EduCoder：大規(guī)模開放在線實踐教學(xué)探索與應(yīng)用

尹剛 王濤 余躍 黃井泉 張洋 謝冰 王懷民

摘 要：實踐教學(xué)是計算機(jī)專業(yè)教學(xué)領(lǐng)域的深水區(qū)和制高點，EduCoder平臺為疫情防控期間的計算機(jī)在線實踐教學(xué)提供了重要方法和途徑。在分析計算機(jī)實踐教學(xué)現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合軟件群體化方法和網(wǎng)構(gòu)化方法，系統(tǒng)闡釋大規(guī)模開放在線實踐（MOOP）基本模型，提出在線實踐教學(xué)平臺體系結(jié)構(gòu)，構(gòu)建軟件定義的智能化在線實踐教學(xué)平臺EduCoder，并介紹其中超過1 000門課程、4萬個案例的實踐項目形態(tài)和課程案例。大規(guī)模應(yīng)用實踐表明，EduCoder為疫情防控期間高校實施在線實踐教學(xué)發(fā)揮了重要作用，在實踐教學(xué)支撐和實踐資源構(gòu)建等方面能夠有效滿足高校師生的多樣化需求，對高校實踐教學(xué)改革與創(chuàng)新具有重要參考價值。

關(guān)鍵詞：實踐教學(xué);MOOP模式;群體化方法;網(wǎng)構(gòu)化軟件;自動化評測

DOI：10. 11907/rjdk. 202129

中圖分類號：TP434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）010-0001-07

Abstract： Practical teaching is the deep water area and commanding point of computer professional teaching area. This paper analyzes the current situation and challenges of computer practical teaching， combined with crowd-based method and Internetware method， systematically explains the basic massive open online practice （MOOP） model， proposes the architecture of online practical teaching platform， constructs a software-defined and intelligent online practical teaching platform named EduCoder （www.educoder.net）， and then introduces its diversified practice project forms and systematic practice course cases. The large-scale application shows that EduCoder played an important role in the implementation of online practical teaching in universities during the prevention and control period of Covid-19. It effectively meets the diversified needs of college teachers and students in terms of practical teaching support and practical resource construction， which has significant reference value for the reform and innovation of practical teaching in colleges and universities.

Key Words： practical teaching; MOOP model; crowd-based method; Internetware; automatic evaluation

0 引言

近年來，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新型信息技術(shù)快速發(fā)展，并不斷從前沿探索走向大規(guī)模應(yīng)用，信息技術(shù)人才培養(yǎng)面臨崗位規(guī)?；?、課程多樣化、能力綜合化等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，高校計算機(jī)類專業(yè)人才培養(yǎng)體系亟待面向能力培養(yǎng)進(jìn)行全面升級。

計算機(jī)等工科專業(yè)學(xué)生的實踐能力不能只依靠課堂教學(xué)，還需要創(chuàng)造一個實踐支撐環(huán)境，讓學(xué)生在實踐過程中通過“學(xué)、做、練、悟”逐步形成[1]。麻省理工學(xué)院（MIT）一直秉持“知識學(xué)習(xí)與操作訓(xùn)練相結(jié)合”（Mind and Hand）的校訓(xùn)，并于2017年發(fā)起了新一輪工程教育改革“新工程教育轉(zhuǎn)型”（NEET）計劃;國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院長期聚焦國家重大工程項目，在實踐中發(fā)現(xiàn)科學(xué)問題、突破關(guān)鍵技術(shù)，并于2015年全面開始計算機(jī)實踐教學(xué)改革。

近年來，教育部針對本科和高職院校均提出實踐量化考核要求。2018年1月，教育部發(fā)布《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》，要求計算機(jī)類專業(yè)的主要實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)“具有滿足教學(xué)需要的完備實踐教學(xué)體系，4年總的實驗當(dāng)量不少于2萬行代碼”，“至少完成2個有一定規(guī)模和復(fù)雜度的系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)”等;2019年7月，教育部發(fā)布《高等職業(yè)學(xué)校專業(yè)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》，計算機(jī)相關(guān)專業(yè)均要求“實踐性教學(xué)學(xué)時原則上不少于總學(xué)時的50%”。

