計算機程序設(shè)計課程的線上教學(xué)實踐探索

徐建軍 周會平 陳振邦

（國防科技大學(xué)計算機學(xué)院，湖南 長沙 410073）

計算機程序設(shè)計是國防科技大學(xué)（以下簡稱“我校”）的一門公共基礎(chǔ)課程，受疫情影響，2020 年春季學(xué)期該課程全部采用線上教學(xué)。首先，與傳統(tǒng)課堂教學(xué)相比較，線上教學(xué)的教學(xué)方式和效果受到很多因素的影響和制約，例如通信網(wǎng)絡(luò)和教學(xué)平臺難以持續(xù)穩(wěn)定、師生在線上交互不方便、居家學(xué)習(xí)的干擾因素較多（教學(xué)效果很大程度上與學(xué)生的自律性有關(guān)）等。其次，計算機程序設(shè)計是一門實踐性非常強的課程，其核心教學(xué)目標(biāo)是教會學(xué)生編寫程序，培養(yǎng)學(xué)生用計算機程序進行問題求解的能力，線上教學(xué)也應(yīng)該始終圍繞這個出發(fā)點來進行。

針對以上教學(xué)過程中可能存在的問題、客觀條件的限制，以及計算機程序設(shè)計課程的核心教學(xué)目標(biāo)，課程組組織集體備課，確定了“五位一體”線上翻轉(zhuǎn)課堂的基本教學(xué)思路，對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式進行了適應(yīng)性調(diào)整，基于互聯(lián)網(wǎng)、自研自建的多個教學(xué)輔助平臺和信息化資源，進行了一系列的線上教學(xué)改革探索，取得了令人滿意的教學(xué)效果。

一、教學(xué)探索和改革措施

我校計算機程序設(shè)計目前教授的是C++語言，該語言的特點是內(nèi)容龐雜、知識點零散，同時對編程實踐要求高?；陂_展線上教學(xué)的特定需求以及已有的信息化教學(xué)資源，課程組確定了開展“五位一體”線上翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的基本教學(xué)模式。

所謂線上翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，是指基于網(wǎng)絡(luò)和信息化手段開展翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)。如圖1 所示，所謂“五位一體”指的是：在課前要求學(xué)生自學(xué)配套的MOOC 課程，預(yù)習(xí)教材對應(yīng)章節(jié)，并總結(jié)自學(xué)過程中遇到的問題；課堂上檢驗自學(xué)成果，針對一個實際案例引導(dǎo)學(xué)生得出問題求解步驟，總結(jié)本堂課的核心知識點，并進行限時的編程練習(xí)，對學(xué)生的完成情況進行點評和答疑；課后基于網(wǎng)絡(luò)實訓(xùn)平臺布置編程實踐題目，平臺可以對學(xué)生的代碼進行自動評測，以獲得及時反饋；通過多種線上交互方式為學(xué)生提供全程的答疑輔導(dǎo)，并錄制系列微課便于學(xué)生復(fù)習(xí)鞏固；最后，通過網(wǎng)絡(luò)模擬測驗、學(xué)情數(shù)據(jù)分析等信息化手段跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)掌握情況，督促重點學(xué)生，形成教學(xué)閉環(huán)。下面介紹具體的教學(xué)實施環(huán)節(jié)。

圖1 “五位一體”的線上翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)

（一）課前預(yù)習(xí)

上課之前，教師給學(xué)生發(fā)送電子版的教材和學(xué)習(xí)參考資料，通過班級微信群等方式預(yù)告本次上課的主要內(nèi)容，要求學(xué)生在課前做好預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備工作。課程組在“學(xué)堂在線”網(wǎng)站上開設(shè)了配套的計算機程序設(shè)計MOOC 課程，MOOC 課程的內(nèi)容完全覆蓋了本課程的所有知識點。在上課之前要求學(xué)生必須看完本次上課相關(guān)章節(jié)的教學(xué)視頻，完成MOOC 課程上發(fā)布的相關(guān)練習(xí)題。通過這些準(zhǔn)備工作，學(xué)生已經(jīng)基本了解和掌握了本堂課的主要知識，同時還要準(zhǔn)備1～2 個自學(xué)過程中遇到的問題，通過金山共享文檔的形式提交，以待課堂上與教師進行交流。這些準(zhǔn)備工作都為翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的順利開展奠定了良好的基礎(chǔ)。

