梁 靜，李 琦

（1.成都工業(yè)學(xué)院 計算機工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.成都工業(yè)學(xué)院 信息與計算科學(xué)系，四川 成都 610031）

0 引 言

近年來，我國高校的傳統(tǒng)教學(xué)模式正面臨挑戰(zhàn)，國家的指導(dǎo)政策已經(jīng)從重理論輕實踐的教育方式向重創(chuàng)新重實踐的方向轉(zhuǎn)變[1-2]，學(xué)生實踐能力和創(chuàng)造能力的培養(yǎng)愈發(fā)重要。應(yīng)用性很強的課程一般都開設(shè)實驗教學(xué)，強調(diào)學(xué)生對知識的實際運用能力，如C程序設(shè)計課程，不僅要通過實驗教學(xué)使學(xué)生掌握程序設(shè)計的過程、規(guī)則，掌握計算機的常用算法、編碼和調(diào)試，還要培養(yǎng)學(xué)生靈活應(yīng)用這些知識的能力，掌握用計算機描述和求解問題的思維方法。因此，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)在課程教學(xué)過程中非常關(guān)鍵，有效的實驗不僅可以鞏固理論學(xué)習(xí)的概念和原理，還對培養(yǎng)學(xué)生的程序設(shè)計能力以及提高綜合應(yīng)用技能意義重大。

縱觀國內(nèi)高校的大部分程序設(shè)計實驗教學(xué)，由于內(nèi)容安排欠合理和實驗深度不到位，其效果往往只能達到強化知識理解，而無法實現(xiàn)提高應(yīng)用能力的培養(yǎng)目的[3]。為提高實驗的教學(xué)質(zhì)量，有不少高校教師和學(xué)者積極探索。文獻[4]提出基于知識點的微視頻實驗教學(xué)模式；文獻[5]給出包含教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實驗環(huán)境等多方面的綜合實驗改革措施；文獻[6]中使用MOOC在線課程與翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合的教學(xué)模式構(gòu)建程序設(shè)計類實驗課程平臺；文獻[7]中設(shè)計線上線下（O2O）的開放性實驗教學(xué)體系。不難看出，當(dāng)前實驗的教學(xué)改革多偏重于實踐性研究，而對理論的研究相對不夠深入。

1 O2O新太極環(huán)式模型構(gòu)建

布魯姆教育目標(biāo)分類理論在我國的教學(xué)管理中具有重要的指導(dǎo)作用[8]，該理論由本杰明?布魯姆于1956年在《教育目標(biāo)分類學(xué)，第一分冊：認知領(lǐng)域》中首次提出。他指出人的認知能力有6個級別，分別為記憶、理解、應(yīng)用、分析、綜合和評價，其中，記憶和理解代表著較低等的認知技能，應(yīng)用是過渡區(qū)間，而分析、綜合和評價屬于較高的認知層次，如圖1所示 。

基于布魯姆教育目標(biāo)分類理論，文獻[9]中進行了中國本土文化背景下的教育實踐，將傳統(tǒng)文化中的太極思想和翻轉(zhuǎn)課堂理念進行深度融合，提出太極環(huán)式理論模型（“太極環(huán)模型Ⅰ”）。文獻[10]中在此基礎(chǔ)上提出適用于翻轉(zhuǎn)會議的太極環(huán)式理論模型（“太極環(huán)模型Ⅱ”），而文獻[11]中結(jié)合布魯姆目標(biāo)分類法修訂版[12]的變化，在“太極環(huán)模型Ⅰ”和“太極環(huán)模型Ⅱ”的基礎(chǔ)上提出適用于創(chuàng)業(yè)課翻轉(zhuǎn)課堂的太極環(huán)式理論模型（“太極環(huán)模型Ⅲ”）。

