軟件工程專業“翻轉課堂”云計算教學平臺探討

曾明星　周清平　王曉波　蔡國民　董堅峰

[摘要]“翻轉課堂”是知識傳授與知識內化的顛倒安排，為師生互動、學生自主學習創建環境，對提高學生的實踐能力、創新能力具有重要作用。構建云計算教學平臺就是利用科技顛覆“教”與“學”，是一種有效實施“翻轉課堂”的現代技術手段。首先，介紹了“翻轉課堂”、云計算輔助教學的應用與研究現狀，然后，構建了軟件工程“翻轉課堂”教學模型及與之相適應的云計算教學平臺架構，最后，分析了其主要功能模塊。

[關鍵詞]軟件工程；翻轉課堂；云計算；教學平臺

[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]A [論文編號]1009-8097（2013）08-0026-06 [DOI]10.3969/j.issn.1009-8097.2013.08.005

一、引言

計算機類課程內容抽象，難于理解，不易自學，學習難度較大，很多學生遇到困難后容易產生畏難情緒，缺乏學習的動力與興趣，甚至產生厭學心理，學生逃課率高，并形成惡性循環。軟件工程是一門綜合應用學科，軟件工程專業具有實踐性、工程性、實用性等特征。學生難以靠聽講軟件工程的理論學會開發一個真實的軟件，而是在“動手做”和“真正練”中體會和掌握軟件開發的思想。傳統計算機類課程教學重理論、輕實踐，“學”、“用”脫節，重教師的知識傳授，輕學生的主動學習，學生積極性低。計算機類課程本身的特征形成了課堂理論講解越多、學生整體收獲越少的怪圈。諸多學者提出采用項目驅動式教學法，強化實驗、實訓，提高學生實際操作能力、思維能力與創新能力。而“翻轉課堂”是有效實施項目驅動式教學法的教學模式，“翻轉課堂”成功的關鍵是技術工具與教學的結合，云計算等現代信息技術的運用是“翻轉課堂”得以實現的重要手段和資源。

二、“翻轉課堂”、云計算輔助教學的應用與研究現狀

1.“翻轉課堂”的應用與研究

“翻轉課堂”（Flipped Classroom）是一種對知識傳授和知識內化的顛倒安排，即“學生白天在教室完成知識吸收與知識內化，晚上回家學習新知識”的教學模式，是“老師白天在教室上課傳授知識，布置家庭作業，讓學生回家練習完成知識內化”這一傳統教學模式的翻轉。通過運用現代技術手段，教師將常規課堂講授的部分制作成教學視頻，作為家庭作業布置給學生在家中觀看、學習，而課堂變成了師生、生生之間互動的場所。“翻轉課堂”的實質是：增加師生互動；提供學生自主學習的環境；教師成為導師：直接指導和建議式學習混合；缺席學生不會被落下功課；內容永久保存；所有學生參與學習并獲得個性化教育。美國學者Maureen LaKe，Glenn Platt and Michael Treglia最早在教授《經濟學入門》課程時采用翻轉教學模式，但沒有明確提出“翻轉課堂”這一概念。2007年，美國卡羅拉多州伍德蘭高中兩位化學老師JonathanBergmann和Aaron Sams在課堂中采用“翻轉課堂”教學模式并發現用這種模式取得的教學效果遠比傳統模式好得多，兩位老師的實踐引起越來越多的關注，此后，這一模式在美國中小學教育中快速推廣。2011年，Salman Khan在TED（Technology Entertainment Design）大會上做了《用視頻重新創造教育》演講報告，闡釋了“翻轉課堂”的內涵，“翻轉課堂”成為全球教育界關注的教學模式，并被加拿大《環球郵報》評為2011年影響課堂教學的重大技術變革。

2011年，重慶市江津聚奎中學和廣州市海珠區第五中學相繼實施“翻轉課堂”并獲得了良好的教學效果，成為國內基礎教育領域“翻轉課堂”實踐的一面旗幟。國內學者對“翻轉課堂”的研究逐漸增多，曾貞（2012）探討了反轉教學的特征、實踐及問題；張金磊、王穎等（2012）在對國外教學實踐案例研究的基礎上，構建出“翻轉課堂”模型；朱莎、宋化民（2012）探討了“翻轉課堂”在農民科技培訓中的應用；馬秀麟、趙國慶（2013）對大學信息技術公共課“翻轉課堂”進行了實證研究，認為課堂討論對知識內化有幫助，對于大學信息技術公開課具有潛在優勢；張金磊、張寶輝（2013）提出了基于游戲化學習理念的“翻轉課堂”模式；鐘曉流（2013）構建了一個太極環式的“翻轉課堂”模型并給出了實施的要點。目前，對“翻轉課堂”的研究與應用主要集中于中小學教育，在普通高校尤其是針對某一專業的研究與應用成果較少。

