實時反饋在Java編程教學(xué)中的應(yīng)用研究

關(guān)鍵詞：Java編程；實時反饋；課堂點擊器；求解和評估

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）28-0133-04

0 引言

Java程序設(shè)計是各高校普遍開設(shè)的課程，但在目前的教學(xué)中存在很多問題。教學(xué)內(nèi)容不能與時俱進(jìn)，教學(xué)方法單一，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低下，不能完全掌握編程思想和技能[1]；程序設(shè)計應(yīng)該訓(xùn)練學(xué)生的計算思維和創(chuàng)新思維能力，但目前大多數(shù)Java編程課程專注于具體的語法結(jié)構(gòu)，忽視了學(xué)生解決復(fù)雜問題的思維能力[2]；課時分配不合理，考核方式簡單粗暴，學(xué)生的反饋不夠[3]；很多研究提出了線上線下的混合教學(xué)模式，線上課程優(yōu)勢明顯，資源豐富，學(xué)習(xí)時間靈活，可以反復(fù)學(xué)習(xí)[4]；文獻(xiàn)[5]提出了小班教學(xué)模式，可以更好地關(guān)注每個學(xué)生，更多地進(jìn)行課堂互動。計算思維和創(chuàng)新思維能力的訓(xùn)練需要長期的訓(xùn)練，除了學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)外，課堂的引導(dǎo)對初學(xué)者非常重要，能夠大大降低學(xué)生入門的難度，減少學(xué)生時間的浪費。其中，Java各個知識點的理解對思維訓(xùn)練起著重要的作用。但是Java的知識點繁多，如果學(xué)生在課堂中不能及時理解，課后往往失去了繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。因此如果能在課堂上及時得到學(xué)生的反饋，教師就能掌握學(xué)生學(xué)習(xí)動態(tài)，針對相應(yīng)問題進(jìn)行進(jìn)一步的講解。本文介紹基于Java開發(fā)的課堂點擊器系統(tǒng)，允許學(xué)生課堂中實時對提出的問題進(jìn)行反饋，教師可以快速了解學(xué)生的理解水平，同時提出一種與之對應(yīng)的新的教學(xué)方法：求解和評估教學(xué)方法。

1 課堂點擊器系統(tǒng)簡介

課堂點擊器是一個用于組響應(yīng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展框架。這樣的系統(tǒng)可以快速收集課堂上所有學(xué)生的反饋。這種系統(tǒng)的常見使用是在上課期間，教師用投影儀投影一個選擇題，學(xué)生可以使用點擊器，通過按下點擊器上的一個按鈕來提交答案。教師可以立即看到以直方圖形式匯總的回答，并可以進(jìn)一步講解直到學(xué)生理解該問題。點擊器系統(tǒng)通過兩個Java RMI進(jìn)行教師和學(xué)生之間的通信。教師控制課程，并通過投影儀呈現(xiàn)可視化效果。學(xué)生解決問題并給出評估。系統(tǒng)采用Java語言編寫，可以在任何支持Java的設(shè)備上運行，如手機(jī)等。系統(tǒng)背后的主要思想是基于軟件的點擊器能夠支持比傳統(tǒng)硬件點擊器更豐富的交互。在該點擊器中，可以靈活擴(kuò)展問題的類型，多項選擇題只是一種可擴(kuò)展的問題類型。例如，點擊器提供了一個插件，支持所謂的文本突出顯示問題，向?qū)W生提供一個問題和一段文本，然后必須突出顯示文本中的所有相關(guān)部分。這類問題比多選題更豐富，因為學(xué)生必須自己構(gòu)建解決方案，而不是從教師預(yù)先確定的一組解決方案中挑選。多選問題的優(yōu)點是它們的解決方案可以很容易地匯總在直方圖中。更復(fù)雜的問題需要不同形式的聚合和可視化。點擊器系統(tǒng)向教師提供所有個人解決方案的列表。為了擴(kuò)展到更多的學(xué)生，針對新問題類型的插件可以提供解決方案的聚合。

2 編程技能學(xué)習(xí)

用Java語言編程意味著要學(xué)習(xí)許多相互關(guān)聯(lián)的技能。文章描述了四種這樣的技能，并展示了如何擴(kuò)展點擊器系統(tǒng)以增加對教學(xué)的支持。教師可以根據(jù)自己課堂上的需求選擇其中的技能。學(xué)習(xí)編程的學(xué)生還需要掌握許多其他技能，點擊器系統(tǒng)允許在未來增加對這些技能的支持。四種技能如下。

