混合教學(xué)模式下的程序設(shè)計(jì)課程

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摘要：按照金課的建設(shè)要求，文章提出把混合式教學(xué)模式引入“C++程序設(shè)計(jì)”教學(xué)中，利用MOOC平臺(tái)、翻轉(zhuǎn)課堂工具、程序自動(dòng)評判平臺(tái)等信息化教學(xué)工具，實(shí)施小班化教學(xué)、知行結(jié)合的機(jī)房教學(xué)等舉措，以編程實(shí)踐、分組討論、彈幕、投稿等方式增強(qiáng)學(xué)生參與感，并將敏捷開發(fā)的價(jià)值觀和原則應(yīng)用于編程實(shí)踐中，提升學(xué)生的自信心和成就感。實(shí)踐結(jié)果表明，該教學(xué)模式能有效提高學(xué)生對理論知識(shí)的掌握以及實(shí)踐能力，對比線下教學(xué)具備明顯的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：線上線下混合式教學(xué)；MOOC；SPOC；翻轉(zhuǎn)課堂

為了切實(shí)提高學(xué)生的編程能力，南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院根據(jù)教育部“淘汰‘水課’、打造‘金課’”的要求[1]，開始在多門編程能力相關(guān)課程中實(shí)施線上線下混合式教學(xué)模式[2]，以期達(dá)到課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，打造出“以學(xué)生為中心”的系列金課，其中，“C++程序設(shè)計(jì)”作為計(jì)算機(jī)大類全體大一新生的程序設(shè)計(jì)入門課，與第二年暑期的“C++課程設(shè)計(jì)”共同完成的C++語言及其程序設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容，對學(xué)生編程興趣、軟件基礎(chǔ)能力、系統(tǒng)能力等方面的培養(yǎng)起到了奠基作用，自然成為了教學(xué)改革的先鋒之一。

一、教學(xué)組織

在“C++程序設(shè)計(jì)”課程中，課程團(tuán)隊(duì)以“金課”的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)課堂教學(xué)：不僅要達(dá)到掌握堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)的目標(biāo)，更要培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用、分析、評價(jià)甚至創(chuàng)造的能力；采用先進(jìn)的信息技術(shù)手段，增加師生、生生互動(dòng)，并滿足程序設(shè)計(jì)課程的需求；以學(xué)生發(fā)展為中心，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，實(shí)時(shí)調(diào)整課程進(jìn)度和重點(diǎn)；在實(shí)踐和作業(yè)中設(shè)有一定難度的內(nèi)容，并以循序漸進(jìn)的方式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入研究。

（一）信息化教學(xué)工具的選取在“C++程序設(shè)計(jì)”課程的混合式教學(xué)實(shí)踐中，課程團(tuán)隊(duì)采用了“MOOC+SPOC+翻轉(zhuǎn)課堂+機(jī)房”的模式。課程團(tuán)隊(duì)教師在智慧樹平臺(tái)建設(shè)了MOOC課程“程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”，并在該MOOC課程基礎(chǔ)上建設(shè)了SPOC校內(nèi)課。翻轉(zhuǎn)課堂采用了“雨課堂”工具實(shí)現(xiàn)課堂的組織：測驗(yàn)、投稿、彈幕等，同時(shí)采用了自建的“程序提交與自動(dòng)評判平臺(tái)”實(shí)現(xiàn)課堂編程、提交、判分。該平臺(tái)由團(tuán)隊(duì)教師以Moodle[3]為核心建立，不僅可以實(shí)現(xiàn)普通的OnlineJudge功能（根據(jù)用例判斷完整程序的正確性），還創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)部分程序的運(yùn)行，例如函數(shù)的正確性判定。所有的線下課堂教學(xué)在計(jì)算機(jī)機(jī)房進(jìn)行，每個(gè)學(xué)生分配一臺(tái)有C++開發(fā)環(huán)境的聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)。

