C語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教賽融合教學(xué)方法研究

陳燈 張彥鐸 王海暉 鞠劍平 張俊 李曉林 劉軍

摘 要：針對《C語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程教學(xué)中存在的入門困難、枯燥、實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不佳以及不及格率過高等問題，結(jié)合ACM國際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽（ACM-ICPC）開展經(jīng)驗(yàn)，提出一種教賽融合的創(chuàng)新教學(xué)方法。方法以ACM在線評測系統(tǒng)（OJ）為核心，采用競賽模式開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。對武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院近3年該課程實(shí)際教學(xué)工作進(jìn)行總結(jié)和數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：2018年應(yīng)用教賽融合教學(xué)方法后，90分以上學(xué)生人數(shù)較2016年提高了一倍，平均分從66.2分提高到80.14分，不及格率從20%減少到3.57%，最低分從33分提高到53分。結(jié)果表明，引入競賽機(jī)制和OJ系統(tǒng)，極大地激發(fā)了學(xué)生編程熱情，有效抑制了不及格率和最低分。

關(guān)鍵詞：ACM國際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽;教賽融合;在線評測系統(tǒng)

DOI：10. 11907/rjdk. 191147

中圖分類號：G433文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-7800（2019）004-0206-04

0 引言

《C語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》是計(jì)算機(jī)類專業(yè)核心課程，作為學(xué)習(xí)編程的第一門課程，對激發(fā)學(xué)生編程熱情、培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力具有重要意義[1-3]。一線教師長期教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，該課程教學(xué)質(zhì)量直接影響后續(xù)計(jì)算機(jī)專業(yè)課程學(xué)習(xí)，甚至決定了學(xué)生的職業(yè)發(fā)展[4]。然而，該課程教學(xué)存在諸多困難[5-8]。首先，學(xué)生計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)不足以及不均衡問題給課程教學(xué)帶來了挑戰(zhàn)。該課程是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后接觸的第一門編程課程，學(xué)生計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)較為薄弱，特別是一些教育資源欠發(fā)達(dá)地區(qū)，學(xué)生在進(jìn)入大學(xué)以前甚至沒使用過計(jì)算機(jī)。其次，學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是邏輯思維能力。新生由于沒有接受過系統(tǒng)訓(xùn)練，存在上機(jī)編程入門困難問題。第三，計(jì)算機(jī)語言學(xué)習(xí)與自然語言學(xué)習(xí)存在較大差異，其側(cè)重點(diǎn)是對知識的理解、應(yīng)用和問題解決能力。為此，其要求學(xué)生能夠做到課堂理論知識與上機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)有機(jī)融合[9]。第四，計(jì)算機(jī)語言學(xué)習(xí)過程相對于自然語言更加枯燥、乏味，如何在教學(xué)過程中激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情是一個(gè)難點(diǎn)問題。

針對上述問題，研究人員從教師隊(duì)伍建設(shè)、教材建設(shè)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)等方面開展了大量研究工作。高偉等[10]提出了C語言程序設(shè)計(jì)課程一體化教學(xué)模式，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭建B/S結(jié)構(gòu)輔助教學(xué)平臺，采用相似度匹配技術(shù)進(jìn)行成績評判;肖瀟等[11]提出運(yùn)用構(gòu)建主義理論淡化語法規(guī)則，科學(xué)安排教學(xué)內(nèi)容的層次結(jié)構(gòu)及算法實(shí)例，結(jié)合在線裁判系統(tǒng)提高理論授課效果，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐編程能力;白魚秀[12]提出以“學(xué)生成績管理系統(tǒng)”為主線的案例教學(xué)法，并給出了實(shí)際教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段和考核方式;邊倩等[13]提出基于慕課的“C語言程序設(shè)計(jì)”課程翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。上述教學(xué)方法主要通過教學(xué)模式改革提升學(xué)習(xí)樂趣，吸引學(xué)生注意力，改善教學(xué)效果，同時(shí)通過采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及在線裁判系統(tǒng)提高教師教學(xué)效率。

與已有工作不同，本文結(jié)合ACM國際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽開展經(jīng)驗(yàn)，提出一種教賽融合的創(chuàng)新教學(xué)方法[14]。以ACM在線評測系統(tǒng)（Online Judge，OJ）為核心，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)引入競賽機(jī)制，可提高學(xué)生編程熱情和壓力情況下解決編程問題的能力。該方法一方面可提升《C語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程教學(xué)質(zhì)量，另一方面可使學(xué)生適應(yīng)ACM國際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽編程環(huán)境，促進(jìn)競賽人才培養(yǎng)。

