計(jì)算機(jī)專業(yè)程序設(shè)計(jì)課程在線教學(xué)改革探究

徐 偉，陳凱明，馬建輝，趙家興

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽合肥 230027）

0 引言

程序設(shè)計(jì)課程是計(jì)算機(jī)學(xué)科教育的基礎(chǔ)，是計(jì)算機(jī)學(xué)科的入門課程［1-3］。通過這門課學(xué)習(xí)，使學(xué)生在掌握相關(guān)編程語言的同時(shí)熟練運(yùn)用編程解決實(shí)際問題。一般認(rèn)為以某種程序設(shè)計(jì)語言為載體掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法就是編程能力的內(nèi)涵［4-5］。文獻(xiàn)［6］認(rèn)為編程能力不僅包含算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也包括“代碼風(fēng)格”“代碼文件組織與管理”“結(jié)構(gòu)化與模塊化程序設(shè)計(jì)”等工程能力方面內(nèi)容。這要求教師在講解程序設(shè)計(jì)課程時(shí)，不能只講解算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，相關(guān)工程方面的內(nèi)容也要一一介紹；文獻(xiàn)［7］提出一種教賽融合的課程教學(xué)方法，該方法以O(shè)J 系統(tǒng)為核心，通過競賽機(jī)制引入改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)，重點(diǎn)對OJ 系統(tǒng)上機(jī)作業(yè)安排、課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)分?jǐn)?shù)計(jì)算、學(xué)生代碼查重進(jìn)行詳細(xì)論述，但關(guān)于OJ 系統(tǒng)如何防止抄襲還缺乏詳細(xì)考慮。類似采用OJ 系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評測的還有文獻(xiàn)［8-10］；文獻(xiàn)［11］通過精選教學(xué)案例、強(qiáng)化實(shí)踐編程、建立教學(xué)跟蹤多維反饋體系提高教學(xué)質(zhì)量，但在在線教育特點(diǎn)方面考慮不足。

自2012 年以來，在線教育在教育領(lǐng)域受到熱捧，越來越多的課程被搬到了網(wǎng)上，教學(xué)思維方式得到變革［12-15］。文獻(xiàn)［16］采用基于慕課的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，改變了以往傳統(tǒng)的被動(dòng)學(xué)習(xí)模式，充分利用學(xué)生課外碎片化時(shí)間提高學(xué)習(xí)效率，有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力；文獻(xiàn)［17］討論了優(yōu)化程序設(shè)計(jì)課程分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)方式，鼓勵(lì)學(xué)生更好完成實(shí)驗(yàn)課程；文獻(xiàn)［18］提出混合線上和線下學(xué)習(xí)資源、多樣化教學(xué)、變換教學(xué)內(nèi)容等方式，提高程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)水平，文獻(xiàn)［19］進(jìn)行了類似的教學(xué)案例討論。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)程序設(shè)計(jì)課程一般分為大一上學(xué)期的程序設(shè)計(jì)Ⅰ和大一下學(xué)期的程序設(shè)計(jì)Ⅱ。均為80 課時(shí)，分為40 理論課時(shí)和40 實(shí)驗(yàn)課時(shí)，每門課3 個(gè)學(xué)分，主要以C 語言為例進(jìn)行講解，附帶簡要介紹Java 和Python 語言。2020 年由于受新冠疫情影響，學(xué)校采用了在線教育形式進(jìn)行授課，對程序設(shè)計(jì)這種實(shí)踐性很強(qiáng)的課程教學(xué)提出了諸多挑戰(zhàn)。為了更好地完成教學(xué)任務(wù)，授課教師與課程助教經(jīng)過多次研究，對現(xiàn)有在線教學(xué)形式進(jìn)行教學(xué)改革。