（二）教學(xué)流程的組織結(jié)合信息化教學(xué)環(huán)境，課程團(tuán)隊(duì)在教學(xué)中，實(shí)施小班化教學(xué)、實(shí)踐與理論結(jié)合的機(jī)房教學(xué)等教學(xué)方式，將教學(xué)活動(dòng)擴(kuò)展到課前、課中和課后，并通過教學(xué)組織實(shí)現(xiàn)課程的高階性和挑戰(zhàn)度。每次課前，教師都會(huì)將預(yù)習(xí)要求（觀看SPOC的視頻、閱讀資料、完成測試等）和學(xué)習(xí)目標(biāo)通過“雨課堂”發(fā)給學(xué)生，并收集學(xué)生的學(xué)習(xí)信息（學(xué)習(xí)時(shí)間、測試結(jié)果等）。在課前的學(xué)習(xí)活動(dòng)中，希望學(xué)生能夠記住相應(yīng)語法規(guī)則，并能讀懂、對比相關(guān)的C++程序，這在Bloom模型[4]中屬于記憶、理解和初步應(yīng)用部分，即低階目標(biāo)。課堂中，則是課程向高階目標(biāo)邁進(jìn)的階段。首先，是基本概念查缺補(bǔ)漏的前測環(huán)節(jié)。在簡單、快速的知識(shí)點(diǎn)回顧中，課程團(tuán)隊(duì)利用“雨課堂”的客觀題（單選、多選、填空）功能檢驗(yàn)低階目標(biāo)的達(dá)成度。這些客觀題以C++基本語法和規(guī)則的概念、應(yīng)用為主。當(dāng)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)的正確率不高時(shí)，教師將以案例的形式厘清概念，以確保80%以上的學(xué)生達(dá)成低階目標(biāo)。然后，進(jìn)入“參與式的程序設(shè)計(jì)案例分析與實(shí)踐”環(huán)節(jié)。C++語法和規(guī)則的學(xué)習(xí)都是為能夠編寫程序解決問題而服務(wù)的，因此，參與編程實(shí)踐才是真正實(shí)現(xiàn)分析、評價(jià)、創(chuàng)造這些高階目標(biāo)的唯一途徑。編程實(shí)踐利用“程序提交與自動(dòng)評判平臺(tái)”進(jìn)行，學(xué)生完成設(shè)計(jì)、編碼、調(diào)試后，提交程序，根據(jù)返回結(jié)果可知程序的正確性。將敏捷開發(fā)的價(jià)值觀和原則應(yīng)用于編程環(huán)節(jié)中，將任務(wù)分解，建立不同層次和不同階段的任務(wù)目標(biāo)，以循序漸進(jìn)地提高難度的方式，保持學(xué)生的自信心，并使其在教師指引下完成具有挑戰(zhàn)度的工作，從而讓學(xué)生對于有一定難度的問題，“跳一跳能夠得著”[1]，夠著后又能獲得較大的成就感。部分實(shí)踐通過分組的方式進(jìn)行，讓學(xué)生在團(tuán)隊(duì)討論中實(shí)現(xiàn)思維碰撞，從而產(chǎn)生智慧的“火花”。同時(shí)，在實(shí)踐環(huán)節(jié)中，學(xué)生還可通過彈幕、投稿等方式，提出自己的疑惑，展示自己的成果，使得教師可以及時(shí)進(jìn)行引導(dǎo)式解惑，并發(fā)現(xiàn)典型問題和優(yōu)秀樣例，以此進(jìn)行解析和講評。這些翻轉(zhuǎn)課堂的手段，不但調(diào)動(dòng)了學(xué)生參與的積極性，還增加了師生、生生之間的互動(dòng)。課后，通過“雨課堂”推送任務(wù)。任務(wù)以學(xué)生課中的“雨課堂”和“程序提交與自動(dòng)評判平臺(tái)”的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，強(qiáng)化薄弱部分，并適當(dāng)難度進(jìn)階。

（三）具體案例在此，以“C++程序設(shè)計(jì)”中的教學(xué)單元“分支語句”的教學(xué)實(shí)施為例，來說明教學(xué)流程的組織情況。分支語句”教學(xué)單元的設(shè)置在“數(shù)據(jù)類型和表達(dá)式”教學(xué)單元之后。該單元的教學(xué)目標(biāo)為：掌握if語句的語法，尤其是能夠?qū)⒍喾种дZ句中的else匹配對應(yīng)的if，以規(guī)范的書寫形式編寫分支結(jié)構(gòu)的程序，且能注意內(nèi)嵌語句的限制問題。在課程組織的前測環(huán)節(jié)，針對單元知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)選擇題，尤其關(guān)注難點(diǎn)“if與else的配對”問題，結(jié)合測試題的解析，確保學(xué)生對基本語法的掌握。在“案例分析與實(shí)踐環(huán)節(jié)”中，以二元一次方程求解作為核心問題，課程團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了遞進(jìn)式的任務(wù)目標(biāo)。在“分支語句”之前，學(xué)生只學(xué)習(xí)了C++的基本類型和表達(dá)式，最初的任務(wù)就從表達(dá)式入手，實(shí)現(xiàn)一元一次方程ax+b=0的求解（暫時(shí)不考慮a為0的情況）。第二階段任務(wù)，考慮a為0的情況，將基本分支結(jié)構(gòu)運(yùn)用到問題求解中。第三階段任務(wù)是考慮更為復(fù)雜的二元一次方程ax2+bx+c=0的求解。在講授庫函數(shù)sqrt（）的使用方法后，讓學(xué)生分組討論該問題需要考慮的各種情況（a為0、b為0、一個(gè)根、兩個(gè)根、復(fù)數(shù)根等），并使用多分支結(jié)構(gòu)編程。對比投稿的程序，看哪組考慮的情況更全面，程序更完整。同時(shí)，從投稿中挑選典型問題，例如：對于ifelse的多條內(nèi)嵌語句不加括號(hào)使之稱為一條復(fù)合語句、搞不清楚else到底和哪個(gè)if配對、不注意縮排和對齊等。最后，總結(jié)實(shí)踐環(huán)節(jié)中的通用性錯(cuò)誤，要求學(xué)生在課后首先將課上所編程序進(jìn)一步完善，再完成相關(guān)編程作業(yè)。

