實(shí)時(shí)反饋在Java編程教學(xué)中的應(yīng)用研究

關(guān)鍵詞：Java編程；實(shí)時(shí)反饋；課堂點(diǎn)擊器；求解和評(píng)估

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）28-0133-04

0 引言

Java程序設(shè)計(jì)是各高校普遍開設(shè)的課程，但在目前的教學(xué)中存在很多問(wèn)題。教學(xué)內(nèi)容不能與時(shí)俱進(jìn)，教學(xué)方法單一，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低下，不能完全掌握編程思想和技能[1]；程序設(shè)計(jì)應(yīng)該訓(xùn)練學(xué)生的計(jì)算思維和創(chuàng)新思維能力，但目前大多數(shù)Java編程課程專注于具體的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)，忽視了學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的思維能力[2]；課時(shí)分配不合理，考核方式簡(jiǎn)單粗暴，學(xué)生的反饋不夠[3]；很多研究提出了線上線下的混合教學(xué)模式，線上課程優(yōu)勢(shì)明顯，資源豐富，學(xué)習(xí)時(shí)間靈活，可以反復(fù)學(xué)習(xí)[4]；文獻(xiàn)[5]提出了小班教學(xué)模式，可以更好地關(guān)注每個(gè)學(xué)生，更多地進(jìn)行課堂互動(dòng)。計(jì)算思維和創(chuàng)新思維能力的訓(xùn)練需要長(zhǎng)期的訓(xùn)練，除了學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)外，課堂的引導(dǎo)對(duì)初學(xué)者非常重要，能夠大大降低學(xué)生入門的難度，減少學(xué)生時(shí)間的浪費(fèi)。其中，Java各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的理解對(duì)思維訓(xùn)練起著重要的作用。但是Java的知識(shí)點(diǎn)繁多，如果學(xué)生在課堂中不能及時(shí)理解，課后往往失去了繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。因此如果能在課堂上及時(shí)得到學(xué)生的反饋，教師就能掌握學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，針對(duì)相應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的講解。本文介紹基于Java開發(fā)的課堂點(diǎn)擊器系統(tǒng)，允許學(xué)生課堂中實(shí)時(shí)對(duì)提出的問(wèn)題進(jìn)行反饋，教師可以快速了解學(xué)生的理解水平，同時(shí)提出一種與之對(duì)應(yīng)的新的教學(xué)方法：求解和評(píng)估教學(xué)方法。

1 課堂點(diǎn)擊器系統(tǒng)簡(jiǎn)介

課堂點(diǎn)擊器是一個(gè)用于組響應(yīng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展框架。這樣的系統(tǒng)可以快速收集課堂上所有學(xué)生的反饋。這種系統(tǒng)的常見使用是在上課期間，教師用投影儀投影一個(gè)選擇題，學(xué)生可以使用點(diǎn)擊器，通過(guò)按下點(diǎn)擊器上的一個(gè)按鈕來(lái)提交答案。教師可以立即看到以直方圖形式匯總的回答，并可以進(jìn)一步講解直到學(xué)生理解該問(wèn)題。點(diǎn)擊器系統(tǒng)通過(guò)兩個(gè)Java RMI進(jìn)行教師和學(xué)生之間的通信。教師控制課程，并通過(guò)投影儀呈現(xiàn)可視化效果。學(xué)生解決問(wèn)題并給出評(píng)估。系統(tǒng)采用Java語(yǔ)言編寫，可以在任何支持Java的設(shè)備上運(yùn)行，如手機(jī)等。系統(tǒng)背后的主要思想是基于軟件的點(diǎn)擊器能夠支持比傳統(tǒng)硬件點(diǎn)擊器更豐富的交互。在該點(diǎn)擊器中，可以靈活擴(kuò)展問(wèn)題的類型，多項(xiàng)選擇題只是一種可擴(kuò)展的問(wèn)題類型。例如，點(diǎn)擊器提供了一個(gè)插件，支持所謂的文本突出顯示問(wèn)題，向?qū)W生提供一個(gè)問(wèn)題和一段文本，然后必須突出顯示文本中的所有相關(guān)部分。這類問(wèn)題比多選題更豐富，因?yàn)閷W(xué)生必須自己構(gòu)建解決方案，而不是從教師預(yù)先確定的一組解決方案中挑選。多選問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)是它們的解決方案可以很容易地匯總在直方圖中。更復(fù)雜的問(wèn)題需要不同形式的聚合和可視化。點(diǎn)擊器系統(tǒng)向教師提供所有個(gè)人解決方案的列表。為了擴(kuò)展到更多的學(xué)生，針對(duì)新問(wèn)題類型的插件可以提供解決方案的聚合。

