尹剛 王濤 余躍 黃井泉 張洋 謝冰 王懷民

摘 要：實(shí)踐教學(xué)是計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)領(lǐng)域的深水區(qū)和制高點(diǎn)，EduCoder平臺(tái)為疫情防控期間的計(jì)算機(jī)在線實(shí)踐教學(xué)提供了重要方法和途徑。在分析計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合軟件群體化方法和網(wǎng)構(gòu)化方法，系統(tǒng)闡釋大規(guī)模開(kāi)放在線實(shí)踐（MOOP）基本模型，提出在線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)，構(gòu)建軟件定義的智能化在線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)EduCoder，并介紹其中超過(guò)1 000門課程、4萬(wàn)個(gè)案例的實(shí)踐項(xiàng)目形態(tài)和課程案例。大規(guī)模應(yīng)用實(shí)踐表明，EduCoder為疫情防控期間高校實(shí)施在線實(shí)踐教學(xué)發(fā)揮了重要作用，在實(shí)踐教學(xué)支撐和實(shí)踐資源構(gòu)建等方面能夠有效滿足高校師生的多樣化需求，對(duì)高校實(shí)踐教學(xué)改革與創(chuàng)新具有重要參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：實(shí)踐教學(xué);MOOP模式;群體化方法;網(wǎng)構(gòu)化軟件;自動(dòng)化評(píng)測(cè)

DOI：10. 11907/rjdk. 202129

中圖分類號(hào)：TP434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2020）010-0001-07

Abstract： Practical teaching is the deep water area and commanding point of computer professional teaching area. This paper analyzes the current situation and challenges of computer practical teaching， combined with crowd-based method and Internetware method， systematically explains the basic massive open online practice （MOOP） model， proposes the architecture of online practical teaching platform， constructs a software-defined and intelligent online practical teaching platform named EduCoder （www.educoder.net）， and then introduces its diversified practice project forms and systematic practice course cases. The large-scale application shows that EduCoder played an important role in the implementation of online practical teaching in universities during the prevention and control period of Covid-19. It effectively meets the diversified needs of college teachers and students in terms of practical teaching support and practical resource construction， which has significant reference value for the reform and innovation of practical teaching in colleges and universities.

Key Words： practical teaching; MOOP model; crowd-based method; Internetware; automatic evaluation

0 引言

近年來(lái)，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新型信息技術(shù)快速發(fā)展，并不斷從前沿探索走向大規(guī)模應(yīng)用，信息技術(shù)人才培養(yǎng)面臨崗位規(guī)模化、課程多樣化、能力綜合化等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，高校計(jì)算機(jī)類專業(yè)人才培養(yǎng)體系亟待面向能力培養(yǎng)進(jìn)行全面升級(jí)。

計(jì)算機(jī)等工科專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力不能只依靠課堂教學(xué)，還需要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)實(shí)踐支撐環(huán)境，讓學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中通過(guò)“學(xué)、做、練、悟”逐步形成[1]。麻省理工學(xué)院（MIT）一直秉持“知識(shí)學(xué)習(xí)與操作訓(xùn)練相結(jié)合”（Mind and Hand）的校訓(xùn)，并于2017年發(fā)起了新一輪工程教育改革“新工程教育轉(zhuǎn)型”（NEET）計(jì)劃;國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院長(zhǎng)期聚焦國(guó)家重大工程項(xiàng)目，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)科學(xué)問(wèn)題、突破關(guān)鍵技術(shù)，并于2015年全面開(kāi)始計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革。

近年來(lái)，教育部針對(duì)本科和高職院校均提出實(shí)踐量化考核要求。2018年1月，教育部發(fā)布《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》，要求計(jì)算機(jī)類專業(yè)的主要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)“具有滿足教學(xué)需要的完備實(shí)踐教學(xué)體系，4年總的實(shí)驗(yàn)當(dāng)量不少于2萬(wàn)行代碼”，“至少完成2個(gè)有一定規(guī)模和復(fù)雜度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)”等;2019年7月，教育部發(fā)布《高等職業(yè)學(xué)校專業(yè)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》，計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)均要求“實(shí)踐性教學(xué)學(xué)時(shí)原則上不少于總學(xué)時(shí)的50%”。

當(dāng)前，高等院校的課堂教學(xué)通過(guò)采用慕課（MOOC）等方式提升效率，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模視頻資源共建共享，取得了豐碩成果和寶貴經(jīng)驗(yàn)[2]。但實(shí)踐教學(xué)模式主要局限在相對(duì)封閉的范圍內(nèi)，提供非常有限的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)資源，難以滿足學(xué)生能力培養(yǎng)需要。如何將“互聯(lián)網(wǎng)+教育”拓展到實(shí)踐教學(xué)領(lǐng)域，構(gòu)建功能集約、資源共享、開(kāi)放充分、運(yùn)作高效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和體系，是當(dāng)前計(jì)算機(jī)教育領(lǐng)域面臨的重大課題。

