數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的程序設(shè)計(jì)類課程創(chuàng)新改革與實(shí)踐

史晟輝，張 紅，彭四偉，胡 偉，江志英，劉 勇，汪凌峰，李睿琪

（1.北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029；2.北京化工大學(xué)國(guó)際教育學(xué)院，北京 100029）

1 研究背景

教育部發(fā)布的《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》[1]，《教育部辦公廳關(guān)于推薦新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》[2]，麻省理工學(xué)院MIT啟動(dòng)工程教育改革“新工程教育轉(zhuǎn)型（New Engineering Education Transformation，NEET）”計(jì)劃[3]等舉措，明確提出一流工科本科課程對(duì)學(xué)生培養(yǎng)的要求。王雷等學(xué)者[4]對(duì)新工科人才能力培養(yǎng)提出了計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程改革的思考。針對(duì)課程建設(shè)，加拿大教師技能培訓(xùn)機(jī)構(gòu)（Instructional Skills Workshop，ISW）提出了BOPPPS教學(xué)結(jié)構(gòu)[5]。姚婉清、趙國(guó)琰等學(xué)者[6-7]對(duì)BOPPPS教學(xué)模式的教學(xué)設(shè)計(jì)要素進(jìn)行了分析，并通過(guò)案例進(jìn)行課程改革。肖睿等學(xué)者使用在線教學(xué)平臺(tái)，研究了學(xué)習(xí)者參與方式[8]。社會(huì)的進(jìn)步、信息技術(shù)的發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)資源的豐富、課程手段的多樣化、課程改革的全面推進(jìn)、教學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的累積，更進(jìn)一步推進(jìn)了程序設(shè)計(jì)類課程改革創(chuàng)新。

程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編譯原理等程序設(shè)計(jì)類課程是工科計(jì)算機(jī)專業(yè)軟件類重要課程。程序設(shè)計(jì)類課程實(shí)踐性非常強(qiáng)，學(xué)生編程能力不達(dá)標(biāo)。如何在課堂內(nèi)外利用多個(gè)在線課程平臺(tái)，發(fā)揮平臺(tái)各自優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)學(xué)生編程能力提升？在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生存在被動(dòng)聽課、被動(dòng)學(xué)習(xí)的習(xí)慣。課堂作為大學(xué)教學(xué)的主戰(zhàn)場(chǎng)，如何在有限的時(shí)間內(nèi)，持續(xù)保持學(xué)習(xí)應(yīng)有的態(tài)度、變被動(dòng)接受為主動(dòng)參與？如何將時(shí)事、前沿引入，增加學(xué)生興趣？針對(duì)上述在教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，開展基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的程序設(shè)計(jì)類課程創(chuàng)新改革，培養(yǎng)工科程序設(shè)計(jì)人才能力，是課程實(shí)踐的重點(diǎn)。

2 程序設(shè)計(jì)類創(chuàng)新課程設(shè)計(jì)

2.1 教學(xué)目標(biāo)制定

程序設(shè)計(jì)類課程改革應(yīng)從知識(shí)、能力、素養(yǎng)三個(gè)角度重新梳理課程目標(biāo)，體現(xiàn)信息化的科技元素，考慮結(jié)合專業(yè)課程的育人職責(zé)，剖析講授的知識(shí)點(diǎn)，制定知識(shí)、能力和素養(yǎng)融合的三目標(biāo)。知識(shí)目標(biāo)是使學(xué)生掌握基本知識(shí)，通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)單應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行分析及編程實(shí)現(xiàn)；能力目標(biāo)是使學(xué)生具備運(yùn)用課程知識(shí)，分析、抽象并編程解決大型復(fù)雜實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生抽象問(wèn)題、構(gòu)建優(yōu)化編程和計(jì)算思維能力；素養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生能夠通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作編程解決復(fù)雜問(wèn)題，分析比較團(tuán)隊(duì)角色的任務(wù)和作用，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，培養(yǎng)學(xué)生探索創(chuàng)新和科技服務(wù)社會(huì)的精神，實(shí)現(xiàn)科技育人、立德樹人。

2.2 教學(xué)流程設(shè)計(jì)

教學(xué)流程要合理展現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，要為其合理有效服務(wù)。根據(jù)課程特點(diǎn)、設(shè)定目標(biāo)的不同，將教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)成不同的教學(xué)形式。程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)流程從課前、課堂和課后三個(gè)部分，從教師、學(xué)生、師生互動(dòng)材料三個(gè)角度，從教學(xué)流程和線上線下支持的對(duì)應(yīng)關(guān)系等多個(gè)方面設(shè)計(jì)。

