基于MOOC的程序設計開放實驗平臺的構建

許小東， 吳軍強， 劉小晶

(嘉興學院 數理與信息工程學院， 浙江 嘉興314001)

基于MOOC的程序設計開放實驗平臺的構建

許小東， 吳軍強， 劉小晶

(嘉興學院 數理與信息工程學院， 浙江 嘉興314001)

針對實驗教學MOOC化面臨的問題，分析程序設計實驗特點，提出了“資源、過程、考核”三位一體的平臺構建思路，實現了統一、開放、共享的程序設計開放實驗平臺，采用“1個打破+2個結合+3類資源+4個層次”模式精品化管理實驗資源，遵循“真實性、合理性、精細性”三性原則智能化控制實驗過程，利用云計算技術和可配置考核方案實現差異化實驗考核。實踐證明，該平臺有效促進了學生對知識的深度理解，提升了學生創新實踐能力，同時還促使教師不斷學習，形成學評教的良性循環。

慕課； 開放實驗平臺； 實驗資源； 云計算； 差異化考核

0 引 言

大規模開放在線課程(Massive Open Online Course，MOOC)引發了傳統教育模式的變革，對高校實驗教學的改革與創新提出了新的挑戰[1]。實驗教學是培養學生創新意識，深化理論知識理解，形成專業工程素養，提升實踐動手能力的重要途徑[2]。面對MOOC浪潮的沖擊，如何理清當前存在的問題，在開放實驗教學中實踐MOOC理念，探索和研究MOOC環境下開放實驗平臺的解決方案，對實驗教學模式變革具有重要的意義。

1 實驗教學MOOC化面臨的問題

MOOC起源于美國麻省理工學院(MIT)開放課程資源(OCW)項目，其核心理念是開放共享優質教育資源，實現開放式、個性化在線學習[3]。實驗教學有別于理論教學，實驗技能的獲取需要親自實踐并反復實踐，常常受到物理的實驗場地和設備等因素的限制[4]。因此，實驗教學MOOC化面臨著一些急需解決的共性問題。

(1) MOOC化意識不足。隨著“翻轉課堂”“精品在線開放課程”等教學改革項目的不斷推進，理論課程MOOC化建設取得了顯著成效，但實驗教學MOOC化的研究則很少，究其原因主要是缺乏實驗教學的MOOC化意識。

(2) 開放共享程度不高。當前開放實驗教學多集中于時間、課程、儀器和實驗室等方面的開放共享，但MOOC提倡更廣義的開放共享，包括虛擬實驗資源、聯通主義知識體系、虛擬實驗環節、學習支持機制、協作交流方式、考核評價模式等[5]。

(3) 實驗過程監控困難。傳統開放實驗教學大多采用現場登記、專家抽查等手段監督實驗過程[6]，但MOOC強調在線學習的開放性和自主性，突破時間和空間的限制，這給實驗過程跟蹤評估帶來很大困難。

(4) 考核評價模式單一。傳統開放實驗教學面對的學生經常來自同一學校或擁有相似背景，考核評價模式相對固定。但MOOC降低了人們接受教育獲取知識的門檻[7]，參與的學生參差不齊，擁有完全不同的知識背景，這就要求采用靈活多變的考核評價模式。同時，講授式、協作式和探究式等教學模式的開展也對實驗的考核評價提出了新的要求。

2 MOOC理念下平臺的構建

程序設計能力是計算機類專業的核心技能，也是工科專業的基礎實驗技能，具有很強的應用性、工程性、抽象性和更新快速等特點，容易出現實驗教學滯后于技術應用的現象[8]。MOOC的本質是一種在線教育模式，包括網絡環境、教學平臺、網絡課程、資源中心、應用服務、評價認證六大核心要素[9]。實驗教學MOOC化不是簡單地將傳統實驗搬到網絡上，而是六大核心要素的有機整合，從網絡到平臺，從課程到資源，從應用過程到考核評價，利用信息技術、網絡技術和多媒體技術，實現內外融通，虛實結合，開放共享，構建統一的實驗平臺。因此形成了程序設計開放實驗教學MOOC化的整體思路，提出了“資源+過程+考核”三位一體的開放實驗平臺構建模式。

(1) 實驗資源MOOC化。整合課程和資源，以MOOC理念對傳統實驗內容進行剖析和完善，引入教師科研、學生競賽、工程應用的成果，利用先進的信息技術和多媒體技術，化繁為簡，化整為零，化抽象為具體，重新設計實驗資源，創新開發虛擬實驗，構建高質量的適應MOOC環境的實驗教學資源庫。

(2) 實驗環節過程化。整合網絡、平臺和應用，加強實驗環節設計，注重平臺過程控制，遵循“問題拋出—交流互動—算法設計—編程實現—應用實踐”的實驗過程，突出抽象、晦澀實驗環節的虛擬化、形象化，體現知識獲取和技能掌握規律，實現松散耦合的實驗體系，突破內容、時間和空間的限制，做到開放式、個性化學習，培養學生的自主學習意識和創新實踐能力。

