C++程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)探究式教學(xué)模式研究與實(shí)踐

徐紅云，高 英，曾 健

（華南理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 引言

為了培養(yǎng)學(xué)生良好的計(jì)算機(jī)素養(yǎng)和計(jì)算思維能力，國(guó)內(nèi)大部分高校都為大學(xué)一年級(jí)學(xué)生開設(shè)了一組計(jì)算機(jī)公共基礎(chǔ)課程。很多大學(xué)一年級(jí)學(xué)生沒(méi)有計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的基礎(chǔ)，也沒(méi)有設(shè)計(jì)程序的思維，怎樣使他們比較高效地掌握計(jì)算機(jī)程序的工作方式，學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的基本知識(shí)，是廣大教育工作者長(zhǎng)期以來(lái)研究和探索的問(wèn)題。文獻(xiàn)[1]介紹了基于雨課堂和OJ系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)方法，提出在課前、課中和課后采用雨課堂、OJ系統(tǒng)輔助教學(xué)的途徑；文獻(xiàn)[2]探討了基于競(jìng)教結(jié)合的高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)改革，提出了基于OJ系統(tǒng)部署實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革方案；文獻(xiàn)[3]介紹了基于網(wǎng)絡(luò)課程的C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言混合式教學(xué)改革，提出課前安排學(xué)生觀看課程視頻、課中主要進(jìn)行答疑討論、課后布置OJ測(cè)試的混合式教學(xué)改革方案。

上述改革方案對(duì)提高課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果具有積極意義。探究式教學(xué)，可以引導(dǎo)課堂從注重“教師的教”向注重“學(xué)生的學(xué)”轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步提高課程的教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的創(chuàng)新、創(chuàng)造能力。為此，筆者研究設(shè)計(jì)了適應(yīng)于程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言課程的探究式教學(xué)模式，并在2018級(jí)非計(jì)算機(jī)專業(yè)的部分創(chuàng)新班進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐。

1 教學(xué)模式設(shè)計(jì)及實(shí)踐

探究式教學(xué)，需要在學(xué)生掌握一定基礎(chǔ)知識(shí)的前提下進(jìn)行。對(duì)于程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言這種大部分學(xué)生不具備相關(guān)基礎(chǔ)的課程，需要在課前或課中，學(xué)生能掌握一定的基礎(chǔ)知識(shí)后，才能開展探討和研究。為此，本課程采用如圖1所示的教學(xué)模式。圖1中，參與教學(xué)的對(duì)象包括學(xué)生、主講教師和助教。學(xué)生是教學(xué)對(duì)象，是獲取知識(shí)的主體；教師是授課的主體，主要工作是制訂教學(xué)大綱、考試大綱，建設(shè)教學(xué)資源，組織探究式課堂教學(xué)等；助教協(xié)助主講教師批閱作業(yè)、指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、答疑等，對(duì)于沒(méi)有助教的課程，助教的工作亦可由主講教師承擔(dān)。

圖1 課程教學(xué)模式

1.1 網(wǎng)絡(luò)課程資源

網(wǎng)絡(luò)課程資源可以是MOOC資源，也可以是其他可供學(xué)生隨時(shí)在線訪問(wèn)的與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的課程資源。本課程采用的教材是由華南理工大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊(duì)編寫、電子工業(yè)出版社出版的《C++程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》，2000年出版第1版，2016年出版了最新的第5版。教材主要內(nèi)容包括基本數(shù)據(jù)與表達(dá)式、程序控制結(jié)構(gòu)、函數(shù)、數(shù)組、集合與結(jié)構(gòu)、類與對(duì)象、運(yùn)算符重載、繼承、虛函數(shù)與多態(tài)性、模板、輸入輸出流等章節(jié)，基于教材還有國(guó)家精品資源共享課和廣東省精品資源共享課建設(shè)。本課程教學(xué)使用教材前5章的內(nèi)容和資源，即面向過(guò)程的部分教學(xué)資源。課程地址為http://www.icourses.cn/sCourse/course_5847.html。

學(xué)生課前預(yù)習(xí)是開展C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言探究式教學(xué)的基礎(chǔ)，而課后復(fù)習(xí)是鞏固課程教學(xué)效果的關(guān)鍵，這兩個(gè)環(huán)節(jié)都可以借助網(wǎng)絡(luò)課程資源完成。

