实境与跟随编程信息化技术在“互联网+教学”中的应用

刘经纬，陈 滢，李 嘉，张宇豪，闵昱瑶，李嘉欣，冀昊悦

（1.首都经济贸易大学 信息学院，北京 100070；2.慧科教育集团，北京 100191）

0 引 言

“互联网+”时代，创新创业教育蓬勃发展，新工科领衔的计算机编程教育得到广泛普及和应用[1]，IT行业人才供不应求。如何应对高校学生就业质量低、教师科研教学精力不足、学校优秀师资资源紧缺、编程教学存在理论与实践脱节、编程实践缺失、编程能力难以评价等问题[2]，新型教育范式探讨应运而生[3]。

1 问题描述

1.1 学生面临的痛点问题

（1）不知所学课程的实用性。当今大多数学生上课只关心该课程最后的所得分数以及该课程是否对自己未来就业有直接的帮助，故学生上完课后不知所学课程的实用性在哪里。

（2）没有掌握企业常用软件，必要技能缺失。学生上课所学习到的内容都是一些基础性的知识或老化的旧知识且缺乏实践性，最新技术及编程语言都没有接触过。

（3）上课参与少、听不懂、不敢提问、走神。课堂教学缺乏沟通反馈机制，导致学生边听课边走神，甚至放弃听课。

1.2 教师面临的痛点问题

（1）上课前备新课没有资源且精力不足。大学新课明显增多，教师备课缺乏参考资料和案例，很难找到优质前沿的教学资源；同时，高校教师评职称压力过大，很多教师把更多精力投入自己的项目和课题中而忽视了真正关乎学生权益的授课。

（2）上课时缺乏调动学生学习积极性的手段。大学教师因缺乏企业工作经历，讲课内容落后无趣且与实际应用相脱节。

（3）考试期间出题、判卷工作量大。大学课程期末都需要任课教师自己出题阅卷，期末考试出AB卷且验证内容需要花费大量时间，批改卷子工作量更是繁重。

1.3 学校面临的痛点问题

（1）热门专业建设和招生。可以承担企业级项目开发教学的师资力量严重不足，导致高校难以开展热门专业；一些学校由于知名度不够，导致难以招收到高质量的生源。

（2）学生的学习、就业质量难以科学有效地控制。学生学习热情缺乏，专业基础知识不牢固，职业素养松懈落后，创新创造能力匮乏，自学能力和自我规划能力极低，导致学习质量偏低；社会强需求技能课程很难及时开设，导致就业质量难以保证。

（3）教师的培养及教学质量难以科学有效地控制。学校缺乏对教师能力的培养及统一的量化管理制度，教师接触不到企业的强需求及最新技术。

1.4 小 结

导致上述问题的本质原因是教学理念与教学范式的发展滞后于时代的发展，“互联网+”时代（第三代教学范式），对传统教学范式（第一代）和以慕课和翻转课堂为特征的教学范式（第二代）提出了挑战。

（1）第一代传统课程范式指以传统的手段授课，此种教学方式最大问题是导致学生厌学。

（2）第二代慕课、翻转课堂范式没有规模限制，但很多课程还没有学分认证。学生线下学习缺乏自主性，线下学习过程失控，教师无法做到统一管理。

基于以上高校教育教学中现存的痛点问题及原因，我们提出了第三代实境编程、跟随编程的教育教学改革教学范式，是集教、学、练、测、评于一体的“互联网+教育教学”系统。

2 解决方案

实境编程基于双向代码互动轻视频技术开发，包括新课备课系统、跟随授课系统、实境自学作业考试系统，以解决高校编程教学目前存在的理论与实践脱节、编程实践缺失、编程能力难以评价等问题，大幅度降低了教师工作量，对于推动高校计算机教学模式创新有着重要的促进作用。

对于编程类教学，学生的参与感体验尤为重要，实境编程教学系统自带编程实践环境，为学生打造全新的实境编程学习体验。实境编程教学系统打破了传统的视频单向输出的惯有模式，重点增加交互、即时反馈等功能，学生可以在具有双向互动特性的“轻视频”上进行二次编辑代码，实现即学即练。

