基于OJ 的程序設(shè)計(jì)類課程實(shí)驗(yàn)混合教學(xué)模式研究

徐燕萍

（鹽城工學(xué)院 信息工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

0 引言

程序設(shè)計(jì)類課程是電子信息大類相關(guān)專業(yè)的核心課程，由于程序設(shè)計(jì)類課程具有基礎(chǔ)知識(shí)枯燥、難以入門、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)鞏固基礎(chǔ)知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力至關(guān)重要。但一直以來，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果并不理想，主要原因在于：①語法規(guī)則復(fù)雜、枯燥，概念抽象，對(duì)于沒有建立編程思維的學(xué)生而言難度較大，導(dǎo)致學(xué)生興趣不高；②師生缺少有效交流，學(xué)習(xí)氛圍不濃厚；③學(xué)生需要花費(fèi)大量時(shí)間書寫紙質(zhì)報(bào)告，容易產(chǎn)生抵觸情緒；④紙質(zhì)報(bào)告批改工作量大，也難以驗(yàn)證程序的正確性，學(xué)習(xí)反饋不足；⑤報(bào)告抄襲現(xiàn)象比較嚴(yán)重，難以判斷學(xué)生是否真正掌握相關(guān)知識(shí)。因此，改革與探索程序設(shè)計(jì)類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是一項(xiàng)十分迫切的工作。

自新冠疫情爆發(fā)以來，教育部提出“停課不停學(xué)、停課不停教”的教學(xué)要求，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式：準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)、報(bào)告、批閱，已不再適用。針對(duì)疫情期間程序設(shè)計(jì)類課程實(shí)驗(yàn)線下無法開展以及學(xué)校實(shí)際情況，提出基于在線判題的線上教學(xué)模式。該模式采用自主研發(fā)的鹽城工學(xué)院實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目源碼評(píng)測(cè)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱YOJ）輔助教學(xué)，并且在疫情常態(tài)化后，已應(yīng)用于日常實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了程序設(shè)計(jì)類課程實(shí)驗(yàn)線上線下相混合的新型教學(xué)模式。

1 YOJ 建設(shè)

1.1 OJ 發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

OJ（Online Judge）最初應(yīng)用于ACM 國(guó)際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，目前已廣泛應(yīng)用于各大高校的程序設(shè)計(jì)訓(xùn)練等方面。國(guó)內(nèi)外知名的OJ 系統(tǒng)有很多，比如：浙大的ZOJ、北大的POJ、杭州電子科技大學(xué)的HDOJ 等。雖然這些OJ題庫(kù)很多，但僅用于程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽，并且缺少分類指引，難度系數(shù)大，并不適用于鹽城工學(xué)院程序設(shè)計(jì)類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

針對(duì)這些不適用的情況，結(jié)合鹽城工學(xué)院學(xué)生層次及能力現(xiàn)狀，自主研發(fā)了界面友好、功能完善且能輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1.2 YOJ 功能

系統(tǒng)采用B∕S 架構(gòu)，采用前后端分離技術(shù)；后臺(tái)使用JDK 1.8，前端使用Vue.js 2.0；使用自主研發(fā)的CUI 作為系統(tǒng)的UI 框架，數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL；在線判題使用的是成熟穩(wěn)定的開源HustOJ 內(nèi)核。學(xué)生在使用系統(tǒng)時(shí)，只需在機(jī)器上安裝瀏覽器即可。目前，YOJ 支持C、C++、C#、Java、Python 5 種編程語言評(píng)測(cè)。YOJ 界面如圖1 所示。

Fig.1 Interface of YOJ圖1 YOJ 界面

與教學(xué)實(shí)際過程緊密結(jié)合，YOJ 系統(tǒng)提供了五大功能模塊：系統(tǒng)管理模塊、在線判題評(píng)分模塊、實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成導(dǎo)出模塊、錯(cuò)誤采集查詢模塊、排名統(tǒng)計(jì)模塊。其中，在線判題和實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成導(dǎo)出是特色模塊。系統(tǒng)分為Judge 服務(wù)器（判題內(nèi)核）、Web 服務(wù)器和MySql 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器3 部分。學(xué)生在瀏覽器代碼編輯器中輸入源代碼，然后提交到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，Judge 服務(wù)器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中待評(píng)測(cè)代碼并進(jìn)行評(píng)測(cè)，評(píng)測(cè)結(jié)果既會(huì)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中也會(huì)實(shí)時(shí)反饋給學(xué)生，學(xué)生根據(jù)反饋的評(píng)測(cè)結(jié)果及時(shí)修正，在這種不斷試錯(cuò)、不斷修正結(jié)果的過程中，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，可在線查看和生成導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)報(bào)告包括實(shí)驗(yàn)源代碼、運(yùn)行結(jié)果、運(yùn)行時(shí)間及內(nèi)存情況，可以PDF 文件格式導(dǎo)出，方便學(xué)生打印。

2 基于YOJ 的實(shí)驗(yàn)混合教學(xué)設(shè)計(jì)