當(dāng)前，高等院校的課堂教學(xué)通過采用慕課（MOOC）等方式提升效率，實現(xiàn)了大規(guī)模視頻資源共建共享，取得了豐碩成果和寶貴經(jīng)驗[2]。但實踐教學(xué)模式主要局限在相對封閉的范圍內(nèi)，提供非常有限的實驗實訓(xùn)資源，難以滿足學(xué)生能力培養(yǎng)需要。如何將“互聯(lián)網(wǎng)+教育”拓展到實踐教學(xué)領(lǐng)域，構(gòu)建功能集約、資源共享、開放充分、運作高效的實驗教學(xué)平臺和體系，是當(dāng)前計算機(jī)教育領(lǐng)域面臨的重大課題。

本文介紹一種新型計算機(jī)實踐教學(xué)平臺EduCoder（中文名稱“頭歌”，www.educoder.net），將群體協(xié)同、開放共享、持續(xù)評估的互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新機(jī)理[3-4]引入實踐教學(xué)平臺構(gòu)建過程，形成了一種支持大規(guī)模開放在線實踐（Massive Open Online Practice，MOOP）的教學(xué)資源共建共享新型教學(xué)模式、平臺和資源庫，突破了自動化評測等一系列難題，為院校和企業(yè)實踐教學(xué)模式升級提供了重要方法和途徑。2020年新冠肺炎疫情期間，教育部發(fā)布高校在線教學(xué)工作指導(dǎo)意見，EduCoder被列為高校在線教學(xué)推薦實施方案，并發(fā)揮了重要作用。

1 相關(guān)工作

20世紀(jì)90年代以來，數(shù)字化教學(xué)技術(shù)得到快速發(fā)展，涌現(xiàn)出一系列在線實踐教學(xué)工具和平臺[5-10]，對網(wǎng)絡(luò)化創(chuàng)新實踐模式的構(gòu)建和完善具有重要借鑒意義，具體分類介紹如下。

1.1 社區(qū)開發(fā)類教學(xué)平臺

開源軟件社區(qū)為高校計算機(jī)類教學(xué)活動提供了豐富的軟件代碼，為高校計算機(jī)實踐教學(xué)提供了豐富的學(xué)習(xí)資源和交流平臺，是早期MOOP的典型代表。此類平臺支持大規(guī)模開源開發(fā)者分享開源技術(shù)、傳播開源理念、推廣開源項目，形成了產(chǎn)教一體化的在線學(xué)習(xí)模式，典型代表包括Github.com、SourceForge.net、Trustie.net、Gitee.com、CSDN.net、learnerhub.net等。其中，Trustie為EduCoder開源開發(fā)體系構(gòu)建提供了重要思想和方法，使EduCoder能夠有效支持在線協(xié)同開發(fā)、部署評測、交流共享等各類開源學(xué)習(xí)和開發(fā)活動。

1.2 技術(shù)實驗類教學(xué)平臺

技術(shù)實驗類教學(xué)平臺主要以云服務(wù)方式，為師生提供在線實驗環(huán)境。例如，合天智匯（hetianlab.com）是國內(nèi)較早提出虛擬化實驗教學(xué)概念的平臺[6]，構(gòu)建了面向網(wǎng)絡(luò)空間安全人才培養(yǎng)的實踐教學(xué)環(huán)境和知識體系。類似平臺還有清華大學(xué)ucore實驗平臺（os.cs.tsinghua.edu.cn/oscourse/）、CMU的計算機(jī)系統(tǒng)實驗平臺[7]、U-SaaS（usaas.net）、實驗樓（shiyanlou.com）等。此外，華為、騰訊、阿里等云計算平臺也都開始提供類似實驗環(huán)境支撐。目前，EduCoder支持大規(guī)模實驗資源共建共享，提供了1 000多種在線實驗課程、40 000多個技術(shù)實驗案例，并處于持續(xù)快速增長中。EduCoder的每個案例均支持智能化評測、閉環(huán)式教學(xué)管理，同時面向全國高校師生開放使用。

1.3 虛擬仿真類教學(xué)平臺

新工科建設(shè)對信息技術(shù)類課程教學(xué)提出了新要求，虛擬現(xiàn)實與仿真技術(shù)的引入推動了課程教學(xué)方法改革，也誕生了一批虛擬仿真教學(xué)平臺。例如，國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺（ilab-x.com）基于云計算資源靈活、安全可控、數(shù)據(jù)可靠的特性所推出的面向虛擬仿真實驗教學(xué)項目的在線應(yīng)用服務(wù);潤尼爾（rainier.net.cn）等一批虛擬仿真教育廠商利用VR等技術(shù)支持實踐教學(xué)案例構(gòu)建。EduCoder提出了軟件定義的虛擬仿真體系結(jié)構(gòu)，支持學(xué)生可編程的3D實景訓(xùn)練環(huán)境，讓師生以編程操作方式進(jìn)行仿真實踐教學(xué)，是對現(xiàn)有以3D建模為核心的虛擬仿真課程的重要拓展。