本文介紹一種新型計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)EduCoder（中文名稱“頭歌”，www.educoder.net），將群體協(xié)同、開(kāi)放共享、持續(xù)評(píng)估的互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新機(jī)理[3-4]引入實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建過(guò)程，形成了一種支持大規(guī)模開(kāi)放在線實(shí)踐（Massive Open Online Practice，MOOP）的教學(xué)資源共建共享新型教學(xué)模式、平臺(tái)和資源庫(kù)，突破了自動(dòng)化評(píng)測(cè)等一系列難題，為院校和企業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式升級(jí)提供了重要方法和途徑。2020年新冠肺炎疫情期間，教育部發(fā)布高校在線教學(xué)工作指導(dǎo)意見(jiàn)，EduCoder被列為高校在線教學(xué)推薦實(shí)施方案，并發(fā)揮了重要作用。

1 相關(guān)工作

20世紀(jì)90年代以來(lái)，數(shù)字化教學(xué)技術(shù)得到快速發(fā)展，涌現(xiàn)出一系列在線實(shí)踐教學(xué)工具和平臺(tái)[5-10]，對(duì)網(wǎng)絡(luò)化創(chuàng)新實(shí)踐模式的構(gòu)建和完善具有重要借鑒意義，具體分類介紹如下。

1.1 社區(qū)開(kāi)發(fā)類教學(xué)平臺(tái)

開(kāi)源軟件社區(qū)為高校計(jì)算機(jī)類教學(xué)活動(dòng)提供了豐富的軟件代碼，為高校計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)提供了豐富的學(xué)習(xí)資源和交流平臺(tái)，是早期MOOP的典型代表。此類平臺(tái)支持大規(guī)模開(kāi)源開(kāi)發(fā)者分享開(kāi)源技術(shù)、傳播開(kāi)源理念、推廣開(kāi)源項(xiàng)目，形成了產(chǎn)教一體化的在線學(xué)習(xí)模式，典型代表包括Github.com、SourceForge.net、Trustie.net、Gitee.com、CSDN.net、learnerhub.net等。其中，Trustie為EduCoder開(kāi)源開(kāi)發(fā)體系構(gòu)建提供了重要思想和方法，使EduCoder能夠有效支持在線協(xié)同開(kāi)發(fā)、部署評(píng)測(cè)、交流共享等各類開(kāi)源學(xué)習(xí)和開(kāi)發(fā)活動(dòng)。

1.2 技術(shù)實(shí)驗(yàn)類教學(xué)平臺(tái)

技術(shù)實(shí)驗(yàn)類教學(xué)平臺(tái)主要以云服務(wù)方式，為師生提供在線實(shí)驗(yàn)環(huán)境。例如，合天智匯（hetianlab.com）是國(guó)內(nèi)較早提出虛擬化實(shí)驗(yàn)教學(xué)概念的平臺(tái)[6]，構(gòu)建了面向網(wǎng)絡(luò)空間安全人才培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境和知識(shí)體系。類似平臺(tái)還有清華大學(xué)ucore實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（os.cs.tsinghua.edu.cn/oscourse/）、CMU的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[7]、U-SaaS（usaas.net）、實(shí)驗(yàn)樓（shiyanlou.com）等。此外，華為、騰訊、阿里等云計(jì)算平臺(tái)也都開(kāi)始提供類似實(shí)驗(yàn)環(huán)境支撐。目前，EduCoder支持大規(guī)模實(shí)驗(yàn)資源共建共享，提供了1 000多種在線實(shí)驗(yàn)課程、40 000多個(gè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)案例，并處于持續(xù)快速增長(zhǎng)中。EduCoder的每個(gè)案例均支持智能化評(píng)測(cè)、閉環(huán)式教學(xué)管理，同時(shí)面向全國(guó)高校師生開(kāi)放使用。

1.3 虛擬仿真類教學(xué)平臺(tái)

