基于云課堂及OJ系統(tǒng)的編程語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐

東北大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 國(guó)家級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 侯 帥 張立立

針對(duì)高校傳統(tǒng)編程語(yǔ)言類實(shí)驗(yàn)課程提出了一種新型教學(xué)模式的改革方案。通過實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和教學(xué)形式變革兩個(gè)方向，將云課堂技術(shù)和OJ系統(tǒng)引入到編程實(shí)驗(yàn)課程中。在實(shí)踐中打造出可以靈活部署，高效維護(hù)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，集高強(qiáng)度訓(xùn)練，高效管理，科學(xué)測(cè)評(píng)于一體的教學(xué)模式，對(duì)編程語(yǔ)言類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有很好的啟發(fā)意義。

各類計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言課是大學(xué)本科計(jì)算機(jī)教學(xué)體系的重要組成部分，是學(xué)生深入了解計(jì)算機(jī)科學(xué)，掌握專業(yè)技能的重要基礎(chǔ)。當(dāng)前，傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言類課程采用課堂學(xué)習(xí)語(yǔ)法理論與實(shí)驗(yàn)課編程練習(xí)相結(jié)合的形式。該形式在教師實(shí)驗(yàn)授課效果及學(xué)生學(xué)習(xí)效果兩個(gè)方面都有不足之處。

首先，專注與興趣是各種編程語(yǔ)言學(xué)習(xí)的關(guān)鍵，進(jìn)行大量的針對(duì)性練習(xí)是熟練掌握編程語(yǔ)言的必要途徑。由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間和學(xué)生人數(shù)規(guī)模等因素，實(shí)驗(yàn)課上規(guī)定題目的練習(xí)方式所取得的教學(xué)效果有限。因此，引入更具互動(dòng)性的教學(xué)模式，更為客觀的評(píng)價(jià)體系，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性是教學(xué)改革探索的重要方向。其次，在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)硬件教學(xué)環(huán)境下，各類編譯軟件、教學(xué)軟件都需要安裝在同一終端下，不同軟件的版本管理，更新維護(hù)，功能使用都受到單一主機(jī)終端性能的限制，同時(shí)這也是改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的環(huán)境制約因素。

針對(duì)以上痛點(diǎn)問題，我們引入云課堂技術(shù)突破硬件環(huán)境性能瓶頸，在此基礎(chǔ)上，以O(shè)J系統(tǒng)為平臺(tái)革新教學(xué)形式。在實(shí)踐中取得了良好的效果。

1 云課堂系統(tǒng)建設(shè)

工欲善其事必先利其器，OJ系統(tǒng)下的教學(xué)改革需要先進(jìn)的信息化技術(shù)及一定的硬件性能作為支撐才能實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中心引入了完整的云課堂解決方案，對(duì)專門的教學(xué)場(chǎng)地進(jìn)行改造升級(jí)。采用多服務(wù)器負(fù)載均衡的向?qū)嶓w終端推送虛擬教學(xué)環(huán)境的架構(gòu)。建設(shè)成了集虛擬化終端，云端數(shù)據(jù)管理、師生高效互動(dòng)于一體的云課堂教室。

1.1 虛擬化的終端

云課堂系統(tǒng)徹底解決了單一實(shí)體主機(jī)在高校計(jì)算機(jī)教學(xué)中維護(hù)困難，更新管理不便的難題。教師可以將計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)及應(yīng)用環(huán)境整理成鏡像，上傳到云課堂系統(tǒng)統(tǒng)一管理。如圖1所示。

圖1 云課堂鏡像管理

云端服務(wù)器具有管理，更改保存教學(xué)環(huán)境的功能，教師可以將不同科目的上課內(nèi)容配置成不同鏡像，在上課前將相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容臨時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到學(xué)生端進(jìn)行教學(xué)。同時(shí)可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容自由配置學(xué)生虛擬終端性能，充分合理的利用設(shè)備資源，使每門計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)課程在共享同一組實(shí)體硬件的同時(shí)，在軟件空間上相互隔離，獲得最為高效的運(yùn)行環(huán)境，保證多重教學(xué)任務(wù)順利進(jìn)行。

1.2 內(nèi)容管理

云課堂系統(tǒng)具有強(qiáng)大的內(nèi)容管理功能，教師可以將所有的需要與學(xué)生共享的教學(xué)課件，教學(xué)資料視頻等上傳到云課堂中。學(xué)生可以實(shí)時(shí)獲得這些共享資源，積極進(jìn)行課前預(yù)習(xí)及課后回顧，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)創(chuàng)造了便利的條件。云課堂系統(tǒng)也在服務(wù)器端為學(xué)生提供了個(gè)人存儲(chǔ)空間，方便學(xué)生將個(gè)人學(xué)習(xí)成果，作業(yè)及問題及時(shí)上傳讓老師查看批改，及時(shí)的得到教師的反饋，極大的提升了師生間的互動(dòng)溝通效率。

