基于云平臺的“程序設計基礎”課程實驗教學改革

黃 云， 洪佳明， 覃遵躍， 王新峰

(1. 吉首大學 軟件服務外包學院， 湖南 張家界 427000;2. 廣州中醫藥大學 醫學信息工程學院， 廣東 廣州 510006)

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基于云平臺的“程序設計基礎”課程實驗教學改革

黃 云1， 洪佳明2， 覃遵躍1， 王新峰1

(1. 吉首大學 軟件服務外包學院， 湖南 張家界 427000;2. 廣州中醫藥大學 醫學信息工程學院， 廣東 廣州 510006)

“程序設計基礎”實踐教學環節對于軟件工程專業的學習具有重要地位。通過對教學中存在的普遍問題進行分析，結合相關文獻研究成果和我校軟件工程專業實際情況，基于學校云實驗中心平臺的建設，對課程的實踐教學體系進行改革，通過搭建課程的實踐教學平臺，組織建立實踐教學資源庫，并引入“翻轉課堂”教學模式，聘用高年級學生助教幫助學生完成實踐任務，有效激發了學生實踐學習的興趣，提升了學習效果。

程序設計基礎； 實踐教學環節； 翻轉課堂； 實踐教學體系； 學生助教； 實驗云平臺； 實踐教學資源

0 引 言

吉首大學軟件工程專業為湖南省教學改革試點專業，為了培養“面向產業、服務全球”的高層次軟件人才，實行校企深度合作的“2(校)1(園)1(企)”人才培養模式，尤其強調培養學生的軟件開發設計能力，培養學生的創新意識和團隊合作精神。“程序設計基礎”課程開設在第一學期，為專業核心基礎課，主要講授程序設計語言(目前選用C語言)的基礎知識、基本語法和結構化程序設計方法。學生通過理論、實驗及課程設計等環節的學習與訓練，掌握C語言的基本語法結構和結構化程序設計的思想，養成良好的程序設計風格和習慣，能應用程序設計的思維方法解決和處理部分實際問題，為軟件開發與設計能力的培養奠定堅實的基礎。

“程序設計基礎”課程的實踐教學環節在教學活動中占有重要地位，一方面，實踐環節的開展有利于學生對理論知識的消化與吸收；另一方面，實踐環節有利于將理論知識與實際應用結合起來，有利于培養學生解決實際問題的能力。此外，實踐環節的開展還有利于培養學生養成良好的自學習慣，具有一定的創新意識和團隊協作精神。

1 “程序設計基礎”實踐教學中存在的問題

在多年的教學過程中，根據對不同年級學生“程序設計基礎”實踐環節的跟蹤調查，結合與多個兄弟院校教師的交流以及網絡文獻資源的整理，發現“程序設計基礎”課程的實踐教學存在以下問題：

(1) 實驗資源不足，實踐環節未被充分重視。由于受擴招等現狀的影響，學校部分教學資源出現緊缺。實驗機房和實驗機位都出現不足，多個專業、班級的不同課程的實驗被壓縮到同一個實驗室進行，實驗課時分配不足。此外，受校企合作辦學等新型辦學模式的影響，部分企業教師授課需要集中部分時段占用實驗機房，“程序設計基礎”等課程的實驗課時被壓縮。另一方面，由于實驗室建設一直重視硬件投入，對軟件部分投入不足，極少關注程序設計實驗平臺的搭建，學生實驗的平臺化、網絡化、自動化管理不到位，用于實驗的資源庫建設進展緩慢。

(2) 實驗形式單一，難以調動學生學習興趣。“程序設計基礎”等課程的實驗教學往往與理論授課同時進行，主要是對所授理論知識的驗證與應用拓展。往往是教師布置實驗習題，學生每人一組在實驗課時進行編程調試，教師進行現場指導和檢查。實驗習題大部分來自書本習題，利用相應章節所涵理論知識可編程實現。這樣的實驗形式一方面缺乏對學生實驗前期準備工作的指導，無法幫助學生快速入門；另一方面，由于缺乏綜合性的、與實際應用結合緊密的實踐項目，學生的學習興趣不足，缺乏主動性探究式學習。此外，單人完成實驗項目難以培養學生的團隊合作精神，不利于研討式學習的開展。

