線上線下的交互作為SPOC的外延，廣義上SPOC=MOOC+課堂。SPOC具有針對(duì)性強(qiáng)、能對(duì)學(xué)生進(jìn)行有效管理、個(gè)性化教學(xué)等特征，MOOC和SPOC的具體區(qū)別見(jiàn)表1。

高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)類(lèi)重要基礎(chǔ)課程，本課程以“程序設(shè)計(jì)”為主線講解程序設(shè)計(jì)的思想、方法和技巧，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。廣義的SPOC意味“線上和線下的結(jié)合”。通常情況下，SPOC難度高于MOOC，MOOC是SPOC的基礎(chǔ)，SPOC是MOOC面向?qū)I(yè)學(xué)生的拓展和延伸。因此在混合式教學(xué)實(shí)踐中，應(yīng)轉(zhuǎn)變教學(xué)理念、篩選線上線下教學(xué)內(nèi)容、明確各階段教學(xué)目標(biāo)和考核方式、創(chuàng)新教學(xué)模式。

1 教學(xué)理念

傳統(tǒng)“黑板+多媒體”的線下教學(xué)由教師主導(dǎo)整個(gè)教學(xué)過(guò)程，課程所有內(nèi)容都通過(guò)線下課堂傳遞給學(xué)生，學(xué)生作為觀眾跟隨教師完成整個(gè)教學(xué)活動(dòng)，難免缺乏主動(dòng)性。SPOC混合式教學(xué)中一部分教學(xué)內(nèi)容被轉(zhuǎn)移至線上，教學(xué)活動(dòng)被分為線上和線下兩部分，因此可以通過(guò)線上學(xué)習(xí)來(lái)調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，但又不同于完全線上的MOOC課程，完全自主學(xué)習(xí)。混合式教學(xué)中，學(xué)生是在一種“半監(jiān)督”的環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)：線上自主，線下監(jiān)督。線下教學(xué)時(shí)，因?qū)W生已有一定基礎(chǔ)，教師就應(yīng)避免“一言堂”的填鴨式授課方式，多采用啟發(fā)式方法來(lái)引導(dǎo)學(xué)生。教師從教學(xué)活動(dòng)的“主導(dǎo)者”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸笇?dǎo)者”，學(xué)生從“觀眾”變?yōu)椤爸鹘恰薄?/p>

2 教學(xué)內(nèi)容

混合式教學(xué)中，如何對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行篩選，不同的課程有不同的標(biāo)準(zhǔn)。但通常線上教學(xué)內(nèi)容難度要低于線下教學(xué)內(nèi)容，且主要集中在基本定義、概念類(lèi)內(nèi)容，這主要是由線上“無(wú)監(jiān)督”學(xué)習(xí)性質(zhì)決定。循環(huán)程序設(shè)計(jì)是初學(xué)者遇到的第一個(gè)關(guān)卡，其難度主要在于理解循環(huán)執(zhí)行過(guò)程，抽象出循環(huán)要素，并用來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。通過(guò)觀察各變量在循環(huán)過(guò)程中的變化來(lái)理解循環(huán)執(zhí)行是解決此難點(diǎn)重要的手段。循環(huán)程序設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容被分解在3個(gè)教學(xué)單元內(nèi)（1個(gè)教學(xué)單元對(duì)應(yīng)2學(xué)時(shí)），線上和線下內(nèi)容見(jiàn)表2。

從表2不難看出，整個(gè)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)主要采用“案例驅(qū)動(dòng)”方式由淺至深進(jìn)行，通過(guò)大量的實(shí)例訓(xùn)練和培養(yǎng)計(jì)算思維和編程能力。線下內(nèi)容是線上內(nèi)容的補(bǔ)充和深化。

