计算机类课程线上实验教学设计与实践.pdf

2020 年新冠疫情爆发，使得假期结束的学生无法按时返校，为了不影响教学，各校各级师生展开线上教学。目前，线上教学软硬件环境日趋完善，师生们已然适应了线上教学甚至线上线下教学之间的转换，但是有些课程特别是计算机类课程线上实验的教学质量仍有待提高。1线上实验教学的特点以海军航空大学（以下简称我校）为例，2020年 35 月和 2021 年 910 月经历了两次线上教学，笔者分别承担了大学计算机基础和微机原理与接口技术课程的线上教学，其中也包含线上实验教学。两次线上教学均为课程前半段，其中大学计算机基础实验教学主要涉及的是 Python 语言，微机原理与接口技术课程实验教学主要涉及的是汇编语言，均为软件编程。对于大学计算机基础课程的学生，课前调查得知其中 75.76%没有学习过任何编程语言，3.03%学习过 Python 语言，12.12%学习过 C/C+，6.06%学习过 Java，6.06%学习过其他编程语言。通过进一步对编程语言掌握程度的调查得知，学习过编程语言的学生仅限于掌握基础语法，基本可以认为该班级学生 Python 语言零基础。对于微机原理与接口技术课程的学生，他们虽然已经学习过 Python 语言，但是缺乏应用，再加上作为低级语言的汇编语言跟高级语言存在明显不同，基本可以认为汇编语言零基础。第一次线上教学采用的是 QQ 群课堂加雨课堂的形式，第二次线上教学采用的是腾讯会议加雨课堂的形式，其中 QQ 群课堂和腾讯会议用来进行直播授课，雨课堂用来进行随堂测验。线上实验教学采用的形式是直播实验过程，教师演示，学生跟做，雨课堂提交实验报告。两次线上教学感触最深的、备课花费精力最多的就是线上实验教学部分。线上实验教学与线下实验教学最大的不同在于教学环境的改变。线下实验教学中，所有学生在同一个实验室空间中，教师容易制造出实验教学氛围，而线上实验教学，所有学生虽然进入同一线上教学空间，实际上分散在不同空间中，学习氛围不集中。对比线下实验教学，线上实验教学存在如下特点。1）线上实验教学任务重。“00 后”的学生接触网络较早，被称为网络原住民，他们网络聊天、游戏时可以做到快速打字，但是由于不重视盲打，软件编程进行源代码编辑时代码输入速度慢且错误多；由于习惯了短视频的节奏，注意力集中持续时间短，而调试程序却需要极大的耐心和细心；很多学生不愿意思计算机类课程线上实验教学设计与实践杨 玫，韩秋枫，邢翠芳（海军航空大学 航空基础学院，山东 烟台 264001）摘 要：结合线上实验教学经验，分析线上实验教学的特点，给出线上实验教学设计的原则，并以大学计算机基础和微机原理与接口技术两门课程的线上实验教学为例，介绍具体教学设计过程。关键词：线上实验；教学设计；对分课堂；BOPPPS；大学计算机基础；微机原理与接口技术文章编号：1672-5913(2023)08-0042-04中图分类号：G642线上教学线上教学第 8 期43考，“等、靠”思想严重，因而在实验教学过程中遇到困难容易放弃。软件编程类课程的线下实验教学常常面临实验任务不能当堂完成，需要课后完成的情况，等到了线上实验教学，这种现象更明显。2）线上实验教学过程管理难度大。线下实验教学时，教师就在学生身边，通过观察学生表情或者查看学生实验结果，基本就能知道学生学习情况，教师可以据此进行教学内容和教学进度的调整。而在线上实验教学中，很难在直播视频里即时了解到所有学生的学习情况，即便借助消息框也很难快速获得学生全面的学习信息。另一方面，实验教学中学生遇到的问题比理论教学要多，比如软件编程方面，有来自开发环境的，有来自语法错误的，有来自运行错误的，特别是运行错误调试往往要花费更多时间，线下实验教学中教师可以同时为多位学生提供帮助，学生之间的互助也非常方便，但是线上实验教学往往是学生私信与教师交流，学习进度明显减慢。比如初学 Python 语言时，学生很难理解输入函数 input 和输出函数 print，线下实验时教师给一位学生提供指导，可以同时兼顾到附近多位学生，但是线上教学时很难有效兼顾到多位学生。