1.2 雨課堂

雨課堂[3]是清華大學(xué)學(xué)堂在線推出的智慧教學(xué)工具，本課程可借助雨課堂的創(chuàng)建班級(jí)功能創(chuàng)建教學(xué)班級(jí)，設(shè)置協(xié)同教師（即課程助教），并管理班級(jí)成員；每次課程結(jié)束都會(huì)布置下次課擬學(xué)習(xí)的內(nèi)容供學(xué)生預(yù)習(xí)，并在上課前24小時(shí)內(nèi)再通過(guò)雨課堂的公告欄目進(jìn)行提醒；課中學(xué)生通過(guò)掃碼加入班級(jí)，學(xué)生加入班級(jí)后即可在移動(dòng)端瀏覽教師的授課課件，參與課程小測(cè)和單元測(cè)試。為了提高學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)注意力和活躍課堂氣氛，可使用雨課堂的隨機(jī)點(diǎn)名功能，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)選取學(xué)生回答課堂提問(wèn)。為了方便課中分組討論，借助雨課堂的分組功能，將教學(xué)班級(jí)的55人分為18個(gè)小組，前17組每組3人，第18組4人，探究式教學(xué)的開展主要在課內(nèi)完成。學(xué)生完成了課前預(yù)習(xí)后，在課堂上，主講教師基于雨課堂，針對(duì)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解和答疑；然后，開展分組探究和研討。課堂探究的主題/內(nèi)容則由主講教師提前準(zhǔn)備，并嵌入課堂授課PPT的適當(dāng)位置。

例如第一章的研討題目之一是對(duì)基于條件表達(dá)式排序輸出2個(gè)數(shù)的算法進(jìn)行拓展，討論設(shè)計(jì)排序輸出3個(gè)數(shù)的算法，然后編程實(shí)現(xiàn)。

在課堂上，根據(jù)雨課堂分組進(jìn)行探究，時(shí)間約20分鐘，然后隨機(jī)選取幾個(gè)組輪流上講臺(tái)匯報(bào)研討結(jié)果、解題思路以及程序源代碼。表1列出了第2、7、8組學(xué)生設(shè)計(jì)的算法和編寫的源代碼。

從表1可見，3組學(xué)生設(shè)計(jì)的算法和程序都可以實(shí)現(xiàn)3個(gè)數(shù)排序輸出，但第2組設(shè)計(jì)的算法很明顯存在可擴(kuò)展性的問(wèn)題，如果擴(kuò)展到4個(gè)及以上的數(shù)排序，用該算法實(shí)現(xiàn)就會(huì)變得比較復(fù)雜。第7組的算法不改變輸出順序，而是改變變量的值。第8組的算法改變變量的輸出順序。后兩組的算法都可以擴(kuò)展成多個(gè)數(shù)排序。通過(guò)此研討題使學(xué)生明白解決一個(gè)問(wèn)題可能有多種算法。另外，也可以在研討的過(guò)程中引入并探討算法可擴(kuò)展性、算法的時(shí)空復(fù)雜度，從而增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，獲得較好的教學(xué)效果。

表1 探究范例

1.3 OJ評(píng)測(cè)系統(tǒng)

采用OJ評(píng)測(cè)的實(shí)驗(yàn)和課后作業(yè)提交是鞏固探究式教學(xué)效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。OJ是在線評(píng)測(cè)即Online Judge的簡(jiǎn)稱。OJ評(píng)測(cè)系統(tǒng)可以接受程序源碼，并自動(dòng)檢測(cè)程序正確與否。國(guó)內(nèi)很多高校都建有在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)，如浙江大學(xué)、杭州電子科技大學(xué)等。華南理工大學(xué)也建設(shè)了在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)，具體網(wǎng)址是http://www.scut.edu.cn/oj/。學(xué)生通過(guò)注冊(cè)可成為OJ系統(tǒng)的用戶，登錄OJ系統(tǒng)即可刷題或完成任課教師布置的作業(yè)；教師可以通過(guò)開課，在OJ系統(tǒng)上向教學(xué)班級(jí)的學(xué)生布置課后作業(yè)或部署實(shí)驗(yàn)。本課程共部署了8次課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，每次時(shí)長(zhǎng)為90 min,題量為2道題。另外，以章為單位部署課后OJ作業(yè)，每章一次共5次，課后作業(yè)的題量則根據(jù)各章教學(xué)內(nèi)容的難易、多寡，設(shè)為2～7道題不等。從提交的情況來(lái)看，大部分學(xué)生能按時(shí)完成課堂實(shí)驗(yàn)。少部分不能在課堂上按時(shí)提交的學(xué)生也能在課后延期的截止期限里完成提交。課后作業(yè)的提交周期一般在2周左右，學(xué)生基本上都能按時(shí)完成。