1.3 系統(tǒng)管理

在服務(wù)端，云課堂系統(tǒng)可以通過web方便的對(duì)服務(wù)器情況進(jìn)行監(jiān)控管理，方便的進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)，性能配置，并且可以部署新的web應(yīng)用服務(wù)，具有很好的擴(kuò)展性。在此次教學(xué)改革中，OJ系統(tǒng)就被上傳部署在該服務(wù)器中。在教師端也集成了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)課堂工具，可以統(tǒng)一查看學(xué)生終端內(nèi)容，實(shí)時(shí)了解學(xué)生上課情況，方便的管理所有終端，如圖2所示。

圖2 云課堂教學(xué)管理工具

云課堂系統(tǒng)的建設(shè)為OJ系統(tǒng)下的教學(xué)改革奠定了堅(jiān)實(shí)的環(huán)境基礎(chǔ)，其高效的信息化管理模式也極大的提升了教學(xué)實(shí)驗(yàn)室軟件、硬件管理維護(hù)效率，減小了各類軟件的沖突域。為在有限教學(xué)環(huán)境限資源下進(jìn)一步擴(kuò)展高級(jí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容創(chuàng)造了條件。

2 OJ系統(tǒng)下的編程語(yǔ)言課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)

OJ（Online Judge）系統(tǒng)是一種在線評(píng)判源碼的系統(tǒng)。學(xué)生根據(jù)題目提交各種類型的源碼（C語(yǔ)言、JAVA、C++等）。OJ系統(tǒng)編譯執(zhí)行提交代碼，根據(jù)事先給定的樣本輸入輸出判定代碼功能是否正確。同時(shí)還可以捕捉程序執(zhí)行時(shí)間，規(guī)定內(nèi)存使用限制。可以在無(wú)需人工干預(yù)的情況下返回評(píng)判結(jié)果。是各種國(guó)內(nèi)外程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽的環(huán)境平臺(tái)。此次課程改革在東北大學(xué)自主研發(fā)的OJ系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以C語(yǔ)言課程為先導(dǎo)，開展了及題庫(kù)建設(shè)，課程規(guī)劃，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，測(cè)評(píng)考試于一體的實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)探索工作。

2.1 NEUOJ系統(tǒng)功能

基礎(chǔ)功能方面，學(xué)生注冊(cè)后可通過NEUOJ系統(tǒng)的題庫(kù)選擇問題提交源碼進(jìn)行解答，在status中查看解題狀態(tài)。通過設(shè)定題目答案的判定條件，執(zhí)行時(shí)間，消耗內(nèi)存大小等，可以從各個(gè)角度考察學(xué)生的代碼質(zhì)量，擴(kuò)展學(xué)生的編程思維方式。編程效果的及時(shí)反饋也極大的提升了互動(dòng)性。激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)及思考問題的熱情。系統(tǒng)功能方面提供所有學(xué)生在線活動(dòng)及答題情況統(tǒng)計(jì)，收集保存學(xué)生提交的代碼，同時(shí)開放互動(dòng)論壇方便學(xué)生交流互動(dòng)。在教師端提供維護(hù)題庫(kù)題目，建立測(cè)評(píng)考試，實(shí)時(shí)反饋成績(jī)，建立訓(xùn)練題庫(kù)等功能。整個(gè)系統(tǒng)的功能需求定位準(zhǔn)確，扎實(shí)有效。為開展教學(xué)改革奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在題庫(kù)建設(shè)方面，為了給學(xué)生更為廣闊的訓(xùn)練空間，更為合理的訓(xùn)練內(nèi)容，此次課程改革的訓(xùn)練內(nèi)容對(duì)接了OJ原有的競(jìng)賽訓(xùn)練題庫(kù)，充分保證了學(xué)生發(fā)展的上限空間。同時(shí)為了保證學(xué)生循序漸進(jìn)的接受新知識(shí)，中心實(shí)驗(yàn)教師從國(guó)內(nèi)外C語(yǔ)言教材中精選習(xí)題，又新加入了百余道難度適宜，覆蓋各類知識(shí)點(diǎn)的新練習(xí)題。每道習(xí)題經(jīng)過錄入，編寫結(jié)果樣例，測(cè)試題目運(yùn)行情況后加入題庫(kù)，保證學(xué)生正常練習(xí)。

2.2 課程規(guī)劃設(shè)計(jì)