新工科建設(shè)對(duì)信息技術(shù)類課程教學(xué)提出了新要求，虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真技術(shù)的引入推動(dòng)了課程教學(xué)方法改革，也誕生了一批虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)。例如，國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺(tái)（ilab-x.com）基于云計(jì)算資源靈活、安全可控、數(shù)據(jù)可靠的特性所推出的面向虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的在線應(yīng)用服務(wù);潤(rùn)尼爾（rainier.net.cn）等一批虛擬仿真教育廠商利用VR等技術(shù)支持實(shí)踐教學(xué)案例構(gòu)建。EduCoder提出了軟件定義的虛擬仿真體系結(jié)構(gòu)，支持學(xué)生可編程的3D實(shí)景訓(xùn)練環(huán)境，讓師生以編程操作方式進(jìn)行仿真實(shí)踐教學(xué)，是對(duì)現(xiàn)有以3D建模為核心的虛擬仿真課程的重要拓展。

1.4 基礎(chǔ)編程類教學(xué)平臺(tái)

此類平臺(tái)通常稱為OJ（Online Judge）平臺(tái)，側(cè)重圍繞Java、Python、C、C++、Ruby等編程語(yǔ)言，基于網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展編程訓(xùn)練。例如，基于Codecademy（codecademy.dev）、Cloudcoder（cloudcoder.org）等平臺(tái)構(gòu)建了基于Web的開(kāi)源編程練習(xí)系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)相關(guān)平臺(tái)包括北大OJ平臺(tái)[9]、LeetCode（leetcode.cn）、PTA（pintia.cn）、匯智網(wǎng)（hubwiz.com）等，通過(guò)提供內(nèi)置的Web端編程工具為學(xué)習(xí)者提供練習(xí)環(huán)境。此外，Stanford大學(xué)開(kāi)放的Moss系統(tǒng)為全球高校提供代碼查重服務(wù)（theory.stanford.edu/～aiken/moss/）。EduCoder提供了通用實(shí)踐項(xiàng)目、編程實(shí)踐項(xiàng)目、筆記實(shí)踐項(xiàng)目、仿真實(shí)踐項(xiàng)目4種實(shí)踐模式，其中編程實(shí)踐項(xiàng)目對(duì)應(yīng)于OJ類實(shí)踐資源。

1.5 競(jìng)賽類學(xué)習(xí)平臺(tái)

競(jìng)賽類學(xué)習(xí)平臺(tái)主要采用在線編程競(jìng)賽的形式促進(jìn)學(xué)習(xí)者進(jìn)行程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言學(xué)習(xí)、算法設(shè)計(jì)、編程應(yīng)用等。例如，Topcoder平臺(tái)（topcoder.com）每個(gè)月都有2～3次在線編程比賽，參賽者可根據(jù)自己的愛(ài)好選用Java、C++、C#、VB或Python進(jìn)行編程。Kaggle平臺(tái)（kaggle.com）為學(xué)習(xí)者提供了舉辦機(jī)器學(xué)習(xí)競(jìng)賽、托管數(shù)據(jù)庫(kù)、編寫(xiě)和分享代碼的環(huán)境，近些年吸引了大量學(xué)習(xí)者的關(guān)注。EduCoder將全棧化智能實(shí)踐技術(shù)引入在線季賽，有效支持在線實(shí)戰(zhàn)化的全流程競(jìng)賽和活動(dòng)。

上述平臺(tái)從不同維度為計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)提供了支持，但在全技術(shù)系列的實(shí)踐項(xiàng)目共建共享、多樣化的實(shí)踐教學(xué)操作體驗(yàn)、教學(xué)管理的無(wú)縫對(duì)接、實(shí)踐項(xiàng)目的自動(dòng)化評(píng)測(cè)等方面，尚難以滿足高校實(shí)踐教學(xué)的個(gè)性化、多樣化、專業(yè)化、動(dòng)態(tài)化需求，這些工作為高校實(shí)踐教學(xué)工具和平臺(tái)的持續(xù)改進(jìn)提供了大量有價(jià)值的方法和經(jīng)驗(yàn)。EduCoder在汲取現(xiàn)有工作成果優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，將開(kāi)放創(chuàng)新機(jī)理引入實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建，開(kāi)拓出全新模式和生態(tài)體系。

2 MOOP基本模型

隨著網(wǎng)絡(luò)化創(chuàng)新實(shí)踐模式的變化，計(jì)算機(jī)技術(shù)架構(gòu)宏觀上表現(xiàn)為連接萬(wàn)物的軟硬件創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)，微觀上則呈現(xiàn)出系統(tǒng)化、全?；?、服務(wù)化等復(fù)雜工業(yè)特征，對(duì)計(jì)算機(jī)類專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)及其案例庫(kù)構(gòu)建提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。主要包括3個(gè)方面：

