基于OJ 的程序設(shè)計類課程實驗混合教學(xué)模式研究

徐燕萍

（鹽城工學(xué)院 信息工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

0 引言

程序設(shè)計類課程是電子信息大類相關(guān)專業(yè)的核心課程，由于程序設(shè)計類課程具有基礎(chǔ)知識枯燥、難以入門、實踐性強的特點，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)對鞏固基礎(chǔ)知識、培養(yǎng)學(xué)生動手能力至關(guān)重要。但一直以來，實驗教學(xué)效果并不理想，主要原因在于：①語法規(guī)則復(fù)雜、枯燥，概念抽象，對于沒有建立編程思維的學(xué)生而言難度較大，導(dǎo)致學(xué)生興趣不高；②師生缺少有效交流，學(xué)習(xí)氛圍不濃厚；③學(xué)生需要花費大量時間書寫紙質(zhì)報告，容易產(chǎn)生抵觸情緒；④紙質(zhì)報告批改工作量大，也難以驗證程序的正確性，學(xué)習(xí)反饋不足；⑤報告抄襲現(xiàn)象比較嚴(yán)重，難以判斷學(xué)生是否真正掌握相關(guān)知識。因此，改革與探索程序設(shè)計類課程實驗教學(xué)模式是一項十分迫切的工作。

自新冠疫情爆發(fā)以來，教育部提出“停課不停學(xué)、停課不停教”的教學(xué)要求，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式：準(zhǔn)備、實驗、報告、批閱，已不再適用。針對疫情期間程序設(shè)計類課程實驗線下無法開展以及學(xué)校實際情況，提出基于在線判題的線上教學(xué)模式。該模式采用自主研發(fā)的鹽城工學(xué)院實驗項目源碼評測系統(tǒng)（以下簡稱YOJ）輔助教學(xué)，并且在疫情常態(tài)化后，已應(yīng)用于日常實驗教學(xué)，實現(xiàn)了程序設(shè)計類課程實驗線上線下相混合的新型教學(xué)模式。

1 YOJ 建設(shè)

1.1 OJ 發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

OJ（Online Judge）最初應(yīng)用于ACM 國際大學(xué)生程序設(shè)計競賽中，目前已廣泛應(yīng)用于各大高校的程序設(shè)計訓(xùn)練等方面。國內(nèi)外知名的OJ 系統(tǒng)有很多，比如：浙大的ZOJ、北大的POJ、杭州電子科技大學(xué)的HDOJ 等。雖然這些OJ題庫很多，但僅用于程序設(shè)計競賽，并且缺少分類指引，難度系數(shù)大，并不適用于鹽城工學(xué)院程序設(shè)計類課程實驗教學(xué)。

針對這些不適用的情況，結(jié)合鹽城工學(xué)院學(xué)生層次及能力現(xiàn)狀，自主研發(fā)了界面友好、功能完善且能輔助實驗教學(xué)的在線實驗平臺。

1.2 YOJ 功能

系統(tǒng)采用B∕S 架構(gòu)，采用前后端分離技術(shù)；后臺使用JDK 1.8，前端使用Vue.js 2.0；使用自主研發(fā)的CUI 作為系統(tǒng)的UI 框架，數(shù)據(jù)庫采用MySQL；在線判題使用的是成熟穩(wěn)定的開源HustOJ 內(nèi)核。學(xué)生在使用系統(tǒng)時，只需在機器上安裝瀏覽器即可。目前，YOJ 支持C、C++、C#、Java、Python 5 種編程語言評測。YOJ 界面如圖1 所示。

Fig.1 Interface of YOJ圖1 YOJ 界面

與教學(xué)實際過程緊密結(jié)合，YOJ 系統(tǒng)提供了五大功能模塊：系統(tǒng)管理模塊、在線判題評分模塊、實驗報告生成導(dǎo)出模塊、錯誤采集查詢模塊、排名統(tǒng)計模塊。其中，在線判題和實驗報告生成導(dǎo)出是特色模塊。系統(tǒng)分為Judge 服務(wù)器（判題內(nèi)核）、Web 服務(wù)器和MySql 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器3 部分。學(xué)生在瀏覽器代碼編輯器中輸入源代碼，然后提交到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，Judge 服務(wù)器監(jiān)測數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中待評測代碼并進行評測，評測結(jié)果既會保存在數(shù)據(jù)庫中也會實時反饋給學(xué)生，學(xué)生根據(jù)反饋的評測結(jié)果及時修正，在這種不斷試錯、不斷修正結(jié)果的過程中，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。學(xué)生完成實驗項目后，可在線查看和生成導(dǎo)出實驗報告，實驗報告包括實驗源代碼、運行結(jié)果、運行時間及內(nèi)存情況，可以PDF 文件格式導(dǎo)出，方便學(xué)生打印。

