虛擬在線實訓平臺在程序設計課程教學中的應用研究

航天工程大學航天信息學院 李晉麗 張學波 王 琳

針對程序設計課程教學中，傳統線下面授和線上MOOC授課存在學生主動性低的情況，分析虛擬實訓平臺的功能，總結使用虛擬實訓平臺的經驗，構造基于虛擬實訓平臺的混合式課堂教學，研究虛擬實訓平臺在混合式課堂教學中發揮的優勢。本文以Python語言為例，先介紹虛擬實訓平臺的功能、用途，并結合自身教學經驗，提出結合虛擬實訓平臺的混合式課堂教學方式，分析虛擬實訓平臺在混合式課堂教學中發揮的作用，對未來程序設計課程教學方式提出展望。

1 傳統授課方式的缺點

傳統的線上課堂主要由教師借助多媒體工具在進行面授，學生往往只是被動地去聽，為了提升學生注意力，教師會設置交流互動、隨機提問、課堂測試等環節，這樣確實提升了一些效果，但學生往往是被動地去參與，要想切實提高學習效果，最主要的是提高學生學習的主動性。此外，由于課堂時間有限，往往設置理論講解多，實踐學時少，造成重理論輕實踐，不利于學生編程能力的提高。線上MOOC課程的優點是，學生可以自主選擇學習，對沒聽懂的知識點，可以實時回放，并可以做知識點測試題目，保證在掌握本知識點的基礎上再進行后續課程的學習。但MOOC課程很大依賴于學生學習的主動性，絕大部分學生學習主動性差，可能存在刷網課，抄同學作業完成測試的情況，學生的成績缺乏公平性，難以反應掌握知識的真實情況；此外，由于缺乏與教員面對面交流的環境，學生在學習中遇到的問題時不能及時得到解決。

2 虛擬實訓平臺功能

2.1 虛擬實訓平臺介紹

虛擬實訓平臺是計算機類基礎課程教學輔助平臺，支持多種語言的程序自動評閱，具有豐富的題庫資源，支持階段性測試、考試模擬，能夠方便教師教、促進學生學。平臺提供教學資源、在線編程工具，支撐課程教學管理、學生管理、練習、通知公告、教學研究等需求，提供作業情況的數據可視化分析，可為計算機基礎課程教學研究提供數據支撐。

2.2 利用虛擬平臺建設豐富的在線題庫

學習程序設計語言，實踐是重要環節，在平臺中既可以建設傳統的選擇題、判斷題、選擇填空題等，又可以通過Python虛擬環境，建設在線實踐題目。以Python語言為例，Python123平臺中的共享題庫，提供了大量其他教師分享的實踐題，尤其是嵩天老師提供的Python計算生態教學案例，貼近實際計算需求，可復制到個人題庫中，再用于自建課程的教學中。

根據課程需求建設題庫資源：

虛擬實訓平臺提供了共享題庫資源，教師可從共享題庫中選擇題目；但不同課程需求不同，平臺的題目缺乏個性化，難以滿足所有課程需要。教師可根據個人課程需求自建題庫，可根據涉及到的知識點進行分類，并設置題目的難易度。筆者在教學實踐中，利用了平臺中Python語言基礎、圖形繪制、文件與數據格式化等部分的共享程序設計題，為了更好地支撐課程教學，課程組自建題庫（已自建84道），補充了面向對象、數據庫等進階及應用部分的習題，制定出適合自身課程教學的題庫方案。自建題庫知識點分布情況如表1所示。

表1 課程組自建Python語言程序設計題庫知識點分布

建設題庫經驗總結：

使用虛擬在線實訓平臺，需要老師花費大量的時間設計并在平臺中錄入題目，尤其是實踐性題目，需要教師設計多組測試用例。筆者在使用過程中，總結了以下經驗，供廣大教師借鑒：

一是題目描述要規范，要明確輸入和輸出，對于輸出，若有標點符號，要在題目中有提示性信息，說明是中文還是英文，說明空格的數目等，以免浪費學生在輸出格式上調試錯誤的時間。二是一定要有針對性地設計測試用例。為了避免學生抄襲，可以設計隱藏的用例；為了檢查學生代碼中的缺陷，要設計不同類型的測試用例。以面向對象程序設計實踐為例，要考查學生對繼承、方法、屬性、方法重寫、運算符重載、構造函數等多個知識點的內容，這就需要針對每個知識點都設計測試用例，來保證學生程序在每個知識點上都已實現。

3 構建基于虛擬實訓平臺的混合式課堂教學

3.1 基于虛擬實訓平臺“線上+線下”混合式課堂教學方式

通過結合在線虛擬實訓平臺，設置“線上+線下”邊講邊練的混合式課堂教學方式，可以提升學生學習的積極主動性。虛擬實實訓平臺通過在線虛擬實驗，結合質量評價機制，提升學生學習的積極主動性。邊講邊練的學習方式，可以幫助學生及時理解和鞏固所學知識，并從被動聽變為主動做，提高學習興趣。