（1）實(shí)踐課程構(gòu)造難。以視頻為主要載體的在線教學(xué)體系不能有效集成實(shí)踐類課程需要的技術(shù)架構(gòu)和應(yīng)用案例系統(tǒng)，需要設(shè)計(jì)新的課程結(jié)構(gòu)與形態(tài)。

（2）實(shí)踐案例共享難。各類課程使用的案例可能會(huì)涉及數(shù)百種技術(shù)架構(gòu)，現(xiàn)有視頻類在線教學(xué)平臺(tái)難以支持其復(fù)用和傳播。

（3）實(shí)踐過(guò)程評(píng)測(cè)難。傳統(tǒng)的客觀題評(píng)價(jià)手段難以滿足各類實(shí)戰(zhàn)型技術(shù)系統(tǒng)測(cè)試要求，實(shí)踐類學(xué)習(xí)活動(dòng)評(píng)測(cè)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

在工業(yè)研發(fā)體系與高校教學(xué)體系持續(xù)融合的趨勢(shì)下，上述挑戰(zhàn)日益凸顯。高校科教活動(dòng)具有創(chuàng)作和共享特征，企業(yè)研發(fā)活動(dòng)具有生產(chǎn)和服務(wù)特征，如何將兩者結(jié)合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)教深度融合，是核心問(wèn)題。國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目Trustie團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地提出了軟件開(kāi)發(fā)的群體化方法，將軟件工程方法與互聯(lián)網(wǎng)群體協(xié)同機(jī)理相結(jié)合，提出了大眾化協(xié)同開(kāi)發(fā)、大范圍資源共享、持續(xù)性可信評(píng)估的群體創(chuàng)新機(jī)理[2]。

群體化方法對(duì)計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)具有全面指導(dǎo)意義，Trustie課題組據(jù)此提出了面向計(jì)算機(jī)綜合能力培養(yǎng)的大規(guī)模開(kāi)放在線實(shí)踐（MOOP）的概念[1]，本文將其拓展為一個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目模型、兩個(gè)空間模型、一個(gè)開(kāi)發(fā)運(yùn)行支撐平臺(tái)，如圖1所示。

MOOP模型以實(shí)踐項(xiàng)目為核心，包括實(shí)踐項(xiàng)目的創(chuàng)作與生產(chǎn)空間、實(shí)踐項(xiàng)目的運(yùn)行與服務(wù)空間。實(shí)踐項(xiàng)目本質(zhì)上是軟件工程項(xiàng)目，包含項(xiàng)目開(kāi)發(fā)態(tài)和運(yùn)行態(tài)，因此需要一個(gè)功能完備、高度開(kāi)放的開(kāi)發(fā)運(yùn)行平臺(tái)，本文基于Internetware范式[3]的網(wǎng)構(gòu)化軟件開(kāi)發(fā)方法和技術(shù)體系構(gòu)造實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)運(yùn)行和管理框架。

MOOP模型為計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)和課程資源設(shè)計(jì)提供了基本參考模型，有助于實(shí)現(xiàn)以互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為依托，聯(lián)接大規(guī)模教師和學(xué)生群體，圍繞開(kāi)放實(shí)踐項(xiàng)目開(kāi)展協(xié)同創(chuàng)新、共建共享，并在參與項(xiàng)目創(chuàng)作生產(chǎn)與運(yùn)行服務(wù)的持續(xù)演化過(guò)程中提升學(xué)生能力，實(shí)現(xiàn)能力培養(yǎng)目標(biāo)。

3 EduCoder在線實(shí)踐教學(xué)體系結(jié)構(gòu)

EduCoder是Trustie項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界推出的一種網(wǎng)構(gòu)化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)和生態(tài)系統(tǒng)。EduCoder基于MOOP模型，全面引入開(kāi)源軟件社區(qū)的項(xiàng)目協(xié)同開(kāi)發(fā)流程和云化開(kāi)發(fā)工具。本文在此基礎(chǔ)上，結(jié)合疫情期間線上線下教學(xué)遇到的問(wèn)題和形成的經(jīng)驗(yàn)，提出一種“O2OC+O2OP”實(shí)踐教學(xué)模式。其中，O2OC（Online To Offline Classrooms）是面向課堂教學(xué)的線上線下融合模型，O2OP（Online To Offline Projects）是面向?qū)嵺`教學(xué)的線上線下融合模型。其中，O2OC為實(shí)現(xiàn)群體化實(shí)踐教學(xué)提供了保障和管理支撐。在此模式下，實(shí)踐項(xiàng)目是教學(xué)活動(dòng)和實(shí)踐活動(dòng)聯(lián)結(jié)的核心，網(wǎng)構(gòu)化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)提供教學(xué)模型和實(shí)踐項(xiàng)目的全流程管理和運(yùn)行支撐。