本文主要介紹中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)2020 年春季程序設(shè)計(jì)Ⅱ課程在線教學(xué)方式、教學(xué)改革創(chuàng)新點(diǎn)、目前取得的進(jìn)展與后續(xù)工作方向。與現(xiàn)有研究相比，在線課程教學(xué)基于OJ 系統(tǒng)的使用完成在線實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)了程序代碼風(fēng)格和調(diào)試工具使用的重要性，對代碼風(fēng)格的具體要求及評分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，優(yōu)化了最終成績的統(tǒng)計(jì)方式，最后對抄襲的認(rèn)定過程進(jìn)行了詳細(xì)描述，具有較強(qiáng)的可操作性。

1 程序設(shè)計(jì)在線教學(xué)方式

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)2020 年春季程序設(shè)計(jì)Ⅱ課程在線教學(xué)采用以下教學(xué)方式：

（1）在線教學(xué)系統(tǒng)分別試用騰訊課堂和學(xué)校配套的Classin 等直播平臺。

（2）在線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用學(xué)校的在線評測平臺（Online Judge，OJ，https：//oj.ustc.edu.cn/）檢測學(xué)生提交的程序源代碼正確性。

（3）課程PPT 講義存放在課程QQ 群文件和學(xué)校內(nèi)部的blackboard 系統(tǒng)中，供學(xué)生下載和復(fù)習(xí)使用。

（4）平時(shí)課程溝通采用課程QQ 群方式。主要在QQ 群進(jìn)行日常事務(wù)提醒、課程內(nèi)容討論和對特定問題的投票，了解學(xué)生動(dòng)態(tài)。如圖1 所示，授課前對學(xué)生遞歸函數(shù)掌握情況進(jìn)行投票，班級163 位學(xué)生有135 人完成投票。通過這種專題的投票調(diào)研，可讓教師了解學(xué)生某個(gè)知識點(diǎn)的掌握情況，更有效地進(jìn)行課程安排。

目前程序設(shè)計(jì)的教學(xué)平臺、數(shù)據(jù)平臺分別使用不同廠家產(chǎn)品，學(xué)生要從數(shù)個(gè)來源獲取學(xué)習(xí)材料。教研組初期希望統(tǒng)一到學(xué)校的在線教學(xué)平臺，經(jīng)過試用，學(xué)生更愿意使用騰訊課堂學(xué)習(xí)，使用QQ 群進(jìn)行教材文件共享，而不是學(xué)校提供的在線教育平臺。學(xué)校在不影響教學(xué)質(zhì)量前提下同意教師自行選擇教學(xué)平臺。

最終選擇騰訊課堂作為在線教學(xué)平臺、選擇QQ 群作為線上聯(lián)系討論方式、選擇學(xué)校OJ 系統(tǒng)作為在線評測系統(tǒng)。

圖1 學(xué)生投票調(diào)查實(shí)例

2 程序設(shè)計(jì)在線教育改革創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 采用OJ 系統(tǒng)進(jìn)行程序判誤

學(xué)生提交的程序編譯執(zhí)行結(jié)果被OJ 系統(tǒng)記錄并保存，然后轉(zhuǎn)交給一個(gè)裁判程序。裁判程序首先讀入測試用例和對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)輸出，再比較學(xué)生程序的輸出數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)輸出樣例的差異性。最終OJ 系統(tǒng)返回給學(xué)生運(yùn)行結(jié)果，包括通過、答案錯(cuò)誤、超時(shí)、超內(nèi)存、運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤或是無法編譯等，并返回程序使用的內(nèi)存、運(yùn)行時(shí)間等信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，OJ 系統(tǒng)可對學(xué)生本次提交并通過的成績進(jìn)行列表顯示，方便教師和助教統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)成績。

2.2 專題介紹程序代碼風(fēng)格

為提高學(xué)生編程的規(guī)范程度，提高代碼的可維護(hù)性，安排相關(guān)助教對代碼風(fēng)格進(jìn)行專題介紹。由于學(xué)校程序設(shè)計(jì)課程主要針對C 語言編程，所以描述的代碼風(fēng)格要求僅對C 語言編程有效。代碼風(fēng)格有5 個(gè)大項(xiàng)要求：