2 效果分析

根據(jù)期末考試成績(jī)分布情況可以考查上述教學(xué)模式的效果。通過(guò)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析：第一組是相同專業(yè)連續(xù)兩屆學(xué)生的期末考試成績(jī)分布對(duì)比，2017級(jí)創(chuàng)新班的教學(xué)使用了網(wǎng)絡(luò)課程資源，但沒(méi)有用雨課堂和OJ評(píng)測(cè)系統(tǒng)，2018級(jí)創(chuàng)新班采用本文上述教學(xué)模式展開教學(xué)；第二組是不同專業(yè)同屆學(xué)生的期末考試成績(jī)分布對(duì)比，對(duì)比組是采用傳統(tǒng)教學(xué)方法的另一個(gè)由創(chuàng)新班學(xué)生組成的教學(xué)班?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)查問(wèn)卷了解和分析學(xué)生對(duì)上述教學(xué)模式的認(rèn)可情況。

2.1 相同專業(yè)連續(xù)兩屆學(xué)生成績(jī)對(duì)比

2017級(jí)創(chuàng)新班與2018級(jí)創(chuàng)新班的期末考試成績(jī)分布情況見圖2。從圖2可見，采用探究式教學(xué)模式展開教學(xué)的期末考試成績(jī)優(yōu)良率明顯提高，60分以下的人數(shù)明顯減少。另外，2017級(jí)創(chuàng)新班的期末考試平均成績(jī)?yōu)?6.24分，2018級(jí)創(chuàng)新班的期末考試成績(jī)?yōu)?1.57分，相差5分多。

2.2 同屆探究式教學(xué)班與非探究式教學(xué)班成績(jī)對(duì)比

2018級(jí)采用探究式模式教學(xué)的教改班和采用傳統(tǒng)教學(xué)模式的非教改班的期末考試成績(jī)分布對(duì)比見圖3。從圖3可見，教改班的期末考試成績(jī)70分以上各成績(jī)段的百分比都比非教改班高，而70分以下及不及格的人數(shù)比例都比非教改班低。

圖2 相同專業(yè)連續(xù)兩屆學(xué)生期末考試成績(jī)對(duì)比

圖3 不同專業(yè)同屆學(xué)生期末考試成績(jī)對(duì)比

2.3 問(wèn)卷調(diào)查情況

我們?cè)趩?wèn)卷星上發(fā)布了調(diào)查問(wèn)卷，主要調(diào)查學(xué)生的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言基礎(chǔ)、學(xué)生對(duì)編程語(yǔ)言的重視情況、對(duì)本課程的認(rèn)可程度、雨課堂以及OJ評(píng)測(cè)系統(tǒng)對(duì)學(xué)習(xí)本課程的幫助度等。從回收的調(diào)查問(wèn)卷數(shù)據(jù)來(lái)看：77.42%的學(xué)生之前沒(méi)有編程基礎(chǔ)；83.8%的學(xué)生愿意學(xué)習(xí)編程語(yǔ)言；對(duì)本課程總體印象良好以上的學(xué)生比例為77.41%，中等印象的比例為22.58%；認(rèn)為本課程教學(xué)內(nèi)容提供信息量較大的學(xué)生比例達(dá)96.77%；87%的學(xué)生認(rèn)為采用智慧教學(xué)工具雨課堂對(duì)學(xué)習(xí)幫助較大，認(rèn)為幫助一般的學(xué)生比例為12.9%；93%的學(xué)生認(rèn)為雨課堂中插入的測(cè)試題(每個(gè)知識(shí)點(diǎn)一個(gè)單選題，每章一次章測(cè)驗(yàn)10道題)題量比較合適；100%的學(xué)生認(rèn)為雨課堂中插入的測(cè)試題難度比較合適；95%以上的學(xué)生都能較好地參與課堂研討，并從中受益；90%以上的學(xué)生認(rèn)為采用OJ評(píng)測(cè)系統(tǒng)對(duì)學(xué)好本課程有幫助。從以上數(shù)據(jù)可以看出，學(xué)生總體上是認(rèn)可探究式教學(xué)模式的。