3.1 群體化實(shí)踐教學(xué)模型

群體化實(shí)踐教學(xué)模型為教學(xué)活動(dòng)的基本流程和角色職能提供了參考模型，基本模型包括：分布式教學(xué)過(guò)程協(xié)同模型、案例化實(shí)踐項(xiàng)目共享模型。該模型的核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)線上線下課堂教學(xué)活動(dòng)和實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)數(shù)據(jù)一體化。

分布式教學(xué)過(guò)程協(xié)同模型定義了包括O2OC和O2OP的教學(xué)過(guò)程。在O2OC層面，模型要求師生的線上課堂教學(xué)活動(dòng)（如發(fā)布資源、布置作業(yè)、開(kāi)展考試、畢設(shè)管理等）和線下課堂教學(xué)活動(dòng)（如班級(jí)簽到、線下考試、畢設(shè)答辯等）有機(jī)結(jié)合，并在數(shù)據(jù)層面統(tǒng)一到線上平臺(tái)。在O2OP層面，模型要求線上實(shí)驗(yàn)活動(dòng)（如在線編程實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)房展實(shí)驗(yàn)、云計(jì)算實(shí)驗(yàn)、大數(shù)據(jù)和人工智能實(shí)驗(yàn)等）和線下實(shí)驗(yàn)活動(dòng)（如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)驗(yàn)、獨(dú)立靶場(chǎng)實(shí)驗(yàn)等）能夠有機(jī)結(jié)合，并在線上平臺(tái)匯總?cè)烤€上線下實(shí)踐項(xiàng)目的過(guò)程數(shù)據(jù)?！癘2OC+O2OP”的線上線下實(shí)踐教學(xué)模式如圖2所示。

3.2 網(wǎng)構(gòu)化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

實(shí)踐教學(xué)除模式創(chuàng)新外，具有較為復(fù)雜技術(shù)要求和較高門檻的支撐平臺(tái)創(chuàng)新至關(guān)重要，這也是MOOP類平臺(tái)發(fā)展較為緩慢的根本原因所在。

EduCoder在群體化方法[2]和網(wǎng)構(gòu)化方法[3]的基礎(chǔ)上，提出了網(wǎng)構(gòu)化實(shí)踐項(xiàng)目體系結(jié)構(gòu)，如圖3所示。實(shí)踐項(xiàng)目也常常被稱為實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，是一種集知識(shí)講解、案例解析、開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)、運(yùn)行部署、實(shí)時(shí)評(píng)測(cè)等于一體的新型智能化在線實(shí)踐教學(xué)資源，包括四大核心結(jié)構(gòu)：挑戰(zhàn)式在線教程、工程化經(jīng)驗(yàn)、企業(yè)級(jí)項(xiàng)目、云際計(jì)算環(huán)境。

實(shí)踐項(xiàng)目能夠助力教學(xué)體系從“以知識(shí)為中心”拓展為“以實(shí)踐為中心”。在實(shí)踐項(xiàng)目中，在線教程圍繞具體任務(wù)按照逐步進(jìn)階的方式組織關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)講授;工程化經(jīng)驗(yàn)和企業(yè)級(jí)項(xiàng)目將源自產(chǎn)業(yè)界的真實(shí)案例及開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)融入實(shí)踐項(xiàng)目中，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的編程任務(wù)、提供企業(yè)級(jí)開(kāi)發(fā)環(huán)境、設(shè)計(jì)自動(dòng)化評(píng)測(cè)等;云際計(jì)算環(huán)境能夠讓師生隨時(shí)啟動(dòng)來(lái)自不同云平臺(tái)的計(jì)算資源[11]。

特別是，EduCoder提供了實(shí)踐項(xiàng)目的共建共享體系，每個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目能夠以開(kāi)源/閉源模式發(fā)布，師生可以開(kāi)展自主教學(xué)創(chuàng)新，進(jìn)行大范圍共建和共享，可按需快速形成個(gè)性化實(shí)踐教學(xué)體系。

3.3 在線實(shí)踐教學(xué)步驟

EduCoder能夠有效支持“課堂教學(xué)”和“實(shí)踐教學(xué)”的一體化運(yùn)行，其在線實(shí)踐教學(xué)步驟如圖4所示。

教師完成平臺(tái)注冊(cè)后：①在平臺(tái)中為本學(xué)期將授課程創(chuàng)建“教學(xué)課堂”，在教學(xué)課堂開(kāi)展各種常規(guī)教學(xué)活動(dòng);②將實(shí)踐項(xiàng)目發(fā)送到課堂，學(xué)生開(kāi)始在線學(xué)習(xí)和實(shí)戰(zhàn);③教師可以復(fù)制、修改開(kāi)放的實(shí)踐項(xiàng)目;④教師逐步積累形成自主的實(shí)踐課程，據(jù)此申報(bào)教學(xué)成果、教改項(xiàng)目等。

