基于沉浸體驗式教學的編程課程改革與實踐

屠 莉，吳懋剛，蘇春芳

（江陰職業技術學院 計算機科學系，江蘇 江陰 214405）

0 引 言

當前，在高職學生生源數量和質量下降的背景下，學生的綜合學習能力不強；而編程課程邏輯性高，實踐性強，傳統的教學模式已經不適應現在的教學環境。因此，在編程課程教學中，教師“教”和學生“學”的體驗性都不佳，學生學不好，教師教不好，教學質量低，尤其學生在編程學習中經常出現習得性無助現象，大大影響了學生的學習興趣和后續學習。如何引導計算機相關專業學生的編程思維，提高學生的編程興趣是編程類課程教學改革的關鍵問題。沉浸體驗式教學模式基于沉浸理論，可以大大激發學生的學習興趣，讓學生主動學習，提高學習效率。通過對3門編程類課程重新組合、設計，對教學內容和教學模式進行改革，合理組織教學資源，構建教學情境，遞進式進行沉浸體驗式教學，適應教學對象的特征，引導他們培養編程思維和興趣，盡快學習入門。

1 當前高職生源和學習狀況

1.1 高職生源質量下降

2008年我國高考人數達到峰值1 050萬人，近幾年逐年呈下降趨勢，在2017年達到谷底。隨著本科招生人數上升趨勢，高職院校的生源數量逐漸減少。隨著生源數量的減少，單招、注冊招生等多元化生源結構，直接導致生源質量的下降。

1.2 習得性無助現象

習得性無助行為是指個體經歷多次失敗和挫折后，自我評價會相應下降，動機水平也會減弱，面對問題時產生的無能為力的心理狀態和行為。具體表現為認知無助、歸因無助、情緒無助和行為無助4個方面[1]。

不同的生源導致學生的素質參差不齊，目前高職院校的不少學生學習態度不端正，求知欲望不強，存在厭學情緒，不肯學、不想學，沒有學習主動性。由于多種原因，當前部分在校大學生在學習中存在著習得性無助現象，這種習得性無助，嚴重影響了他們自身的學習狀況和學業成就。

2 沉浸體驗理論

沉浸理論[2]（ flow theory)是由芝加哥大學心理學教授Mihalyi Csikszentmihalyi 首先提出。該理論認為當人們在進行某些日常活動時，完全投入情境當中，集中注意力，并且過濾掉所有不相關的知覺，進入一種沉浸的狀態。

體驗式學習理論（Experience Learning Theory）是20世紀80年代由美國人大衛·庫伯提出。他提出有效學習應從體驗開始，進而發表看法，然后進行反思，再總結形成理論，最后將理論應用于實踐當中，也就是體驗式學習模型。

沉浸體驗（ flow experience）是指個體將精力全部投注在某種活動當中以至于無視外物的存在，甚至忘我時的狀態。它帶來的內在滿足感能使人們在從事任務時滿懷興趣,忘記疲勞，不停探索，不斷達到新的目標。此時個體的創造性和潛能將被極大地激發。目前大部分編程類課程教學模式單一傳統，內容枯燥，很難引起學生的持久性學習興趣；而沉浸理論中特別強調的是學生的主體體驗。體驗式教學模式可以大大激發學生的學習興趣，讓其主動去學習新的知識以及尋求問題的答案，真正提高學生學習主動性，而沉浸理論的關注點正是如何激發學生學習興趣，讓其通過學習新的知識獲取內在滿足感。所以說，沉浸理論對于真正實現體驗式教學模式起著關鍵作用。

3 基于沉浸體驗式教學改革實施過程

3.1 基于沉浸體驗的教學設計

程序設計類的基礎編程課程一直是計算機相關專業的必修課程。一般高校會開設編程語言類課程，如C語言程序設計來幫助學生掌握基本的編程思想、程序設計開發能力以及動手實踐能力；同時培養學生養成良好的學習習慣和學習興趣，為其后續其他專業課程的學習打下良好的學習基礎。然而，當前此類課程普遍授課內容枯燥，授課形式單一，難以引起學生的學習興趣，教學效果不佳。因此，將沉浸體驗理論應用到編程類課程的教學改革中。