(3) 師生互動性差，實驗指導無法滿足學生需要。“程序設計基礎”既是軟件工程專業的核心專業課程之一，也是一門很重要的專業入門課程。當學生經歷高考進入大學，生活環境和學習環境發生變化，學習的諸多要素也與高中時代具有差異。學生在逐漸適應大學的學習方式時，需要教師的悉心指導，需要與教師有較多的互動。學生在上“程序設計基礎”實驗課時往往會遇到以下主要問題：① 不能理解計算機執行程序的基本原理，不了解C程序編譯運行的過程；② 對C程序的集成開發環境不熟悉，不能運用工具進行調試，對其提示的錯誤信息和警告信息無法識別和處理；③ 尚未形成程序設計的基本思維，對C程序的基本語法不熟悉；④ 部分同學對計算機操作不熟悉，打字速度影響編程效率。帶著這些問題，學生在實驗過程中需要教師詳細指導。由于師資力量不足，一名教師需要同時指導幾十名同學進行實驗，導致大部分同學的問題無法得到解決。在課外，師生缺乏足夠的溝通渠道，學生往往通過qq、E-mail、手機等與教師進行課后交流，但總體上只是少數同學的個別行為。而且對于同學實驗中的問題，往往需要針對當時的實驗環境和編輯運行的狀態進行指導和講解，已有的實驗條件與交流渠道無法實現。

(4) 實驗效果難以及時、客觀進行監測。在“程序設計基礎”的實驗課中，由于指導學生已經占據了全部課時，教師需要在課后通過實驗報告、集中時間上機考核等方式監測學生的實驗效果。然而，這些方式的時效性和準確性不足。一份漂亮的實驗報告不等于學生順利完成實驗，不代表學生已經掌握相關知識；上機考核一般都在學期結束之時，這時發現學生實驗中的不足已經太晚了。此外，這些評價更不具有全面性，無法評價學生是否達到課程要求的能力與素質。

2 “程序設計基礎”課程實踐教學改革現狀

不同高校已經開展了“程序設計基礎”課程實踐環節的大量改革研究，并已取得許多相關成果。劉光蓉等[1-2]在“C程序設計”課程教學中實施理實一體化教學模式，融“教、學、做”為一體，將理論知識融于實踐教學中，推動教師與學生在教學過程中產生互動，讓學生在學練中理解理論知識，充分發揮學生在學習中的主體作用，調動學生學習的主動性；確定以計算思維能力培養為導向的C程序設計實驗教學目標。設置驗證型實驗，使學生熟悉C程序設計計算環境；選擇設計型實驗，培養學生計算思維能力；設置綜合型實驗，培養學生應用和創新意識。此外，C程序設計實驗教學還應注意“管理流程規范、加強上機引導、強調思維拓展、改進考核機制”等。

文獻[3]認為教師應該精心選擇實驗內容，讓理論、實踐及應用緊密結合，在C程序設計的實踐教學體系中應注意提高實踐教學所占的比重，并結合上機作業、綜合性課程設計以及專業化學科競賽選拔等環節突出學生的程序開發應用能力的培養。趙誠等[4]結合現代學習理論制定程序設計基礎的實驗教學大綱，建立基礎實驗、綜合實驗、課程設計及課外拓展相結合的實驗內容體系，通過教學資源庫和實驗教材等建設，鼓勵自主學習、探究式學習、團隊式合作，強化動手能力的培養，逐步培養學生的計算機認知與編程能力，應用計算機解決實際問題的能力。面向創新實踐能力培養的C 語言程序設計實踐教學改革[5]提出“粗、精、仿、練、操”的教學理念，對學生進行分層次因材施教，實驗以小組形式完成，注意培養團隊協作能力。文獻[6-7]在研究分層實驗教學中分別側重研究了模糊評價考核方式和階段式程序設計目標設定等問題。文獻[8]主要針對部分學生動手能力差、學習興趣不高、學習成績低等問題，采用結對編程方式幫助其提高學習興趣。文獻[9-10]分別對程序設計基礎實驗教學中的手段與方法改革進行研究，提出協作學習、案例教學、階梯式教學、項目驅動等方法與手段的應用。文獻[11-12]則分別對程序設計基礎實驗中的循環結構與函數等實驗內容進行了研究。