相较于传统的编程只给出编程结果、缺少完成过程的传统教育模式，实境编程提供面向过程的侧重传递编程思维、逻辑可视化的教学方式，帮助学生追根溯源，了解整个编程的脉络，形成自己的编程思维。

2.1 实境编程备课系统

实境编程教学系统提供了大量已录制好的课程体系，各类各样的新课热课视频示范性课程，教师备课只需模仿课程库中的示范视频课程的讲解，无需自己苦思备课，大大减轻了教师备课的压力。

同时实境编程备课系统拥有便捷的在线编程课程制作功能，教师上课无需携带课件，可利用分享和协作工具来进行教学活动设计和教学过程管理，通过创建章节及详情、录制代码编写过程、添加语音讲解3个步骤完成在线编程课程制作，提高教学效率。

2.2 跟随编程授课系统

跟随编程授课系统支持学生随着教师的代码讲解进行操作练习。此系统分为学生端与教师端，在教师端，系统提供相应课程的课件、编程参考代码及运行结果供教师参考。

在学生端，系统提供左右两个板块。左端上下部分分别为教师敲写代码的过程呈现及运行结果预览。右端上下部分分别为学生自己敲写代码的编辑器及运行结果的预览呈现。

在讲课过程中教师在教师端敲写代码，学生的手机、平板、电脑同步显示并随之敲写。由此，在实际的编程过程中，教师讲解了代码的编写逻辑、技巧以及基础的语法、概念。学生实时跟随教师的讲解输入代码编写程序，缩短了学习过程，学生少有掉队和走神。同时学生实时背靠背无顾忌提问题，教师可以快速掌握学生对课上内容的接受情况。

2.3 实境编程自学系统

实境编程自学系统提供了教师提前录制好的视频课程。此视频课程包含了教师输入代码的全过程及相应语音讲解，学生在学习过程中可以随时暂停视频，直接在视频课程上进行代码的改写及编译测试，测试完毕后再次开启视频，系统可以自动清空学生编写的代码，继续播放教师的视频编码课程。

此系统可以实现让优秀的学生超前学习、基础薄弱的学生反复学习，极大地提高了学生编写代码的熟练度。

2.4 实境编程作业与上机系统

实境编程作业与上机系统拥有得天独厚的交互式作业批改模式，不仅客观题，编程题也可以实现在线自动测评，通过测试用例检测学生编程过程。

学生写作业敲代码的全过程可以全部记录和录音，以此规避了学生作弊抄袭的行为。学生写完作业后，系统便可通过即答即现的方式，自动判分出分，让学生迅速收到反馈信息。学生同时也可以通过该系统不断地刷分，以此激励学生反复练习，以期提高学生编写代码的熟练度，掌握更多编程知识。

同时该系统也方便教师以语音、文字等方式进行即时批改和辅导。每种行为都会产生和教学相关的数据，形成多样化的教学流数据。让教师更精准把握教学节奏和教学评估，智慧地指导学生的学习行为，提升其学习效率和精准度。

2.5 实境编程考试系统

实境编程考试系统在考试时可以自动出试卷，使考试前无需再进行环境的部署，系统自动的时间测控也保证了学生们在考试时间上的公平性。考试系统具备反作弊功能，记录了学生编程的全过程和语音。考完试后考试系统又可以进行自动判分，同时也可以模糊判分，即学生编程结果不对系统也会根据题目的要点去锁定学生所写代码的过程，给出合理恰当的分数。

3 实境编程教学系统特点与优势

实境编程教学系统有两个特色：第一是实现实时教学同步，即通过信息实时同步的技术，把教师输入的代码实时传递到学生的客户端，同时学生敲的代码也可以传递给教师，这样的一个双向同步，就像进行编程的实时直播。第二是能够在远程云端编译、运行，然后再返回到主机上。即本机上可以不安装任何软件或工具，只要一个浏览器就可以运行任何代码。