結合虛擬實訓平臺，進行“線上+線下”、“邊講邊練”的混合式課堂教學組織形式如下：教師選擇在機房進行課堂講授，以知識點為中心組織講授內容，講授過程中可以與學生互動交流，在某一知識點內容講授完后，利用在線虛擬平臺進行測試練習，教師可以實時查看學生的作答情況，及時發現學生存在的問題，并給予有針對性的輔導，幫助其趕上課堂進度。在練習的過程中，對于學生普遍存在的問題，統一輔導講解。在保證90%的學生完成練習后，再進行總結，引入下一知識點內容的講解和練習。

3.2 虛擬實訓平臺在混合式課堂教學中發揮的作用

第一，通過虛擬實訓平臺可以實時測試知識點掌握情況。在課堂教學中，教師可以通過提問的方式進行測試，但這種方式重點是查看知識點的理解情況，而缺乏學生動手練習實踐，且只能提問個別學生，覆蓋面小，不能掌握大部分學生的情況。通過虛擬實訓平臺，教師可以看到所有學生對知識點測試題目的作答情況，覆蓋面廣，尤其是可以跟蹤進度落后的學生，適當給予幫助和輔導。

第二，通過虛擬實訓平臺可以全面了解學生對知識點的掌握情況。傳統的“邊講邊練”式教學，主要由學生在個人電腦中的開發環境中完成編程練習，教師通過機房中每個學生的顯示器看其作答情況，這種方式不直觀，教師不易閱讀屏幕，且容易干擾學生的思路，且不能看到所有學生的作答情況。虛擬實訓平臺中，教師可以看到每個學生的程序，且數據分析可視化，可以直觀地看到不同難易度題目的完成情況，教師實時地針對學生作答情況，進行知識點內容的補充講解。

第三，通過虛擬實訓平臺可以形成量化的學生考核成績，為學生的過程性考核成績提供了依據，不僅大大減輕教師的批作業工作量，而且提高了學生的主動性。虛擬實訓平臺支持自動評閱代碼，通過設置多組測試用例，指導學生糾正代碼中的錯誤，增強學生自主分析解決問題的能力，有利于學生將被動學習變為主動學習。而教師也從繁重的閱讀代碼任務中解脫出來，可以有更多的時間用來備課和輔導學生。

第四，教師可以依托平臺自行組織競賽。平臺提供了競賽組織功能，教師可以從題庫資源中，選取合適題目，組織小組競賽、班級競賽、全校競賽等，提高學生學習的積極性。對于比較優秀的學員，可以推薦參加全國性或國際信息學競賽。為了有效管理和激勵競賽團隊，健全學科競賽團隊的管理機制，對參賽獲獎學生視獲獎級別給予精神和物質獎勵。

第五，虛擬實訓平臺提供了相應的APP或公眾號，可在手機上安裝運行后登錄訪問，在手機上進行在線實踐，提高了學生利用碎片化時間進行學習的便利性。

4 主要虛擬實訓平臺比較

虛擬在線實訓平臺通過在線測試方式激發了學生的學習主動性，有效地幫助教師掌握學生的學習情況，并減輕教師繁重的作業批改負擔。目前，國內高校使用較多的Python虛擬在線實訓平臺有Python123、educoder、章魚大數據實驗訓練平臺等，但是各虛擬在線實訓平臺也存在不足，還需要進一步改進。

Python123平臺的優點是支持二級等級考試模擬，有豐富的turtle圖形繪制案例。缺點是：盡管平臺內有豐富的共享題庫資源，但題目分類較亂，教師不能快速地找到自己需要的資源；平臺題庫中缺乏網絡編程、面向對象等應用方面的題目。

Educoder實訓平臺通過“闖關”的形式提高了學生的興趣，且提供了代碼查重功能，但是沒有提供多維度的實訓任務查看功能。教師可以查看每個實訓任務的完成情況，但是沒有所有學生完成任務的可視化數據，教師不能查看學生在本學期所有的實訓完成情況。

章魚大數據實驗平臺內置了豐富的課程和案例資源等，學生可根據實驗內容，自主完成實驗，提交實驗報告。但平臺的主要缺點是不支持自動評閱，教師主要通過抓取學生的屏幕、提交的實驗報告，來查看學生的完成情況。

另外，各實訓平臺的考核評價機制亟待研究改進。目前，各平臺對學生的評價，主要由學生完成作業的得分情況組成。由于學生有可能抄襲作業，顯然這種評價機制缺乏公平性。Python123平臺統計了學生的在線時長、完成當前題目的時間、評閱次數等信息，但是并沒有將這些信息融入到學生的成績評價中。