程序設計基礎混合式教學實踐與思考

陳 娟，鄧春燕，呂 帥，李 河，張長海

（1. 吉林大學 計算機科學與技術學院，吉林 長春130012；2. 吉林大學 軟件學院，吉林 長春 130012）

0 引 言

慕課（Massive Open Online Courses，MOOC）作為全新的網絡課程學習模式，自2012年出現就迅速風靡全球，以自己特有的方式改變著各國在線學習模式。慕課以其完全免費和開放的理念在促進教育公平和推動教育大眾化、國際化、民主化以及終身教育方面具有獨特的優勢[1-2]；然而慕課沒有先修條件、缺少互動答疑、完全依賴于學習者的自控力和學習力等缺點使得單純慕課教學并不適合于普通高校教學。

SPOC是Small Private Online Course的英文縮寫，是面向特定人群的、面向“線下線上結合”的集管理、網絡媒體教學環境和網絡媒體教學工具于一身的輔助教學手段[3]。SPOC則具有更多的選修要求和控制措施，課程的學習者也具有相同的知識基礎和認知結構，更貼近高校教學的過程，更符合高校教學管理的實際，更具有可操作性[4-7]。

狹義上來講，SPOC和慕課對線上內容的組織和操作等技術實現層面是相同的；不同的是受眾規模大小。慕課難以實現面對面師生交流，而SPOC則有可能實現。如果將這種線下或線上線下的交互作為SPOC的外延，廣義上SPOC=MOOC+課堂。SPOC具有針對性強、能對學生進行有效管理、個性化教學等特征，MOOC和SPOC的具體區別見表1。

高級語言程序設計是計算機類重要基礎課程，本課程以“程序設計”為主線講解程序設計的思想、方法和技巧，培養學生的計算思維。廣義的SPOC意味“線上和線下的結合”。通常情況下，SPOC難度高于MOOC，MOOC是SPOC的基礎，SPOC是MOOC面向專業學生的拓展和延伸。因此在混合式教學實踐中，應轉變教學理念、篩選線上線下教學內容、明確各階段教學目標和考核方式、創新教學模式。

1 教學理念

傳統“黑板+多媒體”的線下教學由教師主導整個教學過程，課程所有內容都通過線下課堂傳遞給學生，學生作為觀眾跟隨教師完成整個教學活動，難免缺乏主動性。SPOC混合式教學中一部分教學內容被轉移至線上，教學活動被分為線上和線下兩部分，因此可以通過線上學習來調動學生自主學習的積極性，但又不同于完全線上的MOOC課程，完全自主學習。混合式教學中，學生是在一種“半監督”的環境中進行學習：線上自主，線下監督。線下教學時，因學生已有一定基礎，教師就應避免“一言堂”的填鴨式授課方式，多采用啟發式方法來引導學生。教師從教學活動的“主導者”轉變為“指導者”，學生從“觀眾”變為“主角”。

2 教學內容

混合式教學中，如何對教學內容進行篩選，不同的課程有不同的標準。但通常線上教學內容難度要低于線下教學內容，且主要集中在基本定義、概念類內容，這主要是由線上“無監督”學習性質決定。循環程序設計是初學者遇到的第一個關卡，其難度主要在于理解循環執行過程，抽象出循環要素，并用來解決實際問題。通過觀察各變量在循環過程中的變化來理解循環執行是解決此難點重要的手段。循環程序設計教學內容被分解在3個教學單元內（1個教學單元對應2學時），線上和線下內容見表2。

從表2不難看出，整個教學內容的設計主要采用“案例驅動”方式由淺至深進行，通過大量的實例訓練和培養計算思維和編程能力。線下內容是線上內容的補充和深化。

第1單元內容是“單層循環”，目標是讓學生掌握3種循環控制語句。線上內容介紹基本概念，并列舉5個實例。通過線上學習，學生可以基本理解循環執行過程，但仍會有疑問。線下內容側重介紹“程序斷點調試功能”，應用線上實例帶領學生在開發環境中觀察變量變化，深入理解循環；與此同時還會以實例形式展示“死循環”“無效循環”等。這樣通過此教學單元的學習，學生不僅掌握了循環基本結構，同時還可以掌握程序調試的初步技能。