1.4 基礎(chǔ)編程類教學(xué)平臺

此類平臺通常稱為OJ（Online Judge）平臺，側(cè)重圍繞Java、Python、C、C++、Ruby等編程語言，基于網(wǎng)絡(luò)開展編程訓(xùn)練。例如，基于Codecademy（codecademy.dev）、Cloudcoder（cloudcoder.org）等平臺構(gòu)建了基于Web的開源編程練習(xí)系統(tǒng)。國內(nèi)相關(guān)平臺包括北大OJ平臺[9]、LeetCode（leetcode.cn）、PTA（pintia.cn）、匯智網(wǎng)（hubwiz.com）等，通過提供內(nèi)置的Web端編程工具為學(xué)習(xí)者提供練習(xí)環(huán)境。此外，Stanford大學(xué)開放的Moss系統(tǒng)為全球高校提供代碼查重服務(wù)（theory.stanford.edu/～aiken/moss/）。EduCoder提供了通用實踐項目、編程實踐項目、筆記實踐項目、仿真實踐項目4種實踐模式，其中編程實踐項目對應(yīng)于OJ類實踐資源。

1.5 競賽類學(xué)習(xí)平臺

競賽類學(xué)習(xí)平臺主要采用在線編程競賽的形式促進(jìn)學(xué)習(xí)者進(jìn)行程序設(shè)計語言學(xué)習(xí)、算法設(shè)計、編程應(yīng)用等。例如，Topcoder平臺（topcoder.com）每個月都有2～3次在線編程比賽，參賽者可根據(jù)自己的愛好選用Java、C++、C#、VB或Python進(jìn)行編程。Kaggle平臺（kaggle.com）為學(xué)習(xí)者提供了舉辦機(jī)器學(xué)習(xí)競賽、托管數(shù)據(jù)庫、編寫和分享代碼的環(huán)境，近些年吸引了大量學(xué)習(xí)者的關(guān)注。EduCoder將全?；悄軐嵺`技術(shù)引入在線季賽，有效支持在線實戰(zhàn)化的全流程競賽和活動。

上述平臺從不同維度為計算機(jī)實踐教學(xué)提供了支持，但在全技術(shù)系列的實踐項目共建共享、多樣化的實踐教學(xué)操作體驗、教學(xué)管理的無縫對接、實踐項目的自動化評測等方面，尚難以滿足高校實踐教學(xué)的個性化、多樣化、專業(yè)化、動態(tài)化需求，這些工作為高校實踐教學(xué)工具和平臺的持續(xù)改進(jìn)提供了大量有價值的方法和經(jīng)驗。EduCoder在汲取現(xiàn)有工作成果優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，將開放創(chuàng)新機(jī)理引入實踐教學(xué)平臺構(gòu)建，開拓出全新模式和生態(tài)體系。

2 MOOP基本模型

隨著網(wǎng)絡(luò)化創(chuàng)新實踐模式的變化，計算機(jī)技術(shù)架構(gòu)宏觀上表現(xiàn)為連接萬物的軟硬件創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)，微觀上則呈現(xiàn)出系統(tǒng)化、全?；?、服務(wù)化等復(fù)雜工業(yè)特征，對計算機(jī)類專業(yè)的實踐教學(xué)平臺及其案例庫構(gòu)建提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。主要包括3個方面：

（1）實踐課程構(gòu)造難。以視頻為主要載體的在線教學(xué)體系不能有效集成實踐類課程需要的技術(shù)架構(gòu)和應(yīng)用案例系統(tǒng)，需要設(shè)計新的課程結(jié)構(gòu)與形態(tài)。

（2）實踐案例共享難。各類課程使用的案例可能會涉及數(shù)百種技術(shù)架構(gòu)，現(xiàn)有視頻類在線教學(xué)平臺難以支持其復(fù)用和傳播。

（3）實踐過程評測難。傳統(tǒng)的客觀題評價手段難以滿足各類實戰(zhàn)型技術(shù)系統(tǒng)測試要求，實踐類學(xué)習(xí)活動評測面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