2.云計算輔助教學的應用與研究

2009年，黎加厚教授正式提出了“云計算輔助教學”（Cloud Computing Assisted Instructions，CCAI）概念，即利用“云計算”提供的服務，支持教師的教學和學生的學習，提高教學質量。“云計算”可以應用于教學、實驗實訓、教學管理、學生管理等方面。云計算輔助教學具有一切皆服務（everything as a service）、事事可在線（everything online）、更快更方便（everything easy and quick）、更加個性化（everything personal）等特征。云計算的廉價和方便會使越來越多的學校和個人把自己的信息處理遷移到“云”上。2012年4月，廈門大學軟件學院、工信部移動云計算教育培訓中心、廈門超級計算中心（云計算中心）舉行共建“云計算教學實訓基地”簽約儀式，開創了我國云計算實訓教學的先河。2012年3月，聚奎中學構建了“翻轉課堂”云計算教學平臺，成為江津云計算產業在教育領域應用的典型范例，但只是互聯網功能的簡單替代，未進行真實在線軟件開發實踐。近幾年，諸多學者從云計算輔助教學的可行性與作用、協作學習與網絡學習策略、云計算教學資源平臺的構建等方面做了較多較為深入的研究，但結合“翻轉課堂”教學模式構建云計算教學平臺的研究成果較少。

三、軟件工程“翻轉課堂”云計算教學平臺架構

1.軟件工程“翻轉課堂”教學模型

美國富蘭克林學院Robert Talbert（2011）教授結合線性代數課程實踐總結出“翻轉課堂”實施模型并取得了良好的教學效果，如圖l所示，“翻轉課堂”包括課前和課中兩個階段：課前，學生在家觀看教學視頻，然后進行針對性地練習；課中，學生快速完成少量測評，然后通過解決問題來完成知識的內化，最后，進行總結和反饋。

軟件工程專業具有很強的實踐性，理論知識抽象，難于理解，不易自學。因此，需要對Robert Talbert提出的“翻轉課堂”教學模型進行改進才更加適合于軟件工程專業。如圖2所示，在課前，學生在家觀看教學視頻學習軟件開發理論與進行針對性訓練時，需要及時與任課教師進行交流、答疑，否則，學生將“知難而退”，難以實現課前學習的目標。為了讓學生在課堂上有更多的時間進行項目訓練，將學生課中的測評移至課前，學生訓練過程即完成測試過程，并且教師能快速統計、掌握學生的課前學習情況。在課中，以真實項目開發為主線，教師首先簡單講解多數學生在課前學習中存疑的概念、知識點，然后簡要介紹軟件項目背景，提出項目目標，引導學生了解項目任務，分組探討并進行項目規劃、需求分析、系統設計、編碼實現與軟件測試。在軟件開發過程中，學生之間可以進行交流，研討問題，不斷向教師提出疑問，教師回答學生疑問，并適當點撥理論知識，不斷引導學生思考更深層次的問題，學生在“訓練-思考-提問-點撥”的過程中不斷提升，理順各知識點之間的關聯性，直到學生提交、展示設計成果，教師進行點評總結，進一步提升理論。