(3) 實驗考核能力化。實驗考核、實驗資源和實驗環節是一個有機整體，實驗考核能夠促進實驗資源優質化和實驗環節精細化。開放實驗平臺具有統一、開放、共享的特性，推行講授式、探究式、協作式等多種教學方式[10]，因此，必須以學生為中心，以能力考核為重點，建立一種靈活多變的實驗考核評價體系，真正體現學生的自主學習能力、團隊協作能力、工程實踐能力和研究創新能力。

3 程序設計開放實驗平臺的實現

基于在線教育六大核心要素的創新、發展和應用，將虛擬實驗資源、實驗平臺和實驗支持服務進行有機整合，實現集“資源管理+過程控制+考核評價”三位一體的統一、開放、共享的程序設計開放實驗平臺。

3.1 精品化資源管理

基于對MOOC資源特點的充分認識，融合程序設計實驗課程，進行碎片化、精細化處理，提煉知識點，重新設計實驗內容，應用多媒體技術和信息技術，提出了“1+2+3+4”的精品資源管理模式，構建了高品質、虛實結合的MOOC實驗教學資源庫，如圖1所示。

1個打破。打破程序設計課程界限，凝練程序設計知識點，以知識點為紐帶組織管理知識體系，降低知識耦合度，杜絕重復建設，實現實驗教學資源MOOC化建設。目前，依托“十二五”省級重點實驗教學示范中心建設，我們融合了包括《C語言程序設計》《數據結構》《算法設計》《網絡編程》在內的15門程序設計類課程，共提煉出134個知識點，為開展實驗教學資源MOOC化建設提供了良好的基礎。

2個結合。針對程序設計工程應用性強、更新速度快的特點，在設計實驗內容時，注重“與科學研究相結合、與工程實踐相結合”兩個結合并舉，確保實驗教學緊跟技術進步，提高實驗教學質量和效果。① 加強>教師科研、學生競賽成果轉化，制定了《嘉興學院公共基礎實驗中心自主開發實驗項目若干規定》等一系列鼓勵、支持制度，引導教師將科研項目化繁為簡，將國際計算機學會(ACM)程序設計競賽等學生競賽成果濃縮提煉，融入到實驗內容，確保實驗項目更新率。② 注重校際合作，加入浙江大學PAT考試聯盟，與全國52所高校共享程序設計實驗教學資源，參考借鑒、交流學習，提升實驗項目品質。③ 推進校企合作，與微軟(嘉興)技術中心等企業共享工程案例，構建實訓、實習綜合性資源庫，增強實驗項目工程應用性。

圖1 精品化資源管理

3類資源。剖析實驗教學具體解決方案，構建了3種類型的MOOC實驗教學資源。① 演示型純視頻類實驗資源。將程序設計核心概念等知識點，如數據類型、三種程序設計結構，制作成演示視頻，幫助學生較好地體驗、理解核心概念及其相互關系。② 抽象型虛實結合類實驗資源，針對晦澀難懂的核心算法，如最小生成樹、最短路徑，利用虛擬仿真技術形象化算法的實現過程[11]，幫助學生掌握、運用核心算法及設計思想。③ 硬件型遠程控制虛擬類實驗資源，強調網絡編程技術的應用，如Socket編程、TCP/IP協議，實現實驗數據和實驗儀器的共享及對實驗儀器的遠程控制[12]，幫助學生實踐、創新應用領域，提升工程實踐能力。

4個層次。實驗資源體現“基礎實驗、程序實踐、項目實訓、企業實習”4個層次的實驗內容，實驗教學注重“基礎、技術、應用、創新”4個層次的能力培養。基礎實驗檢驗基礎理論知識的掌握，注重夯實程序設計基礎能力；程序實踐注重算法設計思想的理解，突出加強算法綜合設計能力；項目實訓專注程序與專業的結合，強調實踐專業工程應用能力；企業實習旨在應用領域解決方案的創新，培養形成良好科學作風和研究創新能力。

3.2 智能化過程控制

基于對實驗過程重要性和MOOC對學習過程監管劣勢性的充分認識，遵循“真實性、合理性、精細性”三性原則實現了實驗過程的智能化控制。

(1) 真實性。為了確保在線開放實驗教學的真實有效，杜絕代替學習或在線掛機等現象，引入人臉識別技術，實現持續、有效地用戶身份認證[13]。首先，接軌校園信息化建設，依托電子照片提取學生人臉特征，構建人臉樣本特征數據庫；其次，利用HTML5等多媒體技術實現基于Web的人臉圖像在線檢測采集、特征提取和人臉識別；再次，根據預警控制策略，如果滿足條件則繼續實驗，否則加入黑名單并終止本次實驗。流程如圖2所示。

(2) 合理性。MOOC推薦自主性、開放式在線學習，為了確保學習過程的合理性，本文設計了“核心知識+關鍵技術”的節點控制方法，實現MOOC實驗教學的宏觀控制。例如，將指針和結構體知識點設置為控制節點，在學習棧和隊列知識點時，就會檢查用戶是否已經學習并通過控制節點的考核。這樣就可以保證學生在學習新知識時已具備相應的知識背景，符合人類知識認知規律和實驗技能掌握規律。