教學(xué)課堂能夠有效支持課件資料管理、視頻直播、作業(yè)考試、分班簽到、統(tǒng)計(jì)報(bào)告、實(shí)踐任務(wù)等。其中，實(shí)踐任務(wù)來(lái)自實(shí)踐項(xiàng)目庫(kù)。平臺(tái)中的實(shí)踐項(xiàng)目以實(shí)踐課程的方式按章節(jié)組織，便于師生按需選用。在此基礎(chǔ)上，EduCoder可以為整個(gè)專業(yè)的人才培養(yǎng)方案提供一體化的實(shí)踐教學(xué)支撐，形成EduCoder在線實(shí)踐教學(xué)工具、資源與服務(wù)體系（彩圖掃OSID碼可見(jiàn)）。

4 大規(guī)模實(shí)踐教學(xué)資源庫(kù)

目前，EduCoder平臺(tái)聯(lián)合Trustie和IntelliDE社區(qū)，匯聚了國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)界和教育界的大規(guī)模實(shí)踐教學(xué)資源，形成了技術(shù)、課程方向齊全、案例豐富的實(shí)踐教學(xué)資源體系。

EduCoder官方社區(qū)和各高校平臺(tái)形成了超過(guò)4萬(wàn)個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目、數(shù)百個(gè)技術(shù)運(yùn)行環(huán)境，并處于快速增長(zhǎng)中。

4.1 多樣化的實(shí)踐項(xiàng)目形態(tài)

針對(duì)不同類型技術(shù)架構(gòu)和實(shí)踐教學(xué)特點(diǎn)，EduCoder設(shè)計(jì)了多樣化的用戶使用模式和自動(dòng)化評(píng)測(cè)機(jī)制，包括通用實(shí)踐項(xiàng)目（A類）、編程實(shí)踐項(xiàng)目（B類）、筆記實(shí)踐項(xiàng)目（C類）、仿真實(shí)踐項(xiàng)目（D類）等。其中，A類項(xiàng)目支持所有線上實(shí)踐類型，內(nèi)置DevOps全流程支持，功能最強(qiáng)大;B類支持Online Judge類型的在線編程實(shí)驗(yàn)，聚焦題庫(kù)建設(shè)場(chǎng)景;C類支持Jupyter Notebook（https：//jupyter.org/）交互式實(shí)驗(yàn)，聚焦數(shù)據(jù)分析、深度學(xué)習(xí)等場(chǎng)景。

上述4類實(shí)踐項(xiàng)目能夠以在線編程模式、命令行模式、圖形化操作模式、虛擬仿真模式、Jupyter Notebook模式為師生提供支持，例如：

（1）在線編程模式。該模式主要為用戶提供在線編程窗口，用戶針對(duì)實(shí)踐項(xiàng)目中的開(kāi)發(fā)任務(wù)進(jìn)行在線代碼補(bǔ)全，完成相應(yīng)的功能要求。

（2）命令行模式。該模式主要支持對(duì)遠(yuǎn)程虛擬機(jī)的訪問(wèn)和操作，完成環(huán)境安裝配置、使用體驗(yàn)等任務(wù)，包括Python編程、大數(shù)據(jù)框架安裝等均支持該模式。

（3）圖形化操作模式。該模式支持通過(guò)遠(yuǎn)程桌面進(jìn)入軟件圖形化界面進(jìn)行操作完成編程任務(wù)，典型的如路由器配置等任務(wù)，例如“基于網(wǎng)絡(luò)仿真器組建小型局域網(wǎng)”實(shí)踐項(xiàng)目（https：//www.educoder.net/shixuns/l6caes5u/challenge，彩圖掃OSID碼可見(jiàn)）。

（4）虛擬仿真模式。該模式支持通過(guò)虛擬仿真界面進(jìn)行操作以完成相應(yīng)任務(wù)，比如系統(tǒng)組裝、通過(guò)編程直接控制演示仿真效果，幫助學(xué)生更好地理解和實(shí)操，例如“計(jì)算機(jī)拆解組裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”實(shí)踐項(xiàng)目（彩圖掃OSID碼可見(jiàn)）。

4.2 體系化的實(shí)踐課程案例

以實(shí)踐項(xiàng)目為基本單元，可圍繞不同的技術(shù)或?qū)I(yè)方向構(gòu)建形成體系化的實(shí)踐課程，支持完整的課程教學(xué)。