首先，要構建適合沉浸體驗學習的教學內容和環境。選取仿真機器人應用開發、程序設計入門以及嵌入式機器人編程3門課程進行串聯融合，培養學生的程序設計思維和能力。這3門課程都是比較基礎的入門課程。以往，3門課程的教學相互獨立，沒有銜接過渡，學習分散，大一新生在編程入門學習時沒有整體認知和體驗。因此，對課程重新設計，將3門課程整合為一門課程的3個階段模塊，如圖1所示。其中，仿真機器人應用開發課程主要培養學生的程序設計思維，通過仿真機器人講解基本的編程思路，并通過比賽來加強學習效果。程序設計入門主要培養學生的程序設計能力，以C語言作為入門語言，掌握C語言程序設計開發能力，起到了承上啟下的至關重要的作用。嵌入式機器人編程則是在前兩門課的基礎上引入Arduino實驗開發平臺，進行真實機器人的應用開發，進一步提高學生的編程興趣和編程實踐能力。

圖1 基于沉浸體驗式教學的編程課程教學設計

其次，為了更好地讓學生進行沉浸體驗式學習，對3門子課程配套合適的輔助教學平臺，可以大大激發學生的學習興趣，投入到每個任務學習中，并體驗不同的學習環境，獲得較好的學習體驗感。

在仿真機器人應用開發課程中，引入RoboMind游戲平臺。該游戲平臺中提供了很多游戲地圖，學生通過機器人遍歷地圖的形式進行闖關，學生在玩游戲的過程中掌握編程的基本思路和簡單指令，并能夠設計簡單的算法。學生在每一個游戲闖關中可以沉浸體驗，全身心投入，并能夠大大引發編程興趣。由于游戲難度適中，學生在沉浸體驗式學習和游戲中獲得了很大的滿足感，激發了學習狀態。基于該課程，還舉辦了“Imagin Cup”編程大賽，進一步激勵學生的學習興趣和自信。通過第一階段的學習，學生具備了基本的編程思維和程序設計思想。

第二階段程序設計入門課程作為3門子課程的核心課程，教學內容涉及C語言編程相關知識，內容枯燥，難教學。因此，本課程打破傳統程序設計的知識點體系，引入“機器人智能系統”項目來組織貫穿教學內容。通過“項目導入，任務驅動”，學生在解決每個任務的過程中沉浸體驗，在對任務的設計中，老師注重難度，讓學生獲得較好的學習體驗。同時，自主開發了游戲仿真平臺進行輔助教學。游戲以機器人太空探險為背景，設計了一系列的任務，將教學中的重點和難點內化到游戲中。不同于相對簡單的RoboMind游戲，該游戲平臺功能更加復雜，任務的設計更有針對性，可以讓學生更好地理解教學中的重點和難點。

通過前面兩門課程的學習體驗，學生已經具備了編程思維，掌握了編程語言和基本的編程能力。在接下來的嵌入式機器人編程課程中，學生將體驗不同的學習環境，沉浸到真實的編程任務中。該門課程引入Arduino實驗開發平臺，老師基于開發板，設計一系列有趣并難度適中的任務。學生需要自己動手將開發板進行二次開發，實現相關功能，如讓燈亮起來，警報響起來，傳感器工作起來，機器人跑起來。在這樣的真實任務中，學生獲得真實的學習體驗，將進一步激發他們的學習熱情和自信。

沉浸理論[3]中提到，個體能夠完全投入其中，獲得最大滿足感的必備條件有：個體的技能與挑戰之間達到平衡，全神貫注投入，有明確的任務目標，個體不斷得到反饋，能控制任務進程。因此，在每個任務的設計中，老師們都盡量考慮到任務的難度適中，任務目標明確，做到互動，可以讓學生最大程度的沉浸其中。

通過3門課程的串聯融合，學生在3個階段的學習中獲得了遞進式的學習體驗，不僅進行遞進式的知識學習，也獲得遞進式的能力提高。實踐證明，該模式符合學習規律，學生對編程有了系統性的認識，更深的理解， 產生了很大的學習興趣，建立了學習自信，降低了學習無助感。

3.2 沉浸體驗式教學實施

三門課程在教學實施中，遵循“總體串行，部分交叉，體驗持續”的原則，如圖2所示。3門課程的學時數分別是32、64、32課時。第一階段由仿真機器人應用開發課程先上，學生在慢慢體驗簡單游戲的過程中，掌握基本編程思維。當上到接近尾聲的時候，第二階段的程序設計入門課程接上，學生可以沉浸到另一種學習環境中。同理，當第二門子課程上到一大半的時候，會緩慢過渡第三門課程的學習。3門子課程在教學實施中適當交叉串行，可以讓學生持續體驗不同的學習環境，且過渡平緩，讓學生能夠順利地完成學習難度的遞進，編程能力的提升。