在工業(yè)研發(fā)體系與高校教學(xué)體系持續(xù)融合的趨勢下，上述挑戰(zhàn)日益凸顯。高校科教活動具有創(chuàng)作和共享特征，企業(yè)研發(fā)活動具有生產(chǎn)和服務(wù)特征，如何將兩者結(jié)合，實現(xiàn)產(chǎn)教深度融合，是核心問題。國家863計劃項目Trustie團(tuán)隊系統(tǒng)地提出了軟件開發(fā)的群體化方法，將軟件工程方法與互聯(lián)網(wǎng)群體協(xié)同機(jī)理相結(jié)合，提出了大眾化協(xié)同開發(fā)、大范圍資源共享、持續(xù)性可信評估的群體創(chuàng)新機(jī)理[2]。

群體化方法對計算機(jī)實踐教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)具有全面指導(dǎo)意義，Trustie課題組據(jù)此提出了面向計算機(jī)綜合能力培養(yǎng)的大規(guī)模開放在線實踐（MOOP）的概念[1]，本文將其拓展為一個實踐項目模型、兩個空間模型、一個開發(fā)運行支撐平臺，如圖1所示。

MOOP模型以實踐項目為核心，包括實踐項目的創(chuàng)作與生產(chǎn)空間、實踐項目的運行與服務(wù)空間。實踐項目本質(zhì)上是軟件工程項目，包含項目開發(fā)態(tài)和運行態(tài)，因此需要一個功能完備、高度開放的開發(fā)運行平臺，本文基于Internetware范式[3]的網(wǎng)構(gòu)化軟件開發(fā)方法和技術(shù)體系構(gòu)造實踐教學(xué)平臺運行和管理框架。

MOOP模型為計算機(jī)實踐教學(xué)平臺和課程資源設(shè)計提供了基本參考模型，有助于實現(xiàn)以互聯(lián)網(wǎng)平臺為依托，聯(lián)接大規(guī)模教師和學(xué)生群體，圍繞開放實踐項目開展協(xié)同創(chuàng)新、共建共享，并在參與項目創(chuàng)作生產(chǎn)與運行服務(wù)的持續(xù)演化過程中提升學(xué)生能力，實現(xiàn)能力培養(yǎng)目標(biāo)。

3 EduCoder在線實踐教學(xué)體系結(jié)構(gòu)

EduCoder是Trustie項目團(tuán)隊聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界推出的一種網(wǎng)構(gòu)化實踐教學(xué)平臺和生態(tài)系統(tǒng)。EduCoder基于MOOP模型，全面引入開源軟件社區(qū)的項目協(xié)同開發(fā)流程和云化開發(fā)工具。本文在此基礎(chǔ)上，結(jié)合疫情期間線上線下教學(xué)遇到的問題和形成的經(jīng)驗，提出一種“O2OC+O2OP”實踐教學(xué)模式。其中，O2OC（Online To Offline Classrooms）是面向課堂教學(xué)的線上線下融合模型，O2OP（Online To Offline Projects）是面向?qū)嵺`教學(xué)的線上線下融合模型。其中，O2OC為實現(xiàn)群體化實踐教學(xué)提供了保障和管理支撐。在此模式下，實踐項目是教學(xué)活動和實踐活動聯(lián)結(jié)的核心，網(wǎng)構(gòu)化實踐教學(xué)平臺提供教學(xué)模型和實踐項目的全流程管理和運行支撐。

3.1 群體化實踐教學(xué)模型

群體化實踐教學(xué)模型為教學(xué)活動的基本流程和角色職能提供了參考模型，基本模型包括：分布式教學(xué)過程協(xié)同模型、案例化實踐項目共享模型。該模型的核心目標(biāo)是實現(xiàn)線上線下課堂教學(xué)活動和實踐教學(xué)活動數(shù)據(jù)一體化。