2.軟件工程“翻轉課堂”云計算教學平臺架構

課前學生視頻觀看、訓練與測驗、學生管理與監控、學生學習狀態信息的統計與獲取、師生交流、課堂學生軟件開發管理與文檔提交、學生成績評定等都需要網絡教學平臺。云計算網絡教學平臺不但有利于實現“翻轉課堂”良好的教學效果，為師生提供方便，而且能降低學校固定資產投資與運行成本，減輕學生負擔。如圖3所示，軟件工程“翻轉課堂”云計算教學平臺按照服務類型可以分為三層：第一層為基礎設施服務層（Iaas），由計算機、存儲器、網絡設施、數據庫等物理資源組成，并將同類型物理資源集成為計算資源池、存儲資源池、網絡資源池、數據庫資源池、軟件資源池等虛擬化資源，將硬件設備等基礎設施封裝成服務供用戶使用，是整個云計算服務體系的基礎，通過虛擬化資源池為“翻轉課堂”云計算教學平臺提供計算、存儲、網絡等按需的動態云基礎設施服務，最大特點是允許用戶動態申請或釋放節點，按使用量計費；第二層為軟件在線開發平臺服務層（PaaS），構建在基礎設施層之上，對資源的抽象層次更進一步，使用特定的編程環境，遵循特定的編程模型，負責資源的動態擴展和容錯管理，為軟件項目開發全過程提供環境支持、構件支持、開發工具支持、文獻支持，為軟件開發資源與虛擬教學資源如視頻資源等的建設提供接口，通過分布式計算環境和分布式存貯環境提供海量資源系統、海量數據庫系統、海量信息系統等服務，在線云通過在線開發平臺將操作系統、應用開發環境等平臺級產品以Web服務的方式提供給師生，方便教師在同一平臺上進行教學資源設計，也方便學生在同一平臺上進行真實項目訓練，有利于師生對教學資源的充分利用；第三層為教學資源應用服務層（Saas），位于最上層，是師生與云計算服務體系的接口，將某些特定應用軟件功能封裝成服務，如直接為師生提供開發文檔生成、軟件檢測、視頻資源播放、課前訓練與測試、師生、生生之間在線交流、學生管理等應用軟件服務。師生不受時空限制，使用PC電腦、3G手機或其他移動終端設備訪問“云”端，接受云計算技術系統提供的海量服務。

“翻轉課堂”云計算教學平臺既可選擇公有云，也可選擇私有云。公有云平臺能夠提供通用的運行環境和網絡教學功能，學校無需自行構建網絡教學平臺，可以降低建設成本。但公有云平臺一般不向用戶開放源代碼，用戶不能將教學資源以編譯代碼的方式上傳至云平臺，限制了云計算教學平臺的個性發揮與軟件的復用。因此，最好選擇公有云與私有云相結合的“混合云”方式構建軟件工程“翻轉課堂”云計算平臺，即通過公有云模式降低學校IT基礎設施的投資成本，且通過私有云模式來確保平臺個性化的充分發揮。

四、軟件工程“翻轉課堂”云計算教學平臺主要功能模塊

“翻轉課堂”云計算教學平臺功能模塊主要包括課堂軟件開發模塊、課前理論學習模塊、運行管理模塊、學生評價模塊，其關系如圖4所示：

1.軟件開發模塊

“翻轉課堂”由傳統課堂的“先教后練”轉變為“先學后練”，弱化“教”，強調“學”，突出“練”，其中“學”為學生采用觀看視頻的方式自學軟件開發理論知識，“練”為軟件項目開發訓練，并且“練”占全部學習時間的比例大大增加，更加重視學生實驗實訓，學生學習的自主性增強，自由度增加。因此，要想達到良好的教學效果，對學生“學”的內容、“練”的環境提出了更高的要求。“翻轉課堂”云計算教學平臺應滿足真實實驗實訓基地的“真實的企業項目”、“真實的企業化管理”和“真實的企業環境標準”三個“真實”要求。軟件開發模塊是軟件工程“翻轉課堂”云計算教學平臺的核心模塊，主要包括項目規劃、需求分析、系統設計（總體設計、詳細設計）、編碼、測試等項目開發全過程并展現軟件產品，每一個過程應能生成相應的項目文檔。在課堂上，通過教師的引導，學生登陸至學校的云計算平臺進行真實的軟件項目開發訓練，并且可以得到教師的全程適時指導、動態監控。學生在同一平臺上，既可以分組研討開發，又可以單獨思考，并與教師實現一對一的面對面交流。通過校企深度合作，學校在云平臺上建立真實軟件項目庫、案例庫，為學生提供真實開發項目，或者校企共建軟件開發云平臺，學生在企業項目經理的統一安排下參與企業真實項目開發，起到“工學結合、頂崗實習”的作用。

