實境與跟隨編程信息化技術在“互聯網+教學”中的應用

劉經緯，陳 瀅，李 嘉，張宇豪，閔昱瑤，李嘉欣，冀昊悅

（1.首都經濟貿易大學 信息學院，北京 100070；2.慧科教育集團，北京 100191）

0 引 言

“互聯網+”時代，創新創業教育蓬勃發展，新工科領銜的計算機編程教育得到廣泛普及和應用[1]，IT行業人才供不應求。如何應對高校學生就業質量低、教師科研教學精力不足、學校優秀師資資源緊缺、編程教學存在理論與實踐脫節、編程實踐缺失、編程能力難以評價等問題[2]，新型教育范式探討應運而生[3]。

1 問題描述

1.1 學生面臨的痛點問題

（1）不知所學課程的實用性。當今大多數學生上課只關心該課程最后的所得分數以及該課程是否對自己未來就業有直接的幫助，故學生上完課后不知所學課程的實用性在哪里。

（2）沒有掌握企業常用軟件，必要技能缺失。學生上課所學習到的內容都是一些基礎性的知識或老化的舊知識且缺乏實踐性，最新技術及編程語言都沒有接觸過。

（3）上課參與少、聽不懂、不敢提問、走神。課堂教學缺乏溝通反饋機制，導致學生邊聽課邊走神，甚至放棄聽課。

1.2 教師面臨的痛點問題

（1）上課前備新課沒有資源且精力不足。大學新課明顯增多，教師備課缺乏參考資料和案例，很難找到優質前沿的教學資源；同時，高校教師評職稱壓力過大，很多教師把更多精力投入自己的項目和課題中而忽視了真正關乎學生權益的授課。

（2）上課時缺乏調動學生學習積極性的手段。大學教師因缺乏企業工作經歷，講課內容落后無趣且與實際應用相脫節。

（3）考試期間出題、判卷工作量大。大學課程期末都需要任課教師自己出題閱卷，期末考試出AB卷且驗證內容需要花費大量時間，批改卷子工作量更是繁重。

1.3 學校面臨的痛點問題

（1）熱門專業建設和招生。可以承擔企業級項目開發教學的師資力量嚴重不足，導致高校難以開展熱門專業；一些學校由于知名度不夠，導致難以招收到高質量的生源。

（2）學生的學習、就業質量難以科學有效地控制。學生學習熱情缺乏，專業基礎知識不牢固，職業素養松懈落后，創新創造能力匱乏，自學能力和自我規劃能力極低，導致學習質量偏低；社會強需求技能課程很難及時開設，導致就業質量難以保證。

（3）教師的培養及教學質量難以科學有效地控制。學校缺乏對教師能力的培養及統一的量化管理制度，教師接觸不到企業的強需求及最新技術。

1.4 小 結

導致上述問題的本質原因是教學理念與教學范式的發展滯后于時代的發展，“互聯網+”時代（第三代教學范式），對傳統教學范式（第一代）和以慕課和翻轉課堂為特征的教學范式（第二代）提出了挑戰。

（1）第一代傳統課程范式指以傳統的手段授課，此種教學方式最大問題是導致學生厭學。

（2）第二代慕課、翻轉課堂范式沒有規模限制，但很多課程還沒有學分認證。學生線下學習缺乏自主性，線下學習過程失控，教師無法做到統一管理。

基于以上高校教育教學中現存的痛點問題及原因，我們提出了第三代實境編程、跟隨編程的教育教學改革教學范式，是集教、學、練、測、評于一體的“互聯網+教育教學”系統。

2 解決方案

實境編程基于雙向代碼互動輕視頻技術開發，包括新課備課系統、跟隨授課系統、實境自學作業考試系統，以解決高校編程教學目前存在的理論與實踐脫節、編程實踐缺失、編程能力難以評價等問題，大幅度降低了教師工作量，對于推動高校計算機教學模式創新有著重要的促進作用。

對于編程類教學，學生的參與感體驗尤為重要，實境編程教學系統自帶編程實踐環境，為學生打造全新的實境編程學習體驗。實境編程教學系統打破了傳統的視頻單向輸出的慣有模式，重點增加交互、即時反饋等功能，學生可以在具有雙向互動特性的“輕視頻”上進行二次編輯代碼，實現即學即練。