3）线上实验教学效果有待提高。图 1 给出近 4 年笔者承担大学计算机基础课程各教学班次的平均成绩，从中可以看出线上教学与线下教学的整体教学效果相当，但是就线上实验教学来说，有些现象说明线上实验教学效果有待提高。比如第一次线上教学时，课前多次强调过，也提供了详细的安装教程，并且要求学生提交过相关截图，但是课程后期学生返校进行线下教学时，仍发现有个别学生根本就没有安装 Python 环境，他们线上实验课的效果很难保证。虽然线上教学班次的学生在大学计算机基础课程里已经学习了 Python 语言，但是在报考全国计算机二级考试时，只有大约 2%的学生选择 Python 语言程序设计模块，约 98%的学生选择了 Microsoft Office 高级应用与设计或 WPS Office 高级应用与设计这两个模块，说明在学生的认知里通过 Python 语言程序设计模块难度较大，这也反映了 Python 语言教学，特别是线上实验教学效果并不那么理想。图 1 近 4 年大学计算机基础课程平均成绩72.6873.8573.7773.997272.57373.57474.52019202020212022成绩/年2线上实验教学设计原则（1）课堂参与。实验教学本来就是要培养学生动手能力，在线下课堂上，教师设计好实验环节、布置实验题目、组织学生实验水到渠成，但是到了线上，教师与学生在网络两端，教师演示很容易变成一个人的独角戏，教学效果很难保证。必须要加强学生课堂参与的设计，比如在线测试、线上研讨等。（2）过程评测。高校教学越来越重视过程性评价，同样线上实验教学也必不可少，一方面是对理论知识和实验操作的评测，同时也是对学生的签到点名，否则网络另一端可能并没有学生。教师进行教学设计时，可以将实验任务进行划分，每节课进行 23 次测验。在题目方面，最好做到随机组卷、一人一卷。202344计 算 机 教 育Computer Education（3）即时反馈。如前所述，实验教学如果只是将场所从线下搬迁到线上，容易出现学习反馈滞后的情况。为了解决这个问题，教学设计时要注意师生双方的即时反馈。小班教学采用线上研讨等形式可以获得即时反馈，但是班级规模较大时，比如超过 20 人，线上研讨不可行，学生参与度比较低。线上测试相对比较容易实现，但是要注意题型的选择，选择、填空等客观题比较合适，可以借助一些考试平台的自动判卷功能实现，简答、论述等主观题则需要教师批改，很难达到即时反馈的效果。计算机类课程中常见的编程题目，可以借助头歌实践教学平台实现，其闯关机制有利于提高学生的学习兴趣。3线上实验教学设计流程计算机类课程的实验教学主要包含两类，一类是纯软件编程，一类是包含有硬件的编程。对于纯软件编程，实验内容包含开发环境的基本操作、控制语句的语法和编程练习等。对于包含有硬件的编程，实验内容除了软件编程以外，还有硬件设计和连接，因为有硬件，这部分实验在线上开展有困难，可以采用软件仿真的形式，比如微机原理与接口技术课程中接口部分的实验。计算机类课程的实验任务，一般包含 软件开发环境基本操作、验证性实验和设计性实验 3类，如果涉及硬件设备还包含硬件设计和连接。线上实验教学设计分两个阶段进行。1）准备阶段。梳理知识点，列出本次实验课所有知识点清单。对知识点进行标注，旧知标注出处，新知标注学习难度，比如易、中、难。“易”表示学习难度小，学生通过阅读教材、观看视频等可以轻松学会，如软件开发环境基本操作等；“中”表示学习难度中等，学生可以通过阅读教材、观看视频等学会，但是要解决一些关键问题；“难”表示学习难度大，学生自主学习时会感觉很吃力，相关知识点很难理解。接下来进行教学设计，将已标注的知识点清单进行分类并准备相关素材。标注为“易”的知识点放到课前由学生进行自主学习；标注为“难”的知识点放到课中，由教师带领学生学习；标注为“中”的知识点可以根据教学时间或实际教学情况酌情放入课前或 课中。2）设计阶段。