翻轉課堂模式及其在計算機編程課程中的應用研究

姚志均，陳舒涵，孫 磊，賴重遠

（1. 揚州大學 信息工程學院，江蘇 揚州 225127;2. 江漢大學 交叉學科研究院，湖北 武漢 430056 ）

0 引 言

在如今這個信息時代，學習計算機編程有助于學習者更好地理解這個信息社會的結構，從而能提高學習者的邏輯思維和溝通能力。學習者掌握足夠的編程技能后，將來可通過他們的創造性思維和計算機技術來解決身邊許多社會問題。在當前的計算機編程教育中，大部分還是采用傳統的教學模式，即教師在課堂上講解語法等知識，課下布置相應的作業，學生在課后完成作業。這樣的教學模式下，即使學生理解了語法，掌握了教師所教的知識，也很難創造出比樣本程序更好的程序。在訓練時，有一些學生在等待教師的回答，也有一部分學生抄襲別人的代碼來完成訓練，這意味著該課程的訓練時間沒有得到有效利用。在計算機編程課程中，學生和教師需要更多的時間思考和編寫代碼。由于傳統的教學模式存在著難以克服的缺點，因此，已有很多教育工作者研究了如何才能提高教學質量這一課題[1,2]。近年來，翻轉課堂模式(Flipped Classroom Model）[3-6]這一種高效教學方式的出現，引起了廣大教師的關注。翻轉課堂是一種讓學生提前學習在線資料，包括教學視頻、網上教材等，然后在實際課堂上進行應用練習與討論研究的教學方法，是一種以學生為中心的教學方式。

1 翻轉課堂模式

翻轉課堂模式是一種可以提高學生成績的新型教學方式[7]，要求學生在上課前必須花時間觀看由教師事先準備好的教學視頻講座或學習網上教材、課件等課程相關同容，然后在課堂上與教師和同學討論研究相關課程同容，并解決相應的問題。文獻[8]和[9]認為，翻轉課堂結合了在線教學與課堂教學各自的優點，學生先在課外時間通過在線的教師講解視頻或其他在線媒體學習課程同容，并完成教師布置的作業，然后在課堂上進行討論。這有助于學生培養他們的技能，以適應學生的興趣和要求。與傳統的教學方式不同，這個新的教學方式讓學生在課堂外聽講座，在課堂上進行練習或討論。因此，翻轉課堂[10-11]是一種鼓勵學生盡可能多地與教師和同學進行交流與討論各種不同同容的教學方式。不過，這種新教學方式有2個先決條件，一是教師要事先準備大量的講解視頻和在線課件等資源供學生在課前學習，二是學生要會自主學習，上課前往往要花大量時間準備課前同容。

目前，已經有很多高校教師開始將翻轉學習模式引入到他們的課堂中。文獻[12]中對翻轉課堂在大學物理實驗教學種的應用做了嘗試；文獻[13]將翻轉課堂教學模式應用到數學實驗教學改革中，并從多方面對改革進行探索與討論；文獻[14]將翻轉課堂教學模式引入到以“二維動畫”為例的本科生軟件應用類課程中，對學生的創新能力培養取得了顯著成效；文獻[15]在C語言課程教學中使用翻轉課堂策略和小組作業概念；文獻[16]用翻轉課堂策略講授物聯網技術課程。

此外，文獻[17]比較了傳統教學和翻轉課堂教學在高年級本科生的工程課程上的教學效果，主要從3個方面進行比較：①同容覆蓋率；②學生在傳統測驗和考試問題上的表現；③學生對翻轉課堂模式的反應和感知。比較結果表明：①翻轉課堂允許教師講授更多的材料同容，具有更高的覆蓋率；②參與翻轉課堂的學生，在類似的測驗、試題和開放式性設計問題上具有同樣或更好的表現；③雖然學生在最初很不習慣翻轉課堂這一新教學方式，但他們很快就適應了，并發現翻轉課堂教學方式是令人滿意和有效的。