2 編程技能學(xué)習(xí)

用Java語(yǔ)言編程意味著要學(xué)習(xí)許多相互關(guān)聯(lián)的技能。文章描述了四種這樣的技能，并展示了如何擴(kuò)展點(diǎn)擊器系統(tǒng)以增加對(duì)教學(xué)的支持。教師可以根據(jù)自己課堂上的需求選擇其中的技能。學(xué)習(xí)編程的學(xué)生還需要掌握許多其他技能，點(diǎn)擊器系統(tǒng)允許在未來(lái)增加對(duì)這些技能的支持。四種技能如下。

2.1 語(yǔ)法

語(yǔ)法結(jié)構(gòu)及其名稱是較為抽象的，這也是編程語(yǔ)言的一項(xiàng)基本組成。談?wù)撜Z(yǔ)法結(jié)構(gòu)、命名概念并識(shí)別它們的能力是學(xué)生看到的編程內(nèi)容之一，也是磨煉學(xué)生抽象技能的第一步。點(diǎn)擊器系統(tǒng)中已經(jīng)提供了文本突出顯示問(wèn)題類型，它為檢查學(xué)生對(duì)語(yǔ)言語(yǔ)法的理解提供了一種直接的方法。圖1（a） 顯示了一個(gè)文本突出顯示問(wèn)題，其中文本對(duì)應(yīng)一段Java源代碼，該問(wèn)題對(duì)應(yīng)突出顯示特定語(yǔ)法結(jié)構(gòu)的請(qǐng)求。例如，教師可以要求學(xué)生突出顯示所有注釋、所有字符串文字、所有方法體、條件語(yǔ)句中的所有條件或與方法調(diào)用相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。這些問(wèn)題不一定局限于語(yǔ)言語(yǔ)法，還包括對(duì)字段的所有讀取訪問(wèn)、最終變量的所有使用或所有接口方法調(diào)用的高亮顯示。

2.2 類型

類型是像Java 這樣的語(yǔ)言不可分割的一部分。Java程序員的一項(xiàng)重要技能是能夠推斷任意表達(dá)式的類型。點(diǎn)擊器系統(tǒng)開發(fā)了這樣的功能，允許學(xué)生練習(xí)和測(cè)試該技能。圖1（b） 顯示了這樣一個(gè)類型問(wèn)題。教師編寫Java代碼片段，并突出顯示一個(gè)表達(dá)式。然后，學(xué)生需要決定突出顯示的表達(dá)是否合法，如果合法，則需要確定其類型。

2.3 控制流

對(duì)于剛開始編程的人來(lái)說(shuō)，挑戰(zhàn)之一是理解控制流。在基于結(jié)構(gòu)化編程原理的語(yǔ)言中，學(xué)生需要理解順序、選擇和循環(huán)的基本概念。Java語(yǔ)言為選擇提供if 和switch語(yǔ)句，為循環(huán)提供for、while和do-while循環(huán)。解釋一個(gè)概念的一個(gè)有用的方法是使用多種表示法。以控制結(jié)構(gòu)為例，可以使用兩種這樣的表示：控制結(jié)構(gòu)的源代碼以及控制流程圖。為了評(píng)估學(xué)生是否理解特定的控制結(jié)構(gòu)，要求他們將包含該結(jié)構(gòu)的源代碼翻譯成控制流程圖。圖1（c） 顯示了在學(xué)生的點(diǎn)擊器上呈現(xiàn)這樣的問(wèn)題。將Java源代碼與控制流圖并排顯示。最初，圖形是不完整的（它只包含入口和出口節(jié)點(diǎn)）。學(xué)生必須通過(guò)添加必要的節(jié)點(diǎn)和邊來(lái)完成圖形。

2.4 編碼

前三項(xiàng)技能，即理解語(yǔ)言的語(yǔ)法、類型和控制結(jié)構(gòu)，是編程所必需的基本組成部分。然而，編程教學(xué)的最終目標(biāo)是使學(xué)生能夠?qū)⑿枨筠D(zhuǎn)換成實(shí)現(xiàn)代碼。評(píng)估這些技能的直接方法是要求學(xué)生實(shí)際完成這項(xiàng)任務(wù)。圖1（d） 顯示教師編寫要求并提供代碼的框架。學(xué)生通過(guò)完成代碼來(lái)解決問(wèn)題。

