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)的實施意見》[1]，《教育部辦公廳關(guān)于推薦新工科研究與實踐項目的通知》[2]，麻省理工學(xué)院MIT啟動工程教育改革“新工程教育轉(zhuǎn)型（New Engineering Education Transformation，NEET）”計劃[3]等舉措，明確提出一流工科本科課程對學(xué)生培養(yǎng)的要求。王雷等學(xué)者[4]對新工科人才能力培養(yǎng)提出了計算機(jī)程序設(shè)計課程改革的思考。針對課程建設(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、趙國琰等學(xué)者[6-7]對BOPPPS教學(xué)模式的教學(xué)設(shè)計要素進(jìn)行了分析，并通過案例進(jìn)行課程改革。肖睿等學(xué)者使用在線教學(xué)平臺，研究了學(xué)習(xí)者參與方式[8]。社會的進(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)計類課程改革創(chuàng)新。

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

2 程序設(shè)計類創(chuàng)新課程設(shè)計

2.1 教學(xué)目標(biāo)制定

程序設(shè)計類課程改革應(yīng)從知識、能力、素養(yǎng)三個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)，剖析講授的知識點，制定知識、能力和素養(yǎng)融合的三目標(biāo)。知識目標(biāo)是使學(xué)生掌握基本知識，通過對簡單應(yīng)用問題進(jìn)行分析及編程實現(xiàn)；能力目標(biāo)是使學(xué)生具備運(yùn)用課程知識，分析、抽象并編程解決大型復(fù)雜實際問題，培養(yǎng)學(xué)生抽象問題、構(gòu)建優(yōu)化編程和計算思維能力；素養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生能夠通過團(tuán)隊協(xié)作編程解決復(fù)雜問題，分析比較團(tuán)隊角色的任務(wù)和作用，培養(yǎng)團(tuán)隊協(xié)作精神，培養(yǎng)學(xué)生探索創(chuàng)新和科技服務(wù)社會的精神，實現(xiàn)科技育人、立德樹人。

2.2 教學(xué)流程設(shè)計

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、設(shè)定目標(biāo)的不同，將教學(xué)內(nèi)容設(shè)計成不同的教學(xué)形式。程序設(shè)計類課程的教學(xué)流程從課前、課堂和課后三個部分，從教師、學(xué)生、師生互動材料三個角度，從教學(xué)流程和線上線下支持的對應(yīng)關(guān)系等多個方面設(shè)計。

課前設(shè)計主要了解學(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)計主要通過交互式教學(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、小測驗、實時問卷等互動；課后部分包括幫助學(xué)生鞏固提高、延展知識，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)情況及反映出的問題都可以通過課程平臺給出統(tǒng)計數(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)動的程序設(shè)計類課程創(chuàng)新改革與實踐

3.1 課程閉環(huán)支撐平臺建設(shè)

利用學(xué)校提供的在線資源平臺和課程直播平臺，以及課程團(tuán)隊建立的程序設(shè)計在線評測平臺，發(fā)揮各平臺優(yōu)勢，建設(shè)創(chuàng)新課程“資源-直播-考核”閉環(huán)支撐平臺，如圖1所示。充分發(fā)揮課前、課中和課后三個時間維度的作用，建設(shè)作業(yè)、通知、問卷、課件、微視頻等課程在線資源平臺，積累每門課程每個學(xué)生過程制學(xué)習(xí)軌跡數(shù)據(jù)；建設(shè)課堂交互、課堂實錄視頻等智慧課堂直播平臺，積累歷史課堂實時數(shù)據(jù)；建設(shè)程序設(shè)計在線評測試平臺，積累每門課程每個學(xué)生限時程序設(shè)計及每周程序設(shè)計作業(yè)等在線實時評測數(shù)據(jù)；每個學(xué)期建立企業(yè)微信課程群等實時交流平臺，發(fā)布各種即時通知、投票、問卷等，實現(xiàn)課堂內(nèi)外知識拓展及多樣化教學(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)時間、空間局限性的問題。師生按時有序發(fā)布與提交作業(yè)，師生在線上進(jìn)行互動，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

在課堂內(nèi)外利用多個在線課程平臺，數(shù)據(jù)及時反饋，方便針對學(xué)生編程能力考核，促進(jìn)學(xué)生編程能力的提升。實時交流平臺、資源平臺、課程直播實錄、程序在線評測優(yōu)勢互補(bǔ)閉環(huán)支撐平臺，為課程創(chuàng)新改革提供實施平臺。

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

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)，包括六個教學(xué)環(huán)節(jié)：導(dǎo)入（Bridge-in，B）、目標(biāo)（Objective/Outcome，O）、課前測（Pre-assessment，P）、參與式教學(xué)（Participatory Learning，P）、課后測（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)計解決方案的知識相關(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）中，對導(dǎo)入問題進(jìn)行提問，或回顧前序知識；在“2P”（參與式教學(xué)）中，通常引入與知識點相關(guān)、引發(fā)思考的課程案例，通過同伴教學(xué)、交流互動進(jìn)行師生、生生參與式教學(xué)；在“3P”（課后測）呼應(yīng)回答“B”或者“1P”的問題，或者提出新的思考問題。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，參與式教學(xué)讓學(xué)生從被動到主動學(xué)習(xí)。

