基于TPACK模型的程序設計實驗課程混合式教學改革

郭艷燕

基于TPACK模型的程序設計實驗課程混合式教學改革

郭艷燕

（煙臺大學 計算機與控制工程學院，山東 煙臺 264005）

針對傳統程序設計實驗課程存在的問題，對程序設計實驗課程進行混合式教學改革，基于TPACK模型將程序設計學科知識、信息技術、多樣化的教學方法和教學理論有效整合到實驗教學的實踐中，以ARCS動機模型和BLOOM認知規律為理論指導，對在線教學資源、實驗題目、實驗階段、實驗評價體系進行科學設計，充分調動學生學習積極性，促使實驗效果的提升和實驗目標的有效達成，使實驗教學更加符合“互聯網+教育”的學習環境。

實驗教學；TPACK模型；混合式教學；程序設計；翻轉課堂；ARCS模型

隨著信息技術的快速發展，層次教育需求不斷增強，“互聯網+教育”的學習環境應運而生。“互聯網+教育”環境下，教師要具備適應信息時代的教學能力，強調技術知識、學科教學知識、教學法知識3者的深度融合，即整合技術的學科教學知識（technological pedagogical and content knowledge，TPACK）[1]。基于TPACK來開展教學改革，給高校教師提出了更高的挑戰，也給教學模式帶來了創新的可能。程序設計課程是強調操作性和實踐性的應用型課程，包括理論課堂教學和上機實驗教學2部分。實驗課程作為理論知識加以實踐的重要過程，在程序設計實踐教學體系中占據重要地位。科學合理的實驗教學設計，不僅有利于學生對理論知識的理解、消化、吸收與應用，而且有利于培養學生的計算思維能力、綜合應用能力、創新意識和團隊協作精神[2]。

蘇小紅教授作為ACM CS2013中國工作組成員之一，參與了實踐教學體系中“程序設計基礎”核心課程實踐教學體系的設計和編寫，制定出程序設計基礎課程的實踐教學實施方案，提出實踐教學內容設計的3大原則，強調實踐過程中知識點的循序漸進和深入、知識點的實際運用和綜合應用、自主學習能力的引導和強化[3]。本文以蘇小紅教授提出的實施方案作為實驗教學的指導性綱領，基于TPACK開展程序設計實驗課程的混合式教學改革。通過信息技術和網絡技術建立具有多樣性、靈活性、開放式特點的在線教學輔助資源，并搭建可以幫助學生自主學習和自我檢測的實驗教學平臺；以布魯姆認知規律為依據設計具有階段性、層次化特點的實驗內容，實驗題目的選取以符合ARCS（attention、relevance、conffidence、satisfaction，注意、關聯、信心、滿意）教學設計模型為標準；將先進科學的教學方法和教學理論引入到實驗課堂上，借助網絡教學平臺和實驗平臺開展多樣化的翻轉課堂參與式活動，實現在有限的實驗課堂時間內最大限度地提升學生的程序設計能力；通過構建數據驅動的過程化、多元化、精準化的實驗過程監管體系和考核評價體系，對學生的學習態度、計算思維能力、程序設計能力、自主學習能力和創新能力進行全方位的綜合評價。

1 傳統程序設計實驗教學存在的不足

（1）實驗課時不足，課后缺乏相應的教師指導。程序設計強調實踐性，學生通過“做中學，學中練，練中提高”才能實現理論知識到實踐能力的轉換，大量的上機實驗是提高編程能力的重要途徑，但學生僅靠有限的實驗課堂學時無法完成所有實驗內容，而課后又得不到教師的及時指導，從而影響學生的編程積極性。

（2）實驗課程定位不準確，未引起學生的充分重視。傳統實驗課程通常作為理論教學的輔助手段，處于次要地位，實驗課往往是教師指定實驗題目，學生處于一種完成作業的心態來進行實驗，缺乏教師的深度參與，無法引起學生對實驗課程的重視，也沒有充分發揮實驗課的作用[4]。