首先，提升了教师备课和授课的效率。一方面，教师不仅可以把上课需要讲授的代码提前敲入系统中做备份，减少课堂上的调试环节，还可以上传PPT、教案来共享教学成果，让优秀的教学方案被更多教师看到、使用。另一方面，在日常授课中，教师也可以通过如下两方面提升教学效率和质量。第一，师生互动变得更加简洁、有效。当教师需要了解学生对某一知识点的掌握情况或教学成果寻求反馈时，可以直接从自己的主机上向学生发送调查题目或问卷，学生端即时接收到后可以将结果即刻返送回教师端的主机上；除此之外，当学生遇到困难，需要向教师寻求帮助的时候，可以直接在自己的屏幕上点击按钮，教师在自己的主机上接收到学生的请求帮助后，可以从云端直接把学生的问题同步到主机上进行调试和解答，无需来回走动解答学生的问题，这样不仅能够减少教师频繁穿梭在学生之间花费的时间，还可以利用在自己主机上展示问题的便利，让遇到同种类型问题的同学能够同步学习，提升沟通和教学效率。第二，教师能够便捷地获取更多的教学反馈数据，为教学研究积累丰富的素材。教师可以通过系统的设置，收集学生对某一个知识点或者问题的反馈，来查看学生对所学内容的掌握程度，并通过数据的积累和沉淀，最终实现信息化教学和资源的最优化配置。

其次，学生在一个电脑屏幕中一边学习教师讲授的内容，一边自己进行实践操作，省去频繁抬头、低头的中断性动作，实现更加流畅的编程学习，在有限的45分钟课堂上提升学习效率，更有利于牢固地掌握知识点，实现理论和实践无缝衔接，进一步提高自身的实践能力。

4 应用与实践

第三代教育教学改革教学范式（实境编程教学系统）已在首都经济贸易大学的编程课堂上展开了应用。“跟随式实境编程教学法”能够在课堂上实现教师与学生“教与学”“传授与吸收”的同步运行，对学生学习效果的反馈和实践能力的提升有“看得见”的效果。信息学院2015级本科同学表示：“我们在课上要动手操作，紧跟教师的学习进度，还要忙着抢答问题，一堂课过得很快，根本顾不上低头看手机。”

教师在课堂上采用“实践导向教学范式”，通过教给学生实用的知识和技能，来调动学生的学习积极性，检验学生的学习效果。信息学院2017级研究生同学表示：“在教师发布任务时，我有一种参加比赛的感觉，不仅会用到课上刚学的知识，还要记住以前课上学过的代码，做出来之后真的很有成就感。”

班上有实习经验的同学也纷纷表示课堂上的知识非常实用。在教师的教学计划中，对学生的考核贯穿课堂始终，课堂抢答、课后作品都计入成绩，整个考评环节串联起所有课程点，以过程性、激励性评价取代一定的考试成绩。我们可以发现，“跟随式实境编程教学法”能够大大提升教学效果和效率，使教、学、测、评成为一个闭环。

不仅如此，教师还可以在系统里上传PPT、教案来共享教学成果，让优秀的教学方案被更多教师看到、使用。这极大地减轻了教师的备课负担，使他们能将更多精力投入课堂互动、教学改革和科研项目等工作中。目前，信息学院已经开始组织教师试听并论证这种方法的可行性，院方表示：“学院设立了许多奖项激励教师创新教学方法，也希望教师能够共享优秀的教学资料，实现资源的优化配置。”从学校的角度看，分享优秀教师的教学方案，也可以在一定程度上保证教学效果。

“互联网+”时代，实境编程教学理念和系统针对高校教育过程中真实的痛点问题，整合课程、平台、制课等服务，将互联网技术与高校现有教育体系不断融合，深度挖掘互联网时代信息技术，为教育注入新的思路，为教学中教师教学、学生学习、学校提升教育质量提供了一套工作量低、全过程可监控、质量有保证的解决方案。