基于在線開放課程+OJ的程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)模式探索與實(shí)踐

陳卓艷，仇麗青

（山東科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

0 引言

程序設(shè)計(jì)類課程是計(jì)算機(jī)類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)等計(jì)算機(jī)核心課程的前導(dǎo)課[1]。程序設(shè)計(jì)能力是高校理工科學(xué)生，特別是計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生所應(yīng)具備的基本能力，尤其是當(dāng)今超級計(jì)算、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算風(fēng)起云涌的時(shí)代，對于高校學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)提出了更高層次的要求。

然而，目前程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)存在的主要問題是[2]。

傳統(tǒng)教學(xué)模式存在“重知識、輕技能，重語法、輕思維”的弊端，課程之間無法達(dá)到無縫銜接。

學(xué)生對于程序設(shè)計(jì)的理解水平、應(yīng)用能力是千差萬別的，單一的教學(xué)模式無法適應(yīng)眾多學(xué)生的需求。

學(xué)生無法及時(shí)獲得學(xué)習(xí)效果反饋，缺乏在編程中的自我判斷能力。

傳統(tǒng)的教學(xué)中，師生的互動(dòng)交流較少。一方面不能很好的發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性；同時(shí)，教師對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況掌握不足。因此，學(xué)習(xí)的效果大打折扣。

2015年4月，教育部下文就“關(guān)于加強(qiáng)高等學(xué)校在線開發(fā)課程建設(shè)應(yīng)用與管理”，提出了若干任務(wù)。2018年1月15日，教育部召開新聞發(fā)布會(huì)，推出了首批490門“國家精品在線開放課程”。在線開放課程，可以為教師開展線上線下混合式教學(xué)，為學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)提供支持服務(wù)。在線開放課程，對促進(jìn)課程教學(xué)改革與創(chuàng)新，提升教學(xué)質(zhì)量，降低教育成本，促進(jìn)教育公平起到重要作用[3]。

除了在線開放課程以外，針對程序設(shè)計(jì)類課程的程序編程實(shí)踐的需求，教學(xué)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了程序在線評測系統(tǒng)SDUSTOJ，該系統(tǒng)可對用戶提交的程序源代碼進(jìn)行自動(dòng)、實(shí)時(shí)的在線評判并給出錯(cuò)誤提示，包括對程序輸出結(jié)果、格式、運(yùn)行時(shí)間、占用內(nèi)存資源等的判別[4]。

在線開放課程對于專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)、學(xué)生學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變、課程教學(xué)模式改革、考核評價(jià)方式改革、優(yōu)質(zhì)教育資源共享等方面有著積極的促進(jìn)作用；而將OJ系統(tǒng)引入到程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)中，可以構(gòu)建“課內(nèi)實(shí)驗(yàn)—課外作業(yè)—綜合實(shí)踐—科技競賽”多層次的實(shí)踐教學(xué)鏈[5]，大大提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

實(shí)踐證明，在線開放課程和OJ系統(tǒng)相結(jié)合，能有效促進(jìn)程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)質(zhì)量。

1 教學(xué)模式設(shè)計(jì)

教學(xué)團(tuán)隊(duì)開展在線開放課程和 OJ相結(jié)合的混合式教學(xué)模式[6]，其教學(xué)模式如圖1所示。

圖1 在線開放課程+OJ混合式教學(xué)模式Fig.1 Mixed teaching mode based on online open course + OJ

1.1 網(wǎng)絡(luò)平臺

網(wǎng)絡(luò)平臺是在線開放課程的重要支撐，其包含的教學(xué)資源有：課程簡介、教學(xué)大綱、教學(xué)日歷、電子課件、電子教案、課程視頻、課后作業(yè)和學(xué)習(xí)討論等。在課程的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)、導(dǎo)入環(huán)節(jié)和鞏固環(huán)節(jié)，學(xué)生利用電子課件、課程視頻、學(xué)習(xí)討論等資源完成課程學(xué)習(xí)，而教師則可通過課后作業(yè)、在線討論、學(xué)習(xí)評價(jià)等手段，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并對課程進(jìn)行完善。

1.2 教學(xué)活動(dòng)

