數據驅動的程序設計類課程創新改革與實踐

史晟輝，張 紅，彭四偉，胡 偉，江志英，劉 勇，汪凌峰，李睿琪

（1.北京化工大學信息科學與技術學院，北京 100029；2.北京化工大學國際教育學院，北京 100029）

1 研究背景

教育部發布的《關于一流本科課程建設的實施意見》[1]，《教育部辦公廳關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》[2]，麻省理工學院MIT啟動工程教育改革“新工程教育轉型（New Engineering Education Transformation，NEET）”計劃[3]等舉措，明確提出一流工科本科課程對學生培養的要求。王雷等學者[4]對新工科人才能力培養提出了計算機程序設計課程改革的思考。針對課程建設，加拿大教師技能培訓機構（Instructional Skills Workshop，ISW）提出了BOPPPS教學結構[5]。姚婉清、趙國琰等學者[6-7]對BOPPPS教學模式的教學設計要素進行了分析，并通過案例進行課程改革。肖睿等學者使用在線教學平臺，研究了學習者參與方式[8]。社會的進步、信息技術的發展、網絡資源的豐富、課程手段的多樣化、課程改革的全面推進、教學基礎數據的累積，更進一步推進了程序設計類課程改革創新。

程序設計、數據結構、編譯原理等程序設計類課程是工科計算機專業軟件類重要課程。程序設計類課程實踐性非常強，學生編程能力不達標。如何在課堂內外利用多個在線課程平臺，發揮平臺各自優勢，促進學生編程能力提升？在學習過程中，學生存在被動聽課、被動學習的習慣。課堂作為大學教學的主戰場，如何在有限的時間內，持續保持學習應有的態度、變被動接受為主動參與？如何將時事、前沿引入，增加學生興趣？針對上述在教學過程中存在的問題，開展基于數據驅動的程序設計類課程創新改革，培養工科程序設計人才能力，是課程實踐的重點。

2 程序設計類創新課程設計

2.1 教學目標制定

程序設計類課程改革應從知識、能力、素養三個角度重新梳理課程目標，體現信息化的科技元素，考慮結合專業課程的育人職責，剖析講授的知識點，制定知識、能力和素養融合的三目標。知識目標是使學生掌握基本知識，通過對簡單應用問題進行分析及編程實現；能力目標是使學生具備運用課程知識，分析、抽象并編程解決大型復雜實際問題，培養學生抽象問題、構建優化編程和計算思維能力；素養目標是使學生能夠通過團隊協作編程解決復雜問題，分析比較團隊角色的任務和作用，培養團隊協作精神，培養學生探索創新和科技服務社會的精神，實現科技育人、立德樹人。

2.2 教學流程設計

教學流程要合理展現教學內容，要為其合理有效服務。根據課程特點、設定目標的不同，將教學內容設計成不同的教學形式。程序設計類課程的教學流程從課前、課堂和課后三個部分，從教師、學生、師生互動材料三個角度，從教學流程和線上線下支持的對應關系等多個方面設計。

課前設計主要了解學情、提前預習，包括課程通知、發布預習資料；課堂設計主要通過交互式教學激發學生學習興趣、引發思考，包括課堂講授、組織交流討論、小測驗、實時問卷等互動；課后部分包括幫助學生鞏固提高、延展知識，具體內容包括發布作業、拓展視頻、文獻、前沿探索等課后資料并組織答疑討論、對課程反饋進行課程反思。課前和課后的學生學習情況及反映出的問題都可以通過課程平臺給出統計數據，下次課堂教師統一反饋解答。每段學習有講課，有交互，有答疑，給學生構建充分交互的環境。

3 數據驅動的程序設計類課程創新改革與實踐

3.1 課程閉環支撐平臺建設

利用學校提供的在線資源平臺和課程直播平臺，以及課程團隊建立的程序設計在線評測平臺，發揮各平臺優勢，建設創新課程“資源-直播-考核”閉環支撐平臺，如圖1所示。充分發揮課前、課中和課后三個時間維度的作用，建設作業、通知、問卷、課件、微視頻等課程在線資源平臺，積累每門課程每個學生過程制學習軌跡數據；建設課堂交互、課堂實錄視頻等智慧課堂直播平臺，積累歷史課堂實時數據；建設程序設計在線評測試平臺，積累每門課程每個學生限時程序設計及每周程序設計作業等在線實時評測數據；每個學期建立企業微信課程群等實時交流平臺，發布各種即時通知、投票、問卷等，實現課堂內外知識拓展及多樣化教學資源應用，共創良好教學環境，解決學生學習時間、空間局限性的問題。師生按時有序發布與提交作業，師生在線上進行互動，彼此遵守網絡文明。信息技術助力，師生共創良好的教學環境。

圖1 課程閉環支撐平臺

在課堂內外利用多個在線課程平臺，數據及時反饋，方便針對學生編程能力考核，促進學生編程能力的提升。實時交流平臺、資源平臺、課程直播實錄、程序在線評測優勢互補閉環支撐平臺，為課程創新改革提供實施平臺。

3.2 BOPPPS有效教學結構設計

BOPPPS是以教育目標為導向，以學生為中心的有效教學結構，包括六個教學環節：導入（Bridge-in，B）、目標（Objective/Outcome，O）、課前測（Pre-assessment，P）、參與式教學（Participatory Learning，P）、課后測（Post-assessment，P）和總結（Summary，S）。

