C++程序設計基礎探究式教學模式研究與實踐

徐紅云，高 英，曾 健

（華南理工大學 計算機科學與工程學院，廣東 廣州 510006）

0 引言

為了培養學生良好的計算機素養和計算思維能力，國內大部分高校都為大學一年級學生開設了一組計算機公共基礎課程。很多大學一年級學生沒有計算機程序設計語言的基礎，也沒有設計程序的思維，怎樣使他們比較高效地掌握計算機程序的工作方式，學習程序設計的基本知識，是廣大教育工作者長期以來研究和探索的問題。文獻[1]介紹了基于雨課堂和OJ系統的程序設計類課程教學方法，提出在課前、課中和課后采用雨課堂、OJ系統輔助教學的途徑；文獻[2]探討了基于競教結合的高級語言程序設計實踐教學改革，提出了基于OJ系統部署實驗的教學改革方案；文獻[3]介紹了基于網絡課程的C++程序設計語言混合式教學改革，提出課前安排學生觀看課程視頻、課中主要進行答疑討論、課后布置OJ測試的混合式教學改革方案。

上述改革方案對提高課程的教學質量和教學效果具有積極意義。探究式教學，可以引導課堂從注重“教師的教”向注重“學生的學”轉變，進一步提高課程的教學質量，提高學生的創新、創造能力。為此，筆者研究設計了適應于程序設計語言課程的探究式教學模式，并在2018級非計算機專業的部分創新班進行了教學實踐。

1 教學模式設計及實踐

探究式教學，需要在學生掌握一定基礎知識的前提下進行。對于程序設計語言這種大部分學生不具備相關基礎的課程，需要在課前或課中，學生能掌握一定的基礎知識后，才能開展探討和研究。為此，本課程采用如圖1所示的教學模式。圖1中，參與教學的對象包括學生、主講教師和助教。學生是教學對象，是獲取知識的主體；教師是授課的主體，主要工作是制訂教學大綱、考試大綱，建設教學資源，組織探究式課堂教學等；助教協助主講教師批閱作業、指導實驗、答疑等，對于沒有助教的課程，助教的工作亦可由主講教師承擔。

圖1 課程教學模式

1.1 網絡課程資源

網絡課程資源可以是MOOC資源，也可以是其他可供學生隨時在線訪問的與教學內容相關的課程資源。本課程采用的教材是由華南理工大學計算機教學團隊編寫、電子工業出版社出版的《C++程序設計基礎》，2000年出版第1版，2016年出版了最新的第5版。教材主要內容包括基本數據與表達式、程序控制結構、函數、數組、集合與結構、類與對象、運算符重載、繼承、虛函數與多態性、模板、輸入輸出流等章節，基于教材還有國家精品資源共享課和廣東省精品資源共享課建設。本課程教學使用教材前5章的內容和資源，即面向過程的部分教學資源。課程地址為http://www.icourses.cn/sCourse/course_5847.html。

學生課前預習是開展C++程序設計語言探究式教學的基礎，而課后復習是鞏固課程教學效果的關鍵，這兩個環節都可以借助網絡課程資源完成。

1.2 雨課堂

雨課堂[3]是清華大學學堂在線推出的智慧教學工具，本課程可借助雨課堂的創建班級功能創建教學班級，設置協同教師（即課程助教），并管理班級成員；每次課程結束都會布置下次課擬學習的內容供學生預習，并在上課前24小時內再通過雨課堂的公告欄目進行提醒；課中學生通過掃碼加入班級，學生加入班級后即可在移動端瀏覽教師的授課課件，參與課程小測和單元測試。為了提高學生的課堂學習注意力和活躍課堂氣氛，可使用雨課堂的隨機點名功能，實現隨機選取學生回答課堂提問。為了方便課中分組討論，借助雨課堂的分組功能，將教學班級的55人分為18個小組，前17組每組3人，第18組4人，探究式教學的開展主要在課內完成。學生完成了課前預習后，在課堂上，主講教師基于雨課堂，針對關鍵知識點進行講解和答疑；然后，開展分組探究和研討。課堂探究的主題/內容則由主講教師提前準備，并嵌入課堂授課PPT的適當位置。

例如第一章的研討題目之一是對基于條件表達式排序輸出2個數的算法進行拓展，討論設計排序輸出3個數的算法，然后編程實現。

在課堂上，根據雨課堂分組進行探究，時間約20分鐘，然后隨機選取幾個組輪流上講臺匯報研討結果、解題思路以及程序源代碼。表1列出了第2、7、8組學生設計的算法和編寫的源代碼。

從表1可見，3組學生設計的算法和程序都可以實現3個數排序輸出，但第2組設計的算法很明顯存在可擴展性的問題，如果擴展到4個及以上的數排序，用該算法實現就會變得比較復雜。第7組的算法不改變輸出順序，而是改變變量的值。第8組的算法改變變量的輸出順序。后兩組的算法都可以擴展成多個數排序。通過此研討題使學生明白解決一個問題可能有多種算法。另外，也可以在研討的過程中引入并探討算法可擴展性、算法的時空復雜度，從而增強學生學習的主動性，獲得較好的教學效果。

表1 探究范例

1.3 OJ評測系統

采用OJ評測的實驗和課后作業提交是鞏固探究式教學效果的關鍵環節。OJ是在線評測即Online Judge的簡稱。OJ評測系統可以接受程序源碼，并自動檢測程序正確與否。國內很多高校都建有在線評測系統，如浙江大學、杭州電子科技大學等。華南理工大學也建設了在線評測系統，具體網址是http://www.scut.edu.cn/oj/。學生通過注冊可成為OJ系統的用戶，登錄OJ系統即可刷題或完成任課教師布置的作業；教師可以通過開課，在OJ系統上向教學班級的學生布置課后作業或部署實驗。本課程共部署了8次課內實驗，每次時長為90 min,題量為2道題。另外，以章為單位部署課后OJ作業，每章一次共5次，課后作業的題量則根據各章教學內容的難易、多寡，設為2～7道題不等。從提交的情況來看，大部分學生能按時完成課堂實驗。少部分不能在課堂上按時提交的學生也能在課后延期的截止期限里完成提交。課后作業的提交周期一般在2周左右，學生基本上都能按時完成。