中心實(shí)驗(yàn)教師以O(shè)J軟件功能平臺(tái)及云課堂硬件系統(tǒng)的為依托，以開放自主學(xué)習(xí)，實(shí)踐為主的理念為指導(dǎo)，對(duì)原有的布置習(xí)題，講解，驗(yàn)收的單一實(shí)驗(yàn)課程模式進(jìn)行變革，將4次16學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課規(guī)劃成編程環(huán)境指導(dǎo)，在線練習(xí)答疑，考試測(cè)評(píng)于一體的三段式教學(xué)模式。

由于新的教學(xué)模式極大的提升了教學(xué)效率，解放了教師統(tǒng)一驗(yàn)收，講解題目的教學(xué)時(shí)間。為了更好的利用現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)機(jī)會(huì)，突出實(shí)驗(yàn)課的應(yīng)用性特色。在實(shí)驗(yàn)的第一課引入了新的教學(xué)內(nèi)容，突出強(qiáng)調(diào)了原有的實(shí)驗(yàn)環(huán)境引導(dǎo)介紹部分。具體包括介紹課堂當(dāng)前講授的編程語(yǔ)言對(duì)比其它編程語(yǔ)言的特點(diǎn)，解釋源代碼經(jīng)過預(yù)編譯，生成目標(biāo)文件，鏈接，可執(zhí)行的整個(gè)過程。查看整個(gè)過程中生成的各種文件。介紹各類編譯器VS，CodeBlock等的簡(jiǎn)單使用，查看工程，講解一些編譯軟件的整體設(shè)置等。組織具體案例講解如何編譯程序，通過設(shè)置斷點(diǎn)，查看變量等方式調(diào)試程序的Bug。向?qū)W生介紹簡(jiǎn)單其它的編譯環(huán)境，如linux環(huán)境下的 gcc工具等。通過更為集中詳盡的講解讓學(xué)生熟悉編程環(huán)境，了解程序編譯的基本原理。為后續(xù)編寫運(yùn)行程序掃清一定的工具使用障礙。

新模式的日常教學(xué)以完成題庫(kù)題目為主，在學(xué)期上課前，以本學(xué)期理論課知識(shí)點(diǎn)為線索精選題目建立基本訓(xùn)練集。由于OJ系統(tǒng)全天開放，學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)就可以擺脫空間束縛，從課堂延伸到課下，學(xué)習(xí)進(jìn)度完全自主決定。在第二次，第三次實(shí)驗(yàn)課現(xiàn)場(chǎng)采用以學(xué)生為主，教師輔助答疑的模式。進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣。

相較與以往每節(jié)課驗(yàn)收學(xué)生完成固定題目代碼的方式，配套的新的成績(jī)?cè)u(píng)定考核標(biāo)準(zhǔn)可以更加客觀準(zhǔn)確的從平時(shí)表現(xiàn)和編程水平兩個(gè)維度評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。學(xué)生的成績(jī)由3部分構(gòu)成，基礎(chǔ)作業(yè)的完成情況30%，題庫(kù)中額外練習(xí)情況20%，結(jié)課測(cè)試50%。通過統(tǒng)計(jì)每位學(xué)生提交代碼的錯(cuò)誤率，題目完成情況，可以準(zhǔn)確量化學(xué)生平時(shí)表現(xiàn)分?jǐn)?shù)。最終的考試由OJ系統(tǒng)生成，如圖3所示。

圖3 OJ編程考試

NEUOJ系統(tǒng)可以在線生成考試，經(jīng)過便捷的設(shè)置可以準(zhǔn)確批量導(dǎo)入學(xué)生信息，設(shè)定考試開放權(quán)限。考試題目來(lái)源可以選定題庫(kù)中已有的題目，也可以臨時(shí)設(shè)置題目。在實(shí)際使用中，如果場(chǎng)地規(guī)模受限，可隨機(jī)抽調(diào)生成多組題目作為考試備選。考試過程中，OJ系統(tǒng)可實(shí)時(shí)判定學(xué)生上傳的代碼，監(jiān)控考試進(jìn)度，生成導(dǎo)出學(xué)生成績(jī)排名，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模編程考試的自動(dòng)化評(píng)判。

2.3 教學(xué)實(shí)施情況

本次教學(xué)改革在2017級(jí)計(jì)算機(jī)專業(yè)，電子專業(yè)共13個(gè)班，400余學(xué)生中開展。取得了一些寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

OJ系統(tǒng)可以及時(shí)直觀的反饋所有學(xué)生平時(shí)的學(xué)習(xí)狀態(tài)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)記錄學(xué)生完成課內(nèi)課外題目數(shù)量，每個(gè)題目代碼的提交次數(shù)，代碼的執(zhí)行時(shí)間，消耗的內(nèi)存等。如圖4所示。