4.2.1 程序設(shè)計(jì)類教學(xué)案例

程序設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)專業(yè)的基礎(chǔ)課和大學(xué)通識(shí)課，EduCoder平臺(tái)的在線實(shí)踐課程已覆蓋包括Python、C/C++、Java、PHP、C#、Matlab、Verilog等幾乎所有的編程語(yǔ)言以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等課程。以國(guó)防科技大學(xué)毛曉光教授的《大學(xué)計(jì)算》為例（https：//www.educoder.net/paths/149，彩圖掃OSID碼可見(jiàn)），課程面向“計(jì)算+”交叉融合的新工科計(jì)算能力需求，在精心設(shè)計(jì)的復(fù)雜真實(shí)案例中植入計(jì)算所需知識(shí)、方法、可能問(wèn)題等，逐步培養(yǎng)復(fù)雜工程問(wèn)題的計(jì)算分析和計(jì)算研究能力?！洞髮W(xué)計(jì)算》全課程基于Python語(yǔ)言進(jìn)行組織，共11個(gè)章節(jié)、107個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目，能夠支撐對(duì)學(xué)生編程開(kāi)發(fā)能力和計(jì)算思維的全面培養(yǎng)。

4.2.2 系統(tǒng)能力類教學(xué)案例

系統(tǒng)能力培養(yǎng)是計(jì)算機(jī)專業(yè)教育的戰(zhàn)略重點(diǎn)，長(zhǎng)期面臨挑戰(zhàn)。平臺(tái)基于軟件定義和虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)體系化系統(tǒng)能力培養(yǎng)的支撐。平臺(tái)已發(fā)布的典型系統(tǒng)能力類在線實(shí)踐課程包括《計(jì)算機(jī)組成原理》《編譯原理》《MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)》等（彩圖掃OSID碼可見(jiàn)）。其中，《計(jì)算機(jī)組成原理》設(shè)計(jì)了7個(gè)章節(jié)、96個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目，讓學(xué)生從門電路開(kāi)始逐步設(shè)計(jì)組合邏輯、時(shí)序邏輯、運(yùn)算器、存儲(chǔ)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通路和控制器、流水控制邏輯直至完整的 MIPS CPU以深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以加深對(duì)硬件系列課程的理解。

4.2.3 軟件工程類教學(xué)案例

軟件工程是計(jì)算機(jī)大類專業(yè)的核心專業(yè)課程，平臺(tái)的《軟件工程》實(shí)踐課程（彩圖掃OSID碼可見(jiàn)）以培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力、系統(tǒng)能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力和軟件工程素質(zhì)為目標(biāo)，依托EduCoder平臺(tái)打通理論講授和工程實(shí)踐。其中，國(guó)防科技大學(xué)毛新軍團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了分析和閱讀開(kāi)源軟件、開(kāi)發(fā)創(chuàng)新軟件系統(tǒng)兩項(xiàng)包含多個(gè)子任務(wù)的相對(duì)獨(dú)立又逐級(jí)遞進(jìn)的實(shí)踐任務(wù)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生能力和素質(zhì)培養(yǎng)[12-14]?！盾浖こ獭饭卜譃?4個(gè)章節(jié)，50余個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目，涉及編程規(guī)范、質(zhì)量分析、單元測(cè)試、群體化軟件開(kāi)發(fā)等內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)編程和項(xiàng)目實(shí)踐能力。

4.2.4 人工智能類教學(xué)案例

人工智能類專業(yè)課程涵蓋機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等前沿技術(shù)，各類算法及學(xué)習(xí)框架架構(gòu)差異大，對(duì)底層計(jì)算資源要求高，需要包括CPU、GPU等不同類型資源的支持。EduCoder平臺(tái)設(shè)計(jì)了按需調(diào)用、彈性伸縮的資源管理策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各類算法和框架的支持。以平臺(tái)的《機(jī)器學(xué)習(xí)》在線實(shí)踐課程為例（彩圖掃OSID碼可見(jiàn)），該課程以周志華教授的《機(jī)器學(xué)習(xí)》教材為參考，將理論講解和案例介紹嵌入在線實(shí)訓(xùn)中，圍繞具體問(wèn)題和案例展開(kāi)，進(jìn)行伴隨式學(xué)習(xí)和實(shí)踐。整個(gè)課程共分為6章、85個(gè)各類實(shí)踐項(xiàng)目，內(nèi)容涵蓋各類經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)算法。