2.理論學習模塊

曾貞提出了“翻轉課堂”的三個關鍵步驟：觀看視頻前的學習一討論并提出問題；觀看視頻時的學習一根據問題尋找答案；應用并解決問題的學習一深入問題進行探究。在“翻轉課堂”中，學生主要通過觀看教師提供的教學視頻來獲取理論知識，通過課前針對性訓練基本消化理論知識，并且師生都需要及時了解學生理論知識的掌握情況。可以看出，云計算理論學習模塊由教學視頻、課前訓練、課前測試統計、師生交流等子模塊組成。教學視頻子模塊具有視頻播放、快進、慢放、重放、后退、暫停等功能，便于學生自定進度，自主學習。教學視頻的視覺效果、互動性、時間長度等對學生的學習效果有著重要的影響。不但視頻內容要與教學目標和課堂訓練內容相吻合，而且要清晰、簡明、到位地解釋新知識點、主題要點，知識點的解釋要先淺后深，具有邏輯性、層次性、遞進性，同時要注意講授節奏、選取例子、互動策略。在每個知識點講授之前需設置問題，以便學生帶著問題觀看視頻并在其中尋找答案，每個知識點講解結束之后，學生通過課前訓練子模塊及時進行簡單訓練、應用知識與研討問題。師生通過課前測試與統計子模塊檢測學生對理論知識的掌握程度，及時向師生反饋，教師還能快速了解學生的總體情況，便于在課中進行針對性的講解。在課前學習全過程中，學生均可以通過師生交流子模塊進行交流，及時解答學生的疑問。

3.運行管理模塊

云計算運行管理模塊是“翻轉課堂”軟件開發訓練與課前理論學習的支持與保障模塊，位于云計算教學平臺應用服務層（SaaS），通過特定應用軟件封裝成服務提供，主要包括：項目管理、學生管理、資源管理等子模塊。

（1）項目管理子模塊

教師通過項目管理子模塊對學生項目開發訓練的全過程與結果進行監控與檢查。項目管理子模塊主要涉及項目的集成管理、范圍管理、質量管理、成本管理、時間管理、資源管理、風險管理、合同管理、溝通管理等九大知識領域，其中，質量管理、成本管理、時間管理為項目管理的核心領域，成為“翻轉課堂”教師監控的重點。軟件項目開發各階段的開發文檔與產品，經文檔輸出子模塊與產品展示子模塊進行輸出和展示，任課教師通過項目管理子模塊及時進行監控與階段評價。學生將開發過程中遇到的問題發布在項目管理平臺上，教師通過師生交流子模塊進行交流或者進行面對面的交流，及時解決學生在訓練中存在的問題。項目管理各階段對所有學生開放，讓各小組學生能及時了解其他組學生的軟件開發進度、質量等情況，進行成果交流；一方面，促進各組之間互相學習、協作開發、共同提高，另一方面，建立競爭機制，讓學生親身感受各組之間的競爭與壓力，體驗企業工作氛圍。

（2）學生管理子模塊

學生管理子模塊可以進一步分為課堂學生管理子模塊與課外學生管理子模塊。課堂“翻轉”以后，基礎理論知識的學習由學生在課前自主觀看視頻進行，學生課外自學效果直接影響到課堂訓練，教師不能現場監控，因此，有效的課外學習監控是“翻轉課堂”成功的重要因素。哪些學生觀看了視頻？哪些學生對哪些知識點沒有掌握及掌握的程度又如何？教師只有對學生的課前學習狀態了如指掌，才能在課堂上有針對性地安排訓練內容，組織研討活動，進行答疑解惑、擦漏補缺、總結與提升。課外學生管理子模塊與課前測試與統計子模塊相連，不但能動態監控學生課前視頻觀看、課前訓練過程、課前協作研討，而且能輸出課前測試情況、課前關鍵控制點及統計信息，以便教師及時全面地掌握學生課外學習效果。

在“翻轉課堂”中，課堂成為學生項目探究、問題研討的場所，教師通過與學生面對面的交流及現場狀態觀測，能基本了解學生的學習與訓練的狀態。但因為課堂時間的有限性，教師與一些學生進行交流時，就失去了與另外一些學生交流的機會，同時，教師對學生訓練與探討的結果也難以通過面對面的交流全面掌握，尤其是軟件工程專業學生進行開發訓練的文檔，教師在課堂上來不及一一檢查，難以結合課堂訓練情況對學生下一次課的學習資源進行調整、優化，因此，云計算課堂學生管理子模塊對學生課堂訓練效果具有記錄與檢測輸出的功能。另外，應具有：對學生請假、考勤與學習態度進行監控的功能；對學生個體與小組實訓計劃完成、理論知識的應用、創新等的檢查功能；對學生團隊學習的監視功能，如開發經理、計劃經理、測試經理、技術支持經理等角色任務分配、崗位輪換、協調配合、團隊成員士氣、團隊之間競爭與壓力等。