（3）實驗課堂教學形式單一，主要關注答疑解惑，缺少對共性問題的及時總結。實驗課上教師大部分時間幫助學生進行程序查錯、調試工作，更多地關注語法層面的問題，而較少關注解題思路的分析、算法設計等有關計算思維層面的提升。此外，很多學生在相同實驗中存在的錯誤問題是相似的，一方面教師的解答是重復工作，另一方面學生認為此類問題僅僅是自己出現的問題而無法引起足夠的重視。

（4）實驗課程缺乏對學生調試能力、測試意識和編程規范的培養，導致學生在復雜的程序邏輯錯誤和運行錯誤面前手足無措，從而減弱了學生編程的興趣。另外，學生測試意識淡薄，當編寫的程序通過編譯并能正常運行時就認為大功告成，卻忽略了該程序是否能夠應對所有的異常情況及覆蓋所有的測試用例[5]。

（5）實驗教學反饋不夠及時、準確，教師無法及時了解學生知識的掌握情況和應用實踐的能力，無法為后續教學提供準確的指導依據[6]。

（6）實驗階段、實驗題目、實驗類型和實驗難度設置不合理，不符合學生的認知規律，不能有效地發揮出實驗課程引發學生思考的積極作用。實驗教學環節也缺少個性化教學服務，難以滿足不同水平學生的學習需求。

（7）沒有充分強調實驗前的準備工作，導致實驗預習流于形式，教師對學生的預習情況無法掌握，實驗進度難以統一，實驗質量參差不齊，無法達到預期的實驗效果。

（8）評價考核方法單一，只關注實驗結果而忽視實驗過程，無法對學生多方面能力和學習態度做出科學合理的評價。

2 基于TPACK模型的程序設計實驗課程的混合式教學設計

混合式教學作為“互聯網+”時代教育信息化的產物，發揮傳統教學和信息化教學的優勢，采用“線上”和“線下”2種途徑開展教學，強調學生學習過程的主體性，突出教師教學過程的指導性和啟發性。程序設計實驗課程的混合式教學設計結合了課程特點，依據學習和教學規律，給予學生及時、準確的實驗教學支持，努力提升學生的學習深度。TPACK模型給出了專業教師應具備的知識結構框架，雖然沒有明確給出教學設計的流程和方法，但為教學過程中實施學科知識、信息技術以及教學法的整合提供了新的指導方法[7]。本文提出的基于TPACK模型的混合式教學框架如圖1所示，完成了在線教學資源、實驗題目、實驗階段和實驗評價體系的教學設計。

2.1 在線教學資源的設計

通過網絡教學平臺和實驗平臺的搭建，可以讓學生充分利用在線資源進行知識的學習、鞏固、檢測和延伸，開展好實驗課前的準備工作，實現實驗課后 的能力擴展工作，克服傳統實驗課程教學課時不足的問題。在線教學資源主要包括實驗教學微視頻、學前任務指南、交互測試系統和編程練習系統、交流討論答疑區、實驗作品展示區、實驗編程環境和工具。

2.1.1 實驗教學微視頻

每一章節實驗課程對應的微視頻包括課前微視頻和課后微視頻，視頻類型為講解視頻或演示視頻。講解視頻包括實驗涉及的理論知識、實驗內容及要求、實驗中常見錯誤及原因分析；演示視頻包括軟件開發工具的使用、調試方法的演示、實驗案例全過程示范。學生通過課前微視頻做好實驗課堂的預備工作，而后有的放矢地參與實驗，充分提高實驗課堂效率和質量；學生通過課后微視頻來擴展課外知識，獲取支持性和擴展性資源，拓展課外實驗，實現因材施教。

圖1 基于TPACK模型的程序設計實驗課程的混合式教學框架

實驗教學微視頻設計過程中應注意的問題：

（1）實驗微視頻的選取要具有典型性，講解具有示范化，利于舉一反三，便于在此基礎上實現改進和擴展，達到創新效果。

（2）實驗微視頻的制作角度和類型多樣化，包括理論知識介紹、解題思路分析、算法設計與實現、程序調試、糾錯和測試，滿足多種實驗教學目標的達成和學生多方面能力的培養。

（4）把握好實驗微視頻的難度，避免視頻內容難度過高而給學生造成的挫敗感，避免視頻內容太過簡單和重復，降低學生學習的興趣和積極性[8]。微視頻內容的選取和講解方式都要符合ARCS教學設計模型。