分布式教學(xué)過程協(xié)同模型定義了包括O2OC和O2OP的教學(xué)過程。在O2OC層面，模型要求師生的線上課堂教學(xué)活動（如發(fā)布資源、布置作業(yè)、開展考試、畢設(shè)管理等）和線下課堂教學(xué)活動（如班級簽到、線下考試、畢設(shè)答辯等）有機(jī)結(jié)合，并在數(shù)據(jù)層面統(tǒng)一到線上平臺。在O2OP層面，模型要求線上實驗活動（如在線編程實驗、網(wǎng)絡(luò)房展實驗、云計算實驗、大數(shù)據(jù)和人工智能實驗等）和線下實驗活動（如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實驗、獨立靶場實驗等）能夠有機(jī)結(jié)合，并在線上平臺匯總?cè)烤€上線下實踐項目的過程數(shù)據(jù)。“O2OC+O2OP”的線上線下實踐教學(xué)模式如圖2所示。

3.2 網(wǎng)構(gòu)化實踐教學(xué)平臺

實踐教學(xué)除模式創(chuàng)新外，具有較為復(fù)雜技術(shù)要求和較高門檻的支撐平臺創(chuàng)新至關(guān)重要，這也是MOOP類平臺發(fā)展較為緩慢的根本原因所在。

EduCoder在群體化方法[2]和網(wǎng)構(gòu)化方法[3]的基礎(chǔ)上，提出了網(wǎng)構(gòu)化實踐項目體系結(jié)構(gòu)，如圖3所示。實踐項目也常常被稱為實訓(xùn)項目、實驗項目，是一種集知識講解、案例解析、開發(fā)實戰(zhàn)、運行部署、實時評測等于一體的新型智能化在線實踐教學(xué)資源，包括四大核心結(jié)構(gòu)：挑戰(zhàn)式在線教程、工程化經(jīng)驗、企業(yè)級項目、云際計算環(huán)境。

實踐項目能夠助力教學(xué)體系從“以知識為中心”拓展為“以實踐為中心”。在實踐項目中，在線教程圍繞具體任務(wù)按照逐步進(jìn)階的方式組織關(guān)鍵知識點講授;工程化經(jīng)驗和企業(yè)級項目將源自產(chǎn)業(yè)界的真實案例及開發(fā)經(jīng)驗融入實踐項目中，并設(shè)計相應(yīng)的編程任務(wù)、提供企業(yè)級開發(fā)環(huán)境、設(shè)計自動化評測等;云際計算環(huán)境能夠讓師生隨時啟動來自不同云平臺的計算資源[11]。

特別是，EduCoder提供了實踐項目的共建共享體系，每個實踐項目能夠以開源/閉源模式發(fā)布，師生可以開展自主教學(xué)創(chuàng)新，進(jìn)行大范圍共建和共享，可按需快速形成個性化實踐教學(xué)體系。

3.3 在線實踐教學(xué)步驟

EduCoder能夠有效支持“課堂教學(xué)”和“實踐教學(xué)”的一體化運行，其在線實踐教學(xué)步驟如圖4所示。

教師完成平臺注冊后：①在平臺中為本學(xué)期將授課程創(chuàng)建“教學(xué)課堂”，在教學(xué)課堂開展各種常規(guī)教學(xué)活動;②將實踐項目發(fā)送到課堂，學(xué)生開始在線學(xué)習(xí)和實戰(zhàn);③教師可以復(fù)制、修改開放的實踐項目;④教師逐步積累形成自主的實踐課程，據(jù)此申報教學(xué)成果、教改項目等。

教學(xué)課堂能夠有效支持課件資料管理、視頻直播、作業(yè)考試、分班簽到、統(tǒng)計報告、實踐任務(wù)等。其中，實踐任務(wù)來自實踐項目庫。平臺中的實踐項目以實踐課程的方式按章節(jié)組織，便于師生按需選用。在此基礎(chǔ)上，EduCoder可以為整個專業(yè)的人才培養(yǎng)方案提供一體化的實踐教學(xué)支撐，形成EduCoder在線實踐教學(xué)工具、資源與服務(wù)體系（彩圖掃OSID碼可見）。

4 大規(guī)模實踐教學(xué)資源庫

目前，EduCoder平臺聯(lián)合Trustie和IntelliDE社區(qū)，匯聚了國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界和教育界的大規(guī)模實踐教學(xué)資源，形成了技術(shù)、課程方向齊全、案例豐富的實踐教學(xué)資源體系。

EduCoder官方社區(qū)和各高校平臺形成了超過4萬個實踐項目、數(shù)百個技術(shù)運行環(huán)境，并處于快速增長中。

4.1 多樣化的實踐項目形態(tài)