2 基于YOJ 的實驗混合教學(xué)設(shè)計

線上課程雖然資源多、不受時空限制，但由于學(xué)習(xí)過程管理不嚴(yán)、學(xué)生學(xué)習(xí)參與度不高、師生交流互動較少等原因，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳。為了提升實驗教學(xué)效果，本文提出基于YOJ 的線上線下混合教學(xué)模式，既提高學(xué)生學(xué)習(xí)參與度，激發(fā)學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，又發(fā)揮教師引導(dǎo)學(xué)生、監(jiān)控教學(xué)過程的主導(dǎo)作用。基于YOJ 平臺的線上線下實驗混合教學(xué)設(shè)計如圖2 所示。

2.1 課前線上活動

每次實驗課前，教師根據(jù)理論課進度安排實驗內(nèi)容，錄制實驗教學(xué)視頻；然后布置實驗任務(wù)，實驗開始時間一般是上課時間。每個實驗項目由若干個具體的編程題目構(gòu)成，教師可以對選擇的題目分配分?jǐn)?shù)比例，以便計算最后得分。學(xué)生可以將實驗視頻觀看過程中遇到的問題通過系統(tǒng)反饋給教師，教師收集整理學(xué)生反饋的問題以便在實驗課開始時集中講解。

Fig.2 Design of mixed teaching mode of experimental course圖2 實驗課混合教學(xué)活動設(shè)計

2.2 課中混合活動

上課時，教師講解本次實驗的重點、難點及課前線上活動階段學(xué)生反饋的問題；然后學(xué)生登錄YOJ 系統(tǒng)，完成實驗題目。每提交一道題目，YOJ 會在線編譯，并對照給定的測試用例，與預(yù)設(shè)的輸出進行比對，以驗證程序是否正確，最后會提示學(xué)生源代碼執(zhí)行用時及內(nèi)存使用情況，學(xué)生可以根據(jù)評測結(jié)果，對代碼作進一步優(yōu)化，直到滿意為止。教師可以在教室中對有問題的學(xué)生進行個性化指導(dǎo)，還可以通過平臺的統(tǒng)計分析功能，查看學(xué)生實驗項目完成情況，對出現(xiàn)的集中性錯誤、共性問題集中指導(dǎo)。學(xué)生提交完所有實驗題目后，系統(tǒng)會自動生成實驗報告，學(xué)生可以在線查看，也可以導(dǎo)出PDF 文件，PDF 文件以班級—學(xué)號—姓名—實驗項目.pdf 命名。

2.3 課后線上活動

實驗課結(jié)束后，教師可以查看錯誤統(tǒng)計信息，分析每次實驗中各類錯誤的出現(xiàn)頻率，以便在今后教學(xué)中重點介紹。系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)生實驗完成時間、運行效率、提交次數(shù)、總評成績進行排名，學(xué)生可以查看排名，了解自己在班級的學(xué)習(xí)狀況，這樣極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

課前、課中、課后三段式混合教學(xué)模式，充分利用現(xiàn)代化教學(xué)手段，課前發(fā)布基于知識點的微視頻，精心設(shè)計教學(xué)內(nèi)容；課中通過YOJ 系統(tǒng)合理組織教學(xué)活動，及時判題了解學(xué)生知識點掌握情況；課后分析數(shù)據(jù)庫評測結(jié)果，及時評價教學(xué)效果。基于OJ 的混合教學(xué)模式將教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、教學(xué)活動組織、教學(xué)效果評價作為一個有機整體綜合考慮，明顯提升了實驗教學(xué)效果。

3 教學(xué)效果分析

自2020 年5 月，YOJ 系統(tǒng)正式上線以來，系統(tǒng)題庫數(shù)量不斷增加，目前已經(jīng)累計800 多道，3 學(xué)期共有1 500 多人在C 語言程序設(shè)計、算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、Java 程序設(shè)計、Python 程序設(shè)計等課程中陸續(xù)使用該系統(tǒng)作為實驗課輔助教學(xué)平臺，取得了良好效果。

