基于BOPPPS教學模型的程序設(shè)計課程線上教學實踐

許智宏，呂 華，馬建紅，董永峰

（河北工業(yè)大學人工智能與數(shù)據(jù)科學學院，天津 300401）

0 引言

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計是計算機類專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)核心課程，要求學生既要掌握面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的基本概念、特性、理論等，又能結(jié)合具體編程語言和環(huán)境進行程序設(shè)計。雖然傳統(tǒng)教學模式具有知識傳達有效性、高效性、課程評估統(tǒng)一性等優(yōu)勢，然而對于程序設(shè)計課程的教學而言，仍具有一定的局限性。究其原因，傳統(tǒng)教學受課堂教學形式和學時限制，存在理論教學與實踐環(huán)節(jié)相脫節(jié)、教學內(nèi)容難以深入和擴展、學生課堂參與度不高等問題，難以提高學生解決復雜工程問題的能力。

BOPPPS 教學模型是北美國家諸多名校所推崇的教學模型，強調(diào)以學生為中心的教學理念，對課堂教學過程進行模塊化分解，將課堂教學環(huán)節(jié)依次分為導言、明確學習目標、前測、參與式學習、后測、總結(jié)6 個階段，但主要應用于線下課堂教學。王曉巖等明確指出，線上教學為課程注入了新經(jīng)驗、新資源和新工具，制定了“小規(guī)模限制性在線課程（Small Private Online Course，SPOC）+騰訊會議+雨課堂”三位一體的線上教學模式。在河北工業(yè)大學人工智能與數(shù)據(jù)科學學院2019 至2020 學年面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計課程中，結(jié)合疫情期間無法實施線下課堂教學的實際情況，對BOPPPS 教學模型的具體教學環(huán)節(jié)進行調(diào)整，設(shè)計各個教學環(huán)節(jié)，進行基于BOPPPS 教學模型的線上教學探索。

1 基于BOPPPS理念的線上教學設(shè)計

隨著我國推進國際工程教育認證、開展新工科建設(shè)等一系列舉措，促使教育界不斷探索新的教學模式，具體落實到具體專業(yè)課程教學上，則需要基于目標導向（Outcome based education，OBE）設(shè)計以學生為主體、教師為主導的教學模式。本文針對計算機專業(yè)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計課程，基于OBE 制定課程教學目標，分析教學內(nèi)容和資源；基于BOPPPS 設(shè)計教學過程組織方法、選擇線上線下混合式教學平臺等工作。

1.1 基于OBE理念制定課程教學目標

依據(jù)工程教育認證以學生為中心的OBE 制定課程目標，使學生適應工程教育要求，在技術(shù)性能力、非技術(shù)性能力和素養(yǎng)方面打下良好基礎(chǔ)。具體教學目標如下：

（1）使學生掌握面向?qū)ο蟪绦虻幕靖拍詈退枷?，了解中封裝性、繼承性和多態(tài)性的意義和實現(xiàn)方法，利用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的思想對實際工程問題建立模型。

（2）使學生掌握C++語言面向?qū)ο蟪绦虻脑O(shè)計方法，結(jié)合實際應用開發(fā)平臺對實際工程問題給出解決方案。

其中，前者重點培養(yǎng)學生的計算思維能力，后者則重點培養(yǎng)學生的系統(tǒng)思維及解決復雜工程問題的能力。

1.2 基于學情分析建設(shè)教學內(nèi)容和資源

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計是包括計算機科學與技術(shù)、軟件工程、網(wǎng)絡工程、物聯(lián)網(wǎng)工程等計算機類專業(yè)學生一年級第二學期的課程。此時，學生已具有C 語言程序設(shè)計基礎(chǔ)，初步掌握了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思想。

因此，課程教學內(nèi)容將以面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計三大特性為重點，覆蓋主要知識架構(gòu)，基于C++語言進行設(shè)計實踐，突出面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計與結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的聯(lián)系、區(qū)別、特性及優(yōu)勢。具體的教學內(nèi)容包括以下6個模塊：

