“課內(nèi)外貫穿，競賽教學(xué)融合”的程序設(shè)計教學(xué)模式

韓建平， 劉春英， 胡維華

(杭州電子科技大學(xué) 計算機學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

“程序設(shè)計”是高校理工科類專業(yè)的核心課程之一，其教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握程序設(shè)計的思想和方法，以及基本的程序設(shè)計過程和技巧，具備初步的分析問題和利用計算機求解問題的能力[1]。有效提升課程教學(xué)質(zhì)量，可以為后續(xù)學(xué)習(xí)和工作奠定堅實的基礎(chǔ)。

程序設(shè)計課程教學(xué)存在的主要問題是：教學(xué)模式單一、實踐能力弱化。課程的教學(xué)模式一般以課堂講授為主，實踐教學(xué)未得到足夠重視。作為深入接觸計算機領(lǐng)域知識的入門課程，學(xué)生往往難以理解程序設(shè)計的思維方式，因而缺乏學(xué)習(xí)信心，影響興趣和動力。此外，教師批改編程習(xí)題的工作量大，由此也帶來反饋滯后，課內(nèi)課外脫節(jié)。我們在教學(xué)實踐中，以強化實踐為核心對教學(xué)模式進行了有效的改革。

依托我校程序設(shè)計在線學(xué)習(xí)與評測系統(tǒng) (HDOJ)的優(yōu)勢，構(gòu)建了從課內(nèi)實驗、課外自主學(xué)習(xí)，到訓(xùn)練與競賽的層次化、遞進式的程序設(shè)計實驗教學(xué)模式，有效地促進了課程教學(xué)質(zhì)量的提高。

1 以課程為中心的在線評測系統(tǒng)建設(shè)

ACM國際大學(xué)生程序設(shè)計競賽(ACM/ICPC)[2]是目前全球公認(rèn)水平最高、影響最大的編程賽事，比賽題目大多源于實際問題, 具有一定的趣味性和挑戰(zhàn)性，已得到國內(nèi)外眾多知名高校的積極響應(yīng)和參與。ACM競賽利用在線評測系統(tǒng)(Online Judgment)對提交的程序進行自動、實時評判，包括程序結(jié)果的正確性、運行時間、占用內(nèi)存資源和輸出格式的判別，其客觀、公正和實時的評價方式，得到學(xué)生普遍認(rèn)可。許多高校開發(fā)了基于ACM/ICPC的程序設(shè)計在線評測系統(tǒng)[3-6]，提供程序設(shè)計競賽與訓(xùn)練的開放式環(huán)境，我校在線評測系統(tǒng)是其中最優(yōu)秀的系統(tǒng)之一。

典型的在線評測系統(tǒng)面向ACM/ICPC競賽，有助于培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生的創(chuàng)新精神和團隊合作能力[7-11]。但由于題目難度大、評判要求嚴(yán)格，使程序設(shè)計初學(xué)者入手困難。將面向競賽的在線評測系統(tǒng)直接應(yīng)用于程序設(shè)計課程實驗教學(xué)[12-14]，教學(xué)效果仍然存在較大的局限性。為了讓更多學(xué)生在編程能力培養(yǎng)方面受益，以強化課程實驗教學(xué)為目標(biāo)，不斷推進HDOJ系統(tǒng)建設(shè)，提供了以課程為中心的Exams、ACM Step、Virtual/DIY Contest等模塊，適應(yīng)不同階段、不同層次的程序設(shè)計訓(xùn)練需求，引導(dǎo)學(xué)生從課內(nèi)到課外，由課程學(xué)習(xí)至學(xué)科競賽，在平臺上訓(xùn)練提高程序設(shè)計水平。HDOJ深受受到了廣大師生與程序設(shè)計愛好者的青睞，注冊用戶幾乎涵蓋國內(nèi)所有重點高校，系統(tǒng)年提交量逐年攀升，不斷超越國內(nèi)外眾多同類系統(tǒng)，2013全年提交量突破240萬[15]，居全球數(shù)百個同類系統(tǒng)首位。

2 競賽融入課內(nèi)基本訓(xùn)練

程序設(shè)計課內(nèi)實驗是課程教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以幫助學(xué)生鞏固課堂教學(xué)所授基本知識，掌握程序設(shè)計的基本方法和常用算法，掌握程序調(diào)試的基本技能。我們在教學(xué)實踐中，將課程教學(xué)與競賽相結(jié)合，課內(nèi)實驗以競賽方式組織實施(見圖1)。

考慮到完全ACM競賽模式評判苛刻且題目難度大，容易對初學(xué)者的信心產(chǎn)生不利影響。課程組一方面設(shè)計了一系列由簡單到綜合、循序漸進的練習(xí)題。另一方面優(yōu)化了評判方式，摒棄競賽模式對輸出格式的苛刻要求。使學(xué)生從第一次課開始，就可以在HDOJ平臺上編寫、提交程序，體驗“提交成功”的喜悅，并在一次次喜悅中掌握程序設(shè)計的思想和方法。

