基于布鲁姆教育目标的C程序实验教学模式研究

2019-05-09梁静，李琦

计算机教育 2019年4期

梁静，李琦

（1.成都工业学院计算机工程学院，四川成都 610031；2.成都工业学院信息与计算科学系，四川成都 610031）

0 引言

近年来，我国高校的传统教学模式正面临挑战，国家的指导政策已经从重理论轻实践的教育方式向重创新重实践的方向转变[1-2]，学生实践能力和创造能力的培养愈发重要。应用性很强的课程一般都开设实验教学，强调学生对知识的实际运用能力，如C程序设计课程，不仅要通过实验教学使学生掌握程序设计的过程、规则，掌握计算机的常用算法、编码和调试，还要培养学生灵活应用这些知识的能力，掌握用计算机描述和求解问题的思维方法。因此，实验教学环节在课程教学过程中非常关键，有效的实验不仅可以巩固理论学习的概念和原理，还对培养学生的程序设计能力以及提高综合应用技能意义重大。

纵观国内高校的大部分程序设计实验教学，由于内容安排欠合理和实验深度不到位，其效果往往只能达到强化知识理解，而无法实现提高应用能力的培养目的[3]。为提高实验的教学质量，有不少高校教师和学者积极探索。文献[4]提出基于知识点的微视频实验教学模式；文献[5]给出包含教学内容、教学方法、实验环境等多方面的综合实验改革措施；文献[6]中使用MOOC在线课程与翻转课堂相结合的教学模式构建程序设计类实验课程平台；文献[7]中设计线上线下（O2O）的开放性实验教学体系。不难看出，当前实验的教学改革多偏重于实践性研究，而对理论的研究相对不够深入。

1 O2O新太极环式模型构建

布鲁姆教育目标分类理论在我国的教学管理中具有重要的指导作用[8]，该理论由本杰明•布鲁姆于1956年在《教育目标分类学，第一分册：认知领域》中首次提出。他指出人的认知能力有6个级别，分别为记忆、理解、应用、分析、综合和评价，其中，记忆和理解代表着较低等的认知技能，应用是过渡区间，而分析、综合和评价属于较高的认知层次，如图1所示。

基于布鲁姆教育目标分类理论，文献[9]中进行了中国本土文化背景下的教育实践，将传统文化中的太极思想和翻转课堂理念进行深度融合，提出太极环式理论模型（“太极环模型Ⅰ”）。文献[10]中在此基础上提出适用于翻转会议的太极环式理论模型（“太极环模型Ⅱ”），而文献[11]中结合布鲁姆目标分类法修订版[12]的变化，在“太极环模型Ⅰ”和“太极环模型Ⅱ”的基础上提出适用于创业课翻转课堂的太极环式理论模型（“太极环模型Ⅲ”）。

图1 布鲁姆教学目标分类的认知水平框架

受上述学者所设计的太极环模型启发，将理论教学、实验教学和布鲁姆教育目标分类法的认知目标进行深度融合，并融入O2O（online to offline）教学模式，设计的O2O新太极环式模型如图2所示。在O2O新太极环式模型下，将最高认知级别“综合”作为太极环的中心，将布鲁姆教育目标分类理论的其余5个级别和教学“准备”一起围绕太极环展开，太极环的两仪用O2O以及 “教”和“学”共同组成。黑色代表线上的网络空间及活动，以学生的“学”为主，主要包括认知级别的 “记忆”和“评价”；而白色代表线下的物理空间及活动，以“教”为主要教学方式，主要包括认知级别的“理解”“应用”和“分析”。太极环的外围将认知级别的每个阶段与理论教学和实验教学分别对应。通过太极环的两仪相互模式，师生在O2O的环境下教学相长，理论教学和实验教学和谐共济、互相转化，共同完成布鲁姆教学目标分类的最高认知级别，达到综合实践能力培养的核心目标。

图2 O2O新太极环式模型

之前的太极环模型在外围的结构中着重强调教学资源和教学环境的关系，“O2O新太极环式模型”将外围结构变为理论教学和实验教学，强化实践教学和理论教学的相互关系。理论教学主要完成“记忆”“理解”认知目标，而实验教学需要完成“应用”“分析”和“评价”认知目标，这一改动不仅从理论上更加具体化实验教学和理论教学中的认知目的，还更加符合实际的教学环境，执行起来也更具可行性。

2 实验教学设计

2.1 实验教学组织

实验教学的组织过程一般包括任务、活动和结论[9]3个步骤：“任务”主要指教师介绍实验目的、实验任务，布置实验内容；“活动”指学生理解实验内容，分析形成解决问题的思路并具体实验；而“结论”则要求教师完成评讲，学生完成实验报告。传统的实验组织模式在实验课堂上需要完成上述3个步骤，而由于布置任务、完成实验报告等都需占用实验时间，学生真正进行思考分析和操作的实验时间减少，从而影响实验效果。