（5）單個實驗微視頻要保持相對獨立性，多個實驗微視頻間建立一定的線性關聯性，一系列實驗微視頻構成結構完整的層次化學習單元。

（6）實驗環境和工具的多樣性，需要提供多種編程工具和調試工具的演示視頻。

（7）課后微視頻是對難度大的擴展實驗進行啟發，不能過于詳細，點到為止，否則不利于學生的自主思考。

2.1.2 學前任務指南

用來為學生的課前自主學習進行指導，給出學習目標和要求，讓學生能夠把握重點并帶著問題進行學習，提高學習效率。

2.1.3 交互測試系統和編程練習系統

貫穿于整個實驗過程，不僅可以用于實驗前的學習任務完成情況檢測，而且可用于實驗后的加強練習和鞏固提升。交互測試系統以客觀選擇題為主、程序閱讀題為輔，自動完成出題和批閱工作。編程練習系統以主觀編程題為主，程序填空題和程序改錯題為輔，通過在線評測系統Online Judge進行自動化的評測，不僅可以反饋測試用例通過率，培養學生的測試意識，而且可以反饋算法的執行效率和空間使用情況，培養學生的算法優化能力。交互測試系統和編程練習系統不僅是學生學習效果檢測進行自主反思的主要工具，而且是教師獲取教學反饋的重要途徑。

需要指出的是,工程認證教育不是精英教育,應在適當拉開梯度的同時避免難度過大。做好各考核的記錄和分析,針對每個同學進行考試分析和達成度計算,確保考核的結果能科學評價學生的知識掌握情況,為改進教學質量提供依據[5-6]。

2.1.4 實驗交流討論答疑區

用于線上師生間、生生間的交流互動，實現對實驗的分析討論，完成編程經驗、錯誤處理等方面的交流。

2.1.5 實驗作品展示區

實驗作品和報告的交流展示，用于實現學生的自我評價和互評，引發學習反思。優秀實驗作品評選，還有利于增強學生的學習自信和滿足感，從而激發學習動機。

2.1.6 實驗編程環境和工具

為了滿足信息化發展趨勢，提供個性化學習服務，網絡教學平臺提供多種實驗編程環境和工具，學生可以根據自身需要進行選擇。

2.2 實驗題目的設計

2.2.1 實驗題目應具備的特點

實驗題目的選取要符合ARCS教學設計模型，具有趣味性、綜合性、階梯性、實用性的特點。趣味性體現在學習興趣的激發；綜合性體現在知識之間的關聯應用；階梯性體現在題目難度的階梯化，學生可以根據自身能力和學習進度加以選擇，滿足個性化需求，增強自信心；實用性體現在學以致用，結合實際應用促進對程序設計實際價值的認知，收獲滿足感。

2.2.2 實驗題目難度階梯化

根據布魯姆認知規律，任何學習都遵循記憶、理解、模仿、熟練、應用、綜合、創新這樣循序漸進的過程。記憶和理解是前提，模仿和熟練是基礎，應用和綜合是目標，創新是升華[9]，實驗教學也要符合這一認知規律。按照基礎、提高、綜合、創新4個層次來設置每一章節實驗題目的難度階梯，每一難度階梯對應多個實驗題目，形成實驗題目備選集。

2.2.3 實驗題型、類型多樣化，培養目標全面性

通過多樣化的實驗題型和實驗類型來加強程序設計各方面的訓練，有利于從不同角度、不同方面提升程序設計能力，實現多目標培養，對應蘇小紅教授的實踐指導方案3原則。

實驗題型包括程序閱讀題、程序填空題、改錯題、編程題、程序優化題、程序擴展題。程序閱讀題，閱讀程序寫出運行結果，培養學生讀程序的能力；程序填空題，根據程序已有的邏輯結構補充代碼，培養學生的邏輯思維能力和計算思維能力；改錯題，根據錯誤提示和調試結果修改代碼，培養學生的調試和糾錯能力；編程題，根據題目要求實現問題求解，培養學生的分析解決問題的能力和綜合應用能力；程序優化題，對現有程序效率和空間進行提高和優化，培養學生算法優化能力和比較分析能力；程序擴展題，在現有實驗題目的基礎上進行自主創新或功能擴展，培養學生的創新能力。