3.3 科技育人元素融入

針對課程知識內(nèi)容，融入課程科技育人元素。結(jié)合當(dāng)前實際問題、時事和前沿技術(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，剖析背后支撐的計算機(jī)專業(yè)知識，重新設(shè)計成待編程解決的實際問題，融入課程內(nèi)容，潤物于無聲中。

科技育人案例從課前貫穿課中，再到課后。課前邀請畢業(yè)的優(yōu)秀師兄師姐錄制視頻，講述計算機(jī)學(xué)習(xí)過程和體會，讓學(xué)生對編程、專業(yè)和責(zé)任等的重要性再認(rèn)識，同齡人的話能夠更好讓學(xué)生重新審視學(xué)習(xí)的認(rèn)識誤區(qū)；程序調(diào)試視頻是學(xué)長們專門錄制的“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，通過互助解決程序疑難問題，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，通過介紹開源與免費軟件，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)過程時，討論軟件正版與盜版，讓學(xué)生更了解計算機(jī)倫理；在講解“類”章節(jié)時，通過講述汽車與其組件的關(guān)系來區(qū)分類和對象的區(qū)別，引申到前沿的自動駕駛技術(shù)與局限，讓學(xué)生認(rèn)識軟件缺陷與BUG；在講解約瑟夫環(huán)時，拓展到密碼與區(qū)塊鏈技術(shù)，引申到計算機(jī)倫理與安全；在講解模式匹配問題時，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)問題；在講解稀疏矩陣時，通過電影影評評分存儲的實現(xiàn)的實例，讓學(xué)生了解大數(shù)據(jù)技術(shù)。對于團(tuán)隊編程實踐部分，創(chuàng)建解決實際問題，幫助他人的校園導(dǎo)航、實用小工具等團(tuán)隊協(xié)作育人案例。

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

3.4 數(shù)據(jù)驅(qū)動的課程創(chuàng)新改革實踐

通過對在線教學(xué)資源平臺、智慧教學(xué)直播平臺、程序設(shè)計在線評測平臺和實時交流平臺產(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)生對課程知識點的學(xué)習(xí)掌握情況，優(yōu)化了線上線下課堂知識點的設(shè)置，使得課程學(xué)習(xí)更科學(xué)有效。通過程序在線評測平臺，系統(tǒng)自動實時評測周個人編程作業(yè)；通過北化在線資源平臺，學(xué)生能夠互評團(tuán)隊協(xié)作編程項目，使得多個課程平臺的優(yōu)勢能夠充分發(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，通過課堂直播互動數(shù)據(jù)、答疑討論區(qū)和課堂評價等學(xué)生反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出學(xué)生互動參與度比較高，學(xué)習(xí)積極性和主動性較好，以及對課程教學(xué)方法有較高的認(rèn)可度，學(xué)生學(xué)習(xí)從被動接受到主動參與的改變比較明顯。

通過北化在線資源平臺提交的國產(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，學(xué)生對于理論應(yīng)用實踐的興趣非常濃厚。

課程通過改革創(chuàng)新，學(xué)生在編程能力上效果明顯，以某學(xué)期程序設(shè)計課程為例，學(xué)生的平時作業(yè)和期末考試都在程序在線評測平臺進(jìn)行，其平時編程作業(yè)平均得分為78.84，期末編程考試平均分為75.07，每個學(xué)生程序平時編程作業(yè)得分和期末編程考試得分如圖2所示。

圖2 課程平時編程作業(yè)得分和期末編程考試得分對比

從圖2中可以看出，程序在線評測平臺的數(shù)據(jù)表明學(xué)生平時實時編程訓(xùn)練成績和期末成績得分趨勢相當(dāng)，均圍繞80分上下分布，程序在線評測平臺學(xué)生平時編程數(shù)據(jù)基本上和其期末成績成正比關(guān)系。因為在整個學(xué)習(xí)過程中程序在線平臺都對學(xué)生開放，學(xué)生平時也主動自主地參加編程訓(xùn)練。

以學(xué)號尾號為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)情況與所在班級學(xué)生平均學(xué)習(xí)情況進(jìn)行對比，可以看出0011學(xué)生在各項任務(wù)中的表現(xiàn)，除了團(tuán)隊任務(wù)和期末考試和班級平均情況相當(dāng)，其它指標(biāo)都優(yōu)于平均線，表明學(xué)生在解決復(fù)雜問題以及有限時間內(nèi)處理問題的能力需要提高，根據(jù)此數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步對學(xué)生進(jìn)行個性化學(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)情況對比數(shù)據(jù)

通過學(xué)生學(xué)習(xí)軌跡及成績數(shù)據(jù)分析反饋，能夠發(fā)現(xiàn)問題，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

程序設(shè)計類課程通過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，設(shè)計了與課程教學(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)新改革實踐，提升了學(xué)生的編程能力，改變了學(xué)生被動學(xué)習(xí)的習(xí)慣，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，實現(xiàn)了課程知識、能力和素養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。