針對不同類型技術(shù)架構(gòu)和實踐教學(xué)特點，EduCoder設(shè)計了多樣化的用戶使用模式和自動化評測機(jī)制，包括通用實踐項目（A類）、編程實踐項目（B類）、筆記實踐項目（C類）、仿真實踐項目（D類）等。其中，A類項目支持所有線上實踐類型，內(nèi)置DevOps全流程支持，功能最強(qiáng)大;B類支持Online Judge類型的在線編程實驗，聚焦題庫建設(shè)場景;C類支持Jupyter Notebook（https：//jupyter.org/）交互式實驗，聚焦數(shù)據(jù)分析、深度學(xué)習(xí)等場景。

上述4類實踐項目能夠以在線編程模式、命令行模式、圖形化操作模式、虛擬仿真模式、Jupyter Notebook模式為師生提供支持，例如：

（1）在線編程模式。該模式主要為用戶提供在線編程窗口，用戶針對實踐項目中的開發(fā)任務(wù)進(jìn)行在線代碼補(bǔ)全，完成相應(yīng)的功能要求。

（2）命令行模式。該模式主要支持對遠(yuǎn)程虛擬機(jī)的訪問和操作，完成環(huán)境安裝配置、使用體驗等任務(wù)，包括Python編程、大數(shù)據(jù)框架安裝等均支持該模式。

（3）圖形化操作模式。該模式支持通過遠(yuǎn)程桌面進(jìn)入軟件圖形化界面進(jìn)行操作完成編程任務(wù)，典型的如路由器配置等任務(wù)，例如“基于網(wǎng)絡(luò)仿真器組建小型局域網(wǎng)”實踐項目（https：//www.educoder.net/shixuns/l6caes5u/challenge，彩圖掃OSID碼可見）。

（4）虛擬仿真模式。該模式支持通過虛擬仿真界面進(jìn)行操作以完成相應(yīng)任務(wù)，比如系統(tǒng)組裝、通過編程直接控制演示仿真效果，幫助學(xué)生更好地理解和實操，例如“計算機(jī)拆解組裝虛擬仿真實驗”實踐項目（彩圖掃OSID碼可見）。

4.2 體系化的實踐課程案例

以實踐項目為基本單元，可圍繞不同的技術(shù)或?qū)I(yè)方向構(gòu)建形成體系化的實踐課程，支持完整的課程教學(xué)。

4.2.1 程序設(shè)計類教學(xué)案例

程序設(shè)計是計算機(jī)專業(yè)的基礎(chǔ)課和大學(xué)通識課，EduCoder平臺的在線實踐課程已覆蓋包括Python、C/C++、Java、PHP、C#、Matlab、Verilog等幾乎所有的編程語言以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等課程。以國防科技大學(xué)毛曉光教授的《大學(xué)計算》為例（https：//www.educoder.net/paths/149，彩圖掃OSID碼可見），課程面向“計算+”交叉融合的新工科計算能力需求，在精心設(shè)計的復(fù)雜真實案例中植入計算所需知識、方法、可能問題等，逐步培養(yǎng)復(fù)雜工程問題的計算分析和計算研究能力?！洞髮W(xué)計算》全課程基于Python語言進(jìn)行組織，共11個章節(jié)、107個實踐項目，能夠支撐對學(xué)生編程開發(fā)能力和計算思維的全面培養(yǎng)。

4.2.2 系統(tǒng)能力類教學(xué)案例

系統(tǒng)能力培養(yǎng)是計算機(jī)專業(yè)教育的戰(zhàn)略重點，長期面臨挑戰(zhàn)。平臺基于軟件定義和虛擬化技術(shù)，實現(xiàn)對體系化系統(tǒng)能力培養(yǎng)的支撐。平臺已發(fā)布的典型系統(tǒng)能力類在線實踐課程包括《計算機(jī)組成原理》《編譯原理》《MySQL數(shù)據(jù)庫》等（彩圖掃OSID碼可見）。其中，《計算機(jī)組成原理》設(shè)計了7個章節(jié)、96個實踐項目，讓學(xué)生從門電路開始逐步設(shè)計組合邏輯、時序邏輯、運算器、存儲系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通路和控制器、流水控制邏輯直至完整的 MIPS CPU以深入理解計算機(jī)系統(tǒng)，以加深對硬件系列課程的理解。