3 主要問(wèn)題及建議

1）雨課堂平臺(tái)問(wèn)題。

學(xué)生在課中需掃碼登陸雨課堂進(jìn)入教學(xué)班級(jí)并參加教學(xué)活動(dòng)，包括觀看教學(xué)PPT、參加課堂小測(cè)和單元測(cè)驗(yàn)。但由于雨課堂平臺(tái)存在延時(shí)，學(xué)生和教師同步需要一定的時(shí)間，從而影響到學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，一定程度上影響了教學(xué)效率。對(duì)于該問(wèn)題，可以從改善上網(wǎng)環(huán)境和改善雨課堂平臺(tái)服務(wù)器的性能兩方面解決。

2）網(wǎng)絡(luò)和終端設(shè)備問(wèn)題。

登錄雨課堂需要良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境支持。由于課堂環(huán)境沒(méi)有可用Wifi,學(xué)生需要使用手機(jī)的數(shù)據(jù)流量進(jìn)行學(xué)習(xí)，部分學(xué)生的手機(jī)套餐并不包含充足的數(shù)據(jù)流量，參加雨課堂的學(xué)習(xí)需要額外付費(fèi)購(gòu)買流量，這對(duì)部分經(jīng)濟(jì)條件困難的學(xué)生是一個(gè)負(fù)擔(dān)。另外，一些學(xué)生的手機(jī)性能欠佳，經(jīng)?？D，也影響了他們的學(xué)習(xí)效率。建議學(xué)校在課室部署校園網(wǎng)環(huán)境，更好地滿足現(xiàn)代教學(xué)改革的需求。另外，對(duì)于部分經(jīng)濟(jì)困難的學(xué)生，建議學(xué)校在學(xué)習(xí)設(shè)備上進(jìn)行精準(zhǔn)幫扶。

3）教學(xué)對(duì)象零基礎(chǔ)的問(wèn)題。

通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，絕大部分學(xué)生都沒(méi)有程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言基礎(chǔ)，因此對(duì)于零基礎(chǔ)的課程是否進(jìn)行全方位的探究式教學(xué)還需要商榷。本課程是在學(xué)生提前觀看視頻、教師在課堂上進(jìn)行重難點(diǎn)講解的基礎(chǔ)上，再引入問(wèn)題，進(jìn)行分組探究和研討。本課程的教學(xué)模式對(duì)于其他類似的課程具有一定的參考價(jià)值。

4）課程教學(xué)時(shí)數(shù)和教學(xué)班級(jí)規(guī)模的限制。

由于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課的教學(xué)時(shí)數(shù)普遍較少，教學(xué)班級(jí)規(guī)模偏大，而一次研討教學(xué)的完成，需要學(xué)生分組討論、確定算法、書寫程序、匯報(bào)講解，所有的環(huán)節(jié)都在課內(nèi)完成的話，可能需要占用1～2節(jié)課的時(shí)間。本課程的做法是提前布置部分較復(fù)雜的研討題，要求學(xué)生在課前完成前3個(gè)環(huán)節(jié)，在課內(nèi)進(jìn)行匯報(bào)講解，并且只講解與他人不同的算法和解決方案，這樣不僅可以大大縮短所需的課內(nèi)時(shí)間，也在一定程度上達(dá)到了探究式教學(xué)的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言課程的特點(diǎn)，結(jié)合擁有的資源以及具備的教學(xué)條件，筆者設(shè)計(jì)了C++程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的探究式教學(xué)模式，并在2018級(jí)非計(jì)算機(jī)專業(yè)創(chuàng)新班部分學(xué)生中進(jìn)行了試點(diǎn)。從期末考試成績(jī)對(duì)比情況來(lái)看，采用文中模式進(jìn)行教學(xué)取得了較好的教學(xué)效果；從學(xué)生問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果來(lái)看，該模式獲得了學(xué)生的認(rèn)可。在教學(xué)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，雨課堂平臺(tái)性能、上網(wǎng)網(wǎng)速、學(xué)生擁有的終端設(shè)備、學(xué)生具備的基礎(chǔ)知識(shí)、課程教學(xué)時(shí)數(shù)和教學(xué)班級(jí)的規(guī)模等因素都將影響課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。在參照現(xiàn)有教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，教育工作者需要根據(jù)實(shí)際情況研究制訂相應(yīng)課程的教學(xué)方法，并進(jìn)行貫徹落實(shí)，才是切實(shí)提高課程教學(xué)質(zhì)量的有效途徑。