實驗類型包括驗證型實驗、設計型實驗、綜合型實驗、自主創新型實驗。通過驗證型實驗，可以加深學生對程序語法的記憶和理解，培養學生的實際操作、數據處理、觀察等技能[10]。通過設計型實驗，可以促進學生對理論知識的熟練應用，培養學生的實際應用能力。綜合型實驗是設計型實驗的高級形式，體現在知識點覆蓋廣度和能力訓練深度上具有綜合性，培養學生的綜合應用能力。通過自主創新型實驗，開展以項目為導向的研究性學習、推薦學習，以學科競賽和科學研究為驅動，培養學生的創新能力和自主學習能力。

2.3 實驗階段的設計

按照實驗教學過程，將實驗階段分為實驗課前、實驗課堂、實驗課后3個階段。實驗課前，以驗證型實驗為主，學生通過標準程序了解程序執行流程、驗證運行結果；實驗課堂，以設計型實驗和綜合型實驗為主，討論選定實驗的解題思路，進行算法設計并分析設計方案的可行性。實驗課后，以自主創新實驗為主，進行課堂實驗的功能擴展或自主設計實驗。通過這3個階段相得益彰的有效結合，使學生對實驗有一個總體的把握，形成完整、深入的學習體驗。

2.3.1 實驗課前階段的教學設計

教師針對每一堂實驗課，課前在網絡教學平臺上發布實驗任務，給出實驗要求和目標，上傳實驗教學視頻和輔助學習資源，發布實驗前學習指南，并公布實驗題目集，讓學生了解實驗題目和難度，進行對應的題目選擇。每個實驗題目按照基礎、提高、綜合和創新4個梯度標注難度，學生從每種梯度題目集中選擇自己感興趣的題目。基礎、提高、綜合梯度實驗題目為必選項，每種梯度題目至少選一題，創新梯度實驗題目為附加自選項。通過這種具有一定的深度和廣度的實驗題目選擇機制，讓學生有選擇和發揮的空間，有利于達成學生學習的信心和滿意度，并有助于實現過程性學習評價。

學生需要將實驗視頻、課前測試和驗證性實驗過程中存在問題通過網絡教學平臺進行反饋，為教師開展實驗課堂教學活動提供依據。

2.3.2 實驗課堂的教學設計

將翻轉課堂教學模式引入到實驗課堂，根據課前學情反饋，設計各類參與式活動，調動學生實驗熱情，發揮學生學習的主體地位。實驗課堂上的參與式活動方式主要有解答式、討論式、總結式、演示式、交流式、啟發式、探究式。解答式活動體現在教師根據課前收集的學情反饋，以及實驗課堂隨時遇到的問題進行個體或集體解答。討論式活動體現在師生間討論實驗題目的解題思路、探討設計方法的可行性，或進行小組討論，培養團隊合作能力。總結式活動關注歸納總結實驗過程中的常見問題及對應解決方案。演示式活動關注現場演示實驗步驟，包括從實驗題目分析、算法設計、編程、測試、調試、錯誤分析和糾錯全過程，整個實驗參與過程會讓學生印象深刻。交流式活動關注學生實驗成果展示、實驗體驗和收獲。啟發式活動關注實驗算法的優化和實驗性能的提高，引發學生積極參與思考。探究式活動關注如何從探究解決實際復雜問題的角度提升學生的創新能力和解決綜合復雜應用的能力。實驗課堂上的參與式活動，可以充分借助網絡教學平臺或各種信息技術來開展。