3.1 學(xué)生參與度提高

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式下，由于教師監(jiān)督能力有限，無法及時檢查、驗證學(xué)生的實驗代碼，直接導(dǎo)致學(xué)生實際程序設(shè)計能力較差，甚至出現(xiàn)少數(shù)學(xué)生混水摸魚的現(xiàn)象。使用混合教學(xué)模式后，為保證實驗任務(wù)在實驗課內(nèi)完成，要求每位學(xué)生在實驗課內(nèi)在線提交實驗源代碼，并且每位學(xué)生的源代碼都能得到驗證，系統(tǒng)還會統(tǒng)計出學(xué)生在班級的排名情況。學(xué)期結(jié)束時，用QQ 群的投票功能進行問卷調(diào)查，任教班級共68 名學(xué)生參與了投票，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。從統(tǒng)計結(jié)果看，使用混合教學(xué)后學(xué)生實驗的積極性明顯提高，學(xué)生參與度由原來的79.41%提高到97.06%。

Table 1 Participation questionnaire of experimental course表1 實驗課參與度調(diào)查 （%）

3.2 代碼調(diào)試能力明顯提升

2020 年秋季學(xué)期，學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)工程、物聯(lián)網(wǎng)工程、人工智能5個專業(yè)共15個班級的大一新生開設(shè)C 語言程序設(shè)計專業(yè)基礎(chǔ)課程，選定其中5個作為試點班。對C 語言程序設(shè)計課程的12個實驗項目，通過對3個多月內(nèi)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中存儲的評測結(jié)果進行分析后發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的錯誤類型集中在語法錯誤上，但隨著系統(tǒng)的使用，學(xué)生最終提交的代碼語法錯誤越來越少，如圖3所示。代碼運行成功的比率也在逐步提高，如圖4 所示。

3.3 課程考核成績明顯提升

因?qū)W院2020 級各班級學(xué)生入學(xué)分?jǐn)?shù)相差較小，選定5個試點班后，另外10個班作為參照班級。試點班級和參照班級理論教學(xué)內(nèi)容、要求基本相同，只是實驗教學(xué)方式不一樣。從最終考試情況來看，試點班在期末考試中取得了較好的成績。在使用同一份試卷的情況下，將試點班級和參照班級卷面成績進行對比，試點班級卷面平均分為75.69，比參照班級高出7.21 分，如圖5 所示。試點結(jié)果可在一定程度上說明采用混合式教學(xué)對學(xué)生的學(xué)習(xí)，尤其是編程能力培養(yǎng)起到了較好的促進作用。

Fig.3 Trend of syntax error number圖3 語法錯誤數(shù)量趨勢

Fig.4 Trend of submission success rate圖4 提交成功率趨勢

3.4 應(yīng)用能力明顯提升

實驗課使用混合式教學(xué)的班級，學(xué)生動手能力、工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新素養(yǎng)明顯高于其他學(xué)生。在2021 年度學(xué)院申報的12 組大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目中，有8 組學(xué)生所在班的實驗采用的是混合式教學(xué)。此外，采用混合式教學(xué)的班級學(xué)生參與教師科研項目的人數(shù)也比其他班多。最可喜的是，在2021 年的“藍(lán)橋杯軟件設(shè)計大賽”中，學(xué)生獲獎人數(shù)也明顯高于往年，對比獲獎學(xué)生名次及人數(shù)，明顯發(fā)現(xiàn)采用混合式教學(xué)對學(xué)生動手能力提升幫助非常大。“藍(lán)橋杯”獲獎名次及人數(shù)與實驗采用混合式教學(xué)的關(guān)系如圖6 所示。

Fig.5 Performance comparison between pilot class and reference class圖5 試點班級和參照班級成績對比

Fig.6 The relationship of the grade and number of winners with mixed teaching圖6“藍(lán)橋杯”獲獎名次和人數(shù)與混合式教學(xué)的關(guān)系

學(xué)校和教師在探索實驗教學(xué)新模式時的巨大付出換取了良好的教學(xué)效果。在課程實驗混合教學(xué)模式設(shè)計過程中，精心設(shè)計5 種學(xué)習(xí)效果提升策略：①熟悉實驗課程安排，助力實驗準(zhǔn)備；②組織學(xué)生交流，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；③提供實驗指導(dǎo)，消除學(xué)習(xí)障礙；④通過排名，樹立學(xué)習(xí)榜樣，引發(fā)外部驅(qū)動力；⑤鼓勵自我反思，并將它們貫穿到混合式教學(xué)活動中。

4 結(jié)語

在疫情常態(tài)化防控情況下，經(jīng)過3 輪教學(xué)實踐證明，混合教學(xué)模式不但沒有影響相關(guān)課程教學(xué)，反而提高了學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計語言的興趣，提高了學(xué)生編程水平、自主學(xué)習(xí)能力、動手能力，增強了師生間的互動，并且將教師從繁重的實驗報告批改中解放出來，從而可以將更多的時間和精力投入教學(xué)研究和學(xué)生輔導(dǎo)工作中，教學(xué)效果得到明顯提高。