此外，平臺(tái)還開(kāi)設(shè)了包括自然語(yǔ)言處理、深度學(xué)習(xí)等在線實(shí)踐課程，支持包括TensorFlow、PaddlePaddle、Keras、ModelArts等不同類型的深度學(xué)習(xí)平臺(tái)和框架。

5 應(yīng)用實(shí)踐與驗(yàn)證

目前，EduCoder平臺(tái)已經(jīng)形成了國(guó)內(nèi)高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)社區(qū)，來(lái)自1 000多所高校師生在平臺(tái)中開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用與資源創(chuàng)新。特別是新冠肺炎疫情期間，EduCoder有效填補(bǔ)了線上實(shí)踐教學(xué)的短板。2月5日，教育部印發(fā)《關(guān)于在疫情防控期間做好普通高等學(xué)校在線教學(xué)組織與管理工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》，將EduCoder列為高校在線教學(xué)解決方案。

5.1 實(shí)踐教學(xué)資源共建共享效果

EduCoder采用開(kāi)放在線共建共享和持續(xù)迭代優(yōu)化模式，快速實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模教學(xué)資源的共建、共享和優(yōu)化，在線課程資源覆蓋了幾乎所有IT方向，實(shí)踐項(xiàng)目超過(guò)40 000個(gè)。

圖5和圖6是疫情期間（2020年2月1日-7月31日）增長(zhǎng)和更新的實(shí)踐項(xiàng)目數(shù)量?？梢钥闯?，Python、C/C++、Java是國(guó)內(nèi)高校計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)使用最多的編程語(yǔ)言，MySQL、Hadoop、Hbase、Spark等是數(shù)據(jù)庫(kù)和大數(shù)據(jù)方向的熱門技術(shù)框架;在課程方向上，程序設(shè)計(jì)類課程體量最大，云計(jì)算與大數(shù)據(jù)、人工智能等專業(yè)方向增長(zhǎng)迅速。這些數(shù)據(jù)為社區(qū)支持重點(diǎn)及國(guó)內(nèi)高校實(shí)踐教學(xué)改革的關(guān)注點(diǎn)提供了一定借鑒。

5.2 學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)效果

應(yīng)用數(shù)據(jù)表明，該平臺(tái)能夠有效提升學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)積極性和實(shí)踐能力。圖7是某地區(qū)20所高校在2020年3月疫情期間的班級(jí)平均在線學(xué)習(xí)評(píng)測(cè)情況，可以看出，隨著課程教學(xué)的推進(jìn)，學(xué)生每日舉行在線實(shí)驗(yàn)評(píng)測(cè)的次數(shù)都保持在較高水平。這一結(jié)果說(shuō)明，在線實(shí)踐平臺(tái)以及游戲化闖關(guān)式的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐充分激發(fā)了學(xué)生探索的積極性。

同時(shí)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐過(guò)程中掌握的知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)能夠快速增加。截至2020年3月底，上述地區(qū)的班級(jí)平均獲得的知識(shí)點(diǎn)總數(shù)超過(guò)23 000個(gè)。圖8是3月份這些學(xué)生挑戰(zhàn)實(shí)踐項(xiàng)目總數(shù)、通關(guān)總數(shù)與知識(shí)點(diǎn)增長(zhǎng)曲線圖。

6 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐能力培養(yǎng)是計(jì)算機(jī)和工科專業(yè)人才培養(yǎng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在軟件定義一切的時(shí)代，EduCoder采用群體化和網(wǎng)構(gòu)化軟件開(kāi)發(fā)方法對(duì)計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)資源結(jié)構(gòu)、支撐平臺(tái)和運(yùn)行模式進(jìn)行了一系列升級(jí)和創(chuàng)新，并匯聚了一大批高校和企業(yè)教研專家群體。

EduCoder實(shí)現(xiàn)并拓展了大規(guī)模開(kāi)放在線實(shí)踐（MOOP）的概念和模式，綜合利用軟件工程和人工智能技術(shù)，突破了實(shí)踐教學(xué)面臨的實(shí)踐案例構(gòu)造難、實(shí)踐資源復(fù)用難、實(shí)踐能力評(píng)估難等一系列難題，提供編程IDE、命令行、遠(yuǎn)程桌面、3D虛擬仿真、Jupyter Nootbook、Web交互、App下載等多樣化在線操作環(huán)境，以及全棧自動(dòng)評(píng)測(cè)、代碼查重等機(jī)制，有效服務(wù)了來(lái)自1 000多所高校的師生、共建共享了超過(guò)40 000個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目，為高校計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)提供了大規(guī)模在線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)和實(shí)踐案例資源庫(kù)。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）