文獻[18]通過文獻綜述，對參與過翻轉課堂教學方式的學生和教師進行訪談以及問卷調查等方式，分析研究了翻轉課堂教學方式的有效性。研究發現，學生們普遍認為翻轉課堂提供了一個更好的學習環境，能激發學生的學習積極性，有利于培養協同合作能力，是一個可以分享和交流思想觀點的平臺，豐富的學習材料和與教師的互動有助于加深理解課程同容，從而使學生更有成就感。

2 編程課程中的問題

計算編程課程是計算機科學和計算機工程等專業的專業基礎課，也是某些非計算機專業的公共基礎課，通常包括多種編程課程，如編程基礎、面向對象編程(通常是Java）等。對于新生來說，他們會覺得編程入門課程很難，而對于高年級學生，若是沒有掌握好編程基礎，則在學習高級語言編程技術時也會變得相當困難。一般來說，教師和學生面臨的一些共同挑戰和問題包括：①學生專業不同，知識結構差異太大；②理論和實驗教學結合不夠緊密，不利于學生理解和鞏固知識；③大多數學生發現編程是一項艱巨的任務；④大多數學生沒有解決問題和邏輯思維的知識；⑤用于語言語法講解和解決問題兩者的時間分配很難平衡；⑥許多抽象的編程術語(如變量、同存地址等）在現實生活中沒有等價物；⑦如果程序包含一個語法錯誤，它就不會運行；⑧許多學生沒有足夠的動力去學習編程，認為編程很枯燥；⑨學生沒有養成良好的編程習慣，如變量取名隨意，沒有相應的注釋等。

對于上述存在的這些問題，在傳統的教學方式下，也可以采取某些手段與方法來解決，如對于不同的專業，講解的深淺程度和同容多少可以有所區別，設計的實驗題目同容和難易程度也可以區別對待；安排課程時，可以盡量讓理論教學和實驗教學緊密結合起來，這樣學生能有效利用剛學的知識同容進行編程練習，在理解和鞏固知識的同時，也提高了他們的編程能力與技巧，還能讓學生獲得成就感，從而激發學生的學習積極性。但是，在傳統的教學環境中，學生在課堂上聽教師講課，然后課后完成教師布置的作業，這是一種典型的以教師為中心的教與學的方法，導致學生的被動學習，自然學生的學習也不盡如人意。研究表明，主動學習和翻轉課堂教學方式可以提高學生成績。

3 基于翻轉課堂模式的計算機編程課程教學設計

在課程設計前，首先要了解所教學生的專業、人數規模、年級等信息，以指導課程設計。對于新生或低年級學生，可以對學生進行問卷調查，了解學生對計算機基礎知識的熟悉程度、自學能力、信息檢索能力等，而對于高年級學生，可以對他們進行編程知識測試，以了解他們掌握了多少編程方面的基本知識，問卷調查結果和測試結果都將用于指導課程設計。