3 求解和評(píng)估教學(xué)方法

課堂中，教師可以提出問(wèn)題，每個(gè)問(wèn)題由三個(gè)階段組成：求解（solve） 、討論（discuss） 和展示（reveal） 。在求解階段，學(xué)生單獨(dú)在點(diǎn)擊器上解決問(wèn)題，并提交他們的解決方案。在討論階段，教師展示提交的解決方案的總體可視化，并主導(dǎo)對(duì)問(wèn)題和不同解決方案的討論。在展示階段，教師最終展示正確的解決方案（或其中一個(gè)正確的解決方法）。

這種方法的關(guān)鍵問(wèn)題是學(xué)生解決問(wèn)題所花費(fèi)的時(shí)間不均衡。雖然有些學(xué)生通常在一分鐘內(nèi)完成，但其他學(xué)生則需要更長(zhǎng)的時(shí)間。由于速度快的學(xué)生不得不等待速度慢的學(xué)生，他們將注意力從課程主題轉(zhuǎn)移到了無(wú)關(guān)的活動(dòng)上。為了有效地利用學(xué)生的等待時(shí)間，在求解階段之后添加了一個(gè)新階段：評(píng)估（evalu?ate） 。提交問(wèn)題后，學(xué)生會(huì)收到另一個(gè)學(xué)生提交的解決方案，需要評(píng)估該解決方案并提交評(píng)估。在評(píng)估階段，學(xué)生可以持續(xù)評(píng)估其他學(xué)生的解決方案，直到教師進(jìn)入討論階段。三階段示意圖如圖2所示。

請(qǐng)注意，評(píng)估階段的目標(biāo)根本不是讓教師評(píng)估學(xué)生的解決方案。對(duì)于許多問(wèn)題，點(diǎn)擊器系統(tǒng)可以自動(dòng)評(píng)估解決方案的正確性（例如，將其與正確解決方案進(jìn)行比較，或者自動(dòng)檢查某些屬性，例如提交的Java 代碼是否編譯）。讓學(xué)生評(píng)估其他學(xué)生的解決方案，除了讓他們?cè)诘却俣容^慢的學(xué)生時(shí)保持專注之外，目的是讓他們從其他人常犯的各種錯(cuò)誤中吸取教訓(xùn)，以加強(qiáng)他們對(duì)問(wèn)題的理解。

當(dāng)學(xué)生創(chuàng)建并提交評(píng)估時(shí)，他們實(shí)際上并沒(méi)有收到任何對(duì)自己解決方案的評(píng)估。他們也不會(huì)收到關(guān)于他們的解決方案是否正確的直接信息。這樣做的目的是在討論階段引發(fā)課堂范圍內(nèi)對(duì)錯(cuò)誤和正確方法的討論。假如學(xué)生收到了對(duì)自己解決方案的評(píng)估和更正，他們會(huì)研究這些評(píng)估，而不是參與課堂討論。

4 案例研究

這里通過(guò)課堂案例討論了第二節(jié)中編程技能的四個(gè)問(wèn)題，并分析了學(xué)生在解決和評(píng)估階段的行為。案例中，學(xué)生以匿名模式使用該系統(tǒng)。匿名模式下，系統(tǒng)為每個(gè)學(xué)生分配一個(gè)數(shù)字標(biāo)識(shí)符，該標(biāo)識(shí)符和學(xué)生的對(duì)應(yīng)關(guān)系不公開。雖然系統(tǒng)也支持學(xué)生實(shí)名的模式，但研究發(fā)現(xiàn)匿名模式可以鼓勵(lì)學(xué)生參與。他們更愿意提交可能不正確的解決方案，而且他們不會(huì)試圖通過(guò)看其他人的解決方案來(lái)作弊。這種方式更能反映數(shù)據(jù)的真實(shí)性。此外，一旦學(xué)生發(fā)現(xiàn)其他人也會(huì)犯錯(cuò)，他們參與課堂討論的意愿就會(huì)顯著提高。

4.1 語(yǔ)法

圖3顯示了一個(gè)語(yǔ)法問(wèn)題，用來(lái)檢查學(xué)生是否理解變量的聲明和使用之間的差異，以及實(shí)例變量、局部變量和參數(shù)之間的差異。圖4顯示了16個(gè)學(xué)生求解和評(píng)估的時(shí)間線。x 軸表示時(shí)間（0～4分鐘）。y 軸對(duì)應(yīng)每個(gè)學(xué)生解決問(wèn)題的時(shí)間間隔。