線上課程雖然資源多、不受時(shí)空限制，但由于學(xué)習(xí)過程管理不嚴(yán)、學(xué)生學(xué)習(xí)參與度不高、師生交流互動(dòng)較少等原因，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳。為了提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，本文提出基于YOJ 的線上線下混合教學(xué)模式，既提高學(xué)生學(xué)習(xí)參與度，激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，又發(fā)揮教師引導(dǎo)學(xué)生、監(jiān)控教學(xué)過程的主導(dǎo)作用?；赮OJ 平臺(tái)的線上線下實(shí)驗(yàn)混合教學(xué)設(shè)計(jì)如圖2 所示。

2.1 課前線上活動(dòng)

每次實(shí)驗(yàn)課前，教師根據(jù)理論課進(jìn)度安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，錄制實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻；然后布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)間一般是上課時(shí)間。每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由若干個(gè)具體的編程題目構(gòu)成，教師可以對(duì)選擇的題目分配分?jǐn)?shù)比例，以便計(jì)算最后得分。學(xué)生可以將實(shí)驗(yàn)視頻觀看過程中遇到的問題通過系統(tǒng)反饋給教師，教師收集整理學(xué)生反饋的問題以便在實(shí)驗(yàn)課開始時(shí)集中講解。

Fig.2 Design of mixed teaching mode of experimental course圖2 實(shí)驗(yàn)課混合教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

2.2 課中混合活動(dòng)

上課時(shí)，教師講解本次實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)、難點(diǎn)及課前線上活動(dòng)階段學(xué)生反饋的問題；然后學(xué)生登錄YOJ 系統(tǒng)，完成實(shí)驗(yàn)題目。每提交一道題目，YOJ 會(huì)在線編譯，并對(duì)照給定的測(cè)試用例，與預(yù)設(shè)的輸出進(jìn)行比對(duì)，以驗(yàn)證程序是否正確，最后會(huì)提示學(xué)生源代碼執(zhí)行用時(shí)及內(nèi)存使用情況，學(xué)生可以根據(jù)評(píng)測(cè)結(jié)果，對(duì)代碼作進(jìn)一步優(yōu)化，直到滿意為止。教師可以在教室中對(duì)有問題的學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化指導(dǎo)，還可以通過平臺(tái)的統(tǒng)計(jì)分析功能，查看學(xué)生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成情況，對(duì)出現(xiàn)的集中性錯(cuò)誤、共性問題集中指導(dǎo)。學(xué)生提交完所有實(shí)驗(yàn)題目后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，學(xué)生可以在線查看，也可以導(dǎo)出PDF 文件，PDF 文件以班級(jí)—學(xué)號(hào)—姓名—實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.pdf 命名。

2.3 課后線上活動(dòng)

實(shí)驗(yàn)課結(jié)束后，教師可以查看錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)信息，分析每次實(shí)驗(yàn)中各類錯(cuò)誤的出現(xiàn)頻率，以便在今后教學(xué)中重點(diǎn)介紹。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成時(shí)間、運(yùn)行效率、提交次數(shù)、總評(píng)成績(jī)進(jìn)行排名，學(xué)生可以查看排名，了解自己在班級(jí)的學(xué)習(xí)狀況，這樣極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

課前、課中、課后三段式混合教學(xué)模式，充分利用現(xiàn)代化教學(xué)手段，課前發(fā)布基于知識(shí)點(diǎn)的微視頻，精心設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容；課中通過YOJ 系統(tǒng)合理組織教學(xué)活動(dòng)，及時(shí)判題了解學(xué)生知識(shí)點(diǎn)掌握情況；課后分析數(shù)據(jù)庫(kù)評(píng)測(cè)結(jié)果，及時(shí)評(píng)價(jià)教學(xué)效果。基于OJ 的混合教學(xué)模式將教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、教學(xué)活動(dòng)組織、教學(xué)效果評(píng)價(jià)作為一個(gè)有機(jī)整體綜合考慮，明顯提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

3 教學(xué)效果分析

自2020 年5 月，YOJ 系統(tǒng)正式上線以來，系統(tǒng)題庫(kù)數(shù)量不斷增加，目前已經(jīng)累計(jì)800 多道，3 學(xué)期共有1 500 多人在C 語言程序設(shè)計(jì)、算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、Java 程序設(shè)計(jì)、Python 程序設(shè)計(jì)等課程中陸續(xù)使用該系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)課輔助教學(xué)平臺(tái)，取得了良好效果。

3.1 學(xué)生參與度提高

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式下，由于教師監(jiān)督能力有限，無法及時(shí)檢查、驗(yàn)證學(xué)生的實(shí)驗(yàn)代碼，直接導(dǎo)致學(xué)生實(shí)際程序設(shè)計(jì)能力較差，甚至出現(xiàn)少數(shù)學(xué)生混水摸魚的現(xiàn)象。使用混合教學(xué)模式后，為保證實(shí)驗(yàn)任務(wù)在實(shí)驗(yàn)課內(nèi)完成，要求每位學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課內(nèi)在線提交實(shí)驗(yàn)源代碼，并且每位學(xué)生的源代碼都能得到驗(yàn)證，系統(tǒng)還會(huì)統(tǒng)計(jì)出學(xué)生在班級(jí)的排名情況。學(xué)期結(jié)束時(shí)，用QQ 群的投票功能進(jìn)行問卷調(diào)查，任教班級(jí)共68 名學(xué)生參與了投票，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，使用混合教學(xué)后學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性明顯提高，學(xué)生參與度由原來的79.41%提高到97.06%。

