基于在线开放课程+OJ的程序设计类课程教学模式探索与实践

2020-05-16陈卓艳仇丽青

软件 2020年4期

陈卓艳，仇丽青

（山东科技大学计算机科学与工程学院，山东青岛 266590）

0 引言

程序设计类课程是计算机类专业的专业基础课，是数据结构、操作系统等计算机核心课程的前导课[1]。程序设计能力是高校理工科学生，特别是计算机类专业学生所应具备的基本能力，尤其是当今超级计算、大数据和云计算风起云涌的时代，对于高校学生程序设计能力的培养提出了更高层次的要求。

然而，目前程序设计类课程教学存在的主要问题是[2]。

传统教学模式存在“重知识、轻技能，重语法、轻思维”的弊端，课程之间无法达到无缝衔接。

学生对于程序设计的理解水平、应用能力是千差万别的，单一的教学模式无法适应众多学生的需求。

学生无法及时获得学习效果反馈，缺乏在编程中的自我判断能力。

传统的教学中，师生的互动交流较少。一方面不能很好的发挥学生的主观能动性；同时，教师对学生的学习情况掌握不足。因此，学习的效果大打折扣。

2015年4月，教育部下文就“关于加强高等学校在线开发课程建设应用与管理”，提出了若干任务。2018年1月15日，教育部召开新闻发布会，推出了首批490门“国家精品在线开放课程”。在线开放课程，可以为教师开展线上线下混合式教学，为学生进行自主学习提供支持服务。在线开放课程，对促进课程教学改革与创新，提升教学质量，降低教育成本，促进教育公平起到重要作用[3]。

除了在线开放课程以外，针对程序设计类课程的程序编程实践的需求，教学团队自主研发了程序在线评测系统SDUSTOJ，该系统可对用户提交的程序源代码进行自动、实时的在线评判并给出错误提示，包括对程序输出结果、格式、运行时间、占用内存资源等的判别[4]。

在线开放课程对于专业教学团队建设、学生学习方式转变、课程教学模式改革、考核评价方式改革、优质教育资源共享等方面有着积极的促进作用；而将OJ系统引入到程序设计类课程教学中，可以构建“课内实验—课外作业—综合实践—科技竞赛”多层次的实践教学链[5]，大大提高学生的实践能力。

实践证明，在线开放课程和OJ系统相结合，能有效促进程序设计课程的教学质量。

1 教学模式设计

教学团队开展在线开放课程和 OJ相结合的混合式教学模式[6]，其教学模式如图1所示。

图1 在线开放课程+OJ混合式教学模式Fig.1 Mixed teaching mode based on online open course + OJ

1.1 网络平台

网络平台是在线开放课程的重要支撑，其包含的教学资源有：课程简介、教学大纲、教学日历、电子课件、电子教案、课程视频、课后作业和学习讨论等。在课程的预习环节、导入环节和巩固环节，学生利用电子课件、课程视频、学习讨论等资源完成课程学习，而教师则可通过课后作业、在线讨论、学习评价等手段，了解学生的学习情况，并对课程进行完善。

1.2 教学活动

教学活动采取“线上+线下”的混合式教学新模式，该模式已成为教育教学发展的基本趋势。所谓“线上”教学，是指教师利用网络教学平台发布教学资源，给学生提供课件、教学视频、练习题等，学生充分利用课外时间完成知识的学习，该阶段应当在课前完成；而“线下”教学，则是教师通过各种教学手段完成知识的内化，由传统课堂的教材内容的讲解转变为教学重点、难点的深度解析，进行课堂引导和互动，将以老师为主体的传统课堂变成以学生为主体的高效课堂。老师由原来的“主演”转变角色为“导演”，学生则转变角色为课堂的主人。角色的转变，将大大激发学生的学习积极性，突出学生的主人翁意识。

1.3 教学评价

传统的程序设计类课程考核，更注重期末考试结果，存在期末一考定成绩的片面性，无法对课程展开全面的评价。团队改革课程考核方式，采取“过程考核+期末考核”和“课堂考核+课下考核”相结合的方式，建立以注重学习过程为主的全面、科学的评价体系。为此，将平时成绩和期末成绩的比例，由原来的30%和70%调整为40%和60%，目的是强调过程考核。