（1）縮進(jìn)、括號、分行與空格。主要包括縮進(jìn)規(guī)則（以4個(gè)空格或tab 鍵進(jìn)行縮進(jìn)）、大括號的風(fēng)格統(tǒng)一（大括號允許單獨(dú)分行或緊跟代碼之后，二者擇一使用，不要混用）、分行（對于較長的行、表達(dá)式等，應(yīng)以分行方式書寫）、空格（在算符、逗號等，應(yīng)使用一個(gè)空格分開，保證顯示工整與美觀）。

（2）函數(shù)頭與結(jié)構(gòu)體注釋。主要包括函數(shù)頭注釋（函數(shù)的目的、描述函數(shù)的作用、效果）、結(jié)構(gòu)體注釋（注釋結(jié)構(gòu)體用途、成員意義，必要時(shí)說明成員取值范圍）。

（3）函數(shù)、變量、常量與結(jié)構(gòu)體及其成員命名。主要包括命名規(guī)則，如進(jìn)行大/小駝峰命名，匈牙利命名法等，任何變量、常量、函數(shù)、結(jié)構(gòu)體名稱都應(yīng)直接或比較明確地反映其用途、含義、不允許命名的方式，如拼音命名等。

（4）代碼模塊化與邏輯注釋。主要包括代碼塊邏輯（如對于較長的代碼/函數(shù)塊，應(yīng)用多行注釋描述過程）、循環(huán)和分支邏輯（如對于進(jìn)入和退出時(shí)變量的變換邏輯進(jìn)行說明）、變量使用邏輯（如對結(jié)構(gòu)體成員、布爾標(biāo)志變量說明以什么含義進(jìn)行使用，何種情況值會(huì)變化等）。

（5）變量、常數(shù)與函數(shù)使用。主要包括不允許的寫法（如禁止使用未初始化的指針等）、需要限制的寫法（如濫用全局變量在函數(shù)間交換信息等）、需要注意的寫法（如有符號整數(shù)的負(fù)值與無符號數(shù)進(jìn)行運(yùn)算等）。

2.3 優(yōu)化成績統(tǒng)計(jì)方式

過去的程序設(shè)計(jì)課程成績統(tǒng)計(jì)方式為考試分（50%）+實(shí)驗(yàn)分（50%）。為引導(dǎo)學(xué)生重視代碼風(fēng)格，程序設(shè)計(jì)Ⅱ課程采用考試分（50%）、實(shí)驗(yàn)分（45%）和代碼風(fēng)格分（5%）三項(xiàng)分?jǐn)?shù)的加權(quán)值進(jìn)行認(rèn)定。

其中代碼風(fēng)格評分細(xì)則如下：按風(fēng)格要求的5 個(gè)大項(xiàng)，每項(xiàng)1 分，每項(xiàng)只有0 和1 兩個(gè)分值，總分5 分。給分的基本原則是：凡是出現(xiàn)“不允許”的代碼寫法，不論數(shù)目均扣分；凡是出現(xiàn)“可限制”寫法較多的才考慮扣分；沒有上述情況可以給分。對代碼風(fēng)格的評價(jià)以題目為單位。最終的代碼風(fēng)格分為所有實(shí)驗(yàn)有效代碼風(fēng)格分的均值。只要順利提交作業(yè)均進(jìn)行考核，對于單個(gè)實(shí)驗(yàn)多次提交代碼的，選擇代碼風(fēng)格最好的一個(gè)作為實(shí)驗(yàn)的風(fēng)格得分。每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，由助教對學(xué)生代碼逐個(gè)進(jìn)行檢查，將檢查扣分的原因記錄在代碼風(fēng)格扣分說明文件中。評分結(jié)束后，將代碼風(fēng)格扣分說明文件共享在QQ 群空間，讓學(xué)生了解如何改進(jìn)代碼風(fēng)格。