课前要为学生准备好学习资料，可以是教材等文字材料，也可以是微课、教学视频等，最好设计一个简单的验证性实验，为学生同时提供视频和文字材料进行详细指导，帮助学生快速熟悉软件编程流程。通常学生与教师对任务清单的理解是不完全一致的，因此课前学习要有测试，通过测试学生可以更清楚地知道本节课要学会哪些内容，教师也可以从中看出学生对知识点掌握到什么程度、还存在什么问题，在课堂上反馈给学生，促使学生改进下一次课前学习。课中环节，针对实验教学，通过一个测试再次确认学生课前学习效果，然后是验证性实验，后面紧跟一个测验，最后是设计性实验，涉及的实验均应包含学生展示、学生互评和教师点评，也可以与教学模型相结合进行教学设计，比如基于对分课堂的线上实验教学设计。课后环节，布置自选设计题目，由学生自主完成并展示交流。完整的线上实验教学设计流程如图 2 所示。图 2 线上实验教学设计流程准备阶段 知识点梳理 知识点标注 列出知识点清单 旧知标出处 新知标难度 设计阶段 课前 课中 课后（1）准备学习素材 （2）设计简单验证性实验 （3）课前测试 （1）再次测试（2）设计验证性实验 （3）设计设计性实验 布置设计大作业 线上教学第 8 期454线上实验教学设计案例大学计算机基础课程的授课对象为本科一年级学生，大部分学生没有电脑，使用手机学习线上课程，且编程零基础。实验内容以 Python 为主线，以“循环结构程序设计”一节为例：计算机类课程线上实验教学首先要解决的问题是上机环境的选择问题，有电脑的学生可以选择安装电脑版集成开发环境或在线编程环境，没有电脑的学生可以选择安装手机版集成开发环境或在线编程环境，线上教学最终统一选择头歌实践教学平台，采用对分课堂1-2进行教学，设计过程见表1、表 2。微机原理与接口技术课程的授课对象为本科三年级学生，大部分学生有电脑，线上课程可以使用电脑、手机等进行，学习过高级语言，但未接触过汇编语言。实验内容包含汇编语言和接口实验两部分，以 8255 接口芯片实验为例：由于涉及硬件，课程组最终选择 Proteus 仿真软件作为实验环境，采用 BOPPPS 教学模型3-4进行教学，设计过程见表 3、表 4。表 1 循环结构程序设计线上实验教学设计准备梳理标注环节输入函数 input已学课前输出函数 print已学课前if 语句已学课前for 语句中课前/课中while 语句中课前/课中循环编程应用难课中/课后表 2 循环结构程序设计线上实验教学设计环节教学活动设计课前观看 for 语句、while 语句教学视频跟着上机视频或上机实验指导说明，完成简单验证性实验，熟悉上机过程课前测试 input 和 print 函数，if、for 和 while语句语法表 3 8255 接口芯片线上实验教学设计准备梳理标注环节Proteus 软件环境中课前8255 内部结构中课前8255 外部引脚中课前8255 硬件连接中课前/课中8255 控制字中课前/课中8255 初始化编程难课中/课后8255 应用编程难课中/课后表 4 8255 接口芯片线上实验教学设计环节教学活动设计课前观看 8255 内部结构、外部引脚和控制字教学视频跟着 Proteus 上机视频或上机实验指导说明，完成简单验证性实验，熟悉利用 Proteus 仿真的过程课前测试 8255 内部结构、外部引脚和控制字以及 Proteus 仿真环境基本操作课中导入：由简易交通灯应用场景导入实验内容目标：会用 8255 并行接口芯片实现应用编程前测：针对课前测试中的问题，有针对性地进行测试，帮助学生掌握 8255 内部结构、外部引脚、控制字和 Proteus 的基本操作参与式学习：利用开关和 LED 灯实现二进制加法器；实现简易交通灯系统；挑选 35 个作品进行讨论点评后测：针对 8255 芯片的应用进行综合测试总结：对实验中遇到的问题以及 8255 编程注意事项进行总结课后学生课后完成 8255 芯片设计大作业，题目自选或由教师指定续表 2环节教学活动设计课中讲授：教师总结 input 和 print 函数，if、for和 while 语句语法，并针对课前测试中的问题再次测试及讲评独学：完成循环结构简单应用题输入一个班级学生成绩，编程计算班级总分讨论：解决简单应用题中遇到的问题；讨论实现简单学生成绩管理系统，功能包括录入成绩，统计最高分、最低分和平均分，按分数段统计人数对话：挑选 35 个作品进行讨论点评课后学生课后完成循环结构编程大作业，题目自选或由教师指定（下转第50页）202350计 算 机 教 育Computer Education参考文献：1 刘洪蕾.