圖2 沉浸體驗式教學實施

3門課程作為一個整體，整體教學實施中遵循沉浸體驗式教學。沉浸理論分為全部沉浸和部分沉浸[4]。第一階段采用全部沉浸體驗，學生在每個游戲任務中完成學習。第二階段采用部分沉浸體驗，一半的理論課堂采用翻轉課堂形式授課，輔助超星在線課程資源平臺，結合線上線下多種混合教學模式，讓學生在完成教學項目任務的過程中掌握相關編程知；另一半課堂依托自開發的仿真游戲平臺進行部分沉浸體驗學習。第三階段也采用全部沉浸體驗教學，學生在親自動手完成嵌入式機器人項目的相關任務中，完成編程實踐，提高編程能力。

3.3 沉浸體驗式教學評價

通過對兩屆學生的教學改革實踐，教學效果得到了很好的驗證。

（1）學習狀態有效改善。以往，學生上課經常會出現玩手機、睡覺、遲到等現象，老師上課經常抓不住學生的注意力，尤其是程序設計入門課程，教學內容邏輯性強，語法枯燥，很難引起學生興趣。經過這種沉浸體驗式教學改革，學生在課堂上的精神狀態明顯改善。在第一階段的仿真機器人應用開發課程中，學生在游戲學習中培養了濃厚的學習興趣，并將這種學習熱情帶入到第二階段的程序設計入門課程。而第二階段以Siri為原型的機器人智能系統的教學項目的學習和實踐又成功抓住了學生的眼球。以前不感興趣的枯燥學習，現在都十分投入，積極體驗，完成每一個學習任務，做到了在玩中學的體驗。當學生經過第二階段的強化學習而具備一定的編程能力的時候，學生會在第三階段中表現出躍躍欲試。所有學生都參與到嵌入式機器人編程的課程學習中，通過動手實踐，進一步提高自己的動手實踐創新能力。因此，在整體3門課程的階段性學習中，學生上課懶散，缺勤現象幾乎不再出現，學習狀態較以往有了很大的改善。

（2）學習興趣大大提高。以往學生學習消極被動，沒有興趣驅動，學習沒有積極的延續性。而經過階段性的遞進學習體驗，學生的學習興趣會不斷增長，尤其到了第三階段，學生可以動手完成組裝機器人，運用學過的編程知識對機器人功能進行設計和開發，獲得很好的成就感。最終，部分學生會不滿足上課時間，課余時間會自己積極主動地進行自主學習，完全沉浸其中。這種學習興趣會持續性地影響到后續課程，實踐證明，在接下來的專業學習中，大部分學生都能保持這種學習興趣和學習熱情。較于以往，學生學習興趣的培養和保持也給專業教學起到了積極的作用。

（3）教學考核效果良好。通過教學改革，我們的課程考核形式更加注重過程考核，側重學生平時的參與度和體驗度。我們在3門課程的階段性實施中都增加了平時分的比例，并在平時考核中側重過程表現、平時任務完成情況。并在最終的綜合評價中引入項目答辯環節，考查綜合素質。實踐證明，3門課程的通過率都達到了90%以上，而優秀率較以往有了很大的提高。

（4）教學成效顯著。經過3門課程的沉浸式體驗教學改革，學生在每門課程的階段性學習后都完成了相應的教學任務，取得了不錯的教學成效。在仿真機器人應用開發課程學習后，學生最終將完成30多個地圖的游戲訓練。此外，依托課程，學生還將參加與企業合作舉辦的“Imagin Cup”編程大賽，部分學生取得各類獎項，得到了很好的教學效果。而在程序設計入門課程學習結束后，所有學生將完成機器人智能管理系統的基本功能，同時每位同學還需完成2個以上的拓展功能，并最終答辯通過。較于以往，學生的代碼全部完成，并有自主拓展，效果良好。在接下來的嵌入式機器人編程課程中，每位學生最終要完成巡線機器人，包括溫度、濕度、灰度傳感器的使用，并現場評比。同時，也會選拔部分優秀學生參加一些專業技能大賽，如全國大學生機器人RobotAC大賽等。學生在這些比賽中表現不俗，專業技能得到了進一步的鍛煉和提升。

4 結 語

針對當前高職生源質量下降，基礎編程類課程教學難，學生學習興趣不高，難入門的現狀，將3門課程整合進行重構、序化，開展遞進式的沉浸體驗學習，將沉浸體驗理論應用到編程類課程的教學改革中。以機器人游戲為主線，配合輔助游戲教學平臺，分解教學游戲任務，從玩、學、開發3類體驗中不斷提高學習興趣和編程能力。以江陰職業技術學院計算機軟件技術專業為試點進行基于沉浸體驗式教學的編程課程改革，實踐證明，學生獲得了良好的學習體驗，實現了教學改革的目的。今后，還需要將沉浸體驗式教學模式進行深入研究，并應用到其他課程教學改革中。