（二）翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)

我校2020 年春季學(xué)期指定的教學(xué)平臺是雨課堂，雨課堂將信息技術(shù)手段融入PowerPoint 和微信，支持彈幕、投稿、隨機點名等多種互動方式，為開展混合式教學(xué)提供了有效的解決方案。但雨課堂在大規(guī)模訪問時，視頻和語音直播的效果難以滿足要求，所以還要配套一個視頻會議平臺以便于課堂直播，實際選擇的平臺包括騰訊會議、Zoom、騰訊課堂、釘釘?shù)取?/p>

課堂上首先通過課前測試的方式檢驗學(xué)生課前自學(xué)成果，并提出本次課要解決的問題及重難點。然后，結(jié)合本次課的授課內(nèi)容引入一個現(xiàn)實案例。這些案例都來源于實際的工程技術(shù)問題，例如：線性擬合、牛頓迭代、計算地球大圓距離、信息加密、地形導(dǎo)航、DNA分析、地震監(jiān)測等。授課時圍繞如何求解這些真實的問題，啟發(fā)學(xué)生一步步思考。在這個實戰(zhàn)化訓(xùn)練過程中，讓學(xué)生體驗如何把一個現(xiàn)實問題轉(zhuǎn)化成計算機求解的步驟，以此來培養(yǎng)學(xué)生針對實際問題的分析能力和求解能力，從而把編程知識的講授植入問題求解能力的訓(xùn)練過程中。

在進行具體教學(xué)時，教師講授時間盡量不超過課堂時間的一半。要將更多時間留給學(xué)生做課堂編程練習(xí)，一般每次課教師都會結(jié)合課程內(nèi)容設(shè)計兩道左右的編程練習(xí)題，每道題限定10～15 分鐘完成。我校開發(fā)部署了Trustie 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺（https://www.trustie.net/），教師可以基于該平臺發(fā)布編程題目和設(shè)計測試用例。學(xué)生先在自己計算機的IDE 開發(fā)環(huán)境中按要求編寫測試好程序，再提交代碼到Trustie 網(wǎng)絡(luò)平臺，平臺可以在線進行自動評測，只有所有測試用例通過才算完成。平臺給學(xué)生、教師的反饋非常及時，教師可以在課堂上及時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。針對學(xué)生的完成情況和提交的代碼，教師通過視頻會議平臺進行講評和總結(jié)，通過IDE工具與學(xué)生一起調(diào)試程序，指出其中普遍存在的問題并分析原因。在剩余時間中，學(xué)生可以通過語音交流、共享屏幕等方式就自己的問題與教師進行交流和研討。最后，教師進行課程總結(jié)，梳理重難點，布置課后作業(yè)，并預(yù)告下次課的內(nèi)容。

針對線上教學(xué)的特點，授課過程中教師要多與學(xué)生進行線上互動，以集中學(xué)生的注意力和獲得學(xué)習(xí)反饋。學(xué)生可以通過雨課堂彈幕、文字聊天室、班級微信群等多種方式與教師和助教交流。

（三）課后編程訓(xùn)練

畢竟課堂時間非常有限，而學(xué)習(xí)程序設(shè)計的核心是多做編程實踐，很多知識點只有通過大量的編程實踐才能掌握。所以，除了課堂上的編程練習(xí)，每個教學(xué)班都基于我校自研的EduCoder（https://www.educoder.net/）和Trustie 兩個教學(xué)平臺，布置了配套的課后編程實踐作業(yè)。

EduCoder 編程實訓(xùn)平臺可以實現(xiàn)對于每個知識點的檢測和訓(xùn)練。該平臺是一個游戲闖關(guān)式的實訓(xùn)環(huán)境，全部是程序設(shè)計題目，只有測試用例都通過才能過關(guān)獲得經(jīng)驗值，如果是看參考答案過關(guān)則要扣經(jīng)驗值。網(wǎng)站上還提供很多與本單元相關(guān)的背景知識，便于學(xué)生自學(xué)。課程組在EduCoder平臺上自建了9大實訓(xùn)、49道關(guān)卡、300 多個測試用例，涵蓋了課程教學(xué)的全部授課內(nèi)容。此外，多個教學(xué)班還在Trustie 平臺上布置了一些開放性、綜合性比較高的編程實踐題目，內(nèi)容與每次上課內(nèi)容密切相關(guān)，這些題除了基礎(chǔ)知識題目，還有部分難度較大的拓展提高題目。