1 ACM國際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽

ACM國際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽（ACM International Collegiate Programming Contest，簡稱ACM-ICPC或ICPC）是由國際計(jì)算機(jī)協(xié)會（ACM）主辦的一項(xiàng)旨在展示大學(xué)生創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)精神、在壓力下編寫程序、分析和解決問題能力的年度競賽。經(jīng)過近40年發(fā)展，ACM國際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽已經(jīng)發(fā)展成為全球最具影響力的大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽[15-21]。

ACM-ICPC以團(tuán)隊(duì)形式代表各學(xué)校參賽，每隊(duì)由至多3名隊(duì)員組成。每位隊(duì)員必須是在校學(xué)生，有一定年齡限制，并且每年最多可以參加2站區(qū)域選拔賽。比賽期間，每隊(duì)使用1臺電腦，需要在5小時(shí)內(nèi)使用C/C++、Java和Python中的一種程序解決7～13個(gè)問題。程序完成之后提交裁判運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果會判定為正確或錯(cuò)誤兩種并及時(shí)通知參賽隊(duì)。有趣的是，每隊(duì)在正確完成一題后，組織者將在其位置上升起一只代表該題顏色的氣球，第一支解決掉每道題目的隊(duì)還會額外獲得一個(gè)“FIRST PROBLEM SOLVED”氣球。最后獲勝者為正確解答題目最多且總用時(shí)最少的隊(duì)伍。每道試題用時(shí)將從競賽開始到試題解答被判定為正確為止，其間每一次提交運(yùn)行結(jié)果被判錯(cuò)誤將被加罰20分鐘時(shí)間，未正確解答的試題不計(jì)時(shí)。

與其它計(jì)算機(jī)程序競賽（例如國際信息學(xué)奧林匹克、IOI）相比，ACM-ICPC的特點(diǎn)在于題量大，每隊(duì)需要在5小時(shí)內(nèi)完成7道或以上題目。另外，一支隊(duì)伍3名隊(duì)員卻只有1臺電腦，使時(shí)間顯得更為緊張。因此，除了扎實(shí)的專業(yè)功底，良好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作和心理素質(zhì)同樣是獲勝關(guān)鍵。

武漢工程大學(xué)于2016年組建了ACM協(xié)會，在全校范圍內(nèi)組織開展ACM國際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽。經(jīng)過幾年時(shí)間探索和發(fā)展，已經(jīng)形成了穩(wěn)定的團(tuán)隊(duì)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的新生培養(yǎng)機(jī)制及ACM校隊(duì)訓(xùn)練策略，包括：高年級向低年級授課的知識傳承方式、以賽代練的訓(xùn)練策略和“同做一道題，群講一道題”等。雖然，ACM協(xié)會目前尚未在實(shí)際比賽中獲得獎(jiǎng)項(xiàng)，但是協(xié)會成員編程水平獲得了明顯提升。2016年ACM協(xié)會沒有獲得網(wǎng)絡(luò)賽晉級名額，2017年獲得1項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)賽晉級名額，2018年獲得3項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)賽晉級名額，預(yù)期2019年將會獲得更加優(yōu)異的成績。ACM-ICPC競賽經(jīng)驗(yàn)表明，競賽能夠激發(fā)學(xué)生編程熱情，極大提高學(xué)生解決問題的能力。

2 ACM在線評測系統(tǒng)

ACM在線評測系統(tǒng)（OJ）一般為采用B/S架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的程序設(shè)計(jì)自動判題系統(tǒng)[10，20]。其主要功能有：①用戶管理，具有用戶賬戶注冊及管理功能;②權(quán)限管理，能夠管理和控制用戶權(quán)限;③題庫管理，包括上傳題目、刪除題目、查找題目、修改題目和查看題目等;④競賽管理，可發(fā)起競賽、編輯競賽信息、刪除競賽信息和查看競賽信息;⑤在線答題，可在線提交代碼;⑥榜單管理，可查看用戶榜單;⑦自動判題，可對用戶提交的代碼進(jìn)行自動編譯，根據(jù)競賽題目預(yù)設(shè)的測試用例進(jìn)行自動判題并給出結(jié)果;⑧智能查重，可對用戶提交的代碼進(jìn)行智能查重，智能查重功能可檢索更改變量名稱等代碼相似度內(nèi)容;⑨主頁管理，可為用戶生成個(gè)人主頁，顯示用戶競賽答題情況的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，包括答題數(shù)量和成功解題數(shù)量等。