3 基于云平臺的“程序設計基礎”實踐教學改革研究

高校的教學實踐活動必須適用于學校及學生的實際情況，滿足培養目標的要求。吉首大學是一所處于少數民族區域的綜合性二本院校，軟件工程專業的學生來自20個不同的省區，既有信息技術基礎教育發達的沿海城市，也有信息基礎落后的西部民族區域；專業每年招收新生280人左右，有200人為高考普招生，有50人為民族預科生轉入，還有30人為職高對口招生，在200名普招生中，文史類考生為60人，理工類學生140人。吉首大學致力于打造地方綜合性大學高層次軟件人才培養卓越品牌，按照“卓越工程師教育培養計劃”和軟件工程專業國際認證的目標要求，實行校企深度合作的培養模式，強調學生的工程應用能力培養，主要包括表達能力、團隊協作與溝通能力、創新能力、獨立思考與解決問題的能力等。

基于軟件工程專業生源結構復雜、信息技術基礎差異較大的實際情況，為了達到專業國際認證中百分之百合格的要求和吉首大學打造高層次軟件人才培養卓越品牌的目標，通過“程序設計基礎”課程的學習，既要培養每個學生的計算思維和基礎編程能力，也要發現、選拔并培養部分對程序設計有強烈愛好，能獨立解決有一定難度的實際應用問題的學生。為此，對“程序設計基礎”課程的實驗教學做了如下改革。

3.1 云實驗中心建設

云平臺的建立不僅能整合有限的實驗室資源，還可提高師生教學實驗和研發工作的效率[13]。為了讓學生實驗打破時空限制，實現師生零距離交流，記錄每個學生的學習軌跡，吉首大學建立了云實驗中心，專用于軟件工程專業學生軟件開發相關課程實踐活動。

學校利用千兆校園網和無線教學網絡，新建由24臺高性能服務器組成的云實驗中心，能夠支持1 500個學生專屬實驗機同時上線運行，并利用當下最先進的5G技術建立5GWiFi網絡教室解決了學生密集區高帶寬高傳輸速率的難題，為“學習—實訓—再學習—再實訓”的理論與實踐一體化提供了技術支持。

圖1 云實驗中心拓撲圖

每位學生都將分配到實驗平臺環境與實踐教學資源完善齊備的個人專屬虛擬實驗機，無論是在實驗室、教室還是宿舍，校園網覆蓋的地方都能用自己的智能終端接入云實驗平臺。平臺能提供必要的實驗環境和學習資源，能保存個人的實驗狀態并記錄其實驗和學習過程。通過平臺還能隨時隨地共享學習資源、收發信息，進行師生之間、生生之間的在線互動。

3.2 “程序設計基礎”實踐教學體系改革

“程序設計基礎”實踐教學既要培養全部學生的基礎編程能力，又要選拔培養少數有特殊興趣愛好的學生。由此，我們對課程的實踐教學體系進行了一定調整，分階段分層次設定多個環節的實踐教學活動。

首先，按照人們的認知過程將“程序設計基礎”實踐過程分為初識期、入門期、提高期、攻堅期和突破期五個階段。初識期的實驗以驗證性實驗為主，需要學生熟悉編程環境，了解程序編寫運行的基本過程。入門期階段是課程的分水嶺，許多學生在這一階段編程能力提升較慢，在以后的階段逐漸掉隊，往往會失去繼續學習的動力；入門期階段需要教師多做案例示范，學生首先應多模仿案例編程，然后做一些簡單設計實驗；該階段還應引導學生在實驗中多做經驗總結，不斷了解程序調試和測試。提高和攻堅階段需要學生通過綜合類和設計類實驗，形成良好的編程習慣，并逐漸培養學生的計算思維，設計類程序開發還將培養學生的創新能力。突破階段需要學生分工協作完成小型系統軟件，培養學生團隊協作精神，培養學生系統軟件開發設計基礎能力。

然后，根據每個階段知識與能力掌握程度的不同要求，分為考核層、考查層和選拔層三個不同的層次。表1展示了階段式分層次實踐教學體系結構(單元格中不同深度的底紋顏色代表學生需要達標的時間順序，黃色底紋和粉色底紋不要求每個學生都達標)，每個階段的考核層是實踐活動中每個學生必須掌握的能力；考查層的內容在課程結束時學生需要基本達到要求，學生只有滿足某個階段考核層的要求后，方可進入下一階段進行實踐活動。通過對選拔層的能力訓練，選拔少量優秀學生進行競賽培訓。