教學(xué)活動(dòng)采取“線上+線下”的混合式教學(xué)新模式，該模式已成為教育教學(xué)發(fā)展的基本趨勢。所謂“線上”教學(xué)，是指教師利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺發(fā)布教學(xué)資源，給學(xué)生提供課件、教學(xué)視頻、練習(xí)題等，學(xué)生充分利用課外時(shí)間完成知識的學(xué)習(xí)，該階段應(yīng)當(dāng)在課前完成；而“線下”教學(xué)，則是教師通過各種教學(xué)手段完成知識的內(nèi)化，由傳統(tǒng)課堂的教材內(nèi)容的講解轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)的深度解析，進(jìn)行課堂引導(dǎo)和互動(dòng)，將以老師為主體的傳統(tǒng)課堂變成以學(xué)生為主體的高效課堂。老師由原來的“主演”轉(zhuǎn)變角色為“導(dǎo)演”，學(xué)生則轉(zhuǎn)變角色為課堂的主人。角色的轉(zhuǎn)變，將大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，突出學(xué)生的主人翁意識。

1.3 教學(xué)評價(jià)

傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)類課程考核，更注重期末考試結(jié)果，存在期末一考定成績的片面性，無法對課程展開全面的評價(jià)。團(tuán)隊(duì)改革課程考核方式，采取“過程考核+期末考核”和“課堂考核+課下考核”相結(jié)合的方式，建立以注重學(xué)習(xí)過程為主的全面、科學(xué)的評價(jià)體系。為此，將平時(shí)成績和期末成績的比例，由原來的30%和70%調(diào)整為40%和60%，目的是強(qiáng)調(diào)過程考核。

過程考核采取“線上+線下”考核相結(jié)合的方式，線上考核主要包括：實(shí)驗(yàn)，作業(yè)，討論參與頻次和質(zhì)量等；線下考核主要包括：出勤，課堂活動(dòng)等。期末考核采用學(xué)院統(tǒng)考，機(jī)試形式，全部采用編程題，秉承“共性+個(gè)性”理念，同一學(xué)院的所有專業(yè)統(tǒng)一題目，不同學(xué)院的根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)可作答“個(gè)性”題目。

2 課程實(shí)踐教學(xué)方法

程序設(shè)計(jì)類課程的實(shí)踐性非常強(qiáng)，因此，實(shí)踐教學(xué)是其重要環(huán)節(jié)。對于程序設(shè)計(jì)類課程的實(shí)踐教學(xué)方面，教學(xué)團(tuán)隊(duì)結(jié)合 ACM 國際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)，以在線評測系統(tǒng)SDUSTOJ為平臺，提出了競教結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)方法[7]。實(shí)踐證明，該方法能夠大大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)編程的興趣。其主要內(nèi)容有以下三個(gè)方面。

2.1 建立多層次、個(gè)性化的程序設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)模式

實(shí)踐證明，在大眾化教育的背景下，學(xué)生對于程序設(shè)計(jì)的理解水平、應(yīng)用能力是千差萬別的。為此，教學(xué)團(tuán)隊(duì)建立了“分層次、個(gè)性化”的程序設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)模式，如圖2所示。面向一年級本科生，教學(xué)團(tuán)隊(duì)組建了程序設(shè)計(jì)互助與提高群；面向?qū)W生中編程興趣高、有一定動(dòng)手能力的學(xué)生，組建了程序設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)；面向高水平、高年級學(xué)生，通過選拔成立ACM集訓(xùn)隊(duì)，培養(yǎng)高水平編程人才。團(tuán)隊(duì)將科技競賽融入程序設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)中，并依托SDUSTOJ平臺，為競賽提供全方位、多層次開放的訓(xùn)練模塊。另外，通過舉辦新生挑戰(zhàn)賽，校內(nèi)月賽，ACM預(yù)選賽等多種比賽，激發(fā)興趣、營造氛圍，并選拔優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)入集訓(xùn)隊(duì)，進(jìn)而參加各種程序設(shè)計(jì)競賽。

圖2 分層次程序設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)模式Fig.2 Multi-level teaching mode of programming courses experiments