2.1 語法

語法結(jié)構(gòu)及其名稱是較為抽象的，這也是編程語言的一項基本組成。談?wù)撜Z法結(jié)構(gòu)、命名概念并識別它們的能力是學(xué)生看到的編程內(nèi)容之一，也是磨煉學(xué)生抽象技能的第一步。點擊器系統(tǒng)中已經(jīng)提供了文本突出顯示問題類型，它為檢查學(xué)生對語言語法的理解提供了一種直接的方法。圖1（a） 顯示了一個文本突出顯示問題，其中文本對應(yīng)一段Java源代碼，該問題對應(yīng)突出顯示特定語法結(jié)構(gòu)的請求。例如，教師可以要求學(xué)生突出顯示所有注釋、所有字符串文字、所有方法體、條件語句中的所有條件或與方法調(diào)用相對應(yīng)的點。這些問題不一定局限于語言語法，還包括對字段的所有讀取訪問、最終變量的所有使用或所有接口方法調(diào)用的高亮顯示。

2.2 類型

類型是像Java 這樣的語言不可分割的一部分。Java程序員的一項重要技能是能夠推斷任意表達(dá)式的類型。點擊器系統(tǒng)開發(fā)了這樣的功能，允許學(xué)生練習(xí)和測試該技能。圖1（b） 顯示了這樣一個類型問題。教師編寫Java代碼片段，并突出顯示一個表達(dá)式。然后，學(xué)生需要決定突出顯示的表達(dá)是否合法，如果合法，則需要確定其類型。

2.3 控制流

對于剛開始編程的人來說，挑戰(zhàn)之一是理解控制流。在基于結(jié)構(gòu)化編程原理的語言中，學(xué)生需要理解順序、選擇和循環(huán)的基本概念。Java語言為選擇提供if 和switch語句，為循環(huán)提供for、while和do-while循環(huán)。解釋一個概念的一個有用的方法是使用多種表示法。以控制結(jié)構(gòu)為例，可以使用兩種這樣的表示：控制結(jié)構(gòu)的源代碼以及控制流程圖。為了評估學(xué)生是否理解特定的控制結(jié)構(gòu)，要求他們將包含該結(jié)構(gòu)的源代碼翻譯成控制流程圖。圖1（c） 顯示了在學(xué)生的點擊器上呈現(xiàn)這樣的問題。將Java源代碼與控制流圖并排顯示。最初，圖形是不完整的（它只包含入口和出口節(jié)點）。學(xué)生必須通過添加必要的節(jié)點和邊來完成圖形。

2.4 編碼

前三項技能，即理解語言的語法、類型和控制結(jié)構(gòu)，是編程所必需的基本組成部分。然而，編程教學(xué)的最終目標(biāo)是使學(xué)生能夠?qū)⑿枨筠D(zhuǎn)換成實現(xiàn)代碼。評估這些技能的直接方法是要求學(xué)生實際完成這項任務(wù)。圖1（d） 顯示教師編寫要求并提供代碼的框架。學(xué)生通過完成代碼來解決問題。

3 求解和評估教學(xué)方法

課堂中，教師可以提出問題，每個問題由三個階段組成：求解（solve） 、討論（discuss） 和展示（reveal） 。在求解階段，學(xué)生單獨在點擊器上解決問題，并提交他們的解決方案。在討論階段，教師展示提交的解決方案的總體可視化，并主導(dǎo)對問題和不同解決方案的討論。在展示階段，教師最終展示正確的解決方案（或其中一個正確的解決方法）。

這種方法的關(guān)鍵問題是學(xué)生解決問題所花費的時間不均衡。雖然有些學(xué)生通常在一分鐘內(nèi)完成，但其他學(xué)生則需要更長的時間。由于速度快的學(xué)生不得不等待速度慢的學(xué)生，他們將注意力從課程主題轉(zhuǎn)移到了無關(guān)的活動上。為了有效地利用學(xué)生的等待時間，在求解階段之后添加了一個新階段：評估（evalu?ate） 。提交問題后，學(xué)生會收到另一個學(xué)生提交的解決方案，需要評估該解決方案并提交評估。在評估階段，學(xué)生可以持續(xù)評估其他學(xué)生的解決方案，直到教師進(jìn)入討論階段。三階段示意圖如圖2所示。

請注意，評估階段的目標(biāo)根本不是讓教師評估學(xué)生的解決方案。對于許多問題，點擊器系統(tǒng)可以自動評估解決方案的正確性（例如，將其與正確解決方案進(jìn)行比較，或者自動檢查某些屬性，例如提交的Java 代碼是否編譯）。讓學(xué)生評估其他學(xué)生的解決方案，除了讓他們在等待速度較慢的學(xué)生時保持專注之外，目的是讓他們從其他人常犯的各種錯誤中吸取教訓(xùn)，以加強(qiáng)他們對問題的理解。