①面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計概述。分析面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計與結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法的關(guān)聯(lián)與區(qū)別，了解C++對C 語言的共同點與改進之處。②封裝性。通過案例分析如何從現(xiàn)實世界中發(fā)現(xiàn)和提取類與對象。③繼承性。通過案例分析面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的復用機制。④多態(tài)性。通過案例分析如何優(yōu)化面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計。⑤異常處理。⑥C++流。

為解決大型開放式網(wǎng)絡課程（Massive Open Online Courses，MOOC）無法對高校學生實施個性化教學的現(xiàn)狀。河北工業(yè)大學人工智能與數(shù)據(jù)科學學院教學團隊通過自制教學資源，根據(jù)教學方案制定學習指導書，設(shè)計課件、習題集、演示案例，并將內(nèi)容、知識點錄制為視頻。同時，將課程直播演示制作為微視頻進行發(fā)布，供學生隨時觀看進行學習。除教學方案外，還將學習指導書、課件、習題集、知識點講解視頻、案例演示視頻等學習資源進行整合，為學生提供豐富的課外學習資源。

1.3 設(shè)計教學過程組織方法

基于BOPPPS 教學模型對疫情期間線上教學過程組織方法進行設(shè)計，具體包括4 個階段：①將導言和明確學習目標進行合作為課前階段，制定學習指導書，明確學習目標，督促學生作好課前準備；②上課時首先進行前測，了解學生對前序知識的掌握情況，必要時先進行討論、講解，再導入新的教學內(nèi)容；③教學過程中進行重、難點精講并隨時進行提問和討論，通過案例分析、師問生答、學生典型問題你問我答等形式模擬線下課堂參與式教學，必要時進行后測和總結(jié)，深化學生的理解，并適當增加課后學習拓展內(nèi)容；④課后督促學生完成基礎(chǔ)知識作業(yè)、程序設(shè)計作業(yè)及實驗，以進一步固化、拓展所學知識，強化程序設(shè)計能力。線上BOPPPS 教學模型示意圖如圖1所示。

Fig.1 Curriculum design teaching system圖1 課程設(shè)計教學體系

1.4 選擇線上線下混合式教學平臺

教學工具、環(huán)境設(shè)施等教學資源需求取決于教學材料。由于在疫情期間，線上教學中需要進行線上直播、現(xiàn)場討論、發(fā)布教學資源、布置和評判作業(yè)、布置和檢查程序設(shè)計實驗等一系列工作，當大量課程集中在線教學平臺上進行教學時，會造成平臺擁堵甚至癱瘓。為此，本文經(jīng)過多次測試，選擇結(jié)合兩種平臺進行使用，以確保授課過程中的穩(wěn)定性。具體措施如下：

（1）組建課程學習專用QQ 群進行教學文檔、知識點視頻等教學資源的發(fā)布并組建線上討論平臺，同時使用QQ群分享屏幕功能進行課程直播。

（2）使用程序設(shè)計類實驗教學輔助平臺PTA 布置和評判作業(yè)與程序設(shè)計實驗。

2 基于改進BOPPPS的線上教學實施

將教學實施分為教學準備、課前測試、線上課堂教學和學習成果鞏固與拓展4個階段。

2.1 教學準備階段

教師主要進行教學方案設(shè)計、課件制作、課程視頻錄制、直播腳本書寫及演練、課前測試題設(shè)計、案例演示程序設(shè)計與調(diào)試、實驗題目設(shè)計、作業(yè)題目集設(shè)計等工作，最后將組織好的教學目標、教學內(nèi)容、教學資料、課堂參與要求、課后作業(yè)要求等編制為《學習指導書》。其中，《學習指導書》的主要作用是導言和明確學習目標。并將課件、課程視頻、《學習指導書》等課程資源發(fā)布至學習群；課前測試題集、實驗題目集、作業(yè)題目集發(fā)布至PTA 平臺。