課程結合BOPPPS有效教學結構，在“B”（導入）中，引入具有程序設計解決方案的知識相關案例；在“O”（目標）中，明確指示能力育人三目標；在“P”（課前測）中，對導入問題進行提問，或回顧前序知識；在“2P”（參與式教學）中，通常引入與知識點相關、引發思考的課程案例，通過同伴教學、交流互動進行師生、生生參與式教學；在“3P”（課后測）呼應回答“B”或者“1P”的問題，或者提出新的思考問題。在“S”（結論）中，可以布置相關作業，或者給出前沿素材，提供擴展閱讀。BOPPPS教學結構的設計，參與式教學讓學生從被動到主動學習。

3.3 科技育人元素融入

針對課程知識內容，融入課程科技育人元素。結合當前實際問題、時事和前沿技術，挖掘課程育人元素，創建課程科技育人案例集。分析科技育人元素案例，剖析背后支撐的計算機專業知識，重新設計成待編程解決的實際問題，融入課程內容，潤物于無聲中。

科技育人案例從課前貫穿課中，再到課后。課前邀請畢業的優秀師兄師姐錄制視頻，講述計算機學習過程和體會，讓學生對編程、專業和責任等的重要性再認識，同齡人的話能夠更好讓學生重新審視學習的認識誤區；程序調試視頻是學長們專門錄制的“在不同的IDE環境下如何調試程序”視頻，給師弟師妹快速入門贈送的專業禮物，體現學生學習的傳承與奉獻；課程設立程序答疑志愿者，通過互助解決程序疑難問題，培養學生奉獻精神。

課堂中教師在講解集成開發環境IDE時，通過介紹開源與免費軟件，讓學生明白軟件版權保護的意義；在講解軟件開發過程時，討論軟件正版與盜版，讓學生更了解計算機倫理；在講解“類”章節時，通過講述汽車與其組件的關系來區分類和對象的區別，引申到前沿的自動駕駛技術與局限，讓學生認識軟件缺陷與BUG；在講解約瑟夫環時，拓展到密碼與區塊鏈技術，引申到計算機倫理與安全；在講解模式匹配問題時，拓展到常用的搜索引擎工具及技術，引出版權與侵權問題；在講解稀疏矩陣時，通過電影影評評分存儲的實現的實例，讓學生了解大數據技術。對于團隊編程實踐部分，創建解決實際問題，幫助他人的校園導航、實用小工具等團隊協作育人案例。

圍繞信息技術育人設計，包括我國計算機發展、國內外計算機發展差距、面對重大疫情計算機人的職責、計算機倫理與法律等主題，實現學生從知識、能力到素養的有效轉化，增強了學生學習興趣和對知識的渴望。

3.4 數據驅動的課程創新改革實踐

通過對在線教學資源平臺、智慧教學直播平臺、程序設計在線評測平臺和實時交流平臺產生的學生當前和歷史學習軌跡數據進行分析，了解學生對課程知識點的學習掌握情況，優化了線上線下課堂知識點的設置，使得課程學習更科學有效。通過程序在線評測平臺，系統自動實時評測周個人編程作業；通過北化在線資源平臺，學生能夠互評團隊協作編程項目，使得多個課程平臺的優勢能夠充分發揮且互補，幫助學生提升了編程能力。

程序設計類課程課堂使用BOPPPS有效教學結構，運用師生討論、生生討論、同伴教學等多種參與式教學方法，通過課堂直播互動數據、答疑討論區和課堂評價等學生反饋數據進行分析，可以看出學生互動參與度比較高，學習積極性和主動性較好，以及對課程教學方法有較高的認可度，學生學習從被動接受到主動參與的改變比較明顯。

通過北化在線資源平臺提交的國產自主研發的編譯器等科技育人案例分析、搜索引擎的前沿技術研究報告，可以看出學生查閱了大量文獻，給出了前人研究的各種方法，并提出了自己的觀點，學生對于理論應用實踐的興趣非常濃厚。

課程通過改革創新，學生在編程能力上效果明顯，以某學期程序設計課程為例，學生的平時作業和期末考試都在程序在線評測平臺進行，其平時編程作業平均得分為78.84，期末編程考試平均分為75.07，每個學生程序平時編程作業得分和期末編程考試得分如圖2所示。

圖2 課程平時編程作業得分和期末編程考試得分對比

從圖2中可以看出，程序在線評測平臺的數據表明學生平時實時編程訓練成績和期末成績得分趨勢相當，均圍繞80分上下分布，程序在線評測平臺學生平時編程數據基本上和其期末成績成正比關系。因為在整個學習過程中程序在線平臺都對學生開放，學生平時也主動自主地參加編程訓練。

以學號尾號為0011的學生學習情況為例，如圖3所示，給出其學習情況與所在班級學生平均學習情況進行對比，可以看出0011學生在各項任務中的表現，除了團隊任務和期末考試和班級平均情況相當，其它指標都優于平均線，表明學生在解決復雜問題以及有限時間內處理問題的能力需要提高，根據此數據可以進一步對學生進行個性化學習指導。

圖3 以0011學生學習情況與課程平均學習情況對比數據

通過學生學習軌跡及成績數據分析反饋，能夠發現問題，進行課程反思并改進優化，形成課程創新改革閉環，推進課程良性建設發展。該課程的建設獲得廣泛認可，課程體系與課程模式目前已經在其他課程中推廣應用。

4 結束語

程序設計類課程通過積累的多年海量教學數據整理和分析，明確了教學目標，優化了教學流程，建設了課程閉環支撐平臺，設計了與課程教學內容相關的BOPPPS有效教學結構，融入了科技育人元素，進行了課程創新改革實踐，提升了學生的編程能力，改變了學生被動學習的習慣，增加了學生學習的興趣，實現了課程知識、能力和素養目標的達成。