闭环式教学在大学程序设计课程中的实践与思考

2020-07-04乔梁桑林琼钟华张晔

高教学刊 2020年19期

乔梁桑林琼钟华张晔

摘要：文章从控制论的角度，以回顾性的视角分析了我校生物医学工程专业十届本科生程序设计类课程分别在“近似闭环”和“传统”教学模式的教学效果，在此基础上对同一批新生的两门程序设计课程分别采用“传统”教学模式和自主设计的“闭环”教学模式进行实践对比，证实了闭环式教学对学生的参与度，对教学过程和效果的控制力方面都有极大帮助。而信息技术手段的合理设计，可以成为推动闭环式教学模式开展的得力助手。文章虽然是针对程序设计类课程的实践与思考，但对其他课程的闭环式教学开展也具有一定参考作用。

关键词：程序设计课程;闭环式教学;回顾性分析;生物医学工程专业;信息技术手段

中图分类号： G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2020）19-0126-04

Abstract： From the perspective of cybernetics， this paper analyzed the teaching effect of the "approximate closed-loop" teaching mode and the "traditional" teaching mode respectively in the past ten grades of undergraduate programming courses of biomedical engineering major in our university. On this basis， the two courses of programming for the same class of freshmen were compared by the "traditional" teaching mode and the self-designed "closed-loop" teaching mode. The result proved that closed-loop teaching is of great help to students' participation， and of great help to the teaching process and effect control. And the result also displayed the rational design of information technology means can be the right assistant to promote the closed-loop teaching mode. Although this practice and thinking was from the courses of programming， it also can play a reference role for the closed-loop teaching of other courses.

Keywords： Programming Course; closed-loop teaching; retrospective analysis; biomedical engineering; information technology means

闭环式教学是借用控制论的理论，将原本离散的各个教学环节通过一系列技术手段和教学设计，合并成一个整体，形成一个环环相扣、信息叠加的闭环，从而确保整个教学活动的过程可控、效果可控[1]。

从控制论的角度分析，大部分的课程教学都有控制论的影子，例如普遍做到了“教师授课-学生反馈-教师调整“的单向三角形[2]。然而，课程教学活动中的效果控制多数凭借的是教师朴素的师德态度来确保对教学反馈情况的及时掌握和下一步的课程改进，带有比较强的主观性和随意性特征。没有形成一套完整的闭环控制理论体系，更没有符合这套闭环结构的标准化技术手段来确保对每一个环节反馈情况的及时叠加，因而难以利用客观机制进行自我督促与自适应修正。目前，基于控制论的教学设计已有数篇文献，但主要集中于理论思考和小范围实践[3-8]，尚无长期追踪的实践数据作为支撑。

基于此，本文独辟蹊径，首先利用控制论的视角，通过对比我校生物医学工程专业11届本科教学班的程序设计类课程的三种教学方式，探索闭环式教学在实践中的意义。

一、我校生物医学工程专业十一届教学班的情况简介

「2007-2011级」为五年制本科，其程序设计类课程主要包括《计算机基础》（含48学时C#程序设计基础）和《高级程序设计》（70学时）两部分，共计118学时，采用“近似闭环”教学模式。

「2012-2016级」为四年制本科后，其程序设计类课程主要包括《C语言程序设计》（72学时）和《面向对象程序设计》（42学时）两部分，共计114学时，采用“传统”教学模式。

「2018级」四年制本科因为军改，在暂停招收2017级之后，其程序设计类课程调整为包括《C语言程序设计》（62学时）和《C++程序设计》（60学时）两部分，共计122学时，前一课程采用“传统”教学模式，后一课程采用“闭环”教学模式。

无论教学语言是C、C#还是C++，课程目标始终是全面訓练生物医学工程专业学生的计算思维，提高信息技术素养，增强运用编程技术开发医疗应用软件、研发智能医疗设备、进行军队卫生勤务和医院信息化建设与管理的能力。