圖4 學(xué)生平時(shí)編程情況統(tǒng)計(jì)

這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)使得教師可以從多個(gè)維度側(cè)面獲取學(xué)生編程基礎(chǔ)，練習(xí)代碼量，學(xué)習(xí)主動(dòng)性，編程習(xí)慣等信息。掃清了過去但難易統(tǒng)計(jì)，但對(duì)評(píng)價(jià)學(xué)生非常重要的數(shù)據(jù)盲區(qū)。老師通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以在大量學(xué)生中快速定位到完成情況不佳的學(xué)生，詢問他們的實(shí)際情況，及時(shí)提供幫助。切實(shí)通過技術(shù)手段調(diào)動(dòng)有限的教學(xué)資源高效分配，提升教學(xué)效果。

相較于傳統(tǒng)的教學(xué)方式，開放題庫(kù)的練習(xí)模式極大的提升了學(xué)生的編程能力，取得了很好的教學(xué)效果。首先，代碼訓(xùn)練量顯著增加。由于OJ系統(tǒng)可以自動(dòng)實(shí)時(shí)判定代碼提交結(jié)果，可以一定程度上不受師資人數(shù)制約達(dá)到及時(shí)反饋指導(dǎo)的效果，本次教學(xué)改革中事先編制的入門題目數(shù)量較往年提升了一倍。在完成基礎(chǔ)的規(guī)定題目熟悉語(yǔ)法之后，學(xué)生可以自由嘗試題庫(kù)中的題目，給予其自由發(fā)揮的空間。評(píng)分政策上，基于OJ系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于完成額外題目的學(xué)生給予獎(jiǎng)勵(lì)。在環(huán)境條件與評(píng)分政策的雙重引導(dǎo)下，本學(xué)期有50%以上的同學(xué)不同程度的參與完成題庫(kù)內(nèi)外擴(kuò)展題目。

在這種及時(shí)反饋與闖關(guān)形式的激勵(lì)下，學(xué)生的自我學(xué)習(xí)熱情被極大的調(diào)動(dòng)起來(lái)，在平時(shí)的指導(dǎo)過程中。這些初次接觸編程的學(xué)生經(jīng)過短時(shí)間的練習(xí)之后可以主動(dòng)提出很多有關(guān)程序執(zhí)行時(shí)間、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使用等有關(guān)算法的更深入的問題，也嘗試通過查詢資料自行尋找解決方案。為他們后續(xù)的進(jìn)階學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

而在OJ在線評(píng)測(cè)的教學(xué)環(huán)境下，教師所面對(duì)的問題將不再局限與課堂上的內(nèi)容，課堂上學(xué)生對(duì)于算法，底層語(yǔ)言等各種開放性問題明顯增多。老師需要在學(xué)生基礎(chǔ)薄弱的情況下，盡量將所涉及到的知識(shí)概念用直觀的方式解釋清楚。對(duì)實(shí)驗(yàn)教師的教學(xué)水平提出了更高的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本次教學(xué)改革從硬件云環(huán)境的部署做起，通過將OJ系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊密結(jié)合，使得實(shí)驗(yàn)教師從重復(fù)性的機(jī)械性工作內(nèi)容中解放出來(lái)，充分利用有限的學(xué)時(shí)提升教學(xué)內(nèi)容的質(zhì)量。學(xué)生在多元化形式的教學(xué)及評(píng)價(jià)體系中，自我學(xué)習(xí)的能動(dòng)性極大增強(qiáng)，教學(xué)效果得到了全面提升。

而本次實(shí)踐另一點(diǎn)重要的意義在于，教學(xué)環(huán)境的虛擬化與學(xué)生統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的信息化所形成的大數(shù)據(jù)為未來(lái)課程改革中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)而做出科學(xué)決策奠定了基礎(chǔ)。例如通過統(tǒng)計(jì)題型的通過率更為精確的掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn)，通過學(xué)生的反饋數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，繪制學(xué)習(xí)曲線。隨著系統(tǒng)開放訪問范圍的增大，更多教學(xué)數(shù)據(jù)會(huì)快速積累，借助云平臺(tái)優(yōu)勢(shì)可以將現(xiàn)有的大數(shù)據(jù)科學(xué)分析方法引入到實(shí)踐教學(xué)中，幫助挖掘潛在問題，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課程持續(xù)迭代改進(jìn)。以云平臺(tái)和OJ系統(tǒng)為基礎(chǔ)的課程改革解決方案可以便捷的推廣到其它編程語(yǔ)言類教學(xué)課程中，在多次實(shí)踐中通過數(shù)據(jù)分析編程語(yǔ)言的教學(xué)特點(diǎn)，定位存在的問題，幫助實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量整體提高。