在實驗課堂上，教師需要不斷觀察、發現實驗過程中存在的共性問題，及時提醒、引導，引發學生的關注，提升實驗質量。

2.3.3 實驗課后的教學設計

學生通過實驗課后階段來完成對所學知識的固化和延伸。知識固化體現在學生一方面通過實驗總結、撰寫實驗報告來加深知識的理解和掌握，另一方面通過交互測試系統和編程練習系統強化編程來提高實踐應用能力。知識延伸體現在學生一方面通過在線教學資源來學習課外擴展知識，另一方面通過綜合型實驗和自主創新型實驗來實現擴展知識的實際應用。

實驗課后教師需要獲取實驗效果反饋，分析不同學生的學習進展，完成實驗報告的批閱，做好實驗評價，并通過交流討論答疑區引導學生進行啟發式學習和探究式學習，更好地實施個性化教學。

2.3.4 實驗評價體系的設計

為了引導學生從關注“實驗成績”到注重“實驗過程”和“實驗成效”，采取目標與過程并重的價值取向，引入形成性評價和過程性評價，構建科學合理的多維度實驗評價體系，實現評價主體多元化、評價指標多樣化、評價過程階段性。形成性評價和過程性評價都提倡評價和教學相互交叉與融合，注重師生互動，全面體現以學生為本，及時發現教和學中的問題[11]。教師通過教學過程的連續反饋，為調整教學方案提供參考；學生通過反思學習過程，發現適合于自己的學習策略，樹立正確的學習動機。過程性評價可以通過網絡教學平臺上的實驗作品展示區進行學生自評、互評，增強學生的自信心。形成性評價主要從課前任務的完成、課上實驗過程、實驗報告的質量、課下拓展實驗的完成程度等方面做出發展性評價。

多維度評價體系避免了終結性評價內容片面評價方式單一的不足，從多個維度對學生的實驗情況進行評價考核，評價指標包括程序設計能力、自主學習能力、學習態度、學習方式、綜合應用能力、創新能力。實驗題型、類型多樣化和實驗題目難度階梯化為從不同方面評價學生的程序設計能力提供了依據。通過網絡教學平臺的學習情況統計功能，可以為多維評價提供豐富的參考指標數據[12]，今后還可以結合數據挖掘和機器學習算法對學生的學習行為進行預測，為制定科學教學指導和教學策略提供數據理論依據。

3 基于TPACK模型開展混合式實驗教學改革對教師的要求

（1）基于TPACK模型發展教師自身的信息化教學能力。深入分析程序設計學科知識，研究程序設計為主線的知識體系和實踐體系；學習和掌握多種信息化技術，并將其應用到微視頻的制作、實驗輔助資源的構建、實驗平臺的搭建、參與式活動的開展以及實驗教學效果的評價和反饋；學習先進的教學法，并應用到實驗教學實施中，例如學習動機理論、BOPPPS教學模型、協作式學習等。

（2）不斷進行教學研究、教學實踐和教學反思，并擴大教學交流，積極參加課程研討會和教學技能培訓班，開闊視野，吸取相關實驗課程成功實施的經驗，聽取同行提出的改進建議，處理好實驗教學與理論教學互相支撐互為補充的關系，不斷改進和完善實驗教學設計，逐步拓展實驗課程實踐成果應用的廣度和深度[13]。

（3）教師利用信息技術有效促進“如何教”的同時，也要關注“如何促進學”。混合式教學使得學生的認知方式發生改變，需要教師引導學生利用各類信息技術和工具來改善學習途徑和學習方法，例如手機移動端學習工具、Raptor算法建模工具、思維導圖思維展示和認知工具等。

4 結語

程序設計實驗教學是程序設計教學研究的重要環節[14]，為了提高實驗教學質量，充分利用在線教學和課堂教學的優勢互補，通過網絡教學資源和在線實驗平臺的合理開發和利用，構建“以多方面能力培養為導向，以學習成效為驅動，以個性化教學服務為目標”的混合式實驗教學模式，實現信息技術與學科的深度融合[15]。改革后的實驗教學將部分實驗從課堂遷移到課前或課后，拓展了實驗教學的時間和空間，通過線上線下不同學習方式的融合，加強了師生間的交流互動，形成課前、課堂、課后3階段緊密結合互為補充的實驗教學過程。通過實驗題目的科學設置和靈活多樣的選擇機制，結合多種參與式教學策略，采取階段性多角度的評價體系，充分調動了學生實驗的積極性，滿足個性化學習需求的同時，學生的編程能力、計算思維能力、創新能力、自主學習能力都得到了很大的提高。

[1] 白鑫剛.教師TPACK教學實踐能力培養模式構建與路徑選擇[J].黑龍江高教研究，2017(10): 108–112.