(3) 精細性。實驗過程數據是實驗考核評價的重要參考依據，是實驗技能掌握的評判標準，為了確保實驗過程數據的便利采集和實驗能力的分解體現，提出了精細性實驗環節設置，實現MOOC實驗過程的微觀控制[14]。例如，針對網絡應用編程，設置問題分析、交流互動、算法設計、算法實現和應用解決5個過程，實驗過程中注重階段數據采集與考核。

3.3 差異化實驗考核

基于對實驗考核能力化、學生背景差異化、實驗教學方式多樣化的充分認識[15]，構建了可配置的考核評價指標庫，設計了差異化考核評價方案，并利用云計算技術實現程序智能測評，較真實地反映了學生的科學創新和工程應用能力。

(1) 可配置的考核評價指標庫。程序設計具有很強的創新性和工程性，應以能力考核為重點。但是，不同背景、不同層次的實驗教學，如ACM競賽和工科基礎編程教學，其考核評價指標應有所不同。因此，分析實驗過程的各個考核評價節點，目前，設計了13個核心考核評價指標，并配置了4類考核評價方案，如圖3所示。教師可以動態添加新的考核指標，也可根據實際考核要求配置生成新的考核評價方案，實現靈活的差異化實驗考核。

(2) 基于云計算技術的智能測評。程序設計智能測評需要采用分布式系統架構，云計算技術可實現新型分布式計算應用，按需提供各種資源，包括網絡、存儲、服務器等，具有擴展方便、節省費用、便于部署和管理等優勢[16-17]。本實驗平臺以云計算技術為支撐，采用國內開放式云平臺部署開源的測評系統，按需構建分布式服務器池，提供存儲服務、計算服務和測評服務等，利用反向代理機制實現負載均衡，保證系統服務效率，實現程序智能測評。

4 程序設計開放實驗平臺的教學成效

經過近幾年程序設計開放實驗平臺的不斷建設，平臺已開設實驗課程15門，實驗室開放項目35項，擁有MOOC實驗教學資源215個，支撐程序設計類學科競賽2個，日均訪問量3 000余人次，已經取得了一定的教學成果。2014年和2015年獲得浙江省大學生程序設計競賽三等獎五項；2011年獲得“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽全國一等獎1項，省特等獎1項；2012年獲得“挑戰杯”中國大學生創業計劃競賽全國金獎1項，三等獎1項；2014年獲得浙江省電子商務競賽(技術類)一等獎1項；2015年獲得浙江省多媒體作品設計競賽一等獎1項。近3年，獲得國家級大學生創新創業訓練計劃項目4項，浙江省大學生科技創新活動計劃(新苗人才計劃)項目6項，獲得軟件著作權28項。

5 結 語

基于MOOC理念的程序設計開放實驗平臺不是簡單的傳統實驗網絡化，而是集資源管理、過程控制、考核評價于一體的開放共享的實驗教學平臺，是網絡、資源、學習、交流、評價、反饋的有機整合。實踐證明，該平臺有效地促進了學生對程序設計知識和算法核心思想的深層次理解，提升了學生的自主學習意識和創新實踐能力，同時，還促使教師不斷學習新技術，更新實驗資源，形成了學、評、教的良性循環。

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Construction of Open Experimental Platform of Programming Design Based on MOOC

XUXiaodong,WUJunqiang,LIUXiaojing

(College of Mathematics, Physies and Information Engineering, Jiaxing University, Jiaxing 314001, Zhejiang, China)

Facing on the problems in the promotion of MOOC of experimental teaching, by analyzing the features of programming experiment, the authors proposed the thoughts of holy trinity-resources, designed a platform to realize a unified, open, shared programming experiment. The platform takes “1+2+3+4” model in experimental resource management, follows "authenticity, rationalization, precision" principles in controlling experiment progress, applies cloud computing technology and configurable assessment scheme to realize the differentiation in experiment assessment. Practice has proved that the platform effectively deepened the students' understanding of knowledge, improved their creative and practical ability. At the same time, teachers were als encouraged to learn continuously. It promotes to form a virtuous circle in learning, evaluating and teaching.

massive open online course (MOOC); open experiment platform; experiment resources; cloud computing; differentiated assessment

2016-06-23

浙江省教育技術研究規劃課題(JB033)；浙江省高校實驗室工作研究項目(YB201609)；浙江省“十二五”省級重點實驗教學示范中心重點建設項目(浙教辦高教[2014]41號)；浙江省教育科學規劃課題(2016SCG045)；嘉興學院實驗技術重點教學改革項目(70115001)

許小東(1985-)，男，浙江東陽人，碩士，實驗師，嘉興學院計算機實驗中心(浙江省省級實驗教學示范中心)公共計算機實驗室主管。研究方向為計算機實驗技術研究與實驗教學。

Tel.:13511309443； E-mail: jx_xxd@aliyun.com

TP 391； G 642.0

A

1006-7167(2017)04-0157-04