2.4 專題介紹程序調(diào)試工具使用

對中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)2019 年秋季程序設(shè)計(jì)Ⅰ某班級學(xué)生進(jìn)行學(xué)情調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在編程過程中較少使用IDE環(huán)境自帶的調(diào)試工具，有的學(xué)生僅采用printf 方式查看變量值。這種debug 方式無疑是低效的，為此特意安排一節(jié)課由助教專題講解vs2017、gdb 等工具的調(diào)試方法，并將調(diào)試步驟詳細(xì)寫成文檔放在QQ 群文件中，供學(xué)生隨時(shí)參考。

2.5 抄襲認(rèn)定和處理原則

由于程序設(shè)計(jì)課程學(xué)生人數(shù)較多，完全依靠教師或者助教人工讀代碼進(jìn)行抄襲認(rèn)定工作量巨大，所以采用Stanford Moss 系統(tǒng)進(jìn)行抄襲判定。抄襲認(rèn)定以題目為單位，并以助教和教師的認(rèn)定作為最終結(jié)果。代碼查重前先以某種方式將學(xué)生所有“正確”（通過了所有測試用例）的代碼收集起來，使用Moss 系統(tǒng)進(jìn)行查重服務(wù)。Stanford Moss 系統(tǒng)是一個(gè)“在線”的代碼查重系統(tǒng)，使用此服務(wù)的用戶在本地機(jī)器上運(yùn)行一個(gè)類似shell 的程序，并提供代碼語言、待判定文件所在位置等各種參數(shù)，將本地代碼上傳到Moss 在線系統(tǒng)。當(dāng)在線系統(tǒng)完成抄襲判定后會(huì)返回一個(gè)URL，在這個(gè)網(wǎng)址可以以列表形式查看判重結(jié)論，如圖2 所示。圖2依次展示被比較的兩個(gè)文件、其重復(fù)比例以及重復(fù)行數(shù)目，且該頁面文件按照“最可能是抄襲的在前”順序排列。最后由助教點(diǎn)擊Moss 結(jié)果的某一行生成代碼查重詳情頁，助教根據(jù)Moss 詳情頁結(jié)果進(jìn)行人工閱覽，認(rèn)定是否抄襲，如圖3 所示。

圖2 Moss 系統(tǒng)查重結(jié)果（已隱去部分學(xué)號）

圖3 Moss 查重詳情頁（已隱去部分學(xué)號）

采用Moss 系統(tǒng)后對于抄襲有一定的震懾作用，但目前網(wǎng)上已有不少針對Moss 系統(tǒng)的逃避方法，如何高效地預(yù)防抄襲仍是研究重點(diǎn)。認(rèn)定發(fā)生抄襲后，對于涉嫌抄襲者要視情節(jié)輕重，分為“警告”“扣分”兩種處理。被警告時(shí)其對應(yīng)題目分?jǐn)?shù)不變，對應(yīng)代碼風(fēng)格分?jǐn)?shù)不變，但如下次再判定為“警告”則升格為“扣分”?？鄯謺r(shí)，該題目分?jǐn)?shù)記為0分，代碼風(fēng)格分記為“空”（不會(huì)計(jì)入總平均代碼風(fēng)格分）?？鄯趾笤谘a(bǔ)交平臺上補(bǔ)交本題，或其它未通過的題目通過OJ 及進(jìn)一步查重，按原分值的60%計(jì)，仍有抄襲的按0 分計(jì)。

3 成績及后續(xù)工作方向

3.1 取得的成績

（1）學(xué)生代碼風(fēng)格水平有了較大程度提高。學(xué)生大多可以按照規(guī)范的風(fēng)格編寫代碼，圖4 為2020 年春季程序設(shè)計(jì)Ⅱ某班級163 位學(xué)生的5 次實(shí)驗(yàn)代碼風(fēng)格平均分柱狀圖，可以看到73.6%的學(xué)生代碼風(fēng)格在4 分以上（滿分5分），基本符合代碼風(fēng)格要求。