最后，我們將“程序設計基礎”課程的實踐環節分成了實驗教學、課程設計及第二課堂三個部分。實驗教學環節在前四個階段的實驗課時開展；課程設計環節在學期的最后兩周集中進行，對應突破期階段；第二課堂主要采用開放實驗室的形式進行，每位學生每周三次共六小時進入開放實驗室，時間安排在周末以及周一到周五的晚上，第二課堂的內容根據學生的不同層次進行劃分。若在實驗教學中學生未達到對應階段的考核層要求，則在第二課堂加強本階段的練習，優秀的學生可以在第二課堂進行相應的考查層和選拔層實驗項目的學習實踐。

表1 “程序設計基礎”階段式分層次實踐教學體系結構

3.3 實踐教學平臺與資源建設

為了讓學生在實踐學習過程中得到更好的指導，利用購買和聯合研發，搭建了多個實訓平臺，“程序設計基礎”實踐教學中使用了上海睿亞訓公司的云博實踐數字資源庫平臺和實踐能力提升平臺、ACM Online Judge在線答題平臺、校企合作研發并部署的智能移動學習系統(湖南省教育信息化專項項目)。用于教師發布實驗內容和實踐項目、上傳實踐學習資源、監測學生實驗效果、解惑學生難題；有利于學生下載實踐資源、完成實踐任務、獲得教師指導。

首先，我們在ACM OJ平臺發布5 800多道實驗題目，并對題目分別按難度和對應的知識點進行分類；其次，每次實驗教學均錄制了一個講解視頻和一個演示視頻，講解視頻主要介紹了實驗內容、實驗目的、關鍵知識點、基本步驟和常見問題等，演示視頻中選擇與學生本次實驗任務相似的項目，錄制對其進行編碼、編譯、調試、糾錯和運行的全過程；此外，通過校企聯合開發，建立了30個C程序小型管理系統、應用軟件或小游戲，這些系統既有完整的代碼，也有設計詳細文檔。對于“程序設計基礎”實驗教學和課程設計中的指導，我們撰寫了詳細的實驗指導書和項目開發案例講義，通過幾年的不斷積累和改進，目前以分別完成“程序設計基礎實驗指導書》和“程序設計基礎課程設計案例分析》兩本書稿，其中“程序設計基礎課程設計案例分析》已被中南大學出版社收稿，將于近期正式出版。學生可以通過云實驗中心平臺訪問以上課程資源，平臺還為學生留有上傳接口，學生可以上傳其完成的項目資源。

3.4 引入“翻轉課堂”教學模式

“翻轉課堂”(Flipped Classroom)作為一種自下而上的教育模式，是讓學生在家里聽課、在課堂上“做作業”的教學方式[14-15]。為了讓學生能夠高效利用有限的實驗教學時間，同時逐漸培養其自學能力和主動學習的習慣，我們在“程序設計基礎”實踐教學中引入“翻轉課堂”教學模式。

每次實驗教學前一周，教師確定下次實驗每位學生需要完成的實驗任務，組織好必要的實驗資源，并通過智能移動學習系統發布任務。學生通過移動終端自動接收到實驗任務和實驗資源的相關信息，登錄云博實踐數字資源庫平臺，在指定位置獲取相關實驗資料，包括本次實驗的指導書、相關案例、以及本次實驗的講解視頻和演示視頻，學生在本次實驗前通過閱讀實驗指導書和觀看視頻了解實驗的基本方法與策略，并仔細完成實驗項目設計和代碼編寫，記錄自學和編碼中存在的各種問題。

實驗中，學生在開放實驗室就預習時存在的問題請求教師指導，完成代碼調試并提交實驗結果；教師需認真指導學生完成實驗調試，解決學生在實驗中遇到的各種問題，并記錄學生實驗中存在的主要問題。

實驗后，學生就實驗情況進行實驗總結，完成實驗報告。教師及時總結學生的學習效果，就學生遇到的典型問題進行統一講解，還需要分析不同學生的學習進展，確定每個學生下一時間所進行的實驗學習階段(不同進展的學生所出的階段具有一定差異)。