（3）資源管理子模塊

軟件工程“翻轉課堂”所需資源主要包括課前理論學習視頻資源與課堂軟件開發資源，“資源”本身的質量很大程度上決定了學生學習的效果。課前理論學習視頻資源必須要與課堂軟件開發訓練資源高度相關，主講教師可以親自錄制或者使用網絡優秀開放教育資源建立視頻資源庫。自行錄制教學視頻容易與課堂訓練和教學目標保持一致，甚至可以針對不同基礎的班級錄制不同版本的教學視頻，學生自學的效果容易保證。如果借鑒現有網絡資源，可以節省人力、物力，提高資源的利用率，但難以保證視頻內容與課堂訓練的一致性。視頻資源管理子模塊負責對視頻資源的管理與調度，視頻資源主要有視頻制作工具、軟件開發“云課件”、“云教材”、“云案例”、“云試題”等。課堂軟件開發資源子模塊主要對軟件開發資源進行管理與調度，課堂軟件開發資源主要包括軟件開發云環境、企業真實軟件項目庫、案例庫、軟件開發專用技術資料、重點與難點講解資料及相關文檔、模版等，這是高級應用型軟件人才培養的基礎，是可教學化實訓體系的核心。軟件開發云環境通過云計算在線開發平臺層（PaaS）提供，主要有軟件開發的各種主流技術、先進開發工具、相關的幫助文檔、開發文檔。真實軟件項目、案例應來源于校企合作企業，校企雙方建立深度合作機制，按照培養計劃的要求，精心挑選軟件項目與案例，并進行可教學化改造，通過“云”端在線開發平臺層（PaaS）建設真實的軟件項目庫、案例庫。

4.學生評價模塊

學生評價既是對學生學習全過程（課前理論學習、課堂軟件開發實訓）與效果（理論成績與實訓成績）的評估，對教師教學過程與效果的檢查，又是對“翻轉課堂”教學模式及其云計算平臺有效性的檢驗，是師生共同改進與努力的依據。學生評價模塊涵蓋如圖4所示虛線范圍，包括學生學習過程評價模塊與學習結果評價模塊。學生過程評價模塊由軟件開發各階段文檔生成、課前視頻觀看、課前訓練與測試輸出等子模塊組成，學生結果評價模塊由軟件產品展示、實訓報告、實訓成績、理論成績與總成績生成子模塊等組成。項目文檔輸出模塊能反映學生訓練全過程的質量，也是學生專業知識、技術能力、綜合能力和職業素養的直觀展現，是任課教師課堂控制的重點：課前視頻觀看、課前訓練與測試輸出子模塊能反映學生自我控制、自學過程與學生課前理論知識掌握程度，是課前云平臺過程控制的重點。理論成績是學生課前測試的結果體現，軟件產品是學生開發真實軟件項目的成果展示，實訓報告是學生課堂實訓過程的總結與提高展現，實訓成績是學生課堂實訓的綜合表現，總成績是對學生學習、教師教學過程與結果的定量綜合評定。

五、結束語

“翻轉課堂”從注重教師“教”向注重學生“學”轉變，是一種“自助餐”式的學習模式，被比爾蓋茨稱為“預見了教育的未來”。“翻轉課堂”的靈活性、可檢測性、以學生為中心、個性化學習、師生互動等特征受到廣大學生的青睞，課堂研討與實踐所帶來的“吸收內化”是達到“翻轉課堂”良好教學效果的根源。軟件工程“翻轉課堂”云計算教學平臺以IaaS、PaaS、SaaS為主要服務模式，由軟件開發、理論學習、運行管理、學生評價等功能模塊所組成，主要分布于PaaS層與SaaS層。云計算技術為軟件工程專業實施“翻轉課堂”教學模式創造了技術條件，不受時空限制，學生可以在“云”中自主學習理論、研討問題、開發軟件、體驗企業真實工作環境，教師可以在“云”中開發教學資源、組織教學活動及對學生進行管理，師生可以在“云”中進行一對一、一對多、多對多的交流。大量的程序在“云”中運行，對終端設備的要求低，可以降低學校實驗室固定資產的投資與運行成本，減輕學生負擔，并且師生自始至終使用同一云平臺，可以減少使用過程中的轉換成本，提高工作與學習的效率。