相較于傳統的編程只給出編程結果、缺少完成過程的傳統教育模式，實境編程提供面向過程的側重傳遞編程思維、邏輯可視化的教學方式，幫助學生追根溯源，了解整個編程的脈絡，形成自己的編程思維。

2.1 實境編程備課系統

實境編程教學系統提供了大量已錄制好的課程體系，各類各樣的新課熱課視頻示范性課程，教師備課只需模仿課程庫中的示范視頻課程的講解，無需自己苦思備課，大大減輕了教師備課的壓力。

同時實境編程備課系統擁有便捷的在線編程課程制作功能，教師上課無需攜帶課件，可利用分享和協作工具來進行教學活動設計和教學過程管理，通過創建章節及詳情、錄制代碼編寫過程、添加語音講解3個步驟完成在線編程課程制作，提高教學效率。

2.2 跟隨編程授課系統

跟隨編程授課系統支持學生隨著教師的代碼講解進行操作練習。此系統分為學生端與教師端，在教師端，系統提供相應課程的課件、編程參考代碼及運行結果供教師參考。

在學生端，系統提供左右兩個板塊。左端上下部分分別為教師敲寫代碼的過程呈現及運行結果預覽。右端上下部分分別為學生自己敲寫代碼的編輯器及運行結果的預覽呈現。

在講課過程中教師在教師端敲寫代碼，學生的手機、平板、電腦同步顯示并隨之敲寫。由此，在實際的編程過程中，教師講解了代碼的編寫邏輯、技巧以及基礎的語法、概念。學生實時跟隨教師的講解輸入代碼編寫程序，縮短了學習過程，學生少有掉隊和走神。同時學生實時背靠背無顧忌提問題，教師可以快速掌握學生對課上內容的接受情況。

2.3 實境編程自學系統

實境編程自學系統提供了教師提前錄制好的視頻課程。此視頻課程包含了教師輸入代碼的全過程及相應語音講解，學生在學習過程中可以隨時暫停視頻，直接在視頻課程上進行代碼的改寫及編譯測試，測試完畢后再次開啟視頻，系統可以自動清空學生編寫的代碼，繼續播放教師的視頻編碼課程。

此系統可以實現讓優秀的學生超前學習、基礎薄弱的學生反復學習，極大地提高了學生編寫代碼的熟練度。

2.4 實境編程作業與上機系統

實境編程作業與上機系統擁有得天獨厚的交互式作業批改模式，不僅客觀題，編程題也可以實現在線自動測評，通過測試用例檢測學生編程過程。

學生寫作業敲代碼的全過程可以全部記錄和錄音，以此規避了學生作弊抄襲的行為。學生寫完作業后，系統便可通過即答即現的方式，自動判分出分，讓學生迅速收到反饋信息。學生同時也可以通過該系統不斷地刷分，以此激勵學生反復練習，以期提高學生編寫代碼的熟練度，掌握更多編程知識。

同時該系統也方便教師以語音、文字等方式進行即時批改和輔導。每種行為都會產生和教學相關的數據，形成多樣化的教學流數據。讓教師更精準把握教學節奏和教學評估，智慧地指導學生的學習行為，提升其學習效率和精準度。

2.5 實境編程考試系統

實境編程考試系統在考試時可以自動出試卷，使考試前無需再進行環境的部署，系統自動的時間測控也保證了學生們在考試時間上的公平性。考試系統具備反作弊功能，記錄了學生編程的全過程和語音。考完試后考試系統又可以進行自動判分，同時也可以模糊判分，即學生編程結果不對系統也會根據題目的要點去鎖定學生所寫代碼的過程，給出合理恰當的分數。

3 實境編程教學系統特點與優勢

實境編程教學系統有兩個特色：第一是實現實時教學同步，即通過信息實時同步的技術，把教師輸入的代碼實時傳遞到學生的客戶端，同時學生敲的代碼也可以傳遞給教師，這樣的一個雙向同步，就像進行編程的實時直播。第二是能夠在遠程云端編譯、運行，然后再返回到主機上。即本機上可以不安裝任何軟件或工具，只要一個瀏覽器就可以運行任何代碼。