过程考核采取“线上+线下”考核相结合的方式，线上考核主要包括：实验，作业，讨论参与频次和质量等；线下考核主要包括：出勤，课堂活动等。期末考核采用学院统考，机试形式，全部采用编程题，秉承“共性+个性”理念，同一学院的所有专业统一题目，不同学院的根据学生特点可作答“个性”题目。

2 课程实践教学方法

程序设计类课程的实践性非常强，因此，实践教学是其重要环节。对于程序设计类课程的实践教学方面，教学团队结合 ACM 国际大学生程序设计竞赛指导经验，以在线评测系统SDUSTOJ为平台，提出了竞教结合的实践教学方法[7]。实践证明，该方法能够大大激发学生学习编程的兴趣。其主要内容有以下三个方面。

2.1 建立多层次、个性化的程序设计实践教学培养模式

实践证明，在大众化教育的背景下，学生对于程序设计的理解水平、应用能力是千差万别的。为此，教学团队建立了“分层次、个性化”的程序设计实践教学培养模式，如图2所示。面向一年级本科生，教学团队组建了程序设计互助与提高群；面向学生中编程兴趣高、有一定动手能力的学生，组建了程序设计协会；面向高水平、高年级学生，通过选拔成立ACM集训队，培养高水平编程人才。团队将科技竞赛融入程序设计实践教学中，并依托SDUSTOJ平台，为竞赛提供全方位、多层次开放的训练模块。另外，通过举办新生挑战赛，校内月赛，ACM预选赛等多种比赛，激发兴趣、营造氛围，并选拔优秀学生进入集训队，进而参加各种程序设计竞赛。

图2 分层次程序设计实践教学培养模式Fig.2 Multi-level teaching mode of programming courses experiments

2.2 建立多层次，一贯制的实践教学链

教学团队以“理解巩固课程内容，锻炼程序设计技能，规范软件开发习惯，培养计算思维能力”为目标，在实践教学内容革新的具体实施过程中，遵循客观的教学规律，“取其精华，去其糟粕”，利用新的知识点进行更新和替换，并对实践内容进行层次划分，最终凝练为“课内实验—课外作业—综合实践—科技竞赛”的多层次的实践教学链[8]。同时，教学团队利用一个具有一定规模的软件开发案例，要求学生分别用结构化编程方法和面向对象程序设计方法分别实现，从中体会两种编程方式的异同和优缺点。该教学链如图3所示。

图3 多层次、一贯制实践教学链Fig.3 Multi-level and consistent process of experiments

2.3 自主研发程序在线评测系统，实现实践教学过程的有效管理和监控

教学团队自主研发了在线评测系统SDUSTOJ，可对提交的程序进行自动、实时评判，包括程序结果的正确性、运行时间、占用内存资源和输出格式的判别，其客观、公正和实时的评价方式，得到学生普遍认可。学生在线提交程序可得到程序状态和排名的实时反馈，这非常有利于提升学生的学习热情和激发学生的竞争心理；教师可以实时监控学生实验过程和结果，及时发现问题并予以指导，统计分析实验的效果和存在的问题，大大提高教师与学生的交互效率[9]。在线评测系统SDUSTOJ的学生排名情况和程序提交状态分别如图4和图5所示。

图4 在线评测系统-排名状态Fig.4 Online judge-standing

图5 在线评测系统-提交状态Fig.5 Online judge-status

3 教学改革效果

教学改革经过近几年的实践，计算机学院本科生程序设计实践能力和培养质量得到明显提升，程序设计类课程教学获得了学生的一致认可。自2011年程序在线评测系统首次在教学中使用以来，题目数量达到 1400余道，学生在系统中累计完成程序1336231个。从2012年～2019年，程序设计协会的参加人数从100余人上升到500余人，ACM集训队的招收人数从22人上升至65人，学生来源从计算机学院扩展到矿业、地科、电子等7个学院，在全校学生范围内形成了较大影响。团队成员指导的学生多次获得ACM国际大学生程序设计竞赛、“蓝桥杯”全国软件和信息技术专业人才大赛奖项。随着学生程序设计能力大幅度提高，在就业方面也显现出良好增长态势，越来越多的毕业生入职阿里巴巴、小米、百度等知名IT公司。

近年来，团队在程序设计课程体系、能力培养模式、教学资源、人才培养等方面取得了重要成果，应用效果显著；对于其它学校、专业开设程序设计课程和实践能力培养具有较好的借鉴和示范作用[10]。