圖4顯示，提出的求解和評(píng)估教學(xué)方法是成功的，因?yàn)閷W(xué)生們確實(shí)花了大部分等待時(shí)間來(lái)評(píng)估其他人的解決方案。

4.2 類型

圖5顯示了一個(gè)類型問(wèn)題，用來(lái)檢查學(xué)生對(duì)多維數(shù)組的理解。圖6中的時(shí)間線顯示了21名參與學(xué)生的進(jìn)度。當(dāng)教師在大約3.5分鐘后進(jìn)入討論階段時(shí)，一些學(xué)生甚至7分鐘后仍然在評(píng)估。雖然大多數(shù)學(xué)生提交了預(yù)期答案（int[]） ，但相當(dāng)一部分學(xué)生發(fā)現(xiàn)這個(gè)表達(dá)式是不合法的。通過(guò)討論，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題中的一個(gè)錯(cuò)誤：在Java中，有些表達(dá)式不能構(gòu)成表達(dá)式語(yǔ)句（只允許賦值表達(dá)式、遞增/遞減表達(dá)式、方法調(diào)用和對(duì)象實(shí)例化）。這表明了評(píng)估和討論階段可以更深入地理解問(wèn)題，并能擴(kuò)展到其他問(wèn)題上。

4.3 編碼

圖7顯示了一個(gè)求和問(wèn)題，測(cè)試對(duì)數(shù)組、嵌套循環(huán)和局部變量的理解程度。圖8顯示，前幾行在5到6分鐘出現(xiàn)了一分鐘的間隔。造成此間隔的原因是在此時(shí)間間隔內(nèi)沒(méi)有人提交新的解決方案。因此，已經(jīng)評(píng)估了之前提交的所有解決方案的學(xué)生不得不等待。這一問(wèn)題有待后續(xù)改進(jìn)。很多學(xué)生在解決方案中使用了for each循環(huán)，在隨后的討論中自然過(guò)渡到了對(duì)for each循環(huán)的討論中。實(shí)踐證明這種討論能加大各知識(shí)點(diǎn)之間的相互銜接。

4.4 控制流程

圖9顯示了一個(gè)控制流問(wèn)題，測(cè)試了對(duì)嵌套for循環(huán)的理解。圖10顯示了19名參與學(xué)生的解決和評(píng)估階段的時(shí)間表。可以看到，速度最快的學(xué)生在大約4.5分鐘后提交了一個(gè)解決方案，而速度最慢的學(xué)生需要16分鐘以上。結(jié)果顯示第一個(gè)提交的解決方案在許多方面都是錯(cuò)誤的，說(shuō)明最快的學(xué)生不一定總是最好的學(xué)生，提交的文件也顯示出學(xué)生缺乏根本的理解：循環(huán)的邏輯錯(cuò)誤。看到這個(gè)解決方案，教師可以立即提出在課堂上討論和澄清的要點(diǎn)，即保證循環(huán)中的邏輯正確性。

5 應(yīng)用效果分析

在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)學(xué)生在課堂中的表現(xiàn)、學(xué)生的使用效率以及所犯的錯(cuò)誤進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析。分析的目的有兩個(gè)：1） 希望提供關(guān)于如何在課堂上更有效地使用課堂點(diǎn)擊器的信息。2） 希望報(bào)告對(duì)學(xué)習(xí)早期階段（在課堂中，而不是在隨后的考試中）的觀察結(jié)果。通過(guò)記錄所有問(wèn)題、解決方案、學(xué)生評(píng)估、解決問(wèn)題過(guò)程中的一些細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，可以得出如下結(jié)論：

（1） 解決不同問(wèn)題所需時(shí)間不同。并非每個(gè)問(wèn)題都需要相同的時(shí)間。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，類型問(wèn)題所需時(shí)間最短，而控制流問(wèn)題花費(fèi)的時(shí)間最多。這個(gè)看起來(lái)是正常的，因?yàn)橥茢啾磉_(dá)式的類型通常比繪制控制流圖簡(jiǎn)單得多。另外，不同的編碼問(wèn)題之間所花費(fèi)的時(shí)間相差也很大，這反映出哪些編碼問(wèn)題較為復(fù)雜。

（2） 學(xué)生在不同問(wèn)題上的解決能力不同。每個(gè)問(wèn)題都需要學(xué)生給出解決方案，通過(guò)對(duì)這些解決方案正確性的評(píng)估，反映出在循環(huán)控制流上的得分較低，其次是選擇控制流?？梢愿鶕?jù)這個(gè)結(jié)果增加相關(guān)問(wèn)題的數(shù)量和難度。