課前設(shè)計(jì)主要了解學(xué)情、提前預(yù)習(xí)，包括課程通知、發(fā)布預(yù)習(xí)資料；課堂設(shè)計(jì)主要通過(guò)交互式教學(xué)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、引發(fā)思考，包括課堂講授、組織交流討論、小測(cè)驗(yàn)、實(shí)時(shí)問(wèn)卷等互動(dòng)；課后部分包括幫助學(xué)生鞏固提高、延展知識(shí)，具體內(nèi)容包括發(fā)布作業(yè)、拓展視頻、文獻(xiàn)、前沿探索等課后資料并組織答疑討論、對(duì)課程反饋進(jìn)行課程反思。課前和課后的學(xué)生學(xué)習(xí)情況及反映出的問(wèn)題都可以通過(guò)課程平臺(tái)給出統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，下次課堂教師統(tǒng)一反饋解答。每段學(xué)習(xí)有講課，有交互，有答疑，給學(xué)生構(gòu)建充分交互的環(huán)境。

3 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的程序設(shè)計(jì)類課程創(chuàng)新改革與實(shí)踐

3.1 課程閉環(huán)支撐平臺(tái)建設(shè)

利用學(xué)校提供的在線資源平臺(tái)和課程直播平臺(tái)，以及課程團(tuán)隊(duì)建立的程序設(shè)計(jì)在線評(píng)測(cè)平臺(tái)，發(fā)揮各平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，建設(shè)創(chuàng)新課程“資源-直播-考核”閉環(huán)支撐平臺(tái)，如圖1所示。充分發(fā)揮課前、課中和課后三個(gè)時(shí)間維度的作用，建設(shè)作業(yè)、通知、問(wèn)卷、課件、微視頻等課程在線資源平臺(tái)，積累每門課程每個(gè)學(xué)生過(guò)程制學(xué)習(xí)軌跡數(shù)據(jù)；建設(shè)課堂交互、課堂實(shí)錄視頻等智慧課堂直播平臺(tái)，積累歷史課堂實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；建設(shè)程序設(shè)計(jì)在線評(píng)測(cè)試平臺(tái)，積累每門課程每個(gè)學(xué)生限時(shí)程序設(shè)計(jì)及每周程序設(shè)計(jì)作業(yè)等在線實(shí)時(shí)評(píng)測(cè)數(shù)據(jù)；每個(gè)學(xué)期建立企業(yè)微信課程群等實(shí)時(shí)交流平臺(tái)，發(fā)布各種即時(shí)通知、投票、問(wèn)卷等，實(shí)現(xiàn)課堂內(nèi)外知識(shí)拓展及多樣化教學(xué)資源應(yīng)用，共創(chuàng)良好教學(xué)環(huán)境，解決學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間、空間局限性的問(wèn)題。師生按時(shí)有序發(fā)布與提交作業(yè)，師生在線上進(jìn)行互動(dòng)，彼此遵守網(wǎng)絡(luò)文明。信息技術(shù)助力，師生共創(chuàng)良好的教學(xué)環(huán)境。

圖1 課程閉環(huán)支撐平臺(tái)

在課堂內(nèi)外利用多個(gè)在線課程平臺(tái)，數(shù)據(jù)及時(shí)反饋，方便針對(duì)學(xué)生編程能力考核，促進(jìn)學(xué)生編程能力的提升。實(shí)時(shí)交流平臺(tái)、資源平臺(tái)、課程直播實(shí)錄、程序在線評(píng)測(cè)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)閉環(huán)支撐平臺(tái)，為課程創(chuàng)新改革提供實(shí)施平臺(tái)。

3.2 BOPPPS有效教學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

BOPPPS是以教育目標(biāo)為導(dǎo)向，以學(xué)生為中心的有效教學(xué)結(jié)構(gòu)，包括六個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)：導(dǎo)入（Bridge-in，B）、目標(biāo)（Objective/Outcome，O）、課前測(cè)（Pre-assessment，P）、參與式教學(xué)（Participatory Learning，P）、課后測(cè)（Post-assessment，P）和總結(jié)（Summary，S）。