2.2 課前測試階段

為檢測學生對教學內(nèi)容基礎(chǔ)知識的掌握情況，通過單選題回顧前驅(qū)概念、分析程序運行結(jié)果等方式幫助學生回顧前序相關(guān)教學內(nèi)容。該方法具有以下優(yōu)點：①通過問題討論與解答，利用少量時間導入新的教學內(nèi)容；②便于教師及時了解學生對知識的掌握情況，對于一些共性、掌握不好的知識點可進行針對性強化；③輔助學習過程評價，利用PTA 平臺自動評判和記錄學生實踐成績，作為平時成績評判依據(jù)。其中，課前測試輔助主要記錄學生的考勤情況；通過PTA 平臺分析學生參與測試的時間，發(fā)現(xiàn)遲到或曠課的學生。

2.3 參與式線上教學

相較于傳統(tǒng)線下教學，線上課堂可留出更多時間供學生進行課間討論。其中，討論環(huán)節(jié)的包括重點概念辨析、程序運行結(jié)果分析、程序設(shè)計方案對比、案例分析討論等內(nèi)容，具體討論形式包括師問生答、學生你問我答、學生自問自答等，通過模擬線下課堂參與式教學，實現(xiàn)線上翻轉(zhuǎn)課堂。

參與式線上教學的成敗關(guān)鍵在于討論范圍和效果。由于學生間的能力參差不齊，若設(shè)計的討論題目過于簡單，能力較強的同學就會缺乏收獲感；反之，能力稍差的同學課堂參與度較差。因此，本文在提升學生收獲感、參與感方面重點開展了以下兩方面工作：

（1）選取、設(shè)計適當?shù)某绦蛟O(shè)計案例進行討論。預先準備多個設(shè)計、實現(xiàn)版本的討論案例。具體的，第1 版方案要保證程序結(jié)果正確；第2 版方案要確保程序設(shè)計合理；第3 版方案要使得程序風格良好；第4 版方案要考慮系統(tǒng)化需求（包括用戶友好性支持、程序架構(gòu)利于團隊合作、便于擴展等）。在案例討論中，能力稍差的同學先嘗試完成第1 版方案，爭取做到第2 版或第3 版方案；能力較強的同學可輕松完成第1、2 版方案，但未必會注意到第3 版方案中的細節(jié)問題；還存在極少數(shù)學生能夠完成第4 版方案，接近規(guī)范軟件甚至系統(tǒng)開發(fā)要求。如此，能夠使不同能力層次學生都能在案例分析中有所收獲，全面提升了學生的收獲感與參與感。

（2）對積極參與討論的學生給與適當獎勵，以鼓勵學生討論。對主動發(fā)問并引發(fā)有效討論、主動解答問題并提供有效答案、解決自身問題并總結(jié)出對其它學生有所幫助、教師抽查提問回答正確的學生，在平時成績上給予一定的加分，并定期公布獎勵名單。此外，建立線上實驗互助討論小組，選拔實驗完成早、實驗效果好、編程能力強的學生組成志愿助教組指導實驗有困難的學生，并給予一定的加分。

2.4 學習成果鞏固與拓展

通過設(shè)計、選擇基礎(chǔ)知識題目，發(fā)現(xiàn)線上教學中的知識點漏洞及學生掌握不扎實的知識點，并布置程序設(shè)計練習驗證所學知識。例如，設(shè)計綜合性實驗題目——圖書館管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，結(jié)合教學進度引導學生逐步完成和優(yōu)化設(shè)計方案。由于教學課時限制，可能無法完全展開講解課程的全部相關(guān)內(nèi)容，例如STL、可視化界面程序設(shè)計等。教師可制作拓展教學資源、思考題目、練習，供學有余力的學生進行學習，加強學生的自主學習意識。

3 實踐教學效果

3.1 客觀評價與分析

對河北工業(yè)大學人工智能與數(shù)據(jù)科學學院2019-2020年春季學期的多個班進行隨機抽樣，對學習過程討論參與人均次數(shù)、經(jīng)常參與討論人數(shù)百分比、作業(yè)按時完成度、作業(yè)平均成績、實驗按時完成度、實驗成果平均成績等進行統(tǒng)計，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

Table 1 Analysis of students'learning situation in the spring semester of 2019 and 2020表1 2019-2020年春季學期學生學習情況分析