二、「2007-2016级」“近似闭环”与“传统”教学模式的回顾性分析

（一）「2007-2011级」“近似闭环”教学模式的实践回顾

「2007-2011级」设计以48学时学习语言基础，以70学时独立为一门《高级程序设计》课程，重点介绍如何以面向对象的思想进行信息化实践，实践不仅仅包括要求学生运用所学知识编写实用程序，也强调通过学科网站等信息技术手段进行“近似闭环”的教学互动和案例示范。包括课前通过学科网站布置预习任务[9]、短信自动提醒上课时间和地点[10]、提供FTP作业提交入口[11]、趣味案例[12]等，教学设计见图1。

上述如学科网站、短信通知、FTP作业管理等信息技术手段连同自主设计的大量开源趣味小软件一起，由授课教师整理为课堂教学案例，在方便教学互动的同时激发了学生浓厚的学习兴趣。

这一教学模式站在今天闭环式教学模式的视角，看似具有“闭环”的特征，但并没有形成真正的闭环，因为在课前预习、准备、課后作业环节虽然有较为具体的技术手段支撑，但没有形成制度化的师生反馈机制，教师对学生的学习效果并不十分掌握，而维系师生最主要的交流手段是QQ群，具有极大的不可控性和对信息的主观筛选性。简而言之，要确保学生有质量的学习，需要重点依靠教师在每一个环节对学生趣味的掌握和引导，故称之为“近似闭环”教学模式。

但正是在这一时期，因为各个环节热烈的互动，授课教师应学生要求，先后开设了“医学数字影像信息化应用创新实验”、“数据库技术在医学中的应用”等四个批次的第二课堂活动，并组织学生参加重庆市大学生单片机竞赛（嵌入式程序设计与物联网应用）、程序设计大赛等省部级竞赛活动，对战40余所理工高校上千支参赛队，获得一等奖2项（最高奖）、二等奖1项、三等奖8项的成绩。毕业设计中至少有30%的学生选择与程序设计紧耦合的题目，如医疗信息系统管理与维护、智能医疗设备研发。

（二）「2012-2016级」“传统”教学模式与“近似闭环”模式的对照

「2012-2016级」设计以72学时学习语言基础，以42学时独立为一门《面向对象程序设计》课程，仅重点介绍面向对象的程序设计思想，恢复到就理论讲理论，就实验做实验的传统的单向三角形的教学模式，极少使用信息技术手段进行教学的互动和案例的切入，也未试图建立课堂内外各个环节的闭环或近似闭环的课程结构。

虽然也完成了教学目标，但学生普遍认为程序设计晦涩无趣，结果在适逢“物联网”、“互联网+”、“云计算”等一系列信息化浪潮的有利环境下[13]，学生反倒没有迸发出从事医疗信息化和智慧医疗设备研发的兴趣。这一时期几乎没有学生要求开设程序设计相关的第二课堂活动，也几乎没有参加校外学生竞赛活动，毕业设计几乎都回避与程序设计紧耦合的题目。

分析既往2007-2016级共计10届生工专业程序设计类课程的不同教学方法发现：虽然从生物医学工程专业培养的宏观角度看后五届学生也达到了培养目标，但程序设计能力略显不足，学生普遍对信息技术不感兴趣的短板值得反思。而前五届设计了近似闭环的教学互动，利用信息技术手段提升学习趣味和知识点耦合度，学生参与热情度高，程序设计能力得到很好的培养，但尚不成体系，而且近似闭环缺乏对教学过程和质量的监控。

三、「2018级」“闭环”教学模式实践

根据新的培养计划，「2018级」为本科无军籍学员，面向社会就业。因此，如何合理设计课程教学方法与手段，使之适应社会需求、提升学习兴趣需要慎重对待。「2018级」的程序设计类课程由《C语言程序设计》（62学时）和《C++程序设计》（60学时）两部分组成，共计122学时。在《C语言程序设计》惯性采用「2012-2016级」的“传统”教学模式反响平平之后，教学组对于以往10届生工专业程序设计类课程的教学模式和技术手段的研究和完善更加迫切。在方法上需考虑跟上时代，进一步运用信息技术手段构建闭环式教学模式，提升学习趣味和效率的同时，增强程序设计教学案例的直观性，并应用于随后的《C++程序设计》课程。