3 基于OJ系統(tǒng)的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是《C語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程教學(xué)的關(guān)鍵內(nèi)容，是培養(yǎng)學(xué)生動手能力和邏輯思維能力的主要形式。在學(xué)時(shí)數(shù)上，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課堂理論授課通常各占一半。盡管課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)時(shí)數(shù)已經(jīng)提高到與課堂理論授課相同水平，但是隨著課程整體學(xué)時(shí)的壓縮，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)時(shí)與實(shí)際教學(xué)需求仍有較大差距。此外，傳統(tǒng)教師在機(jī)房答疑的實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)方式存在以下不足：①當(dāng)班級人數(shù)較多時(shí)，教師很難做到一對一上機(jī)輔導(dǎo)，學(xué)生困惑不能及時(shí)得到解決，使學(xué)生上機(jī)積極性受到影響;②有些比較內(nèi)向的學(xué)生碰到問題時(shí)不愿意主動與老師交流，當(dāng)其上機(jī)問題長期得不到解決時(shí)自信心會受到打擊，實(shí)踐能力無法得到提升;③自覺性和基礎(chǔ)較差的學(xué)生對上機(jī)實(shí)驗(yàn)積極性較低，存在上課玩手機(jī)、睡覺或者思想開小差的情況，而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法不能充分激發(fā)學(xué)生的編程熱情和興趣;④為了完成上機(jī)任務(wù)，學(xué)生可能會在完全不思考的情況下復(fù)制網(wǎng)絡(luò)上的代碼，導(dǎo)致編程水平無法跟上節(jié)奏;⑤傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法中教師無法準(zhǔn)確掌握每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，無法做到因材施教以及在有限時(shí)間內(nèi)進(jìn)行精準(zhǔn)指導(dǎo)。

針對上述問題，結(jié)合ACM國際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)，提出基于OJ系統(tǒng)的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，通過將競賽元素融入教學(xué)中激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)編程的興趣。基于OJ系統(tǒng)的《C語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法主要有以下3方面關(guān)鍵內(nèi)容：

（1）采用OJ系統(tǒng)安排上機(jī)作業(yè)。OJ系統(tǒng)為面向ACM國際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽的系統(tǒng)，沒有專用的上機(jī)作業(yè)管理模塊，當(dāng)前采用方法為利用其競賽管理模塊上傳上機(jī)作業(yè)，通過OJ系統(tǒng)管理后臺“添加競賽”功能可發(fā)起一次程序設(shè)計(jì)競賽。OJ系統(tǒng)中的程序設(shè)計(jì)競賽包含以下主要信息：①競賽名稱;②競賽持續(xù)時(shí)間，超時(shí)后競賽鏈接自動關(guān)閉，停止答題;③允許答題采用的編程語言，系統(tǒng)支持當(dāng)前大多數(shù)主流編程語言，包括C/C++、Python和Java等;④競賽權(quán)限，開放權(quán)限或者需要進(jìn)行密碼驗(yàn)證;⑤競賽描述信息;⑥競賽題目列表。圖 1為武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2018級計(jì)算機(jī)9班和10班“循環(huán)結(jié)構(gòu)”章節(jié)上機(jī)作業(yè)情況，總共包含15道與循環(huán)結(jié)構(gòu)相關(guān)的編程題。學(xué)生通過注冊賬號登錄系統(tǒng)后，輸入作業(yè)密碼即可開始答題，在線提交代碼并獲得自動判題結(jié)果。

（2）根據(jù)OJ系統(tǒng)排名計(jì)算課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)分?jǐn)?shù)。武漢工程大學(xué)ACM協(xié)會開發(fā)的OJ系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示競賽榜單及學(xué)生提交代碼情況。通過該榜單，教師可及時(shí)了解每個(gè)學(xué)生上機(jī)的情況，包括解題數(shù)量、代碼提交次數(shù)和用時(shí)情況等。此外，教師還能知曉最先解題的學(xué)生及時(shí)間、出錯(cuò)最多的題目等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。根據(jù)上述信息，教師能夠有針對性地對特定題目、特定學(xué)生進(jìn)行精準(zhǔn)輔導(dǎo)。從學(xué)生角度來看，實(shí)時(shí)榜單能夠增加競賽的緊張氣氛，激發(fā)學(xué)生的競爭意識，培養(yǎng)學(xué)生在壓力情況下解決問題的能力。此外，通過對競賽歷史記錄總結(jié)，學(xué)生能了解自己知識體系的薄弱環(huán)節(jié)以及與同學(xué)的差距，利于有針對性地鞏固知識，查漏補(bǔ)缺。除此之外，為了進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的編程熱情，提出利用OJ系統(tǒng)榜單排名計(jì)算課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)分?jǐn)?shù)。一方面可使學(xué)生對OJ系統(tǒng)上機(jī)更加重視，另一方面可使實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)評價(jià)更加客觀且極大減輕教師工作量。

（3）對學(xué)生提交的代碼進(jìn)行查重。為了完成上機(jī)作業(yè)，學(xué)生拷貝網(wǎng)絡(luò)代碼或者其他同學(xué)代碼的事件時(shí)有發(fā)生。一方面影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)評價(jià)的公正性，另一方面，長期不求甚解的抄襲會加劇學(xué)生的依賴心理，最終導(dǎo)致其在編程學(xué)習(xí)中掉隊(duì)。OJ系統(tǒng)能夠?qū)Ω傎愄峤坏拇a進(jìn)行查重，智能地比較任意兩份代碼之間的相似度?；谠摴δ軐W(xué)生上機(jī)作業(yè)進(jìn)行檢查，可有效遏制代碼抄襲行為，端正其學(xué)習(xí)態(tài)度。