4.2.3 軟件工程類教學(xué)案例

軟件工程是計算機(jī)大類專業(yè)的核心專業(yè)課程，平臺的《軟件工程》實踐課程（彩圖掃OSID碼可見）以培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題能力、系統(tǒng)能力、創(chuàng)新實踐能力和軟件工程素質(zhì)為目標(biāo)，依托EduCoder平臺打通理論講授和工程實踐。其中，國防科技大學(xué)毛新軍團(tuán)隊設(shè)計了分析和閱讀開源軟件、開發(fā)創(chuàng)新軟件系統(tǒng)兩項包含多個子任務(wù)的相對獨立又逐級遞進(jìn)的實踐任務(wù)，實現(xiàn)學(xué)生能力和素質(zhì)培養(yǎng)[12-14]?！盾浖こ獭饭卜譃?4個章節(jié)，50余個實踐項目，涉及編程規(guī)范、質(zhì)量分析、單元測試、群體化軟件開發(fā)等內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)編程和項目實踐能力。

4.2.4 人工智能類教學(xué)案例

人工智能類專業(yè)課程涵蓋機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等前沿技術(shù)，各類算法及學(xué)習(xí)框架架構(gòu)差異大，對底層計算資源要求高，需要包括CPU、GPU等不同類型資源的支持。EduCoder平臺設(shè)計了按需調(diào)用、彈性伸縮的資源管理策略，實現(xiàn)了對各類算法和框架的支持。以平臺的《機(jī)器學(xué)習(xí)》在線實踐課程為例（彩圖掃OSID碼可見），該課程以周志華教授的《機(jī)器學(xué)習(xí)》教材為參考，將理論講解和案例介紹嵌入在線實訓(xùn)中，圍繞具體問題和案例展開，進(jìn)行伴隨式學(xué)習(xí)和實踐。整個課程共分為6章、85個各類實踐項目，內(nèi)容涵蓋各類經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)算法。

此外，平臺還開設(shè)了包括自然語言處理、深度學(xué)習(xí)等在線實踐課程，支持包括TensorFlow、PaddlePaddle、Keras、ModelArts等不同類型的深度學(xué)習(xí)平臺和框架。

5 應(yīng)用實踐與驗證

目前，EduCoder平臺已經(jīng)形成了國內(nèi)高校計算機(jī)專業(yè)的實踐教學(xué)社區(qū)，來自1 000多所高校師生在平臺中開展實踐教學(xué)應(yīng)用與資源創(chuàng)新。特別是新冠肺炎疫情期間，EduCoder有效填補(bǔ)了線上實踐教學(xué)的短板。2月5日，教育部印發(fā)《關(guān)于在疫情防控期間做好普通高等學(xué)校在線教學(xué)組織與管理工作的指導(dǎo)意見》，將EduCoder列為高校在線教學(xué)解決方案。

5.1 實踐教學(xué)資源共建共享效果

EduCoder采用開放在線共建共享和持續(xù)迭代優(yōu)化模式，快速實現(xiàn)了大規(guī)模教學(xué)資源的共建、共享和優(yōu)化，在線課程資源覆蓋了幾乎所有IT方向，實踐項目超過40 000個。

圖5和圖6是疫情期間（2020年2月1日-7月31日）增長和更新的實踐項目數(shù)量?？梢钥闯?，Python、C/C++、Java是國內(nèi)高校計算機(jī)實踐教學(xué)使用最多的編程語言，MySQL、Hadoop、Hbase、Spark等是數(shù)據(jù)庫和大數(shù)據(jù)方向的熱門技術(shù)框架;在課程方向上，程序設(shè)計類課程體量最大，云計算與大數(shù)據(jù)、人工智能等專業(yè)方向增長迅速。這些數(shù)據(jù)為社區(qū)支持重點及國內(nèi)高校實踐教學(xué)改革的關(guān)注點提供了一定借鑒。

5.2 學(xué)生實踐能力培養(yǎng)效果

應(yīng)用數(shù)據(jù)表明，該平臺能夠有效提升學(xué)生的實踐學(xué)習(xí)積極性和實踐能力。圖7是某地區(qū)20所高校在2020年3月疫情期間的班級平均在線學(xué)習(xí)評測情況，可以看出，隨著課程教學(xué)的推進(jìn)，學(xué)生每日舉行在線實驗評測的次數(shù)都保持在較高水平。這一結(jié)果說明，在線實踐平臺以及游戲化闖關(guān)式的實驗實踐充分激發(fā)了學(xué)生探索的積極性。