圖1 布魯姆教學(xué)目標(biāo)分類的認知水平框架

受上述學(xué)者所設(shè)計的太極環(huán)模型啟發(fā)，將理論教學(xué)、實驗教學(xué)和布魯姆教育目標(biāo)分類法的認知目標(biāo)進行深度融合，并融入O2O（online to offline）教學(xué)模式，設(shè)計的O2O新太極環(huán)式模型如圖2所示。在O2O新太極環(huán)式模型下，將最高認知級別“綜合”作為太極環(huán)的中心，將布魯姆教育目標(biāo)分類理論的其余5個級別和教學(xué)“準(zhǔn)備”一起圍繞太極環(huán)展開，太極環(huán)的兩儀用O2O以及 “教”和“學(xué)”共同組成。黑色代表線上的網(wǎng)絡(luò)空間及活動，以學(xué)生的“學(xué)”為主，主要包括認知級別的 “記憶”和“評價”；而白色代表線下的物理空間及活動，以“教”為主要教學(xué)方式，主要包括認知級別的“理解”“應(yīng)用”和“分析”。太極環(huán)的外圍將認知級別的每個階段與理論教學(xué)和實驗教學(xué)分別對應(yīng)。通過太極環(huán)的兩儀相互模式，師生在O2O的環(huán)境下教學(xué)相長，理論教學(xué)和實驗教學(xué)和諧共濟、互相轉(zhuǎn)化，共同完成布魯姆教學(xué)目標(biāo)分類的最高認知級別，達到綜合實踐能力培養(yǎng)的核心目標(biāo)。

圖2 O2O新太極環(huán)式模型

之前的太極環(huán)模型在外圍的結(jié)構(gòu)中著重強調(diào)教學(xué)資源和教學(xué)環(huán)境的關(guān)系，“O2O新太極環(huán)式模型”將外圍結(jié)構(gòu)變?yōu)槔碚摻虒W(xué)和實驗教學(xué)，強化實踐教學(xué)和理論教學(xué)的相互關(guān)系。 理論教學(xué)主要完成“記憶”“理解”認知目標(biāo)，而實驗教學(xué)需要完成“應(yīng)用”“分析”和“評價”認知目標(biāo)，這一改動不僅從理論上更加具體化實驗教學(xué)和理論教學(xué)中的認知目的，還更加符合實際的教學(xué)環(huán)境，執(zhí)行起來也更具可行性。

2 實驗教學(xué)設(shè)計

2.1 實驗教學(xué)組織

實驗教學(xué)的組織過程一般包括任務(wù)、活動和結(jié)論[9]3個步驟：“任務(wù)”主要指教師介紹實驗?zāi)康?、實驗任?wù)，布置實驗內(nèi)容；“活動”指學(xué)生理解實驗內(nèi)容，分析形成解決問題的思路并具體實驗；而“結(jié)論”則要求教師完成評講，學(xué)生完成實驗報告。傳統(tǒng)的實驗組織模式在實驗課堂上需要完成上述3個步驟，而由于布置任務(wù)、完成實驗報告等都需占用實驗時間，學(xué)生真正進行思考分析和操作的實驗時間減少，從而影響實驗效果。

O2O新太極環(huán)式模型中的實驗教學(xué)包括線上和線下兩方面，對照其在太極模型中的認知目標(biāo)，開拓傳統(tǒng)實驗步驟的線上空間，形成線上實驗前、線下實驗中、線上實驗后的3階段組織模式（如圖3所示）。實驗前進行線上任務(wù)布置，通過建設(shè)配套SPOC，將實驗內(nèi)容提前布置，使學(xué)生有充足時間分析思考實驗內(nèi)容，為實驗操作做好準(zhǔn)備，這一階段還可以布置一些線上的驗證型實驗，讓學(xué)生熟悉代碼，達到認知的“記憶”和“理解”級別。在實驗中階段主要進行線下的實驗具體操作，學(xué)生通過課前準(zhǔn)備順利完成編程調(diào)試，檢驗效果。該過程中教師著重進行思路引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用分析問題的能力。實驗后階段，學(xué)生通過線上完成實驗報告的撰寫以及繼續(xù)未完成的實驗任務(wù)。教師也可以在線上發(fā)布實驗評講視頻、發(fā)起實驗互評、公布實驗結(jié)果等。3階段的教學(xué)組織模式充分利用O2O環(huán)境，將實驗前和實驗后的工作多放在線上完成，在實驗中更多地關(guān)注學(xué)生“應(yīng)用”“分析”認知能力的培養(yǎng)，利于提高實驗效率，達到認知效果。