綜上所述，基于OJ系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息技術(shù)在教學(xué)中的重要應(yīng)用與實(shí)踐，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①教師可在線安排上機(jī)作業(yè)，學(xué)生可在線答題，課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加便捷;②學(xué)生通過OJ系統(tǒng)能與同學(xué)同臺競技，競賽機(jī)制能激發(fā)學(xué)生編程的興趣;③自動判題功能可減少教師工作量;④智能查重功能可遏制學(xué)生代碼抄襲行為，使教學(xué)評價(jià)更加公正;⑤學(xué)生通過OJ系統(tǒng)歷史記錄可了解自己的學(xué)習(xí)情況，分析個(gè)人知識體系的薄弱環(huán)節(jié)，從而有針對性地加強(qiáng)練習(xí);⑥教師通過OJ系統(tǒng)實(shí)時(shí)榜單可準(zhǔn)確了解學(xué)生的上機(jī)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)掉隊(duì)學(xué)生和難點(diǎn)問題，達(dá)到在有限課程時(shí)間內(nèi)進(jìn)行精準(zhǔn)輔導(dǎo)的目的。

4 教賽融合指導(dǎo)下課程教學(xué)結(jié)果與討論

2018-2019年度第一學(xué)期，以武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2018級計(jì)算機(jī)9班和10班為研究對象，在教賽融合思想指導(dǎo)下，開展了《C語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)I》課程教學(xué)。結(jié)合該課程過去兩年某班教學(xué)情況進(jìn)行對比分析，分析結(jié)果如表 1所示。表 1給出了連續(xù)3年《C語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)I》教學(xué)結(jié)果，包括各分?jǐn)?shù)段分?jǐn)?shù)分布情況、及格率、最高分、最低分和平均分。通過對比可以發(fā)現(xiàn)：①2018年應(yīng)用教賽融合的教學(xué)方法后，取得高分（>90分）的人數(shù)比例比2016年增加了一倍;②雖然2018年教學(xué)結(jié)果中高分人數(shù)沒有2017年多，但是2018年取得中等成績（70-89分）的學(xué)生比例為82.14%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2017年和2016年。事實(shí)上，根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，中等成績比例更能準(zhǔn)確反映出班級整體水平;③應(yīng)用教賽融合的教學(xué)方法后，2018年不及格率降低到3.57%（2016年20%、2017年10.34%），而且最低分明顯高于前兩年的33分和32分，說明教賽融合教學(xué)方法能極大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)編程的興趣，有效抑制極低分和厭學(xué)情緒產(chǎn)生;④2018年平均分達(dá)到80.14，遠(yuǎn)超2016年的66.2和2017年的75.79，說明教賽融合的教學(xué)方法能有效促進(jìn)《C語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程教學(xué);⑤通過對學(xué)生答卷的分析，2018年學(xué)生能取得優(yōu)異成績的主要原因是編程題得分較高，說明教賽融合教學(xué)方法對于課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要作用。

5 結(jié)語

本文針對《C語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程教學(xué)特點(diǎn)和難點(diǎn)問題，結(jié)合ACM-ICPC競賽指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)，提出一種教賽融合的課程教學(xué)方法。該方法以O(shè)J系統(tǒng)為核心，通過競賽機(jī)制引入實(shí)現(xiàn)對課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革。本文從采用OJ系統(tǒng)安排上機(jī)作業(yè)、根據(jù)OJ系統(tǒng)排名計(jì)算課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)分?jǐn)?shù)和對學(xué)生提交的代碼進(jìn)行查重3個(gè)方面對實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方法進(jìn)行了詳細(xì)論述。

為了驗(yàn)證教賽融合思想指導(dǎo)下課程教學(xué)效果，以武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2018級新生作為試驗(yàn)對象，結(jié)合近3年課程教學(xué)情況進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，一方面，基于教賽融合的課程教學(xué)方法能極大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)編程的興趣，有效提高了學(xué)生上機(jī)實(shí)踐能力和班級整體課程成績;班級平均分達(dá)到了80.14分，70分以上學(xué)生人數(shù)占比89.28%;課程成績分布更加合理，不及格率和極低分問題得到了有效緩解。另一方面，競賽機(jī)制引入鍛煉了學(xué)生在有壓力情況下解決編程問題的能力。隨著教賽融合教學(xué)方法不斷完善和深入，學(xué)生課程成績提升和ACM-ICPC競賽獲獎(jiǎng)情況能取得更大突破。

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（責(zé)任編輯：何 麗）