第1單元內(nèi)容是“單層循環(huán)”，目標(biāo)是讓學(xué)生掌握3種循環(huán)控制語(yǔ)句。線上內(nèi)容介紹基本概念，并列舉5個(gè)實(shí)例。通過(guò)線上學(xué)習(xí)，學(xué)生可以基本理解循環(huán)執(zhí)行過(guò)程，但仍會(huì)有疑問(wèn)。線下內(nèi)容側(cè)重介紹“程序斷點(diǎn)調(diào)試功能”，應(yīng)用線上實(shí)例帶領(lǐng)學(xué)生在開(kāi)發(fā)環(huán)境中觀察變量變化，深入理解循環(huán)；與此同時(shí)還會(huì)以實(shí)例形式展示“死循環(huán)”“無(wú)效循環(huán)”等。這樣通過(guò)此教學(xué)單元的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅掌握了循環(huán)基本結(jié)構(gòu)，同時(shí)還可以掌握程序調(diào)試的初步技能。

第2單元內(nèi)容是“多重循環(huán)”，目標(biāo)是讓學(xué)生掌握循環(huán)嵌套。線上內(nèi)容通過(guò)日常實(shí)例講解嵌套循環(huán)使用，培養(yǎng)思維方式。通過(guò)線上學(xué)習(xí)，學(xué)生基本可以理解嵌套循環(huán)的概念。線下教學(xué)中，一方面要培養(yǎng)學(xué)生使用規(guī)范的行文風(fēng)格編寫(xiě)代碼；另一方面重點(diǎn)訓(xùn)練學(xué)生對(duì)3種控制結(jié)構(gòu)的應(yīng)用熟練度。這里會(huì)介紹由Boehm和Jacobi提出并證明的“結(jié)構(gòu)定理”——任何程序都可由順序、選擇、循環(huán)3種基本控制結(jié)構(gòu)構(gòu)造。圖1所示為實(shí)際教學(xué)中流程圖轉(zhuǎn)換為PAD圖的用例。PAD圖因使用了結(jié)構(gòu)化、概括和抽象的幾號(hào)系統(tǒng)，因此比流程圖更清晰、簡(jiǎn)練、緊湊、層次分明（流程圖不是結(jié)構(gòu)化的），比NS圖更易于修改（NS圖是封閉的）。這里通過(guò)將非結(jié)構(gòu)化的流程圖（基本人人都能讀懂）轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化的PAD圖，強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)生對(duì)3種控制結(jié)構(gòu)的理解。

第3單元內(nèi)容是“迭代”和“自頂向下逐步求精”的程序設(shè)計(jì)思想，目標(biāo)是讓學(xué)生掌握這種思維方式。線上內(nèi)容主要通過(guò)日常實(shí)例，對(duì)問(wèn)題分解和迭代演示教學(xué)內(nèi)容。通過(guò)線上學(xué)習(xí)，學(xué)生基本理解迭代和逐步求精的設(shè)計(jì)思想。線下教學(xué)中，一方面通過(guò)討論總結(jié)已有的循環(huán)知識(shí)，答疑解惑；另一方面通過(guò)課堂測(cè)試題目進(jìn)一步強(qiáng)化訓(xùn)練。在學(xué)生可以接受的前提下，課堂中會(huì)引入如語(yǔ)法圖或狀態(tài)機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)不同的抽象方式，靈活使用三種控制結(jié)構(gòu)編寫(xiě)代碼，增加理解深度。圖2所示為實(shí)數(shù)字符串翻譯為數(shù)值的語(yǔ)法圖。

3 考核方式

混合式教學(xué)中，線上和線下教學(xué)目標(biāo)不一樣：線上教學(xué)目標(biāo)強(qiáng)調(diào)對(duì)基本概念與操作的理解和掌握；線下教學(xué)目標(biāo)側(cè)重于實(shí)際操作、解題思路的考核。從而導(dǎo)致考核方式的不同，在課程總評(píng)成績(jī)所占比例也有所不同。