課程結(jié)合BOPPPS有效教學(xué)結(jié)構(gòu)，在“B”（導(dǎo)入）中，引入具有程序設(shè)計(jì)解決方案的知識(shí)相關(guān)案例；在“O”（目標(biāo)）中，明確指示能力育人三目標(biāo)；在“P”（課前測(cè)）中，對(duì)導(dǎo)入問(wèn)題進(jìn)行提問(wèn)，或回顧前序知識(shí)；在“2P”（參與式教學(xué)）中，通常引入與知識(shí)點(diǎn)相關(guān)、引發(fā)思考的課程案例，通過(guò)同伴教學(xué)、交流互動(dòng)進(jìn)行師生、生生參與式教學(xué)；在“3P”（課后測(cè)）呼應(yīng)回答“B”或者“1P”的問(wèn)題，或者提出新的思考問(wèn)題。在“S”（結(jié)論）中，可以布置相關(guān)作業(yè)，或者給出前沿素材，提供擴(kuò)展閱讀。BOPPPS教學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，參與式教學(xué)讓學(xué)生從被動(dòng)到主動(dòng)學(xué)習(xí)。

3.3 科技育人元素融入

針對(duì)課程知識(shí)內(nèi)容，融入課程科技育人元素。結(jié)合當(dāng)前實(shí)際問(wèn)題、時(shí)事和前沿技術(shù)，挖掘課程育人元素，創(chuàng)建課程科技育人案例集。分析科技育人元素案例，剖析背后支撐的計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)，重新設(shè)計(jì)成待編程解決的實(shí)際問(wèn)題，融入課程內(nèi)容，潤(rùn)物于無(wú)聲中。

科技育人案例從課前貫穿課中，再到課后。課前邀請(qǐng)畢業(yè)的優(yōu)秀師兄師姐錄制視頻，講述計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)過(guò)程和體會(huì)，讓學(xué)生對(duì)編程、專業(yè)和責(zé)任等的重要性再認(rèn)識(shí)，同齡人的話能夠更好讓學(xué)生重新審視學(xué)習(xí)的認(rèn)識(shí)誤區(qū)；程序調(diào)試視頻是學(xué)長(zhǎng)們專門錄制的“在不同的IDE環(huán)境下如何調(diào)試程序”視頻，給師弟師妹快速入門贈(zèng)送的專業(yè)禮物，體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的傳承與奉獻(xiàn)；課程設(shè)立程序答疑志愿者，通過(guò)互助解決程序疑難問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生奉獻(xiàn)精神。

課堂中教師在講解集成開發(fā)環(huán)境IDE時(shí)，通過(guò)介紹開源與免費(fèi)軟件，讓學(xué)生明白軟件版權(quán)保護(hù)的意義；在講解軟件開發(fā)過(guò)程時(shí)，討論軟件正版與盜版，讓學(xué)生更了解計(jì)算機(jī)倫理；在講解“類”章節(jié)時(shí)，通過(guò)講述汽車與其組件的關(guān)系來(lái)區(qū)分類和對(duì)象的區(qū)別，引申到前沿的自動(dòng)駕駛技術(shù)與局限，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)軟件缺陷與BUG；在講解約瑟夫環(huán)時(shí)，拓展到密碼與區(qū)塊鏈技術(shù)，引申到計(jì)算機(jī)倫理與安全；在講解模式匹配問(wèn)題時(shí)，拓展到常用的搜索引擎工具及技術(shù)，引出版權(quán)與侵權(quán)問(wèn)題；在講解稀疏矩陣時(shí)，通過(guò)電影影評(píng)評(píng)分存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)的實(shí)例，讓學(xué)生了解大數(shù)據(jù)技術(shù)。對(duì)于團(tuán)隊(duì)編程實(shí)踐部分，創(chuàng)建解決實(shí)際問(wèn)題，幫助他人的校園導(dǎo)航、實(shí)用小工具等團(tuán)隊(duì)協(xié)作育人案例。

圍繞信息技術(shù)育人設(shè)計(jì)，包括我國(guó)計(jì)算機(jī)發(fā)展、國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)發(fā)展差距、面對(duì)重大疫情計(jì)算機(jī)人的職責(zé)、計(jì)算機(jī)倫理與法律等主題，實(shí)現(xiàn)學(xué)生從知識(shí)、能力到素養(yǎng)的有效轉(zhuǎn)化，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和對(duì)知識(shí)的渴望。

3.4 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的課程創(chuàng)新改革實(shí)踐

通過(guò)對(duì)在線教學(xué)資源平臺(tái)、智慧教學(xué)直播平臺(tái)、程序設(shè)計(jì)在線評(píng)測(cè)平臺(tái)和實(shí)時(shí)交流平臺(tái)產(chǎn)生的學(xué)生當(dāng)前和歷史學(xué)習(xí)軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，了解學(xué)生對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)掌握情況，優(yōu)化了線上線下課堂知識(shí)點(diǎn)的設(shè)置，使得課程學(xué)習(xí)更科學(xué)有效。通過(guò)程序在線評(píng)測(cè)平臺(tái)，系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)時(shí)評(píng)測(cè)周個(gè)人編程作業(yè)；通過(guò)北化在線資源平臺(tái)，學(xué)生能夠互評(píng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作編程項(xiàng)目，使得多個(gè)課程平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)能夠充分發(fā)揮且互補(bǔ)，幫助學(xué)生提升了編程能力。