第2單元內容是“多重循環”，目標是讓學生掌握循環嵌套。線上內容通過日常實例講解嵌套循環使用，培養思維方式。通過線上學習，學生基本可以理解嵌套循環的概念。線下教學中，一方面要培養學生使用規范的行文風格編寫代碼；另一方面重點訓練學生對3種控制結構的應用熟練度。這里會介紹由Boehm和Jacobi提出并證明的“結構定理”——任何程序都可由順序、選擇、循環3種基本控制結構構造。圖1所示為實際教學中流程圖轉換為PAD圖的用例。PAD圖因使用了結構化、概括和抽象的幾號系統，因此比流程圖更清晰、簡練、緊湊、層次分明（流程圖不是結構化的），比NS圖更易于修改（NS圖是封閉的）。這里通過將非結構化的流程圖（基本人人都能讀懂）轉化為結構化的PAD圖，強化訓練學生對3種控制結構的理解。

第3單元內容是“迭代”和“自頂向下逐步求精”的程序設計思想，目標是讓學生掌握這種思維方式。線上內容主要通過日常實例，對問題分解和迭代演示教學內容。通過線上學習，學生基本理解迭代和逐步求精的設計思想。線下教學中，一方面通過討論總結已有的循環知識，答疑解惑；另一方面通過課堂測試題目進一步強化訓練。在學生可以接受的前提下，課堂中會引入如語法圖或狀態機，引導學生根據不同的抽象方式，靈活使用三種控制結構編寫代碼，增加理解深度。圖2所示為實數字符串翻譯為數值的語法圖。

3 考核方式

混合式教學中，線上和線下教學目標不一樣：線上教學目標強調對基本概念與操作的理解和掌握；線下教學目標側重于實際操作、解題思路的考核。從而導致考核方式的不同，在課程總評成績所占比例也有所不同。

平時成績主要考核學生平時學習情況，占總評的20%。以往這部分成績的主要依據是作業、課堂表現等。當教學班級人數不多時，這種考核方式是可行的；當人數較多時，這種考核方式將變得困難，或者難以實施。采用混合式教學后，慕課成績作為平時成績依據。一方面慕課進度與平時線下教學匹配；另一方面線上作業都是周期發布、定期截止，這種馬拉松的作業長跑貫穿整個教學過程，恰好完成對學生平時學習效果的檢驗和考核。

圖1 非結構化的流程圖對應的結構化PAD圖

圖2 實數翻譯語法圖

表2 “循環程序設計”線上、線下教學內容對比

實驗成績主要考核學生實際操作和動手能力，同時是最能反映學生實際能力的考核手段，目前占總評的30%。雖然線上考核有超過60%的內容以在線測評（Online Judgement）方式進行，在一定程度上可以考核學生動手能力，但仍不充分，線上作弊相對線下更加容易，且更難發現。因此我們期望通過線下實驗考核削減這部分不利影響。實驗考核分別在期中和期末進行，各占10%和20%。教師依據課程進度，選取2～3道題目，現場對所有學生進行考核，采用類OJ方式評判學生的完成質量。除此之外，還會參考學生用時長短，衡量學生知識掌握的熟練程度。

期末考試主要側重知識綜合掌握情況，占總評成績的50%，主要采用閉卷方式，重點考核學生計算思維能力，題目為4～5道編程題目。選用筆試，原因有以下4點。首先，這門課程的目標是培養學生計算思維能力，需要學生轉變思維方式，這種思維方式培養需要相對較長的消化理解時間。通過試卷可以反映出學生掌握這種思維能力的程度，而非OJ題目的“一錘定音”。其次，多年教學實踐中發現部分平時表現良好的學生，思路清晰，但在實驗中因某些小錯無法獲得成績，筆試則可以減少這部分影響。第三，學習這門課的學生多是大一新生，上大學后無論從生理和心理都需要一個巨大的轉變，完全上機考核，往往會使學生產生巨大壓力，而變得無所適從。最后，閉卷筆試采用嚴格的監考制度，可以進一步避免作弊對學生成績的影響。

上述各種考核綜合為理論課總評成績。從中不難看出，所有考核強調“個人獨立完成”。根據“中國工程教育認證”人才培養基本要求的指標體系[8-9]，本課程除了為“掌握相關工程基礎和專業知識、分析解決能力”提供支撐；還要為“培養團隊合作能力”提供支撐。所以我們在大一下期開設課程設計，要求學生2～3人一組，協作完成某信息管理系統的設計與實現，如成績、檔案、電話簿、藥品、學生卡等，重點訓練數組、排序、檢索、單向鏈表以及文件等操作。每個團隊需要對所完成題目進行演示與答辯。指導教師首先根據課程設計的總體完成情況（功能完成比，系統魯棒性，用戶體驗度等）綜合給出一個團隊的起評分；然后根據每個成員的完成情況獨立考核。個人在團隊中工作量多、質量高，部分功能具有特色和創新，可以酌情加分或提檔；個人在團隊中的工作量少、質量差，需要酌情減分或降檔。