當(dāng)學(xué)生創(chuàng)建并提交評估時，他們實際上并沒有收到任何對自己解決方案的評估。他們也不會收到關(guān)于他們的解決方案是否正確的直接信息。這樣做的目的是在討論階段引發(fā)課堂范圍內(nèi)對錯誤和正確方法的討論。假如學(xué)生收到了對自己解決方案的評估和更正，他們會研究這些評估，而不是參與課堂討論。

4 案例研究

這里通過課堂案例討論了第二節(jié)中編程技能的四個問題，并分析了學(xué)生在解決和評估階段的行為。案例中，學(xué)生以匿名模式使用該系統(tǒng)。匿名模式下，系統(tǒng)為每個學(xué)生分配一個數(shù)字標(biāo)識符，該標(biāo)識符和學(xué)生的對應(yīng)關(guān)系不公開。雖然系統(tǒng)也支持學(xué)生實名的模式，但研究發(fā)現(xiàn)匿名模式可以鼓勵學(xué)生參與。他們更愿意提交可能不正確的解決方案，而且他們不會試圖通過看其他人的解決方案來作弊。這種方式更能反映數(shù)據(jù)的真實性。此外，一旦學(xué)生發(fā)現(xiàn)其他人也會犯錯，他們參與課堂討論的意愿就會顯著提高。

4.1 語法

圖3顯示了一個語法問題，用來檢查學(xué)生是否理解變量的聲明和使用之間的差異，以及實例變量、局部變量和參數(shù)之間的差異。圖4顯示了16個學(xué)生求解和評估的時間線。x 軸表示時間（0～4分鐘）。y 軸對應(yīng)每個學(xué)生解決問題的時間間隔。

圖4顯示，提出的求解和評估教學(xué)方法是成功的，因為學(xué)生們確實花了大部分等待時間來評估其他人的解決方案。

4.2 類型

圖5顯示了一個類型問題，用來檢查學(xué)生對多維數(shù)組的理解。圖6中的時間線顯示了21名參與學(xué)生的進(jìn)度。當(dāng)教師在大約3.5分鐘后進(jìn)入討論階段時，一些學(xué)生甚至7分鐘后仍然在評估。雖然大多數(shù)學(xué)生提交了預(yù)期答案（int[]） ，但相當(dāng)一部分學(xué)生發(fā)現(xiàn)這個表達(dá)式是不合法的。通過討論，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)了問題中的一個錯誤：在Java中，有些表達(dá)式不能構(gòu)成表達(dá)式語句（只允許賦值表達(dá)式、遞增/遞減表達(dá)式、方法調(diào)用和對象實例化）。這表明了評估和討論階段可以更深入地理解問題，并能擴(kuò)展到其他問題上。

4.3 編碼

圖7顯示了一個求和問題，測試對數(shù)組、嵌套循環(huán)和局部變量的理解程度。圖8顯示，前幾行在5到6分鐘出現(xiàn)了一分鐘的間隔。造成此間隔的原因是在此時間間隔內(nèi)沒有人提交新的解決方案。因此，已經(jīng)評估了之前提交的所有解決方案的學(xué)生不得不等待。這一問題有待后續(xù)改進(jìn)。很多學(xué)生在解決方案中使用了for each循環(huán)，在隨后的討論中自然過渡到了對for each循環(huán)的討論中。實踐證明這種討論能加大各知識點之間的相互銜接。

4.4 控制流程

圖9顯示了一個控制流問題，測試了對嵌套for循環(huán)的理解。圖10顯示了19名參與學(xué)生的解決和評估階段的時間表。可以看到，速度最快的學(xué)生在大約4.5分鐘后提交了一個解決方案，而速度最慢的學(xué)生需要16分鐘以上。結(jié)果顯示第一個提交的解決方案在許多方面都是錯誤的，說明最快的學(xué)生不一定總是最好的學(xué)生，提交的文件也顯示出學(xué)生缺乏根本的理解：循環(huán)的邏輯錯誤。看到這個解決方案，教師可以立即提出在課堂上討論和澄清的要點，即保證循環(huán)中的邏輯正確性。

5 應(yīng)用效果分析

在實際應(yīng)用中對學(xué)生在課堂中的表現(xiàn)、學(xué)生的使用效率以及所犯的錯誤進(jìn)行了統(tǒng)計和分析。分析的目的有兩個：1） 希望提供關(guān)于如何在課堂上更有效地使用課堂點擊器的信息。2） 希望報告對學(xué)習(xí)早期階段（在課堂中，而不是在隨后的考試中）的觀察結(jié)果。通過記錄所有問題、解決方案、學(xué)生評估、解決問題過程中的一些細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，可以得出如下結(jié)論：