平時(shí)成績(jī)主要考核學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)情況，占總評(píng)的20%。以往這部分成績(jī)的主要依據(jù)是作業(yè)、課堂表現(xiàn)等。當(dāng)教學(xué)班級(jí)人數(shù)不多時(shí)，這種考核方式是可行的；當(dāng)人數(shù)較多時(shí)，這種考核方式將變得困難，或者難以實(shí)施。采用混合式教學(xué)后，慕課成績(jī)作為平時(shí)成績(jī)依據(jù)。一方面慕課進(jìn)度與平時(shí)線下教學(xué)匹配；另一方面線上作業(yè)都是周期發(fā)布、定期截止，這種馬拉松的作業(yè)長(zhǎng)跑貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程，恰好完成對(duì)學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)效果的檢驗(yàn)和考核。

圖1 非結(jié)構(gòu)化的流程圖對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)化PAD圖

圖2 實(shí)數(shù)翻譯語(yǔ)法圖

表2 “循環(huán)程序設(shè)計(jì)”線上、線下教學(xué)內(nèi)容對(duì)比

實(shí)驗(yàn)成績(jī)主要考核學(xué)生實(shí)際操作和動(dòng)手能力，同時(shí)是最能反映學(xué)生實(shí)際能力的考核手段，目前占總評(píng)的30%。雖然線上考核有超過(guò)60%的內(nèi)容以在線測(cè)評(píng)（Online Judgement）方式進(jìn)行，在一定程度上可以考核學(xué)生動(dòng)手能力，但仍不充分，線上作弊相對(duì)線下更加容易，且更難發(fā)現(xiàn)。因此我們期望通過(guò)線下實(shí)驗(yàn)考核削減這部分不利影響。實(shí)驗(yàn)考核分別在期中和期末進(jìn)行，各占10%和20%。教師依據(jù)課程進(jìn)度，選取2～3道題目，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)所有學(xué)生進(jìn)行考核，采用類(lèi)OJ方式評(píng)判學(xué)生的完成質(zhì)量。除此之外，還會(huì)參考學(xué)生用時(shí)長(zhǎng)短，衡量學(xué)生知識(shí)掌握的熟練程度。

期末考試主要側(cè)重知識(shí)綜合掌握情況，占總評(píng)成績(jī)的50%，主要采用閉卷方式，重點(diǎn)考核學(xué)生計(jì)算思維能力，題目為4～5道編程題目。選用筆試，原因有以下4點(diǎn)。首先，這門(mén)課程的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力，需要學(xué)生轉(zhuǎn)變思維方式，這種思維方式培養(yǎng)需要相對(duì)較長(zhǎng)的消化理解時(shí)間。通過(guò)試卷可以反映出學(xué)生掌握這種思維能力的程度，而非OJ題目的“一錘定音”。其次，多年教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)部分平時(shí)表現(xiàn)良好的學(xué)生，思路清晰，但在實(shí)驗(yàn)中因某些小錯(cuò)無(wú)法獲得成績(jī)，筆試則可以減少這部分影響。第三，學(xué)習(xí)這門(mén)課的學(xué)生多是大一新生，上大學(xué)后無(wú)論從生理和心理都需要一個(gè)巨大的轉(zhuǎn)變，完全上機(jī)考核，往往會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生巨大壓力，而變得無(wú)所適從。最后，閉卷筆試采用嚴(yán)格的監(jiān)考制度，可以進(jìn)一步避免作弊對(duì)學(xué)生成績(jī)的影響。