Table 1 Participation questionnaire of experimental course表1 實(shí)驗(yàn)課參與度調(diào)查 （%）

3.2 代碼調(diào)試能力明顯提升

2020 年秋季學(xué)期，學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)工程、物聯(lián)網(wǎng)工程、人工智能5個(gè)專業(yè)共15個(gè)班級(jí)的大一新生開設(shè)C 語言程序設(shè)計(jì)專業(yè)基礎(chǔ)課程，選定其中5個(gè)作為試點(diǎn)班。對(duì)C 語言程序設(shè)計(jì)課程的12個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過對(duì)3個(gè)多月內(nèi)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中存儲(chǔ)的評(píng)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的錯(cuò)誤類型集中在語法錯(cuò)誤上，但隨著系統(tǒng)的使用，學(xué)生最終提交的代碼語法錯(cuò)誤越來越少，如圖3所示。代碼運(yùn)行成功的比率也在逐步提高，如圖4 所示。

3.3 課程考核成績(jī)明顯提升

因?qū)W院2020 級(jí)各班級(jí)學(xué)生入學(xué)分?jǐn)?shù)相差較小，選定5個(gè)試點(diǎn)班后，另外10個(gè)班作為參照班級(jí)。試點(diǎn)班級(jí)和參照班級(jí)理論教學(xué)內(nèi)容、要求基本相同，只是實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式不一樣。從最終考試情況來看，試點(diǎn)班在期末考試中取得了較好的成績(jī)。在使用同一份試卷的情況下，將試點(diǎn)班級(jí)和參照班級(jí)卷面成績(jī)進(jìn)行對(duì)比，試點(diǎn)班級(jí)卷面平均分為75.69，比參照班級(jí)高出7.21 分，如圖5 所示。試點(diǎn)結(jié)果可在一定程度上說明采用混合式教學(xué)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)，尤其是編程能力培養(yǎng)起到了較好的促進(jìn)作用。

Fig.3 Trend of syntax error number圖3 語法錯(cuò)誤數(shù)量趨勢(shì)

Fig.4 Trend of submission success rate圖4 提交成功率趨勢(shì)

3.4 應(yīng)用能力明顯提升

實(shí)驗(yàn)課使用混合式教學(xué)的班級(jí)，學(xué)生動(dòng)手能力、工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新素養(yǎng)明顯高于其他學(xué)生。在2021 年度學(xué)院申報(bào)的12 組大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目中，有8 組學(xué)生所在班的實(shí)驗(yàn)采用的是混合式教學(xué)。此外，采用混合式教學(xué)的班級(jí)學(xué)生參與教師科研項(xiàng)目的人數(shù)也比其他班多。最可喜的是，在2021 年的“藍(lán)橋杯軟件設(shè)計(jì)大賽”中，學(xué)生獲獎(jiǎng)人數(shù)也明顯高于往年，對(duì)比獲獎(jiǎng)學(xué)生名次及人數(shù)，明顯發(fā)現(xiàn)采用混合式教學(xué)對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力提升幫助非常大?！八{(lán)橋杯”獲獎(jiǎng)名次及人數(shù)與實(shí)驗(yàn)采用混合式教學(xué)的關(guān)系如圖6 所示。

Fig.5 Performance comparison between pilot class and reference class圖5 試點(diǎn)班級(jí)和參照班級(jí)成績(jī)對(duì)比

Fig.6 The relationship of the grade and number of winners with mixed teaching圖6“藍(lán)橋杯”獲獎(jiǎng)名次和人數(shù)與混合式教學(xué)的關(guān)系

學(xué)校和教師在探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式時(shí)的巨大付出換取了良好的教學(xué)效果。在課程實(shí)驗(yàn)混合教學(xué)模式設(shè)計(jì)過程中，精心設(shè)計(jì)5 種學(xué)習(xí)效果提升策略：①熟悉實(shí)驗(yàn)課程安排，助力實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備；②組織學(xué)生交流，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；③提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，消除學(xué)習(xí)障礙；④通過排名，樹立學(xué)習(xí)榜樣，引發(fā)外部驅(qū)動(dòng)力；⑤鼓勵(lì)自我反思，并將它們貫穿到混合式教學(xué)活動(dòng)中。

4 結(jié)語

在疫情常態(tài)化防控情況下，經(jīng)過3 輪教學(xué)實(shí)踐證明，混合教學(xué)模式不但沒有影響相關(guān)課程教學(xué)，反而提高了學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)語言的興趣，提高了學(xué)生編程水平、自主學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手能力，增強(qiáng)了師生間的互動(dòng)，并且將教師從繁重的實(shí)驗(yàn)報(bào)告批改中解放出來，從而可以將更多的時(shí)間和精力投入教學(xué)研究和學(xué)生輔導(dǎo)工作中，教學(xué)效果得到明顯提高。