3.5 聘請學生助教實現優質指導和監測

“程序設計基礎”實踐教學過程中，根本的問題是教師資源缺乏，許多學生的問題無法得到及時詳細的解答，學生的學習效果無法完整有效監測，學生的學習路徑無法根據個人情況進行規劃。每個學生都期望能編寫正確的程序，實踐過程中所遇問題的累積會逐漸降低學生學習的興趣，甚至會有學生對授課教師產生不滿情緒，這將嚴重影響學習的質量。為了解決師資力量不足所導致的問題，我們從高年級擇優選擇有服務意愿的學生作為學生助教，在“程序設計基礎”實踐教學的各個環節參與指導學生，幫助學生解決實踐中的疑問和錯誤，引導學生形成良好的編程習慣，順利完成實踐任務。

學生助教的具體任務包括：① 幫助教師管理維護ACM OJ平臺的運行，整理平臺上的題庫；② 在實驗教學環節幫助老師對學生實驗中的問題進行指導，并負責整理學生常見的問題；③ 對學生的效果進行詳細的監測和評價，并將相關意見交給教師進行學生學習層次評定；④ 在第二課堂對不同層次的學生下達不同的實驗任務，指導學生完成第二課堂學習任務，并為選拔優秀學生提供建議和詳細依據；⑤ 為課程設計環節中每個小組的前期準備提供必要的技術指導；⑥ 輔助教師接收并處理學生通過各種實踐平臺提出的問題，定期對學生實踐中的問題進行答疑。

學生助教有效的提高了教師指導的效率，一定程度上滿足了學生實踐中答疑的需求，還能對學生助教自身的知識掌握程度、溝通能力及解決問題能力的提高具有一定的幫助。在聘請學生助教的過程中，制定了學生助教聘任制度、管理制度、評價與考核制度及獎勵制度等多項管理制度，教師在學期初還對學生助教進行培訓和指導，保證學生助教能充分發揮作用，幫助“程序設計基礎”課程實踐活動順利完成。

此外，我們提高實踐測試在課程考核中的比重，并實行按階段測試的方法進行。為此我們建立了“程序設計基礎”實踐能力監測體系，確定每個階段學生應該具備的各種能力，并制定每個階段的測試方案。另一方面，我們按學生實踐學習的進展確定不同學生的測試時間，既鼓勵優秀學生提取完成下一階段的實踐學習，也允許基礎較差的學生推遲完成前一階段的測試。學校還在學期末組織新生進行C程序設計大賽，組織優秀學生與懷化學院等兄弟院校的新手進行程序設計友誼競賽，激發學生刻苦學習程序設計的熱情。

4 “程序設計基礎”實踐教學改革成效

通過近幾年對“程序設計基礎”課程實踐教學的不斷改革，已經取得一定的教學成果。軟件工程專業10級到13級的學生已全部通過國家計算機等級Ⅱ級考試，10級到12級的學生超過50%拿到軟件設計師資格證書。2013年和2014年組隊獲得湖南省藍狐杯大學生程序設計大賽二等獎兩項、三等獎三項；參加2013年、2014年藍橋杯決賽獲全國二等獎1項，三等獎3項；軟件工程專業學生參加全國2012年大學生數學建模競賽，獲全國二等獎一項；2013年組隊參加第四屆中國大學生服務外包創新創業大賽，獲全國一等獎和二等獎各一項；2014年組隊參加第三屆“中國軟件杯”大學生軟件設計大賽，榮獲二等獎及最佳創新獎。近三年，軟件工程專業學生參加全國大學生研究性學習和創新性實驗計劃項目1項，湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃項目3項；近2年，軟件工程專業有20名學生獲得軟件著作權。

5 結 語

“程序設計基礎”課程在軟件工程專業中占有重要地方，實踐教學環節對于培養學生的計算思維，建立良好的編程習慣，培育工程化軟件設計的啟蒙思想具有重要地位。通過課程實踐環節的改革，有效提高學生學習的興趣，激發學生學習的熱情，已經取得一定成效。隨著慕課等新的學習方式的推廣、軟件工程專業辦學國際化程度的提升以及專業工程碩士辦學推進等新形式的出現，改革的要求將不斷發生變化，我們將繼續對實驗教學體系、教學資源、教學方法與手段等做更加深入的改革。

[1] 劉光蓉. 以計算思維能力培養為導向的C程序設計實驗教學[J]. 實驗技術與管理, 2013，30(1) : 154-156，191.