（一）《C++程序设计》闭环式教学模式的构建

针对《C++程序设计》课程，教学组提出了包括计划发布、课前自主、课前准备、课堂学习、课后实践、效果测评、反馈补遗、计划调整共8个环节的闭环结构，要求每个环节采用信息技术手段增强交互和反馈，实现制度化的“任务发布-结果反馈-下一步计划修正”的闭环，核心结构如图2所示。

每一次闭环以1-2个课次所覆盖的章节（专题）为单位，形成一个教学周期。

从学生的角度，由“计划发布”作为起点和终点，通过“计划发布”明确学习任务、获取预习/复习资源，通过“课前自主”进行自主学习和师生交流，通过“课堂学习”学习新知识、补充前期疑难问题，通过“课后实践”和“效果测评”反馈给教师真实的学习状态，最终进入下一轮“计划发布”。

从教师的角度，由“课前准备”作为起点和终点，根据前期学生真实情况的反馈，抓住前期关键知识点的缺失，在备课时注意对前期知识的查漏补缺，“课堂学习”对前期问题进行针对性补充，通过“课后实践”、“效果测评”收集学生在本次课的学习情况，在“反馈补遗”环节对发现的问题启动补救机制，激发“计划调整”环节，梳理下一周期学习的“计划发布”，进入新一轮“课前准备”。

而这一整套闭环的核心是确保各个环节的真实情况反馈。为此，教学团队在学科网站、在线测评、线上讨论等常规信息手段协助之外，进一步设计了“问题卡”这一制度化的信息反馈督促机制。通过将每一教学周期的所有课堂实例、课后作业、实训任务、课本习题进行统一编号，列为问题清单，以“制度化”的形式由信息技术督导学生在本教学周期内完成清单打卡，方便教师以直观的方式迅速掌握学生的知识短板，作为下一轮调整的依据。

（二）《C++程序设计》闭环式教学的实践效果

该模式在《C++程序设计》课程完成实践后，得到了学生的热烈反馈，由于上述信息手段本身也是程序设计课程的知识点，闭环教学在辅助教师实时掌控学生对知识点的掌握情况的同时，也提升了学习的趣味性，与同一班次的前导课程《C语言程序设计》相比，课终成绩得到了非常明显的提升（课终成绩详见图3），课程结束后学生代表主动要求增开程序设计类第二课堂和选修课，并积极加入教学组承担的移动医疗方向的民生课题。

课终成绩对比

图3显示了2018级《C++程序设计》和《C语言程序设计》两门课程的课终笔试成绩曲线图，课程的出卷、阅卷均按照大学标准化要求出题，出题老师非任课老师、双盲，试题难度与授课知识点耦合度由督导专家审阅后均评价为A。在此背景下，两门课的课终成绩均符合正态分布，但与同一班次之前使用传统手段《C语言程序设计》的期末成绩对比，《C++程序设计》正态分布曲线明显向右偏离，说明至少在学习兴趣、参与度、教学效果控制方面对成绩有很高帮助。

四、结束语

本文从控制论的角度，以回顾性的视角分析了我校生物医学工程专业既往十届本科生程序设计类课程的教学效果，证实了采用接近闭环式教学模式与采用传统教学模式相比，在教师对学习情况的把握度、学生参与度和趣味性方面都有明显帮助。在此基础上在2018级同一批学生的两门程序设计课程中分别采用传统教学模式和自主设计的完全的闭环式教学模式进行实践比对，证实了闭环式教学对学生参与度，对教学过程、效果的控制力方面都有极大帮助。

总之，将控制论融入传统的课堂教学，形成闭环式教学模式有助于对教学过程和教学效果的可控，能够以较为客观的机制提升教学质量的保障，而信息技术手段，可以成为推动闭环式教学模式的得力助手。本文虽然是针对程序设计类课程的闭环式教学实践与思考，但对其他课程的闭环式教学开展也具有一定参考作用。

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