由表1 可知，2020 年網(wǎng)上教學學生參與積極性普遍高于2019 年；經(jīng)常討論人數(shù)百分比顯著提高；作業(yè)按時完成度、作業(yè)平均成績、實驗按時完成度、實驗成果平均成績均明顯優(yōu)于2019 年。4 個抽樣班在討論參與、作業(yè)完成情況和實驗完成情況上存在一定的差異性，但總體情況較為均衡。

3.2 主觀評價與分析

為了解學生主觀體驗，本文設(shè)計了問卷調(diào)查學生對教學內(nèi)容、方法、資源、平臺、實驗平臺、參與環(huán)節(jié)、案例選擇、測驗題目難度、程序設(shè)計作業(yè)、實驗難度等方面的感受，現(xiàn)有130位同學填寫了問卷，總體調(diào)查結(jié)果如表2所示。

由表2可知，課程的項目滿意度超過了80%，僅有教學方法、教學資源、參與教學環(huán)節(jié)三項分別存在1.54%、1.54%、1.54%的學生尚不滿意。通過問卷調(diào)查統(tǒng)計看出，學生對現(xiàn)階段教學設(shè)計和教學實施的滿意度較高。

Table 2 Statistical table of teaching satisfaction survey in spring semester of 2020表2 2020年春季學期教學滿意度調(diào)查統(tǒng)計 （%）

4 常態(tài)化線上教學實施思路

雖然本文提出的教學模式對面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計課程的教學效果較好，但畢竟是特殊時期作用下的結(jié)果，仍需要認真總結(jié)，爭取將經(jīng)驗推廣到常態(tài)化課堂教學中，充分發(fā)揮教學模式的優(yōu)勢。

4.1 以學生為主體、教師為主導教學

BOPPPS 作為諸多名校所推崇的教學模型，有其固然優(yōu)點，若在實施過程中結(jié)合課程和學生特點靈活運用，能夠顯著提高教學質(zhì)量。

在河北工業(yè)大學人工智能與數(shù)據(jù)科學學院2020 春季學期的多次課堂教學實踐中發(fā)現(xiàn)，在BOPPPS 模型的課程導入、明確學習目標、前測、參與式學習、后測、總結(jié)的6 個階段當中，前測、后測和參與式教學過程均需要以學生為主體，課程導入適合與前測相結(jié)合，課程總結(jié)也可與后測過程相結(jié)合，引導學生通過分析測試題目達到自然導入和總結(jié)課程的目的。為體現(xiàn)教師的主導作用，課程的學習目標必須由教師完成。

4.2 線上線下混合式教學

BOPPPS 模型中的前測、后測及部分參與式學習過程，都需要應用在線教學平臺，統(tǒng)計學生參與情況，但現(xiàn)階段通過線下教學方式明確學習目標、課程總結(jié)及大部分參與式學習過程的效果更好，因此需要進行精心設(shè)計，將兩種教學方式完美結(jié)合。

其次，充分利用線上教學資源，可有效深化和拓展教學內(nèi)容，克服線下教學的課時限制，提升教學效果。再者，通過實踐發(fā)現(xiàn)線上程序設(shè)計測試平臺能夠快速檢測學生程序設(shè)計結(jié)果，有利于鍛煉學生基礎(chǔ)程序設(shè)計、調(diào)試、排錯能力，但在面對設(shè)計、創(chuàng)新、接近于實際項目的復雜工程類問題時，則更適合線下進行指導。因此，基于BOPPPS 模式進行線上線下混合式教學將是今后的教學趨勢。

5 結(jié)語

在河北工業(yè)大學人工智能與數(shù)據(jù)科學學院2020 春季學期中，基于BOPPPS 教學模型開展面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計線上教學取得了較好的教學效果。學生普遍反映相較于傳統(tǒng)課堂教學，線上教學的參與度更高，提供的教學資源更豐富，自主學習能力等方面提升顯著。接下來，將線上教學常態(tài)化，形成與線下教學的有效互補將是未來的努力方向。