閉環(huán)式教學在大學程序設(shè)計課程中的實踐與思考

喬梁 桑林瓊 鐘華 張曄

摘? 要：文章從控制論的角度，以回顧性的視角分析了我校生物醫(yī)學工程專業(yè)十屆本科生程序設(shè)計類課程分別在“近似閉環(huán)”和“傳統(tǒng)”教學模式的教學效果，在此基礎(chǔ)上對同一批新生的兩門程序設(shè)計課程分別采用“傳統(tǒng)”教學模式和自主設(shè)計的“閉環(huán)”教學模式進行實踐對比，證實了閉環(huán)式教學對學生的參與度，對教學過程和效果的控制力方面都有極大幫助。而信息技術(shù)手段的合理設(shè)計，可以成為推動閉環(huán)式教學模式開展的得力助手。文章雖然是針對程序設(shè)計類課程的實踐與思考，但對其他課程的閉環(huán)式教學開展也具有一定參考作用。

關(guān)鍵詞：程序設(shè)計課程;閉環(huán)式教學;回顧性分析;生物醫(yī)學工程專業(yè);信息技術(shù)手段

中圖分類號： G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）19-0126-04

Abstract： From the perspective of cybernetics， this paper analyzed the teaching effect of the "approximate closed-loop" teaching mode and the "traditional" teaching mode respectively in the past ten grades of undergraduate programming courses of biomedical engineering major in our university. On this basis， the two courses of programming for the same class of freshmen were compared by the "traditional" teaching mode and the self-designed "closed-loop" teaching mode. The result proved that closed-loop teaching is of great help to students' participation， and of great help to the teaching process and effect control. And the result also displayed the rational design of information technology means can be the right assistant to promote the closed-loop teaching mode. Although this practice and thinking was from the courses of programming， it also can play a reference role for the closed-loop teaching of other courses.

Keywords： Programming Course; closed-loop teaching; retrospective analysis; biomedical engineering; information technology means

閉環(huán)式教學是借用控制論的理論，將原本離散的各個教學環(huán)節(jié)通過一系列技術(shù)手段和教學設(shè)計，合并成一個整體，形成一個環(huán)環(huán)相扣、信息疊加的閉環(huán)，從而確保整個教學活動的過程可控、效果可控[1]。

從控制論的角度分析，大部分的課程教學都有控制論的影子，例如普遍做到了“教師授課-學生反饋-教師調(diào)整“的單向三角形[2]。然而，課程教學活動中的效果控制多數(shù)憑借的是教師樸素的師德態(tài)度來確保對教學反饋情況的及時掌握和下一步的課程改進，帶有比較強的主觀性和隨意性特征。沒有形成一套完整的閉環(huán)控制理論體系，更沒有符合這套閉環(huán)結(jié)構(gòu)的標準化技術(shù)手段來確保對每一個環(huán)節(jié)反饋情況的及時疊加，因而難以利用客觀機制進行自我督促與自適應修正。目前，基于控制論的教學設(shè)計已有數(shù)篇文獻，但主要集中于理論思考和小范圍實踐[3-8]，尚無長期追蹤的實踐數(shù)據(jù)作為支撐。

基于此，本文獨辟蹊徑，首先利用控制論的視角，通過對比我校生物醫(yī)學工程專業(yè)11屆本科教學班的程序設(shè)計類課程的三種教學方式，探索閉環(huán)式教學在實踐中的意義。

一、我校生物醫(yī)學工程專業(yè)十一屆教學班的情況簡介

「2007-2011級」為五年制本科，其程序設(shè)計類課程主要包括《計算機基礎(chǔ)》（含48學時C#程序設(shè)計基礎(chǔ)）和《高級程序設(shè)計》（70學時）兩部分，共計118學時，采用“近似閉環(huán)”教學模式。

「2012-2016級」為四年制本科后，其程序設(shè)計類課程主要包括《C語言程序設(shè)計》（72學時）和《面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計》（42學時）兩部分，共計114學時，采用“傳統(tǒng)”教學模式。

「2018級」四年制本科因為軍改，在暫停招收2017級之后，其程序設(shè)計類課程調(diào)整為包括《C語言程序設(shè)計》（62學時）和《C++程序設(shè)計》（60學時）兩部分，共計122學時，前一課程采用“傳統(tǒng)”教學模式，后一課程采用“閉環(huán)”教學模式。

無論教學語言是C、C#還是C++，課程目標始終是全面訓練生物醫(yī)學工程專業(yè)學生的計算思維，提高信息技術(shù)素養(yǎng)，增強運用編程技術(shù)開發(fā)醫(yī)療應用軟件、研發(fā)智能醫(yī)療設(shè)備、進行軍隊衛(wèi)生勤務(wù)和醫(yī)院信息化建設(shè)與管理的能力。