每一次實驗課，教師均在平臺上布置程序設(shè)計實驗任務(wù)，學(xué)生規(guī)定時間內(nèi)完成程序的編寫和調(diào)試后提交程序源代碼，系統(tǒng)服務(wù)器端對提交的程序自動評判，實時反饋。成功解題的成就感非常有利于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。同時，系統(tǒng)按照一定規(guī)則根據(jù)完成情況對學(xué)生進行排名，激發(fā)青年學(xué)生的競爭心理，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，自動評測能夠極大減輕教師批改作業(yè)的勞動強度，同時快速了解學(xué)生學(xué)習(xí)中的問題，從而使教師可以有更多精力來加強對學(xué)生學(xué)習(xí)過程及學(xué)習(xí)效果的反饋，構(gòu)成老師和學(xué)生互動的實驗教學(xué)環(huán)境，降低實驗組織的難度、提高實驗教學(xué)的效率。

圖1 競賽融入課內(nèi)基本訓(xùn)練

3 激勵競賽，引導(dǎo)課外自主訓(xùn)練

在大眾化教育的背景下，學(xué)生的基本素質(zhì)和學(xué)習(xí)能力參差不齊，這使得課外自主學(xué)習(xí)的重要性突顯。只有引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況在課外大量編程練習(xí)，才能到達(dá)提升實踐與創(chuàng)新能力的目的，而有效吸引學(xué)生課外自主訓(xùn)練，激發(fā)興趣、營造氛圍是成敗的關(guān)鍵。課程組在將競賽融入課內(nèi)實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上，進一步依托HDOJ構(gòu)建如圖2的實驗教學(xué)模式。將在線訓(xùn)練應(yīng)用到程序設(shè)計學(xué)習(xí)的各個階段，并根據(jù)不同階段的特點，提供適當(dāng)?shù)墓δ苣K，供學(xué)生選擇。

圖2 依托HDOJ的多層次程序設(shè)計訓(xùn)練模式

ACM Step模塊實現(xiàn)程序設(shè)計實驗從課內(nèi)延伸至課外的第一步，該模塊的主要特色是引進游戲的設(shè)計思路，吸引學(xué)生從游戲走向編程。將程序設(shè)計的核心知識點分成若干關(guān)，每一關(guān)又分為若干節(jié)，完成前面的關(guān)，才能進入下一關(guān)答題，每一關(guān)都有一個主題，所有題目均和本章主題相關(guān)。ACM Step模塊的訓(xùn)練內(nèi)容與課程教學(xué)緊密相關(guān)，但其評判方式采用完全的ACM競賽方式，題目難度也略高于課內(nèi)基本訓(xùn)練。

為了進一步激發(fā)廣大學(xué)生的程序設(shè)計興趣，并讓優(yōu)秀的學(xué)生脫穎而出，課程組從平臺和舉措上鼓勵學(xué)有余力和愛好編程的學(xué)生參加學(xué)科競賽。HDOJ平臺的DIY Contests、Virtual Contests等功能模塊為競賽提供了全方位、多層次開放的訓(xùn)練環(huán)境。DIY contest讓教師與學(xué)生都可以創(chuàng)建自己的在線比賽；Virtual Contests功能使得學(xué)生可以選擇任意一場已經(jīng)結(jié)束的比賽作為虛擬比賽的題目來源，系統(tǒng)將在比賽過程重現(xiàn)原比賽的提交信息和排名信息，學(xué)生一如穿越時空隧道與歷史人物同場競技。

學(xué)生在課外自主訓(xùn)練，提升至一定的水平后,可以參加一學(xué)期四次的程序設(shè)計校內(nèi)月賽，其中優(yōu)秀的學(xué)生被選拔進入校集訓(xùn)隊，進而參加ACM的預(yù)選賽和全球總決賽。依托HDOJ平臺形成從課內(nèi)實驗到自主訓(xùn)練，再到學(xué)科競賽的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)良性循環(huán)。

4 課程考核模式改革

程序設(shè)計課程考核的根本目的是為了客觀、準(zhǔn)確地評價學(xué)生，促進學(xué)生通過參與各種形式的編程實踐提高自己的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力[16]。

我們利用HDOJ在線實踐平臺這一優(yōu)勢，實施“全面機試，面向過程”的考核和評價方式。學(xué)生的每一次上機作業(yè)都在線提交，實時反饋，記載成績。學(xué)生最終取得的成績包含平時、期中和期終，分散在整個學(xué)期內(nèi)。除了平時上機以外，期中和期末考試也全部實行采用直接上機編程的“機考”考核方法，各部分的權(quán)重分別為30%、30%和40%，使得學(xué)生必須通過平時多上機，多實踐，真正熟悉程序設(shè)計和調(diào)試的各個環(huán)節(jié)，才能取得好成績。

5 結(jié) 語

我們采用循序漸進的方式將課程實驗教學(xué)與ACM 競賽相結(jié)合，形成“課內(nèi)課外貫穿，競賽教學(xué)相互融合”的教學(xué)模式，這種模式既拓展了程序設(shè)計課程實驗教學(xué)的時間和空間，又大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，推進了學(xué)生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。

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