浅谈“互联网+教育”时代下教育信息化的教学新模式J.新课程,2020(6):128-129.2 刘希村.基于超星学习通的信息化教学改革:以“电工技术实训”课程为例J.无线互联科技,2021,18(16):151-152.3 韩平,张琳琪,夏绍灵,等.基于学习通和腾讯课堂的线上课程建设及教学实践:以“有机磨具制造”课程为例J.公关世界,2021(18):57-58.4 杨晓波,王勇,梁燕,等.程序设计训练课程教学方法探索J.中国新通信,2021,23(20):155-156.5 王楠,赵占芳.调试技术在程序设计实验教学中的应用探讨J.教育现代化,2017,4(7):46-47,53.6 沈宇杰,张玉荣.代码调试技能的培养在软件技术教学中的探讨J.科学技术创新,2017(12):187.7 张倩,李伟键,廖秀秀,等.进阶项目驱动式“Web程序设计”课程教学改革探讨J.现代计算机(专业版),2018(32):50-52.（编辑：赵 原）管理作业、发布/回复编程问题。该平台能清晰地组织各类教学资源，利于学生课前、课后自主学习，并能便捷管理学生作业；教师精心设计并录制的优质知识点微视频保证了线上授课的质量；“编程问题及解决方案”案例库的建设，为学生及时解决问题提供了指引与参考，调动了学生自主解决问题的积极性；“学生发布程序问题教师/学生进行答疑”的方式，利于学生问题的及时解决，并能激励学生互助解决问题，积累调试经验，建立起学习的“正向”兴趣循环。2）利用“腾讯课堂”平台高效进行课堂直播，开展课堂活动。课堂直播中播放已反复精修录制好的并配有同步字幕、带有预设问题的微视频，通过“播放暂停、引导思考讨论、解决问题”的方式，能时刻让学生处于在线状态。新型多样化的互动模式提高了学生的参与度和学习的积极性。3）利用“班级 QQ 群、QQ 个人”进行课后答疑。QQ 工具允许采用文字、截图、语音、视频等多种方式与学生进行问题讨论、答疑，特别是QQ 的远程控制功能，允许远程操控学生电脑桌面进行编程问题排查，可有效地解决学生编程遇到的各种 bug。线上教学效果在很大程度上取决于学生的自觉性和参与程度。自觉性好、参与度高的学生，学习效果良好。自觉性差、参与度低的学生，需要教师及时跟进。教师可通过超星学习通的统计功能，查看到学生的课程学习情况，有针对性地私聊学生，明确其困难，实行一对一精准帮扶，促进其学习。在线教学模式充分发挥了每个平台的特性和优势，使得教学效果最大化，为程序设计类课程在线教学提供了经验和借鉴，促进了大学程序开发类课程的教学改革。5结 语线上实验教学设计原则同样适用于线上理论教学，将其应用到线下教学也是适用的。要想取得良好的线上实验教学效果，配套课程资源的建设也非常重要，包括教学视频、实验指导书、试题库、教学案例等，特别是其中的实验指导对于实验教学尤为重要，优秀的实验指导可以帮助学生快速熟悉编程环境，在课前完成验证性实验，有效保证设计性实验的开展。参考文献：1 张学新.对分课堂:大学课堂教学改革的新探索J.复旦教育论坛,2014,12(5):5-102 张成林,余丹琼.高校对分课堂的现实桎梏与推进策略J.教育评论,2020(3):143-1473 杨玫,李祁,刘瑜.应用思维导图和BOPPPS教学模型构建智慧课堂J.福建电脑,2020(6):53-564 郑燕林,马芸.基于BOPPPS模型的在线参与式教学实践J.高教探索,2021(10):5-9（编辑：赵 原）（上接第45页）