首先，提升了教師備課和授課的效率。一方面，教師不僅可以把上課需要講授的代碼提前敲入系統中做備份，減少課堂上的調試環節，還可以上傳PPT、教案來共享教學成果，讓優秀的教學方案被更多教師看到、使用。另一方面，在日常授課中，教師也可以通過如下兩方面提升教學效率和質量。第一，師生互動變得更加簡潔、有效。當教師需要了解學生對某一知識點的掌握情況或教學成果尋求反饋時，可以直接從自己的主機上向學生發送調查題目或問卷，學生端即時接收到后可以將結果即刻返送回教師端的主機上；除此之外，當學生遇到困難，需要向教師尋求幫助的時候，可以直接在自己的屏幕上點擊按鈕，教師在自己的主機上接收到學生的請求幫助后，可以從云端直接把學生的問題同步到主機上進行調試和解答，無需來回走動解答學生的問題，這樣不僅能夠減少教師頻繁穿梭在學生之間花費的時間，還可以利用在自己主機上展示問題的便利，讓遇到同種類型問題的同學能夠同步學習，提升溝通和教學效率。第二，教師能夠便捷地獲取更多的教學反饋數據，為教學研究積累豐富的素材。教師可以通過系統的設置，收集學生對某一個知識點或者問題的反饋，來查看學生對所學內容的掌握程度，并通過數據的積累和沉淀，最終實現信息化教學和資源的最優化配置。

其次，學生在一個電腦屏幕中一邊學習教師講授的內容，一邊自己進行實踐操作，省去頻繁抬頭、低頭的中斷性動作，實現更加流暢的編程學習，在有限的45分鐘課堂上提升學習效率，更有利于牢固地掌握知識點，實現理論和實踐無縫銜接，進一步提高自身的實踐能力。

4 應用與實踐

第三代教育教學改革教學范式（實境編程教學系統）已在首都經濟貿易大學的編程課堂上展開了應用。“跟隨式實境編程教學法”能夠在課堂上實現教師與學生“教與學”“傳授與吸收”的同步運行，對學生學習效果的反饋和實踐能力的提升有“看得見”的效果。信息學院2015級本科同學表示：“我們在課上要動手操作，緊跟教師的學習進度，還要忙著搶答問題，一堂課過得很快，根本顧不上低頭看手機。”

教師在課堂上采用“實踐導向教學范式”，通過教給學生實用的知識和技能，來調動學生的學習積極性，檢驗學生的學習效果。信息學院2017級研究生同學表示：“在教師發布任務時，我有一種參加比賽的感覺，不僅會用到課上剛學的知識，還要記住以前課上學過的代碼，做出來之后真的很有成就感。”

班上有實習經驗的同學也紛紛表示課堂上的知識非常實用。在教師的教學計劃中，對學生的考核貫穿課堂始終，課堂搶答、課后作品都計入成績，整個考評環節串聯起所有課程點，以過程性、激勵性評價取代一定的考試成績。我們可以發現，“跟隨式實境編程教學法”能夠大大提升教學效果和效率，使教、學、測、評成為一個閉環。

不僅如此，教師還可以在系統里上傳PPT、教案來共享教學成果，讓優秀的教學方案被更多教師看到、使用。這極大地減輕了教師的備課負擔，使他們能將更多精力投入課堂互動、教學改革和科研項目等工作中。目前，信息學院已經開始組織教師試聽并論證這種方法的可行性，院方表示：“學院設立了許多獎項激勵教師創新教學方法，也希望教師能夠共享優秀的教學資料，實現資源的優化配置。”從學校的角度看，分享優秀教師的教學方案，也可以在一定程度上保證教學效果。

“互聯網+”時代，實境編程教學理念和系統針對高校教育過程中真實的痛點問題，整合課程、平臺、制課等服務，將互聯網技術與高校現有教育體系不斷融合，深度挖掘互聯網時代信息技術，為教育注入新的思路，為教學中教師教學、學生學習、學校提升教育質量提供了一套工作量低、全過程可監控、質量有保證的解決方案。