（2）從OJ 系統(tǒng)通過情況看，學(xué)生對課程學(xué)習(xí)達(dá)到基本掌握程度。圖5 為2020 年春季程序設(shè)計(jì)Ⅱ某班級163 位學(xué)生的5 次實(shí)驗(yàn)編程總分?jǐn)?shù)柱狀圖，可以發(fā)現(xiàn)81.6%的學(xué)生編程分?jǐn)?shù)在40 分以上（滿分60 分），顯示學(xué)生對相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)掌握情況良好。

3.2 后續(xù)工作方向

（1）網(wǎng)絡(luò)教學(xué)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)師生互動(dòng)。師生互動(dòng)是教學(xué)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。采用面對面方式教學(xué)，教師可快速了解到學(xué)生的理解程度，針對學(xué)生不明白知識點(diǎn)進(jìn)行再次講解。當(dāng)轉(zhuǎn)為線上教學(xué)時(shí)，師生關(guān)系無法有效建立，雖然通過相關(guān)的直播軟件可以有效了解學(xué)生的出勤率，但是很難監(jiān)控學(xué)生是否真在學(xué)習(xí)，或是僅僅開著直播在做其它事情，相比之下線上教學(xué)效果更加依賴教師的授課水平。授課教師需要更加鉆研授課內(nèi)容，提高授課質(zhì)量，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加師生互動(dòng)環(huán)節(jié)，需持續(xù)改進(jìn)以提高教學(xué)有效性。

圖4 代碼風(fēng)格分?jǐn)?shù)分布

圖5 編程分?jǐn)?shù)分布

（2）解決學(xué)生在線debug 調(diào)試?yán)щy。程序設(shè)計(jì)課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，就像學(xué)騎自行車，聽別人多次講解自行車如何騎行，自己獨(dú)立騎行可能還是存在很大問題。以2020 年春季程序設(shè)計(jì)Ⅱ某班級163 名學(xué)生為例，初期招聘6 名高年級學(xué)生助教，如果在校學(xué)習(xí)輔導(dǎo)人數(shù)是夠的，但由于網(wǎng)絡(luò)交流效率遠(yuǎn)低于當(dāng)面交流，助教聽懂學(xué)生編寫一個(gè)復(fù)雜些的邏輯流程需要耗費(fèi)更多的時(shí)間和精力，因此在線debug 存在許多不便和不暢之處，這是在線教育需要考慮的問題之一。

（3）減少和避免抄襲現(xiàn)象。以2020 年春季程序設(shè)計(jì)Ⅱ某班級的前5 次實(shí)驗(yàn)為例，仍有個(gè)別學(xué)生存在抄襲現(xiàn)象。數(shù)據(jù)反映出抄襲人數(shù)與實(shí)驗(yàn)題目難度成正比。因?yàn)楝F(xiàn)有數(shù)據(jù)量較少，所以正比關(guān)系是否成立還要進(jìn)一步收集數(shù)據(jù)并分析。如何有效減少和避免抄襲現(xiàn)象是教師努力的方向。

4 結(jié)語

程序設(shè)計(jì)課程作為計(jì)算機(jī)專業(yè)核心課程，地位不容質(zhì)疑。通過OJ 系統(tǒng)和防作弊系統(tǒng)，簡化了在線教學(xué)中實(shí)驗(yàn)判定過程；通過強(qiáng)調(diào)代碼風(fēng)格，提高了代碼作業(yè)的工整程度。這些新的教學(xué)改革舉措對本課程在線教學(xué)幫助很大，但是對于在線教育中師生交流不便、代碼輔導(dǎo)調(diào)試?yán)щy等問題尚未很好地解決。后續(xù)需研究更有效的教學(xué)方法，努力提高在線教學(xué)質(zhì)量。