[2] 劉光蓉. C程序設計實驗教學的理實一體化教學模式[J]. 實驗室研究與探索, 2013，32(10): 350-352.

[3] 丁海燕,鄒 疆.C語言實驗教學體系及改革措施[J].實驗技術與管理,2010，27(11):179-181.

[4] 趙 誠,夏 蕓.基于現代學習理論的程序設計基礎實驗教學體系[J].計算機教育,2014(15):84-88.

[5] 吳永芬,陳衛衛,李志剛,等. 面向創新實踐能力培養的C語言程序設計實踐教學改革[J]. 計算機教育,2014(3):88-91,96.

[6] 盧 瑾,張 健.C語言程序設計階段式分層實驗教學研究[J].計算機教育,2014(14):74-76.

[7] 曹婧華,趙 飛.基于層次分析和模糊評價的C語言上機實驗教學研究[J].實驗技術與管理,2011，28(8):145-147.

[8] 魏妮妮,宋 翌.結對編程在程序設計基礎課程實驗教學中的研究與實踐[J].實驗技術與管理,2013，30(12):163-165.

[9] 陳 婷. C語言程序設計實驗教學改革探究[J]. 實驗技術與管理,2010，27(10):182-184.

[10] 馬 華,鄒 競. 基于協作學習的C語言程序設計實驗教學改革研究[J]. 大學教育,2013(24):83-84.

[11] 黃宏博.C語言程序設計函數實驗教學設計[J].計算機教育,2012(2):103-106.

[12] 宋靈香. C語言中for循環語句教學研究[J]. 軟件導刊,2013(3):184-186.

[13] 孫 雋,韋萍萍,李激揚,等. OpenStack構架下計算機實驗中心云平臺的設計[J]. 中國遠程教育,2014(9):78-82.

[14] 黃 陽,劉見陽,印培培,等. “翻轉課堂”教學模式設計的幾點思考[J]. 現代教育技術,2014(12):100-106.

[15] 曾明星,周清平,蔡國民,等. 基于MOOC的翻轉課堂教學模式研究[J]. 中國電化教育,2015(4):102-108.

Experimental Teaching Reform of Foundation of Programming Design Based on Cloud Platform

HUANGYun1，HONGJia-ming2，QINZun-yue1，WANGXin-feng1

(1. School of Software and Service Outsourcing, Jishou University, Zhangjiajie 427000, China;2. School of Medical Information Engineering, Guangzhou University of Chinese Medicine,Guangzhou 510006, China)

Experiment teaching of foundation of programming design is an important course for students of software engineering. Based on the analyzing the common problems in the teaching process, combining the existing research results, and depending on real situation in our university, we propose the experimental teaching reform for the course based on cloud platform. Considering the reality of professional construction on software engineering undergraduate, and using the experimental cloud platform in our university, our reform in the practice teaching system consists of the following steps: constructing experimental teaching platform for the class, constructing practice teaching resources, using inverted classroom teaching mode, and introducing student assistants in the practice teaching process. Our research results show that, the proposed reform effectively stimulates students' interest in the learning process, and effectively enhances the learning effect.

programming design basis; practice teaching; inverted classroom; practice teaching system; student assistants; experimental cloud platform; practice teaching resource

2015-02-27

湖南省教育廳教學改革研究項目(湘教通[2013]223號)；湖南省普通高等學校“十二五”專業綜合改革試點項目(湘教通[2012]266號)

黃 云(1976-),男,土家族，湖南張家界人，博士,副教授，主要從事程序設計基礎、算法設計與分析及數據挖掘等課程的教學。

Tel.：13907447310；E-mail：huangyun@ustc.edu.cn

洪佳明(1984-),男，廣東揭陽人，博士，講師，主要從事程序設計基礎、面向對象程序設計及數據挖掘等課程的教學。

Tel.：13430200356；E-mail：327393962@qq.com

TP 311; G 642.0

A

1006-7167(2016)02-0191-05