（四）全程答疑輔導(dǎo)

教師和助教主要是在班級微信群、答疑論壇里為學(xué)生開展全程答疑輔導(dǎo)。除了在課堂上來不及回答的問題，教師還通過共享文檔和網(wǎng)絡(luò)投票等方式收集學(xué)生的問題，然后把這些問題分配給各個助教，再通過視頻會議和班級微信群等方式為學(xué)生答疑解惑。LearnerHub答疑論壇是我校開發(fā)的一個專門性學(xué)習(xí)問答平臺（http://learnerhub.net/），課程組要求所有助教必須注冊該論壇，要經(jīng)常性地在該論壇上回答學(xué)生提出的問題，同時共享一些學(xué)習(xí)資源。

在課程后期，授課教師還組織了兩次課堂上的“群體化答疑”，即學(xué)生以分組的形式提出問題，然后把這些問題分配到其他小組，由其他組的學(xué)生回答，教師在這個過程中起引導(dǎo)和輔助的作用。這種方式達到了讓學(xué)生互相學(xué)習(xí)的目的，取得了非常好的效果。此外，我們還針對學(xué)生反映的共性問題錄制了“程序設(shè)計拾遺”系列微課，方便學(xué)生自學(xué)和鞏固。

（五）學(xué)情跟蹤

在線上教學(xué)過程中，由于居家學(xué)習(xí)無人監(jiān)督，少部分自律性不強的學(xué)生與教師和助教的交流不夠積極，完成作業(yè)也比較拖拉。所以教學(xué)過程中必須加強對學(xué)生學(xué)習(xí)情況的跟蹤，尤其是要重點關(guān)注那些學(xué)習(xí)情況不太理想、平時與教師交流也不夠積極的學(xué)生。除了雨課堂生成的課堂統(tǒng)計和分析數(shù)據(jù)，課程組每周還通過腳本程序自動統(tǒng)計Trustie 和EduCoder 上編程實踐作業(yè)的完成情況，以可視化圖表的形式直觀反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，跟蹤學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)。根據(jù)平臺數(shù)據(jù)分析學(xué)生學(xué)習(xí)行為，適時調(diào)整教學(xué)進度，并對重點人員進行跟蹤督促。

綜上所述，在本次線上翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)過程中，課程組通過自建或采用已有的EduCoder編程實訓(xùn)、Trustie 編程實踐題目、微課等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，充分利用視頻會議平臺、雨課堂、金山共享文檔、LearnerHub 答疑社區(qū)、自編跟蹤分析工具等信息化手段，順利完成了本學(xué)期的課程教學(xué)。

二、教學(xué)效果調(diào)查

課程開始時進行了線上教學(xué)需求的問卷調(diào)查。課程完結(jié)后，組織了線上教學(xué)效果的總結(jié)調(diào)查。從調(diào)查結(jié)果來看，學(xué)生普遍對此次計算機程序設(shè)計課程的線上教學(xué)效果高度肯定（5 分制評分的平均得分為4.35）。很多學(xué)生對這種翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式印象深刻，認(rèn)為在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下課堂學(xué)習(xí)更專注、交流互動更及時、課后學(xué)習(xí)更自由。對于計算機程序設(shè)計這門課，相較于傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，有82.36%的學(xué)生更傾向于線上線下混合式教學(xué)，甚至是完全的線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。

表1 部分調(diào)查結(jié)果

對翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)要求的課前預(yù)習(xí)工作，88.18%的學(xué)生全部完成或基本完成。每次完成這些課前準(zhǔn)備工作，平均需要2.04個小時。對課程布置的課后實訓(xùn)作業(yè)，每周平均完成時間需要6.46小時。

此外，學(xué)生普遍認(rèn)為此次線上教學(xué)采用的課堂共享屏幕、課堂限時編程測試、自學(xué)MOOC 課程、視頻回放等教學(xué)手段的效果比較好。通過這門課的學(xué)習(xí)，學(xué)生覺得在C++編程語言學(xué)習(xí)、編程思維訓(xùn)練和程序設(shè)計調(diào)試等方面收獲較大。