[2] 黃云，洪佳明，覃遵躍，等.基于云平臺的“程序設計基礎”課程實驗教學改革[J].實驗室研究與探索，2016, 35(2): 191–195, 223.

[3] 蘇小紅，趙玲玲，邱景，等. CS2013指導下的程序設計課程實踐教學實施方案設計與翻轉實驗教學實踐[J].中國大學教學，2016(5): 55–60, 69.

[4] 姜麗，衛春芳，陳志雄.基于MOOC的三位一體高校實驗教學模式的研究[J].實驗技術與管理，2017, 34(4): 182–184, 188.

[5] 盧瑾，張健，陳晉音. C語言程序設計階段式分層實驗教學研究[J].計算機教育，2014(14): 74–76.

[6] 何文廣，周珂，熊剛強.程序設計課程實驗教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2016, 35(6): 163–165, 169.

[7] 池水蓮，石娟.基于TPACK框架的大學物理實驗教學設計與應用[J].現代教育技術，2012, 2(8): 33–35, 125.

[8] 謝琪，崔夢天，周緒川. C++程序設計實驗教學微課的設計與實現[J].西南民族大學學報（自然科學版），2016, 42(3): 311–317.

[9] 熊啟軍，谷瓊，屈俊峰，等.基于微視頻的C語言程序設計實驗教學改革[J].實驗技術與管理，2018, 35(5): 13–16.

[10] 劉光蓉. C程序設計實驗教學的理實一體化教學模式[J].實驗室研究與探索，2013, 32(10): 350–352.

[11] 姚爭為，滕國棟.高校程序設計類課程過程性評價的研究與實踐[J].計算機教育，2015(24): 86–88.

[12] 余穎，李曉昀.程序設計類課程多維評價方法探索[J].計算機教育，2016(9): 147–148, 156.

[13] 王冠軍，周勇，江海峰，等.基于翻轉課堂與MOOC的嵌入式軟件工程實踐教學研究[J].實驗技術與管理，2016, 33(4): 176–178, 185.

[14] 鐘紅梅，葉邦林. MOOC與翻轉課堂的體育實驗教學模式改進研究[J].實驗室研究與探索，2018, 37(4): 234–237.

[15] 孫兆東，葛日波. C語言程序設計交互式微課程資源開發應用[J].實驗技術與管理，2017, 34(12): 206–209.

Mixed teaching reform of programming experimental course based on TPACK model

GUO Yanyan

(School of Computer and Control Engineering, Yantai University, Yantai 264005, China)

In view ofthe problems existing in the traditional experimental course of Programming Design, the mixed teaching reform of such course is carried out. Based on the TPACK model, the program design knowledge, information technology, diversified teaching methods and teaching theories are effectively integrated into the practice of experimental teaching. Guided by the ARCS motivation model and BLOOM cognitive law, the online teaching resources, experimental subjects, experimental stages and experimental evaluation system are scientifically designed, the students’ enthusiasm is fully mobilized, the improvement of experimental results is promoted and the experimental goals are effectively achieved, and the experimental teaching has become more consistent with the learning environment for “Internet + education”.

experimental teaching; TPACK model; mixed teaching; programming; flipped classroom; ARCS model

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.058

G642.0

A

1002-4956(2019)10-0238-05

2019-02-11

教育部高等教育司產學合作協同育人項目（201602018013）；山東省本科高校教學改革研究項目（Z2016M082，C2016M045）；山東省教育科學“十三五”規劃項目（YC2017015）；煙臺大學教學研究與改革項目（jyxm2017057）

郭艷燕（1980—），女，山東煙臺，碩士，講師，研究方向為軟件工程、人工智能。E-mail: smallgyy@sina.com