4 教學模式

圖3 程序設計基礎混合式教學模式

混合式教學的目的是使學生充分發揮主觀能動性、有針對性地學習。線下教學時，學生有一定基礎但對知識理解并不透徹或者有偏差，教師通過簡單的課堂測驗或對線上學習數據的統計分析獲得學生學習情況，針對某些知識點重點講解，并組織學生討論，這使得翻轉課堂成為SPOC課堂授課部分最好方式。

程序設計基礎混合式教學模式如圖3所示，教學過程分為線上和線下兩部分。從學生角度看，利用線上資源自主學習，完成課程先導內容的預習、復習、效果評價以及答疑等基本教學環節；線下通過課堂、實驗和課程設計與教師面對面交流，進行針對性學習。從教師角度看，教師提前將基礎概念性知識作為線上內容，提前向學生開放，同時通過線上考核了解學生學習動態，在理論和實踐教學環節有針對性地講解和討論。這樣學生既可以通過線上教學，掌握顯性的知識；又可以在課堂授課和實踐教學過程中對知識進行歸納總結，形成隱性知識即能力。

5 結 語

圖4 計算機與軟件學院采用混合式教學后各分數段人數比例分布

吉林大學“高級語言程序設計”課程，2009年評為國家級精品課、2013年列入國家級精品資源共享課，2014年吉林大學正式啟動慕課建設項目，2018年被評為國家級精品在線開放課程，這些都為混合式教學提供良好政策和平臺支持[10-11]。自2014年9月吉林大學“高級語言程序設計”慕課在中國大學MOOC平臺上線后，團隊首先在軟件學院進行混合式教學嘗試，一年后在計算機和軟件學院同時進行。經過4年的實踐我們發現，采用混合式教學方式后學生的成績穩中有升，且學習的主動性和效率都有明顯提高。圖4所示為兩個學院在采取混合式方式教學后各分數段人數比例分布，可見及格率明顯上升，優秀率也有一定的提高。教師日常工作強度大幅下降，教學針對性更強，考核方式更加全面合理。分析其原因主要如下：①線下和線上教學配合，而非簡單的線上內容重復，促使學生必須進行課前預習，提前學習基本概念性知識，提高了課堂教學授課效率。②“馬拉松”式線上考核，多層次線下考核，持續強化“功夫在平時”的學習模式，避免了“考前突擊”，提高了知識掌握扎實程度。③自動化作業批改，在線師生、生生交流，即時反饋結果，避免了手動批改反饋時間長，針對性差、交流不充分的問題。④加大實踐考核力度，考核方式中實驗占總評成績30%，線上考核占20%，其中大半是OJ題目，使得實際動手考核占總評成績至少達到40%，同時期末考試雖是筆試，但也都是實際編程題，避免死記硬背而是靈活應用。⑤線下教學更有針對性，通過線上課程可以及時掌握學生情況，因材施教更易實施，通過對學生平時作業數據的分析，可以即時發現重點關注的學生，這樣為線下教學提供了針對性指導。

混合式教學為傳統教學帶來了巨大沖擊，無論學生還是教師都需要進行較大的改變。教師需要轉變角色，從學習的“主導者”變為“服務者”，引導學生自主學習；同時也需要教師提高專業素養，才能更好地服務學生。學生則需要從“被動接受”變為“主動尋找”，混合式課程容量較傳統課程有增無減，但課內學時卻相對減少，這就需要學生有更強的自主學習能力和自制力，協調合理時間安排，完成課程學習。隨著人工智能的深化發展，使用相關智能工具分析學生學習行為模式、學習效果、預警監測等方面，將更利于線下教學開展。根據不同組織模式，線上課程可分為“基于內容”“基于網絡”和“基于任務”三類[12]。目前多數團隊采用基于內容的幕課進行混合式教學，這類課程側重于知識的傳播和復制。然而更新快、實踐性強是計算機類課程的特點。側重創造性的“基于網絡”的慕課，以及側重專業技能協同的“基于任務”的慕課對于支撐工程認證中關于“創新性”和“協作能力”的指標點更具有優勢，期望在后續的教學實踐中嘗試。