上述各種考核綜合為理論課總評(píng)成績(jī)。從中不難看出，所有考核強(qiáng)調(diào)“個(gè)人獨(dú)立完成”。根據(jù)“中國(guó)工程教育認(rèn)證”人才培養(yǎng)基本要求的指標(biāo)體系[8-9]，本課程除了為“掌握相關(guān)工程基礎(chǔ)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)、分析解決能力”提供支撐；還要為“培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作能力”提供支撐。所以我們?cè)诖笠幌缕陂_(kāi)設(shè)課程設(shè)計(jì)，要求學(xué)生2～3人一組，協(xié)作完成某信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，如成績(jī)、檔案、電話簿、藥品、學(xué)生卡等，重點(diǎn)訓(xùn)練數(shù)組、排序、檢索、單向鏈表以及文件等操作。每個(gè)團(tuán)隊(duì)需要對(duì)所完成題目進(jìn)行演示與答辯。指導(dǎo)教師首先根據(jù)課程設(shè)計(jì)的總體完成情況（功能完成比，系統(tǒng)魯棒性，用戶體驗(yàn)度等）綜合給出一個(gè)團(tuán)隊(duì)的起評(píng)分；然后根據(jù)每個(gè)成員的完成情況獨(dú)立考核。個(gè)人在團(tuán)隊(duì)中工作量多、質(zhì)量高，部分功能具有特色和創(chuàng)新，可以酌情加分或提檔；個(gè)人在團(tuán)隊(duì)中的工作量少、質(zhì)量差，需要酌情減分或降檔。

4 教學(xué)模式

圖3 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)混合式教學(xué)模式

混合式教學(xué)的目的是使學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性、有針對(duì)性地學(xué)習(xí)。線下教學(xué)時(shí)，學(xué)生有一定基礎(chǔ)但對(duì)知識(shí)理解并不透徹或者有偏差，教師通過(guò)簡(jiǎn)單的課堂測(cè)驗(yàn)或?qū)€上學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析獲得學(xué)生學(xué)習(xí)情況，針對(duì)某些知識(shí)點(diǎn)重點(diǎn)講解，并組織學(xué)生討論，這使得翻轉(zhuǎn)課堂成為SPOC課堂授課部分最好方式。

程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)混合式教學(xué)模式如圖3所示，教學(xué)過(guò)程分為線上和線下兩部分。從學(xué)生角度看，利用線上資源自主學(xué)習(xí)，完成課程先導(dǎo)內(nèi)容的預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、效果評(píng)價(jià)以及答疑等基本教學(xué)環(huán)節(jié)；線下通過(guò)課堂、實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)與教師面對(duì)面交流，進(jìn)行針對(duì)性學(xué)習(xí)。從教師角度看，教師提前將基礎(chǔ)概念性知識(shí)作為線上內(nèi)容，提前向?qū)W生開(kāi)放，同時(shí)通過(guò)線上考核了解學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，在理論和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)有針對(duì)性地講解和討論。這樣學(xué)生既可以通過(guò)線上教學(xué)，掌握顯性的知識(shí)；又可以在課堂授課和實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中對(duì)知識(shí)進(jìn)行歸納總結(jié)，形成隱性知識(shí)即能力。

5 結(jié) 語(yǔ)