（3） 解決方案的質(zhì)量和所花的時(shí)間不一定正相關(guān)。對(duì)有些問(wèn)題，解決質(zhì)量與學(xué)生解決問(wèn)題的時(shí)間呈負(fù)相關(guān)。這表明學(xué)生解決問(wèn)題的時(shí)間越長(zhǎng)，解決方案的預(yù)期質(zhì)量就越低。因此，很難根據(jù)學(xué)生解決問(wèn)題所花費(fèi)的時(shí)間來(lái)預(yù)測(cè)解決方案的質(zhì)量。分析其原因，主要是因?yàn)閷?duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致對(duì)問(wèn)題的分析出現(xiàn)了偏差。

（4） 學(xué)生相互之間的評(píng)估極大地提高了學(xué)生對(duì)問(wèn)題的理解。如果學(xué)生自己的解決方案是正確的，他對(duì)其他學(xué)生的評(píng)估絕大部分都是對(duì)的；相反，如果自己的方案錯(cuò)誤，則有近一半的學(xué)生對(duì)其他學(xué)生的評(píng)估是對(duì)的。這說(shuō)明這些學(xué)生通過(guò)對(duì)其他學(xué)生的評(píng)估來(lái)反思自己的方案，從而找到自己方案的錯(cuò)誤。因此，實(shí)際中應(yīng)該更多地讓學(xué)生相互評(píng)估。

（5） 實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生的錯(cuò)誤。這些錯(cuò)誤包括：混淆關(guān)鍵字、注釋使用錯(cuò)誤、缺少語(yǔ)句結(jié)束符、變量賦值錯(cuò)誤、變量作用域超范圍等。

使用中對(duì)教師和學(xué)生的感受也做了調(diào)查問(wèn)卷。教師的觀點(diǎn)如下：1） 確定發(fā)布的問(wèn)題。與任何教學(xué)活動(dòng)一樣，使用該系統(tǒng)前需要大量的準(zhǔn)備工作。教師必須選擇或創(chuàng)建要使用的問(wèn)題。問(wèn)題的選擇應(yīng)該非常慎重，不能太難或太易，一個(gè)具體問(wèn)題的目標(biāo)應(yīng)該是解除學(xué)生的疑惑，引發(fā)討論，從而理解知識(shí)點(diǎn)。2） 確定發(fā)布問(wèn)題的數(shù)量。問(wèn)題太多，使得問(wèn)題的解決和討論時(shí)間不夠充分。最有用的方法是只使用少量的問(wèn)題，大約兩到三個(gè)，并將每個(gè)問(wèn)題的復(fù)雜性降至最低。與傳統(tǒng)教學(xué)相比，這個(gè)方法需要一些額外的討論時(shí)間，但能夠更好地滿足學(xué)生的需求，極大地節(jié)省了學(xué)生自己摸索的時(shí)間。

學(xué)生的觀點(diǎn)如下：1） 非常同意實(shí)時(shí)反饋方式。因?yàn)橹R(shí)點(diǎn)繁雜，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)及時(shí)有效地被解決是必要的，能極大地節(jié)省課外自學(xué)時(shí)間。2） 評(píng)估和討論階段非常有用。評(píng)估階段能更好地幫助他們理解問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)自己解決方案中的錯(cuò)誤；討論時(shí)可以提出他們想在課堂上討論的新問(wèn)題或不確定的問(wèn)題，同時(shí)教師給出的相關(guān)解決方案對(duì)他們有很大的啟發(fā)。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章提出的課堂實(shí)時(shí)反饋的教學(xué)方法，與課堂點(diǎn)擊器系統(tǒng)相結(jié)合，提供了一個(gè)直接了解學(xué)生理解水平的視角，將傳統(tǒng)的課堂講授轉(zhuǎn)變?yōu)檎n堂上有效的雙向交流。該方法代表了一種基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)形式，幫助教師根據(jù)學(xué)生的需求自然地引入新的主題。這種關(guān)于學(xué)生理解水平的即時(shí)反饋，為學(xué)習(xí)和評(píng)估與編程相關(guān)的技能提供了具體支持，并將學(xué)生學(xué)習(xí)中的錯(cuò)誤轉(zhuǎn)化為所有學(xué)生的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的統(tǒng)計(jì)和對(duì)教師學(xué)生的問(wèn)卷調(diào)查，這種方法顯著改善了教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和參與感，并獲得計(jì)算思維和創(chuàng)新思維的能力。