O2O新太极环式模型中的实验教学包括线上和线下两方面，对照其在太极模型中的认知目标，开拓传统实验步骤的线上空间，形成线上实验前、线下实验中、线上实验后的3阶段组织模式（如图3所示）。实验前进行线上任务布置，通过建设配套SPOC，将实验内容提前布置，使学生有充足时间分析思考实验内容，为实验操作做好准备，这一阶段还可以布置一些线上的验证型实验，让学生熟悉代码，达到认知的“记忆”和“理解”级别。在实验中阶段主要进行线下的实验具体操作，学生通过课前准备顺利完成编程调试，检验效果。该过程中教师着重进行思路引导，培养学生应用分析问题的能力。实验后阶段，学生通过线上完成实验报告的撰写以及继续未完成的实验任务。教师也可以在线上发布实验评讲视频、发起实验互评、公布实验结果等。3阶段的教学组织模式充分利用O2O环境，将实验前和实验后的工作多放在线上完成，在实验中更多地关注学生“应用”“分析”认知能力的培养，利于提高实验效率，达到认知效果。

2.2 实验内容设计

图3 实验教学组织模式

实验内容的设计也是影响教学认知效果的关键部分，包含实验内容的层次结构、案例选择、实施方式等方面。在实验内容的层次结构方面，根据由浅入深的认知规律，设计阶梯式的验证型实验、设计型实验和综合型实验。从O2O新太极环式模型可见，实验教学应重在强调“应用”和“分析”认知目标，故配以设计型实验和综合型实验来完成，而之前的“理解” 认知目标则由验证型实验完成。在实验内容的案例选择方面，也宜采用实际项目案例，利用项目驱动引导问题，达到拓展思维、提高应用能力的目的。

以C程序实验为例，具体的阶梯式实验设计（见表1）包括各阶梯实验对应的部分典型案例以及各自的教学目标、培养能力，教学开展方式等。第1阶梯的验证型实验多以改错题或填空题的方式在线上开展，通过一些具体的应用案例如计算体脂比、找水仙花数等，帮助学生掌握基本语法结构，加深并理解理论教学知识。第2阶梯为设计型实验，主要通过填空题或设计题形式在线下开展，对学生的算法和思维有一定要求，学生往往可以从不同角度求解问题，如百钱买百鸡，学生可以用三重循环或二重循环实现并引发对算法效率的思考；而各式各样的形状主要从打印矩形入手，通过变幻思考完成打印三角形、菱形、九九乘法表等，做到举一反三，灵活应用。第3个阶梯为综合型实验，安排一些小型项目让学生分析合作完成。这部分主要是设计题，可在线下以学生讨论和教师指导的方式展开，而线上学生可以完成查找资料、协作编写复杂程序等工作。在该过程中，学生需要对大型项目进行整体规划，并训练合作交流等综合应用能力。

在实验内容的实施方面，侧重点应跟随教学进程的发展有所不同。初学阶段以验证型实验为主，题量可比较多，便于学生对知识理解记忆；随着学生知识的积累，应降低验证型实验比重，增加设计型实验。实验课堂上的设计型实验每次以1～2个知识点为主，引导学生深度钻研或以此知识点发散思维，拓展思路；在教学后期，主要以设计型实验为主并增加综合型实验。往往综合型实验需要多次课完成，或需要多人合作完成，故整个课程中学生只需完成1个综合型实验。

表1 阶梯式实验设计

2.3 教学主客体重定位

埃里克•马祖尔的理论认为，学习过程包括知识传递和知识内化[13]。实验教学主要完成知识内化，学生是主体，是实验活动的参与者，而教师起到知识内化的辅助作用，是实验活动的组织者和促进者。在O2O新太极环式模型下，教师和学生的任务均有更高要求，师生的工作重心正发生改变。

O2O新太极环式模型对学生的自主学习能力提出高要求，线上的任务准备、提交报告等行为都在实际的实验课堂之外进行，这就要求学生保持学习积极性和自觉性。学生只有对自己的学习负责，积极参与整个实验过程，才能达到实验目的，完成预定的认知目标。

O2O新太极环式模型对教师也提出更多挑战。线上资源的建设需要花费大量时间，首先，建设线上资源如MOOC、SPOC、OJ实验平台或者自行开发实验系统等，对教师的技术水平要求较高；其次，引入线上环境和资源后，教师需要对整个实验教学进行重新规划和设计，同时线上资源的使用也有监督和管理要求，线上平台不能只布置不反馈，需要配套监管机制，及时了解学生情况以便修正线下辅导，让O2O环境真正为实验教学服务。因此，在O2O新太极环式模型下，教师的工作重心由原来的线下课堂答疑转变为思维引导，更增加了线上资源建设和监管督导的工作，教师角色也逐渐由实验教学组织者、促进者转变为设计者、监管者和引导者。

3 应用效果

成都工业学院应用O2O新太极环式模型指导实验教学改革，在2017级通信工程专业和自动化专业的C程序设计实验中进行探索，建设爱课程网上SPOC和OJ作业系统的线上平台并配套监管制度、重构实验内容设计和教学组织方式等。

针对2017级通信工程和自动化专业365位学生的实验情况进行分析。通过SPOC和OJ的线上平台反馈来看，94%以上的学生全部达到线上实验要求，其中有71%的线上实验题目被反复多次练习，说明和传统实验模式相比，学生在课外花了更多时间精力去学习，具有更高的学习主动性和积极性。通过线下课堂的实验完成情况来看，深入思考的拓展实验题目能达到65%完成率，其中34%的实验题目学生没有使用固定方法求解，可见学生的解题思维活跃。就实验的总体质量来说，实验共12次24学时，学生的总体实验质量较高，具体的实验完成质量分布比例如图4所示。综合学生的实验情况和问卷调查，发现基于布鲁姆教育目标的新实验教学模式能得到大部分学生认可，对学生综合应用能力的提升和认知水平的提高具有积极的促进作用。