2 效果分析

根據期末考試成績分布情況可以考查上述教學模式的效果。通過兩組數據進行對比分析：第一組是相同專業連續兩屆學生的期末考試成績分布對比，2017級創新班的教學使用了網絡課程資源，但沒有用雨課堂和OJ評測系統，2018級創新班采用本文上述教學模式展開教學；第二組是不同專業同屆學生的期末考試成績分布對比，對比組是采用傳統教學方法的另一個由創新班學生組成的教學班。可以通過調查問卷了解和分析學生對上述教學模式的認可情況。

2.1 相同專業連續兩屆學生成績對比

2017級創新班與2018級創新班的期末考試成績分布情況見圖2。從圖2可見，采用探究式教學模式展開教學的期末考試成績優良率明顯提高，60分以下的人數明顯減少。另外，2017級創新班的期末考試平均成績為76.24分，2018級創新班的期末考試成績為81.57分，相差5分多。

2.2 同屆探究式教學班與非探究式教學班成績對比

2018級采用探究式模式教學的教改班和采用傳統教學模式的非教改班的期末考試成績分布對比見圖3。從圖3可見，教改班的期末考試成績70分以上各成績段的百分比都比非教改班高，而70分以下及不及格的人數比例都比非教改班低。

圖2 相同專業連續兩屆學生期末考試成績對比

圖3 不同專業同屆學生期末考試成績對比

2.3 問卷調查情況

我們在問卷星上發布了調查問卷，主要調查學生的程序設計語言基礎、學生對編程語言的重視情況、對本課程的認可程度、雨課堂以及OJ評測系統對學習本課程的幫助度等。從回收的調查問卷數據來看：77.42%的學生之前沒有編程基礎；83.8%的學生愿意學習編程語言；對本課程總體印象良好以上的學生比例為77.41%，中等印象的比例為22.58%；認為本課程教學內容提供信息量較大的學生比例達96.77%；87%的學生認為采用智慧教學工具雨課堂對學習幫助較大，認為幫助一般的學生比例為12.9%；93%的學生認為雨課堂中插入的測試題(每個知識點一個單選題，每章一次章測驗10道題)題量比較合適；100%的學生認為雨課堂中插入的測試題難度比較合適；95%以上的學生都能較好地參與課堂研討，并從中受益；90%以上的學生認為采用OJ評測系統對學好本課程有幫助。從以上數據可以看出，學生總體上是認可探究式教學模式的。

3 主要問題及建議

1）雨課堂平臺問題。

學生在課中需掃碼登陸雨課堂進入教學班級并參加教學活動，包括觀看教學PPT、參加課堂小測和單元測驗。但由于雨課堂平臺存在延時，學生和教師同步需要一定的時間，從而影響到學生的學習體驗，一定程度上影響了教學效率。對于該問題，可以從改善上網環境和改善雨課堂平臺服務器的性能兩方面解決。

2）網絡和終端設備問題。

登錄雨課堂需要良好的網絡環境支持。由于課堂環境沒有可用Wifi,學生需要使用手機的數據流量進行學習，部分學生的手機套餐并不包含充足的數據流量，參加雨課堂的學習需要額外付費購買流量，這對部分經濟條件困難的學生是一個負擔。另外，一些學生的手機性能欠佳，經常卡頓，也影響了他們的學習效率。建議學校在課室部署校園網環境，更好地滿足現代教學改革的需求。另外，對于部分經濟困難的學生，建議學校在學習設備上進行精準幫扶。

3）教學對象零基礎的問題。

通過調查發現，絕大部分學生都沒有程序設計語言基礎，因此對于零基礎的課程是否進行全方位的探究式教學還需要商榷。本課程是在學生提前觀看視頻、教師在課堂上進行重難點講解的基礎上，再引入問題，進行分組探究和研討。本課程的教學模式對于其他類似的課程具有一定的參考價值。

4）課程教學時數和教學班級規模的限制。

由于計算機基礎課的教學時數普遍較少，教學班級規模偏大，而一次研討教學的完成，需要學生分組討論、確定算法、書寫程序、匯報講解，所有的環節都在課內完成的話，可能需要占用1～2節課的時間。本課程的做法是提前布置部分較復雜的研討題，要求學生在課前完成前3個環節，在課內進行匯報講解，并且只講解與他人不同的算法和解決方案，這樣不僅可以大大縮短所需的課內時間，也在一定程度上達到了探究式教學的效果。

4 結語

通過研究C++程序設計語言課程的特點，結合擁有的資源以及具備的教學條件，筆者設計了C++程序設計基礎課程的探究式教學模式，并在2018級非計算機專業創新班部分學生中進行了試點。從期末考試成績對比情況來看，采用文中模式進行教學取得了較好的教學效果；從學生問卷調查結果來看，該模式獲得了學生的認可。在教學過程中也發現了一些問題，雨課堂平臺性能、上網網速、學生擁有的終端設備、學生具備的基礎知識、課程教學時數和教學班級的規模等因素都將影響課程的教學質量和教學效率。在參照現有教學模式的基礎上，教育工作者需要根據實際情況研究制訂相應課程的教學方法，并進行貫徹落實，才是切實提高課程教學質量的有效途徑。