同時，學(xué)生在實驗實踐過程中掌握的知識點和技能點能夠快速增加。截至2020年3月底，上述地區(qū)的班級平均獲得的知識點總數(shù)超過23 000個。圖8是3月份這些學(xué)生挑戰(zhàn)實踐項目總數(shù)、通關(guān)總數(shù)與知識點增長曲線圖。

6 結(jié)語

實踐能力培養(yǎng)是計算機(jī)和工科專業(yè)人才培養(yǎng)的重點和難點。在軟件定義一切的時代，EduCoder采用群體化和網(wǎng)構(gòu)化軟件開發(fā)方法對計算機(jī)實踐教學(xué)資源結(jié)構(gòu)、支撐平臺和運行模式進(jìn)行了一系列升級和創(chuàng)新，并匯聚了一大批高校和企業(yè)教研專家群體。

EduCoder實現(xiàn)并拓展了大規(guī)模開放在線實踐（MOOP）的概念和模式，綜合利用軟件工程和人工智能技術(shù)，突破了實踐教學(xué)面臨的實踐案例構(gòu)造難、實踐資源復(fù)用難、實踐能力評估難等一系列難題，提供編程IDE、命令行、遠(yuǎn)程桌面、3D虛擬仿真、Jupyter Nootbook、Web交互、App下載等多樣化在線操作環(huán)境，以及全棧自動評測、代碼查重等機(jī)制，有效服務(wù)了來自1 000多所高校的師生、共建共享了超過40 000個實踐項目，為高校計算機(jī)實踐教學(xué)提供了大規(guī)模在線實踐教學(xué)平臺和實踐案例資源庫。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王懷民. 從MOOC到MOOP[C]. 北京：2018年中國高校計算機(jī)教育MOOC聯(lián)盟峰會，2008.

[2] 李曉明. 中國慕課現(xiàn)象：六年實踐與認(rèn)識[J]. 中國大學(xué)教學(xué)，2019，41（11）：10-12.

[3] 王懷民，尹剛，謝冰，等.? 基于網(wǎng)絡(luò)的可信軟件大規(guī)模協(xié)同開發(fā)與演化[J]. 中國科學(xué)：信息科學(xué)， 2014， 44（1）：1-19.

[4] 梅宏，黃罡， 趙海燕， 等.? 一種以軟件體系結(jié)構(gòu)為中心的網(wǎng)構(gòu)軟件開發(fā)方法[J]. 中國科學(xué)E輯：信息科學(xué)，2006， 36（10）：1100-1126.

[5] 張召海，韓來權(quán)，韓秀超，等. 在線實驗平臺及教學(xué)輔助策略研究[J]. 計算機(jī)教育，2019，17（4）：34-37，40.

[6] 劉歡迎. 創(chuàng)新計算機(jī)實驗教學(xué)，開啟MOOE新時代[J]. 計算機(jī)教育，2015，13（9）：20-23.

[7] School of Computer Science，Carnegie Mellon University.Lab machines of introduction to computer systems（ICS）[EB/OL]. http：//www.cs.cmu.edu/～213/labmachines.html， 2020.

[8] HERADIO R，DE LA TORRE， L，GALAN D，et.al. Virtual and remote labs in education： A bibliometric analysis[J].? Computers & Education， 2016， 98：14-38.

[9] GUO W. Peking University oneline judge and its applications[J].? Journal of Changchun Post and Telecommunication Institute，2005（2）：170-177.

[10] CHEANG B，KURNIA A，LIM A， et al. On automated grading of programming assignments in an academic institution[J]. Computers & Education， 2003， 41（2）：121-131.

[11] 史佩昌，王懷民，鄭子彬，等. 面向云際計算的自主對等協(xié)作環(huán)境[J]. 中國科學(xué)：信息科學(xué)，2017，47（9）：1129-1148.

[12] 毛新軍，尹剛， 尹良澤，等. 新工科背景下的軟件工程課程實踐教學(xué)建設(shè)： 思考與探索[J]. 計算機(jī)教育，2018，16（7）：5-8.

[13] 王濤，白羽，余躍，等.? Trustie：面向軟件工程群體化實踐教學(xué)的支撐平臺[J]. 計算機(jī)教育，2018，16（7）：18-22.

[14] 毛新軍. 基于開源和群智的軟件工程實踐教學(xué)方法[J]. 軟件導(dǎo)刊，2020，19（1）：1-6.

（責(zé)任編輯：孫 娟）