程序設(shè)計(jì)類課程課堂使用BOPPPS有效教學(xué)結(jié)構(gòu)，運(yùn)用師生討論、生生討論、同伴教學(xué)等多種參與式教學(xué)方法，通過(guò)課堂直播互動(dòng)數(shù)據(jù)、答疑討論區(qū)和課堂評(píng)價(jià)等學(xué)生反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出學(xué)生互動(dòng)參與度比較高，學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性較好，以及對(duì)課程教學(xué)方法有較高的認(rèn)可度，學(xué)生學(xué)習(xí)從被動(dòng)接受到主動(dòng)參與的改變比較明顯。

通過(guò)北化在線資源平臺(tái)提交的國(guó)產(chǎn)自主研發(fā)的編譯器等科技育人案例分析、搜索引擎的前沿技術(shù)研究報(bào)告，可以看出學(xué)生查閱了大量文獻(xiàn)，給出了前人研究的各種方法，并提出了自己的觀點(diǎn)，學(xué)生對(duì)于理論應(yīng)用實(shí)踐的興趣非常濃厚。

課程通過(guò)改革創(chuàng)新，學(xué)生在編程能力上效果明顯，以某學(xué)期程序設(shè)計(jì)課程為例，學(xué)生的平時(shí)作業(yè)和期末考試都在程序在線評(píng)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行，其平時(shí)編程作業(yè)平均得分為78.84，期末編程考試平均分為75.07，每個(gè)學(xué)生程序平時(shí)編程作業(yè)得分和期末編程考試得分如圖2所示。

圖2 課程平時(shí)編程作業(yè)得分和期末編程考試得分對(duì)比

從圖2中可以看出，程序在線評(píng)測(cè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)表明學(xué)生平時(shí)實(shí)時(shí)編程訓(xùn)練成績(jī)和期末成績(jī)得分趨勢(shì)相當(dāng)，均圍繞80分上下分布，程序在線評(píng)測(cè)平臺(tái)學(xué)生平時(shí)編程數(shù)據(jù)基本上和其期末成績(jī)成正比關(guān)系。因?yàn)樵谡麄€(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中程序在線平臺(tái)都對(duì)學(xué)生開放，學(xué)生平時(shí)也主動(dòng)自主地參加編程訓(xùn)練。

以學(xué)號(hào)尾號(hào)為0011的學(xué)生學(xué)習(xí)情況為例，如圖3所示，給出其學(xué)習(xí)情況與所在班級(jí)學(xué)生平均學(xué)習(xí)情況進(jìn)行對(duì)比，可以看出0011學(xué)生在各項(xiàng)任務(wù)中的表現(xiàn)，除了團(tuán)隊(duì)任務(wù)和期末考試和班級(jí)平均情況相當(dāng)，其它指標(biāo)都優(yōu)于平均線，表明學(xué)生在解決復(fù)雜問(wèn)題以及有限時(shí)間內(nèi)處理問(wèn)題的能力需要提高，根據(jù)此數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步對(duì)學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)指導(dǎo)。

圖3 以0011學(xué)生學(xué)習(xí)情況與課程平均學(xué)習(xí)情況對(duì)比數(shù)據(jù)

通過(guò)學(xué)生學(xué)習(xí)軌跡及成績(jī)數(shù)據(jù)分析反饋，能夠發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)行課程反思并改進(jìn)優(yōu)化，形成課程創(chuàng)新改革閉環(huán)，推進(jìn)課程良性建設(shè)發(fā)展。該課程的建設(shè)獲得廣泛認(rèn)可，課程體系與課程模式目前已經(jīng)在其他課程中推廣應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

程序設(shè)計(jì)類課程通過(guò)積累的多年海量教學(xué)數(shù)據(jù)整理和分析，明確了教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化了教學(xué)流程，建設(shè)了課程閉環(huán)支撐平臺(tái)，設(shè)計(jì)了與課程教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的BOPPPS有效教學(xué)結(jié)構(gòu)，融入了科技育人元素，進(jìn)行了課程創(chuàng)新改革實(shí)踐，提升了學(xué)生的編程能力，改變了學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的習(xí)慣，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，實(shí)現(xiàn)了課程知識(shí)、能力和素養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。