2.2 實驗內(nèi)容設(shè)計

圖3 實驗教學(xué)組織模式

實驗內(nèi)容的設(shè)計也是影響教學(xué)認知效果的關(guān)鍵部分，包含實驗內(nèi)容的層次結(jié)構(gòu)、案例選擇、實施方式等方面。在實驗內(nèi)容的層次結(jié)構(gòu)方面，根據(jù)由淺入深的認知規(guī)律，設(shè)計階梯式的驗證型實驗、設(shè)計型實驗和綜合型實驗。從O2O新太極環(huán)式模型可見，實驗教學(xué)應(yīng)重在強調(diào)“應(yīng)用”和“分析”認知目標(biāo)，故配以設(shè)計型實驗和綜合型實驗來完成，而之前的“理解” 認知目標(biāo)則由驗證型實驗完成。在實驗內(nèi)容的案例選擇方面，也宜采用實際項目案例，利用項目驅(qū)動引導(dǎo)問題，達到拓展思維、提高應(yīng)用能力的目的。

以C程序?qū)嶒灋槔?，具體的階梯式實驗設(shè)計（見表1）包括各階梯實驗對應(yīng)的部分典型案例以及各自的教學(xué)目標(biāo)、培養(yǎng)能力，教學(xué)開展方式等。第1階梯的驗證型實驗多以改錯題或填空題的方式在線上開展，通過一些具體的應(yīng)用案例如計算體脂比、找水仙花數(shù)等，幫助學(xué)生掌握基本語法結(jié)構(gòu)，加深并理解理論教學(xué)知識。第2階梯為設(shè)計型實驗，主要通過填空題或設(shè)計題形式在線下開展，對學(xué)生的算法和思維有一定要求，學(xué)生往往可以從不同角度求解問題，如百錢買百雞，學(xué)生可以用三重循環(huán)或二重循環(huán)實現(xiàn)并引發(fā)對算法效率的思考；而各式各樣的形狀主要從打印矩形入手，通過變幻思考完成打印三角形、菱形、九九乘法表等，做到舉一反三，靈活應(yīng)用。第3個階梯為綜合型實驗，安排一些小型項目讓學(xué)生分析合作完成。這部分主要是設(shè)計題，可在線下以學(xué)生討論和教師指導(dǎo)的方式展開，而線上學(xué)生可以完成查找資料、協(xié)作編寫復(fù)雜程序等工作。在該過程中，學(xué)生需要對大型項目進行整體規(guī)劃，并訓(xùn)練合作交流等綜合應(yīng)用能力。

在實驗內(nèi)容的實施方面，側(cè)重點應(yīng)跟隨教學(xué)進程的發(fā)展有所不同。初學(xué)階段以驗證型實驗為主，題量可比較多，便于學(xué)生對知識理解記憶；隨著學(xué)生知識的積累，應(yīng)降低驗證型實驗比重，增加設(shè)計型實驗。實驗課堂上的設(shè)計型實驗每次以1～2個知識點為主，引導(dǎo)學(xué)生深度鉆研或以此知識點發(fā)散思維，拓展思路；在教學(xué)后期，主要以設(shè)計型實驗為主并增加綜合型實驗。往往綜合型實驗需要多次課完成，或需要多人合作完成，故整個課程中學(xué)生只需完成1個綜合型實驗。

表1 階梯式實驗設(shè)計

2.3 教學(xué)主客體重定位

埃里克?馬祖爾的理論認為，學(xué)習(xí)過程包括知識傳遞和知識內(nèi)化[13]。實驗教學(xué)主要完成知識內(nèi)化，學(xué)生是主體，是實驗活動的參與者，而教師起到知識內(nèi)化的輔助作用，是實驗活動的組織者和促進者。在O2O新太極環(huán)式模型下，教師和學(xué)生的任務(wù)均有更高要求，師生的工作重心正發(fā)生改變。