二、教學(xué)效果

在2019—2020學(xué)年第一學(xué)期，南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院為計(jì)算機(jī)大類全體大一學(xué)生共7個(gè)班級(jí)開設(shè)了“C++程序設(shè)計(jì)”課程。所有班級(jí)均為小班化機(jī)房授課，其中，8403班開展了線上線下混合式教學(xué)模式，其他6個(gè)班級(jí)均為線下授課。2020年1月，完成了期末測試。最終成績由3個(gè)部分組成：期末筆試、期末上機(jī)測試和平時(shí)成績。其中，期末筆試由選擇題、讀程序題、填程序題和編程題組成，共100分，7位教師集中流水閱卷；上機(jī)測試包含3道題，每道題100分，共計(jì)300分，OnlineJudge自動(dòng)判分；線下授課的平時(shí)成績由考勤和作業(yè)組成，混合式教學(xué)的平時(shí)成績由課堂情況（出勤、課前測、投稿情況）、線上情況（視頻觀看、章節(jié)測驗(yàn)、編程作業(yè)）組成。由于平時(shí)成績的評判標(biāo)準(zhǔn)不同，因此，只將期末上機(jī)測試和期末筆試成績進(jìn)行對比，班級(jí)平均成績對比結(jié)果分別如圖1和圖2所示。從圖中可以明顯看出，混合式教學(xué)模式下的8403班，無論是筆試，還是上機(jī)測試，成績都明顯高于其他班級(jí)。上機(jī)測試平均分高于其他班級(jí)7.2~38.69分，筆試平均分高于其他班級(jí)5.81~12.44分。且8403班課程及格率為100%，無一人掛科。從對比數(shù)據(jù)中，我們可以分析出：課堂的“前測環(huán)節(jié)”夯實(shí)了學(xué)生對理論知識(shí)的掌握，“分析和實(shí)踐環(huán)節(jié)”提高了學(xué)生針對問題設(shè)計(jì)、編寫、調(diào)試程序的能力。同時(shí)，基于敏捷開發(fā)的價(jià)值觀和原則的遞進(jìn)式任務(wù)設(shè)計(jì)，幾乎讓所有學(xué)生都能“夠得著”，即使是中學(xué)從未接觸過計(jì)算機(jī)編程的學(xué)生，也不會(huì)因?yàn)槲冯y情緒而放棄學(xué)習(xí)。因此，在程序設(shè)計(jì)類課程中，運(yùn)用本文所描述的線上線下混合式教學(xué)模式，能夠有效地培養(yǎng)和提高學(xué)生操作各項(xiàng)軟件的基礎(chǔ)能力，對比純線下教學(xué)具備明顯的優(yōu)勢。

三、總結(jié)與展望

在這次的線上線下混合式教學(xué)中，課程團(tuán)隊(duì)仍然遇到了一些問題：部分學(xué)生仍然不習(xí)慣于視頻學(xué)習(xí)，導(dǎo)致在課堂上花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行“查缺補(bǔ)漏”，進(jìn)而縮短了實(shí)踐環(huán)節(jié)的時(shí)長。在未來的工作中，課程團(tuán)隊(duì)還將致力于平臺(tái)的融合，并利用更多監(jiān)督或獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制激勵(lì)學(xué)生保質(zhì)保量地完成課前學(xué)習(xí)，建設(shè)更具有挑戰(zhàn)性和趣味性的C++練習(xí)庫，進(jìn)一步調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳巖.建設(shè)中國“金課”[J].中國大學(xué)教學(xué),2018(12).

[2]張策,徐曉飛,張龍,等.利用MOOC優(yōu)勢重塑教學(xué)實(shí)現(xiàn)線上線下混合式教學(xué)新模式[J].中國大學(xué)教學(xué),2018(5).

作者：衷宜 陸建峰 趙學(xué)龍 單位：南京理工大學(xué)