二、「2007-2016級」“近似閉環(huán)”與“傳統(tǒng)”教學模式的回顧性分析

（一）「2007-2011級」“近似閉環(huán)”教學模式的實踐回顧

「2007-2011級」設(shè)計以48學時學習語言基礎(chǔ)，以70學時獨立為一門《高級程序設(shè)計》課程，重點介紹如何以面向?qū)ο蟮乃枷脒M行信息化實踐，實踐不僅僅包括要求學生運用所學知識編寫實用程序，也強調(diào)通過學科網(wǎng)站等信息技術(shù)手段進行“近似閉環(huán)”的教學互動和案例示范。包括課前通過學科網(wǎng)站布置預習任務(wù)[9]、短信自動提醒上課時間和地點[10]、提供FTP作業(yè)提交入口[11]、趣味案例[12]等，教學設(shè)計見圖1。

上述如學科網(wǎng)站、短信通知、FTP作業(yè)管理等信息技術(shù)手段連同自主設(shè)計的大量開源趣味小軟件一起，由授課教師整理為課堂教學案例，在方便教學互動的同時激發(fā)了學生濃厚的學習興趣。

這一教學模式站在今天閉環(huán)式教學模式的視角，看似具有“閉環(huán)”的特征，但并沒有形成真正的閉環(huán)，因為在課前預習、準備、課后作業(yè)環(huán)節(jié)雖然有較為具體的技術(shù)手段支撐，但沒有形成制度化的師生反饋機制，教師對學生的學習效果并不十分掌握，而維系師生最主要的交流手段是QQ群，具有極大的不可控性和對信息的主觀篩選性。簡而言之，要確保學生有質(zhì)量的學習，需要重點依靠教師在每一個環(huán)節(jié)對學生趣味的掌握和引導，故稱之為“近似閉環(huán)”教學模式。

但正是在這一時期，因為各個環(huán)節(jié)熱烈的互動，授課教師應學生要求，先后開設(shè)了“醫(yī)學數(shù)字影像信息化應用創(chuàng)新實驗”、“數(shù)據(jù)庫技術(shù)在醫(yī)學中的應用”等四個批次的第二課堂活動，并組織學生參加重慶市大學生單片機競賽（嵌入式程序設(shè)計與物聯(lián)網(wǎng)應用）、程序設(shè)計大賽等省部級競賽活動，對戰(zhàn)40余所理工高校上千支參賽隊，獲得一等獎2項（最高獎）、二等獎1項、三等獎8項的成績。畢業(yè)設(shè)計中至少有30%的學生選擇與程序設(shè)計緊耦合的題目，如醫(yī)療信息系統(tǒng)管理與維護、智能醫(yī)療設(shè)備研發(fā)。

（二）「2012-2016級」“傳統(tǒng)”教學模式與“近似閉環(huán)”模式的對照

「2012-2016級」設(shè)計以72學時學習語言基礎(chǔ)，以42學時獨立為一門《面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計》課程，僅重點介紹面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想，恢復到就理論講理論，就實驗做實驗的傳統(tǒng)的單向三角形的教學模式，極少使用信息技術(shù)手段進行教學的互動和案例的切入，也未試圖建立課堂內(nèi)外各個環(huán)節(jié)的閉環(huán)或近似閉環(huán)的課程結(jié)構(gòu)。

雖然也完成了教學目標，但學生普遍認為程序設(shè)計晦澀無趣，結(jié)果在適逢“物聯(lián)網(wǎng)”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“云計算”等一系列信息化浪潮的有利環(huán)境下[13]，學生反倒沒有迸發(fā)出從事醫(yī)療信息化和智慧醫(yī)療設(shè)備研發(fā)的興趣。這一時期幾乎沒有學生要求開設(shè)程序設(shè)計相關(guān)的第二課堂活動，也幾乎沒有參加校外學生競賽活動，畢業(yè)設(shè)計幾乎都回避與程序設(shè)計緊耦合的題目。

分析既往2007-2016級共計10屆生工專業(yè)程序設(shè)計類課程的不同教學方法發(fā)現(xiàn)：雖然從生物醫(yī)學工程專業(yè)培養(yǎng)的宏觀角度看后五屆學生也達到了培養(yǎng)目標，但程序設(shè)計能力略顯不足，學生普遍對信息技術(shù)不感興趣的短板值得反思。而前五屆設(shè)計了近似閉環(huán)的教學互動，利用信息技術(shù)手段提升學習趣味和知識點耦合度，學生參與熱情度高，程序設(shè)計能力得到很好的培養(yǎng)，但尚不成體系，而且近似閉環(huán)缺乏對教學過程和質(zhì)量的監(jiān)控。

三、「2018級」“閉環(huán)”教學模式實踐

根據(jù)新的培養(yǎng)計劃，「2018級」為本科無軍籍學員，面向社會就業(yè)。因此，如何合理設(shè)計課程教學方法與手段，使之適應社會需求、提升學習興趣需要慎重對待?！?018級」的程序設(shè)計類課程由《C語言程序設(shè)計》（62學時）和《C++程序設(shè)計》（60學時）兩部分組成，共計122學時。在《C語言程序設(shè)計》慣性采用「2012-2016級」的“傳統(tǒng)”教學模式反響平平之后，教學組對于以往10屆生工專業(yè)程序設(shè)計類課程的教學模式和技術(shù)手段的研究和完善更加迫切。在方法上需考慮跟上時代，進一步運用信息技術(shù)手段構(gòu)建閉環(huán)式教學模式，提升學習趣味和效率的同時，增強程序設(shè)計教學案例的直觀性，并應用于隨后的《C++程序設(shè)計》課程。