O2O新太極環(huán)式模型對學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力提出高要求，線上的任務(wù)準(zhǔn)備、提交報告等行為都在實際的實驗課堂之外進行，這就要求學(xué)生保持學(xué)習(xí)積極性和自覺性。學(xué)生只有對自己的學(xué)習(xí)負責(zé)，積極參與整個實驗過程，才能達到實驗?zāi)康?，完成預(yù)定的認知目標(biāo)。

O2O新太極環(huán)式模型對教師也提出更多挑戰(zhàn)。線上資源的建設(shè)需要花費大量時間，首先，建設(shè)線上資源如MOOC、SPOC、OJ實驗平臺或者自行開發(fā)實驗系統(tǒng)等，對教師的技術(shù)水平要求較高；其次，引入線上環(huán)境和資源后，教師需要對整個實驗教學(xué)進行重新規(guī)劃和設(shè)計，同時線上資源的使用也有監(jiān)督和管理要求，線上平臺不能只布置不反饋，需要配套監(jiān)管機制，及時了解學(xué)生情況以便修正線下輔導(dǎo)，讓O2O環(huán)境真正為實驗教學(xué)服務(wù)。因此，在O2O新太極環(huán)式模型下，教師的工作重心由原來的線下課堂答疑轉(zhuǎn)變?yōu)樗季S引導(dǎo)，更增加了線上資源建設(shè)和監(jiān)管督導(dǎo)的工作，教師角色也逐漸由實驗教學(xué)組織者、促進者轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計者、監(jiān)管者和引導(dǎo)者。

3 應(yīng)用效果

成都工業(yè)學(xué)院應(yīng)用O2O新太極環(huán)式模型指導(dǎo)實驗教學(xué)改革，在2017級通信工程專業(yè)和自動化專業(yè)的C程序設(shè)計實驗中進行探索，建設(shè)愛課程網(wǎng)上SPOC和OJ作業(yè)系統(tǒng)的線上平臺并配套監(jiān)管制度、重構(gòu)實驗內(nèi)容設(shè)計和教學(xué)組織方式等。

針對2017級通信工程和自動化專業(yè)365位學(xué)生的實驗情況進行分析。通過SPOC和OJ的線上平臺反饋來看，94%以上的學(xué)生全部達到線上實驗要求，其中有71%的線上實驗題目被反復(fù)多次練習(xí)，說明和傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ较啾龋瑢W(xué)生在課外花了更多時間精力去學(xué)習(xí)，具有更高的學(xué)習(xí)主動性和積極性。通過線下課堂的實驗完成情況來看，深入思考的拓展實驗題目能達到65%完成率，其中34%的實驗題目學(xué)生沒有使用固定方法求解，可見學(xué)生的解題思維活躍。就實驗的總體質(zhì)量來說，實驗共12次24學(xué)時，學(xué)生的總體實驗質(zhì)量較高，具體的實驗完成質(zhì)量分布比例如圖4所示。綜合學(xué)生的實驗情況和問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)基于布魯姆教育目標(biāo)的新實驗教學(xué)模式能得到大部分學(xué)生認可，對學(xué)生綜合應(yīng)用能力的提升和認知水平的提高具有積極的促進作用。

圖4 實驗完成質(zhì)量分布比例

4 結(jié) 語

實驗教育改革是深化現(xiàn)代教育改革和發(fā)展的必然要求，是人才培養(yǎng)的關(guān)鍵。從認知領(lǐng)域的角度對實驗教育進行理論研究，應(yīng)用研究模型指導(dǎo)實驗教學(xué)，有助于提高學(xué)生認知水平，提升教學(xué)質(zhì)量。我國實驗教學(xué)改革中，理論研究還相對比較欠缺，希望本文的研究能給教育研究同行們提供一些有益啟示。