（1） 解決不同問題所需時間不同。并非每個問題都需要相同的時間。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，類型問題所需時間最短，而控制流問題花費的時間最多。這個看起來是正常的，因為推斷表達(dá)式的類型通常比繪制控制流圖簡單得多。另外，不同的編碼問題之間所花費的時間相差也很大，這反映出哪些編碼問題較為復(fù)雜。

（2） 學(xué)生在不同問題上的解決能力不同。每個問題都需要學(xué)生給出解決方案，通過對這些解決方案正確性的評估，反映出在循環(huán)控制流上的得分較低，其次是選擇控制流。可以根據(jù)這個結(jié)果增加相關(guān)問題的數(shù)量和難度。

（3） 解決方案的質(zhì)量和所花的時間不一定正相關(guān)。對有些問題，解決質(zhì)量與學(xué)生解決問題的時間呈負(fù)相關(guān)。這表明學(xué)生解決問題的時間越長，解決方案的預(yù)期質(zhì)量就越低。因此，很難根據(jù)學(xué)生解決問題所花費的時間來預(yù)測解決方案的質(zhì)量。分析其原因，主要是因為對相關(guān)知識點的理解出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致對問題的分析出現(xiàn)了偏差。

（4） 學(xué)生相互之間的評估極大地提高了學(xué)生對問題的理解。如果學(xué)生自己的解決方案是正確的，他對其他學(xué)生的評估絕大部分都是對的；相反，如果自己的方案錯誤，則有近一半的學(xué)生對其他學(xué)生的評估是對的。這說明這些學(xué)生通過對其他學(xué)生的評估來反思自己的方案，從而找到自己方案的錯誤。因此，實際中應(yīng)該更多地讓學(xué)生相互評估。

（5） 實時發(fā)現(xiàn)學(xué)生的錯誤。這些錯誤包括：混淆關(guān)鍵字、注釋使用錯誤、缺少語句結(jié)束符、變量賦值錯誤、變量作用域超范圍等。

使用中對教師和學(xué)生的感受也做了調(diào)查問卷。教師的觀點如下：1） 確定發(fā)布的問題。與任何教學(xué)活動一樣，使用該系統(tǒng)前需要大量的準(zhǔn)備工作。教師必須選擇或創(chuàng)建要使用的問題。問題的選擇應(yīng)該非常慎重，不能太難或太易，一個具體問題的目標(biāo)應(yīng)該是解除學(xué)生的疑惑，引發(fā)討論，從而理解知識點。2） 確定發(fā)布問題的數(shù)量。問題太多，使得問題的解決和討論時間不夠充分。最有用的方法是只使用少量的問題，大約兩到三個，并將每個問題的復(fù)雜性降至最低。與傳統(tǒng)教學(xué)相比，這個方法需要一些額外的討論時間，但能夠更好地滿足學(xué)生的需求，極大地節(jié)省了學(xué)生自己摸索的時間。

學(xué)生的觀點如下：1） 非常同意實時反饋方式。因為知識點繁雜，每個知識點及時有效地被解決是必要的，能極大地節(jié)省課外自學(xué)時間。2） 評估和討論階段非常有用。評估階段能更好地幫助他們理解問題，發(fā)現(xiàn)自己解決方案中的錯誤；討論時可以提出他們想在課堂上討論的新問題或不確定的問題，同時教師給出的相關(guān)解決方案對他們有很大的啟發(fā)。

6 結(jié)束語

文章提出的課堂實時反饋的教學(xué)方法，與課堂點擊器系統(tǒng)相結(jié)合，提供了一個直接了解學(xué)生理解水平的視角，將傳統(tǒng)的課堂講授轉(zhuǎn)變?yōu)檎n堂上有效的雙向交流。該方法代表了一種基于問題的學(xué)習(xí)形式，幫助教師根據(jù)學(xué)生的需求自然地引入新的主題。這種關(guān)于學(xué)生理解水平的即時反饋，為學(xué)習(xí)和評估與編程相關(guān)的技能提供了具體支持，并將學(xué)生學(xué)習(xí)中的錯誤轉(zhuǎn)化為所有學(xué)生的學(xué)習(xí)機(jī)會。根據(jù)實際應(yīng)用中的統(tǒng)計和對教師學(xué)生的問卷調(diào)查，這種方法顯著改善了教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和參與感，并獲得計算思維和創(chuàng)新思維的能力。