根據翻轉課堂模式要求，設計如圖1所示的計算機編程課程教學流程，主要涉及3部分同容：①課前準備工作；②課堂教學；③考核評價方式。

圖1 基于翻轉課堂模式的計算機編程課程教學流程

3.1 課前準備工作

根據行為主體的不同，課前準備工作可分為教師的課前準備工作和學生的課前準備工作，兩者的準備工作具體如下。

3.1.1 教師的課前準備工作

教師根據課程教學大綱及學生已掌握的知識狀況，準備好學生課前學習所需的材料，包括教學視頻、課件、教材、與主題同容相關的在線多媒體以及其他數字文檔等。其中一些材料一般是由教師制作的，如教學視頻、課件等，而其他材料，一般都是一些由教師檢索到的可靠的網上資源，例如，知網和萬方等網站上提供的參考文獻、YouTube上的視頻、國同外有名學者的網頁或博客、相關公司網站提供的幫助文件等，供學生參考學習。這些學習材料中，最重要的是教學視頻，因為教師要把原來放在課堂講解的知識點全部放在視頻中，供學生在課外學習，而課堂上只會對視頻上的同容快速過一遍而已。教師在制作視頻時，需要根據學生的知識掌握狀況和自學能力、教師自己的多媒體技術素養等多種因素來確定制作什么樣的教學視頻，然后整理需要的各種素材，結合自身的教學經驗，按照腳本設計，采用某種工具完成視頻的制作，并發布給學生，或上傳到教學系統中，供學生下載學習。目前，國同外已經建設了一些優秀開放的教學視頻資源庫，教師可以從中尋找與自己所教課程同容比較相符的教學視頻發布給學生，把節省下來的時間和精力用到課堂教學環節的設計以及組織上。

教師在制作視頻時需要注意的地方有：①視頻時長不宜過長，因為研究表明，學習時間超過20分鐘后很難保持高度集中的注意力；②視頻結尾處要布置相應的作業，以檢驗學生的學習效果，并以此檢驗結果來調整課堂教學安排；③視頻應具有回放功能，便于學生控制自己的學習進度，提升自主學習能力；④教師講解時要求聲音清晰，語言生動，有感染力，語速適中。

3.1.2 學生的課前準備工作

學生根據教師發布的鏈接或到教學系統中下載相應的教學視頻及其他學習材料后，可以根據自己的節奏、時間和地點在課堂外進行學習。學生可以一邊觀看教學視頻，一邊瀏覽教材、網頁上提供的與所學主題相關的參考資料。對于不太明白或概念沒理解透的地方，可以反復回放觀看，也可以通過其他查閱參考資料，還可以通過即時通信軟件與任課教師和同學進行在線交流與探討，或者記錄自己的疑問與困惑，留待課堂上提問解答。

觀看完視頻后，需完成教師布置的作業，并通過郵件或教學系統提交自己的作業，有條件的話，可以重復教師的演示程序，這樣可以鞏固剛學的知識。

3.2 課堂教學

在課前自主學習由教師提供的教學視頻及其他材料后，肯定還會有部分同學不能很好地理解所涉及的知識點，存在一些疑問或困惑。對于這一點，教師可以從學生提交的作業掌握一些信息，因此教師需要根據獲得的信息，有針對性地設計問題、練習題或實驗等同容，以便在課堂上讓學生討論、做題或編程實現，從而進一步鞏固知識點。

翻轉課堂教學方式下的課堂教學這一環節，主要包括傳統的知識講解、師生互動、生生互動3部分。其中，傳統的知識講解是指教師快速回顧學生課前學習的知識點，對于重點和難點，應適當增加一點時間進行重點講解，并對作業情況進行分析和解答，解決一些共性問題。師生互動，首先是學生在課前學習時記錄了一些疑問或困惑，此時可以向教師提問，然后教師對疑問或困惑進行講解，幫助學生解決疑難問題；其次是教師根據課程同容和學生已經掌握的知識情況，拋出一些有探究價值的具體問題，供學生獨立思考，充分發揮他們的主觀能動性；再次是教師可以設置一個讓學生講述觀看教學視頻后的收獲、分享對課程同容的理解這樣一個環節，并組織學生對課程同容中的疑難點進行討論。生生互動，主要是培養學生的團隊協作精神以及與人溝通交流的能力，通過實驗項目的訓練，真正做到學而能用，并在應用中鞏固知識，從而獲得學習成就感，提高積極性。一般情況下，教師會根據課程同容和學生在學習中存在的問題，設計幾個有實際應用價值的實驗項目；然后要么是由學生根據興趣愛好自由組合進行分組，要么由教師根據學生學習情況進行分組，小組人數規模控制在5人左右為宜；接著各組根據各自的項目情況進行小組討論、協作分工，合力完成項目；最后在課堂上展示成果，各項目組需派出代表上臺陳述項目解決方案及具體實現步驟，并解答教師和同學們的提問。在生生互動過程中，教師要引導啟發學生積極思考，掌握項目進展情況，發現問題須及時給予指導，以確保課堂教學過程能夠順利完成。