（一）《C++程序設(shè)計》閉環(huán)式教學模式的構(gòu)建

針對《C++程序設(shè)計》課程，教學組提出了包括計劃發(fā)布、課前自主、課前準備、課堂學習、課后實踐、效果測評、反饋補遺、計劃調(diào)整共8個環(huán)節(jié)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，要求每個環(huán)節(jié)采用信息技術(shù)手段增強交互和反饋，實現(xiàn)制度化的“任務(wù)發(fā)布-結(jié)果反饋-下一步計劃修正”的閉環(huán)，核心結(jié)構(gòu)如圖2所示。

每一次閉環(huán)以1-2個課次所覆蓋的章節(jié)（專題）為單位，形成一個教學周期。

從學生的角度，由“計劃發(fā)布”作為起點和終點，通過“計劃發(fā)布”明確學習任務(wù)、獲取預習/復習資源，通過“課前自主”進行自主學習和師生交流，通過“課堂學習”學習新知識、補充前期疑難問題，通過“課后實踐”和“效果測評”反饋給教師真實的學習狀態(tài)，最終進入下一輪“計劃發(fā)布”。

從教師的角度，由“課前準備”作為起點和終點，根據(jù)前期學生真實情況的反饋，抓住前期關(guān)鍵知識點的缺失，在備課時注意對前期知識的查漏補缺，“課堂學習”對前期問題進行針對性補充，通過“課后實踐”、“效果測評”收集學生在本次課的學習情況，在“反饋補遺”環(huán)節(jié)對發(fā)現(xiàn)的問題啟動補救機制，激發(fā)“計劃調(diào)整”環(huán)節(jié)，梳理下一周期學習的“計劃發(fā)布”，進入新一輪“課前準備”。

而這一整套閉環(huán)的核心是確保各個環(huán)節(jié)的真實情況反饋。為此，教學團隊在學科網(wǎng)站、在線測評、線上討論等常規(guī)信息手段協(xié)助之外，進一步設(shè)計了“問題卡”這一制度化的信息反饋督促機制。通過將每一教學周期的所有課堂實例、課后作業(yè)、實訓任務(wù)、課本習題進行統(tǒng)一編號，列為問題清單，以“制度化”的形式由信息技術(shù)督導學生在本教學周期內(nèi)完成清單打卡，方便教師以直觀的方式迅速掌握學生的知識短板，作為下一輪調(diào)整的依據(jù)。

（二）《C++程序設(shè)計》閉環(huán)式教學的實踐效果

該模式在《C++程序設(shè)計》課程完成實踐后，得到了學生的熱烈反饋，由于上述信息手段本身也是程序設(shè)計課程的知識點，閉環(huán)教學在輔助教師實時掌控學生對知識點的掌握情況的同時，也提升了學習的趣味性，與同一班次的前導課程《C語言程序設(shè)計》相比，課終成績得到了非常明顯的提升（課終成績詳見圖3），課程結(jié)束后學生代表主動要求增開程序設(shè)計類第二課堂和選修課，并積極加入教學組承擔的移動醫(yī)療方向的民生課題。

課終成績對比

圖3顯示了2018級《C++程序設(shè)計》和《C語言程序設(shè)計》兩門課程的課終筆試成績曲線圖，課程的出卷、閱卷均按照大學標準化要求出題，出題老師非任課老師、雙盲，試題難度與授課知識點耦合度由督導專家審閱后均評價為A。在此背景下，兩門課的課終成績均符合正態(tài)分布，但與同一班次之前使用傳統(tǒng)手段《C語言程序設(shè)計》的期末成績對比，《C++程序設(shè)計》正態(tài)分布曲線明顯向右偏離，說明至少在學習興趣、參與度、教學效果控制方面對成績有很高幫助。

四、結(jié)束語

本文從控制論的角度，以回顧性的視角分析了我校生物醫(yī)學工程專業(yè)既往十屆本科生程序設(shè)計類課程的教學效果，證實了采用接近閉環(huán)式教學模式與采用傳統(tǒng)教學模式相比，在教師對學習情況的把握度、學生參與度和趣味性方面都有明顯幫助。在此基礎(chǔ)上在2018級同一批學生的兩門程序設(shè)計課程中分別采用傳統(tǒng)教學模式和自主設(shè)計的完全的閉環(huán)式教學模式進行實踐比對，證實了閉環(huán)式教學對學生參與度，對教學過程、效果的控制力方面都有極大幫助。

總之，將控制論融入傳統(tǒng)的課堂教學，形成閉環(huán)式教學模式有助于對教學過程和教學效果的可控，能夠以較為客觀的機制提升教學質(zhì)量的保障，而信息技術(shù)手段，可以成為推動閉環(huán)式教學模式的得力助手。本文雖然是針對程序設(shè)計類課程的閉環(huán)式教學實踐與思考，但對其他課程的閉環(huán)式教學開展也具有一定參考作用。

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