2.2 建立多層次，一貫制的實(shí)踐教學(xué)鏈

教學(xué)團(tuán)隊(duì)以“理解鞏固課程內(nèi)容，鍛煉程序設(shè)計(jì)技能，規(guī)范軟件開發(fā)習(xí)慣，培養(yǎng)計(jì)算思維能力”為目標(biāo)，在實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容革新的具體實(shí)施過程中，遵循客觀的教學(xué)規(guī)律，“取其精華，去其糟粕”，利用新的知識點(diǎn)進(jìn)行更新和替換，并對實(shí)踐內(nèi)容進(jìn)行層次劃分，最終凝練為“課內(nèi)實(shí)驗(yàn)—課外作業(yè)—綜合實(shí)踐—科技競賽”的多層次的實(shí)踐教學(xué)鏈[8]。同時(shí)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)利用一個(gè)具有一定規(guī)模的軟件開發(fā)案例，要求學(xué)生分別用結(jié)構(gòu)化編程方法和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法分別實(shí)現(xiàn)，從中體會(huì)兩種編程方式的異同和優(yōu)缺點(diǎn)。該教學(xué)鏈如圖3所示。

圖3 多層次、一貫制實(shí)踐教學(xué)鏈Fig.3 Multi-level and consistent process of experiments

2.3 自主研發(fā)程序在線評測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)過程的有效管理和監(jiān)控

教學(xué)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了在線評測系統(tǒng)SDUSTOJ，可對提交的程序進(jìn)行自動(dòng)、實(shí)時(shí)評判，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)的評價(jià)方式，得到學(xué)生普遍認(rèn)可。學(xué)生在線提交程序可得到程序狀態(tài)和排名的實(shí)時(shí)反饋，這非常有利于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和激發(fā)學(xué)生的競爭心理；教師可以實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并予以指導(dǎo)，統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)的效果和存在的問題，大大提高教師與學(xué)生的交互效率[9]。在線評測系統(tǒng)SDUSTOJ的學(xué)生排名情況和程序提交狀態(tài)分別如圖4和圖5所示。

圖4 在線評測系統(tǒng)-排名狀態(tài)Fig.4 Online judge-standing

圖5 在線評測系統(tǒng)-提交狀態(tài)Fig.5 Online judge-status

3 教學(xué)改革效果

教學(xué)改革經(jīng)過近幾年的實(shí)踐，計(jì)算機(jī)學(xué)院本科生程序設(shè)計(jì)實(shí)踐能力和培養(yǎng)質(zhì)量得到明顯提升，程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)獲得了學(xué)生的一致認(rèn)可。自2011年程序在線評測系統(tǒng)首次在教學(xué)中使用以來，題目數(shù)量達(dá)到 1400余道，學(xué)生在系統(tǒng)中累計(jì)完成程序1336231個(gè)。從2012年～2019年，程序設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)的參加人數(shù)從100余人上升到500余人，ACM集訓(xùn)隊(duì)的招收人數(shù)從22人上升至65人，學(xué)生來源從計(jì)算機(jī)學(xué)院擴(kuò)展到礦業(yè)、地科、電子等7個(gè)學(xué)院，在全校學(xué)生范圍內(nèi)形成了較大影響。團(tuán)隊(duì)成員指導(dǎo)的學(xué)生多次獲得ACM國際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽、“藍(lán)橋杯”全國軟件和信息技術(shù)專業(yè)人才大賽獎(jiǎng)項(xiàng)。隨著學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力大幅度提高，在就業(yè)方面也顯現(xiàn)出良好增長態(tài)勢，越來越多的畢業(yè)生入職阿里巴巴、小米、百度等知名IT公司。

近年來，團(tuán)隊(duì)在程序設(shè)計(jì)課程體系、能力培養(yǎng)模式、教學(xué)資源、人才培養(yǎng)等方面取得了重要成果，應(yīng)用效果顯著；對于其它學(xué)校、專業(yè)開設(shè)程序設(shè)計(jì)課程和實(shí)踐能力培養(yǎng)具有較好的借鑒和示范作用[10]。

4 結(jié)語

基于在線開放課程+OJ的教學(xué)模式是現(xiàn)代信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)快速發(fā)展下的一種教學(xué)改革。筆者在自身經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上，以程序設(shè)計(jì)類課程為例，對該教學(xué)模式進(jìn)行探索。實(shí)踐證明，該方法對于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高編程能力有較好效果[11]。

由于本文選取的是程序設(shè)計(jì)類課程，因此研究結(jié)果可能存在局限性。同時(shí)，該教學(xué)模式仍有些問題尚未解決，例如學(xué)生的自律性和主動(dòng)性存在差異、兩級分化現(xiàn)象等[12]，這些不足之處還需要在后續(xù)研究和應(yīng)用中進(jìn)一步改善。