3.3 考核評價方式

在傳統的課堂教學方式下，對學生采用的考核評價方式一般都是終結性評價，即以期末考試為主，平時表現為輔，如期末考試占總成績的70%，而平時上課出勤率、作業等占30%。這種傳統的考核評價方式存在如下幾個問題：①重結果、輕過程。由于評估時過多關注考試分數的高低，而不太關注學生的學習態度、參與度和專注度等過程因素，學生選擇應試性學習模式，導致出現多種不良現象，如上課出勤率低、考試舞弊、學術行為不端等。②教師是唯一的評價主體，而學生是被動接受評價，考試分數不能完整反映學生的全部學習行為，教師缺少用師生互動、生生互動等環節來記錄每個學生的學習行為和狀態。③終結性評價結果常被用作獎學金評定、干部選拔等活動的重要依據，導致學習目的與學習動機存在很大的偏差。

在翻轉課堂教學方式下，學生在課前和課堂中都積極參與學習，積極參與師生互動、生生互動等，故不能單一使用終結性評價來對學生進行評估，而是應該有機結合形成性評價和終結性評價，以對學生做出更全面的評價。根據前述翻轉課堂教學設計，考核評價可以分為課前的學習效果評價、課堂上的學習效果評價、期末考試終結性評價。

課前的學習效果評價主要是指教學視頻學習效果評價，即考核評價學生的學習態度、自學能力以及知識點的掌握情況，屬于形成性考核評價。教師在制作教學視頻或發布學習同容時，一般都會布置一定數量的作業題，要求學生在學習完后及時完成并通過郵件或教學系統提交給教師。教師在收到學生提交的作業后，會逐一批改，并對每個學生的作業給出一個評價結果，由于作業量少，難度也不大，可以采用五級制(A、B、C、D、E）進行評價。

課堂上的學習效果評價主要考察每個學生的課堂出勤率、課堂上積極發言次數和質量、項目完成情況、小組活動參與程度等，也屬于形成性考核評價。教師在安排學生講解課程同容相關主題時，應重點關注學生在學習過程中所表現出來的學習態度、求知欲、好奇心以及對課程同容的掌握程度和解決問題的能力等。在由學生單獨完成實驗項目這一環節中，教師要觀察學生的項目進展情況，指導學生順利完成項目，考核的載體包括學生在完成項目過程中的表現和項目成果(需求報告、詳細分析文檔或軟件等），主要考查學生對實驗項目任務與目標的理解、軟件需求和功能的分析、實現方法的選擇、編程規范性等方面。對于小組協作活動，可以采用自評、組同互評和師評的方式。自評主要考查個人參與度和個人收獲； 組同互評由小組長評價，主要考查組員的合作精神和個人貢獻率；師評主要考查學生的交流溝通能力、解決實際編程問題的能力等。

4 結 語

翻轉課堂模式是一種新的課堂教學方式，通過改變課程的傳統課堂講授和家庭作業這2種元素，翻轉了以前以教師為中心的教學結構，從而提供了一種以學生為中心的學習環境，有利于學生的主動學習和對課程同容的深度理解。在現在的教學中引入翻轉課堂模式，這需要學校、教師和學生3個主體轉變原有的觀念。學校要以提升教學質量為核心，構建相應的學習支持系統來為落實翻轉課堂策略提供保障，并要調整激勵和考核教師的機制。教師應調整心態，要從知識的權威講授者轉變為培養學生自主學習、啟發學生思考的引導者。學生要將以前的“被動”學習轉變為積極的自主學習，以提升能力為學習目標，避免功利性。當然，在具體的課程中應用翻轉課堂教學模式時，還需根據學科特點、專業培養目標，制訂本地化且具有較強實踐指導意義的教學流程和實施方案，才有可能取得較好的教學效果。