三、教學(xué)總結(jié)和改進建議

通過此次教學(xué)實踐，筆者認(rèn)為對于計算機程序設(shè)計這門課程，線上教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合的教學(xué)模式是完全合適的。課前學(xué)生通過自學(xué)預(yù)習(xí)課程內(nèi)容，課上教師基于視頻直播平臺梳理知識點、進行編程練習(xí)指導(dǎo)和交流互動，課后利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺進行編程實踐訓(xùn)練，全程綜合使用多種線上交流方式開展答疑和輔導(dǎo)，達到了預(yù)期的教學(xué)目的。

但是，線上教學(xué)的客觀條件在某些方面也確實影響了教學(xué)效果。如圖2所示，教學(xué)調(diào)查的統(tǒng)計結(jié)果顯示，學(xué)生認(rèn)為影響學(xué)習(xí)效果的前三項因素包括：不能面對面跟教師、助教和同學(xué)交流，網(wǎng)絡(luò)和教學(xué)平臺不穩(wěn)定，居家學(xué)習(xí)無人監(jiān)督（自己不夠自律）。

圖2 影響教學(xué)效果的關(guān)鍵因素調(diào)查結(jié)果（多選題）

雖然通過網(wǎng)絡(luò)進行交流能夠克服時空和地域的限制，但是線上教學(xué)由于不能與學(xué)生直接面對面互動，代碼分析和程序調(diào)試等教學(xué)環(huán)節(jié)不方便開展，教師無法直接及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，學(xué)生一直面對屏幕學(xué)習(xí)也容易產(chǎn)生疲勞。所以，教師可以通過共享桌面、遠(yuǎn)程調(diào)試等技術(shù)手段在線上與學(xué)生一起分析程序代碼，幫助學(xué)生解決編程過程中出現(xiàn)的問題。同時，在課堂教學(xué)過程中需要多安排問答、投票、簡單測試等方式與學(xué)生交互，一般建議10～15 分鐘安排一次，通過交互了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，活躍課堂氛圍，緩解疲勞。

另外，由于課堂時間有限，課后教師仍然需要通過班級微信群、答疑論壇等多種方式同學(xué)生持續(xù)交流。如圖3的調(diào)查結(jié)果所示，在線上教學(xué)交互方面，大部分學(xué)生認(rèn)為有效的交流方式包括：視頻會議平臺上直接語音或文字交流、課堂編程練習(xí)、課堂投票測試等。

圖3 線上教學(xué)的有效交流方式調(diào)查結(jié)果（多選題）

由于網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、學(xué)生無法準(zhǔn)時到課等不可控因素，線上教學(xué)要求必須錄制教學(xué)視頻，然后分享給學(xué)生，方便學(xué)生課后回放觀看。由于居家學(xué)習(xí)無人監(jiān)督，少部分自律性不強的學(xué)生與教師和助教的交流不夠積極，完成作業(yè)也比較拖拉。所以網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過程中必須通過一些信息化手段加強學(xué)情跟蹤，尤其是要重點關(guān)注那些學(xué)習(xí)情況不太理想、平時交流也不夠積極的學(xué)生。

此外，從教學(xué)調(diào)查反饋結(jié)果來看，學(xué)生希望教師能夠增加課堂編程練習(xí)，講解習(xí)題難題，適當(dāng)拓展教學(xué)內(nèi)容，提高網(wǎng)絡(luò)平臺穩(wěn)定性，提供更多學(xué)習(xí)資源等。有些學(xué)生期望助教能進一步加強交流、答疑和輔導(dǎo)工作。這些都是未來在教學(xué)實施過程中需要加強和改進的環(huán)節(jié)。

四、結(jié)語

此次新冠肺炎疫情對各個高校的教學(xué)實施提出了很多挑戰(zhàn)，但同時也為教學(xué)內(nèi)容改革和教學(xué)模式創(chuàng)新提供了機遇。在這次集中的線上教學(xué)過程中，針對計算機程序課程的特點和需求，我校探索了“五位一體”的線上翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，充分利用了互聯(lián)網(wǎng)上的各種網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，并自研自建了多個信息化課程資源，綜合運用了多種教學(xué)手段和方式，取得了良好的教學(xué)效果。未來，我們將結(jié)合教學(xué)實施過程中存在的問題，進一步研究線上教學(xué)的改進措施。