圖4 計(jì)算機(jī)與軟件學(xué)院采用混合式教學(xué)后各分?jǐn)?shù)段人數(shù)比例分布

吉林大學(xué)“高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程，2009年評(píng)為國(guó)家級(jí)精品課、2013年列入國(guó)家級(jí)精品資源共享課，2014年吉林大學(xué)正式啟動(dòng)慕課建設(shè)項(xiàng)目，2018年被評(píng)為國(guó)家級(jí)精品在線開(kāi)放課程，這些都為混合式教學(xué)提供良好政策和平臺(tái)支持[10-11]。自2014年9月吉林大學(xué)“高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”慕課在中國(guó)大學(xué)MOOC平臺(tái)上線后，團(tuán)隊(duì)首先在軟件學(xué)院進(jìn)行混合式教學(xué)嘗試，一年后在計(jì)算機(jī)和軟件學(xué)院同時(shí)進(jìn)行。經(jīng)過(guò)4年的實(shí)踐我們發(fā)現(xiàn)，采用混合式教學(xué)方式后學(xué)生的成績(jī)穩(wěn)中有升，且學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和效率都有明顯提高。圖4所示為兩個(gè)學(xué)院在采取混合式方式教學(xué)后各分?jǐn)?shù)段人數(shù)比例分布，可見(jiàn)及格率明顯上升，優(yōu)秀率也有一定的提高。教師日常工作強(qiáng)度大幅下降，教學(xué)針對(duì)性更強(qiáng)，考核方式更加全面合理。分析其原因主要如下：①線下和線上教學(xué)配合，而非簡(jiǎn)單的線上內(nèi)容重復(fù)，促使學(xué)生必須進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，提前學(xué)習(xí)基本概念性知識(shí)，提高了課堂教學(xué)授課效率。②“馬拉松”式線上考核，多層次線下考核，持續(xù)強(qiáng)化“功夫在平時(shí)”的學(xué)習(xí)模式，避免了“考前突擊”，提高了知識(shí)掌握扎實(shí)程度。③自動(dòng)化作業(yè)批改，在線師生、生生交流，即時(shí)反饋結(jié)果，避免了手動(dòng)批改反饋時(shí)間長(zhǎng)，針對(duì)性差、交流不充分的問(wèn)題。④加大實(shí)踐考核力度，考核方式中實(shí)驗(yàn)占總評(píng)成績(jī)30%，線上考核占20%，其中大半是OJ題目，使得實(shí)際動(dòng)手考核占總評(píng)成績(jī)至少達(dá)到40%，同時(shí)期末考試雖是筆試，但也都是實(shí)際編程題，避免死記硬背而是靈活應(yīng)用。⑤線下教學(xué)更有針對(duì)性，通過(guò)線上課程可以及時(shí)掌握學(xué)生情況，因材施教更易實(shí)施，通過(guò)對(duì)學(xué)生平時(shí)作業(yè)數(shù)據(jù)的分析，可以即時(shí)發(fā)現(xiàn)重點(diǎn)關(guān)注的學(xué)生，這樣為線下教學(xué)提供了針對(duì)性指導(dǎo)。

混合式教學(xué)為傳統(tǒng)教學(xué)帶來(lái)了巨大沖擊，無(wú)論學(xué)生還是教師都需要進(jìn)行較大的改變。教師需要轉(zhuǎn)變角色，從學(xué)習(xí)的“主導(dǎo)者”變?yōu)椤胺?wù)者”，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)；同時(shí)也需要教師提高專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)，才能更好地服務(wù)學(xué)生。學(xué)生則需要從“被動(dòng)接受”變?yōu)椤爸鲃?dòng)尋找”，混合式課程容量較傳統(tǒng)課程有增無(wú)減，但課內(nèi)學(xué)時(shí)卻相對(duì)減少，這就需要學(xué)生有更強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)能力和自制力，協(xié)調(diào)合理時(shí)間安排，完成課程學(xué)習(xí)。隨著人工智能的深化發(fā)展，使用相關(guān)智能工具分析學(xué)生學(xué)習(xí)行為模式、學(xué)習(xí)效果、預(yù)警監(jiān)測(cè)等方面，將更利于線下教學(xué)開(kāi)展。根據(jù)不同組織模式，線上課程可分為“基于內(nèi)容”“基于網(wǎng)絡(luò)”和“基于任務(wù)”三類(lèi)[12]。目前多數(shù)團(tuán)隊(duì)采用基于內(nèi)容的幕課進(jìn)行混合式教學(xué)，這類(lèi)課程側(cè)重于知識(shí)的傳播和復(fù)制。然而更新快、實(shí)踐性強(qiáng)是計(jì)算機(jī)類(lèi)課程的特點(diǎn)。側(cè)重創(chuàng)造性的“基于網(wǎng)絡(luò)”的慕課，以及側(cè)重專(zhuān)業(yè)技能協(xié)同的“基于任務(wù)”的慕課對(duì)于支撐工程認(rèn)證中關(guān)于“創(chuàng)新性”和“協(xié)作能力”的指標(biāo)點(diǎn)更具有優(yōu)勢(shì)，期望在后續(xù)的教學(xué)實(shí)踐中嘗試。