許智宏，呂 華，馬建紅，董永峰

（河北工業(yè)大學(xué)人工智能與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院，天津 300401）

0 引言

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)類專業(yè)開(kāi)設(shè)的一門專業(yè)核心課程，要求學(xué)生既要掌握面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的基本概念、特性、理論等，又能結(jié)合具體編程語(yǔ)言和環(huán)境進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。雖然傳統(tǒng)教學(xué)模式具有知識(shí)傳達(dá)有效性、高效性、課程評(píng)估統(tǒng)一性等優(yōu)勢(shì)，然而對(duì)于程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)而言，仍具有一定的局限性。究其原因，傳統(tǒng)教學(xué)受課堂教學(xué)形式和學(xué)時(shí)限制，存在理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)相脫節(jié)、教學(xué)內(nèi)容難以深入和擴(kuò)展、學(xué)生課堂參與度不高等問(wèn)題，難以提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

BOPPPS 教學(xué)模型是北美國(guó)家諸多名校所推崇的教學(xué)模型，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，對(duì)課堂教學(xué)過(guò)程進(jìn)行模塊化分解，將課堂教學(xué)環(huán)節(jié)依次分為導(dǎo)言、明確學(xué)習(xí)目標(biāo)、前測(cè)、參與式學(xué)習(xí)、后測(cè)、總結(jié)6 個(gè)階段，但主要應(yīng)用于線下課堂教學(xué)。王曉巖等明確指出，線上教學(xué)為課程注入了新經(jīng)驗(yàn)、新資源和新工具，制定了“小規(guī)模限制性在線課程（Small Private Online Course，SPOC）+騰訊會(huì)議+雨課堂”三位一體的線上教學(xué)模式。在河北工業(yè)大學(xué)人工智能與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院2019 至2020 學(xué)年面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程中，結(jié)合疫情期間無(wú)法實(shí)施線下課堂教學(xué)的實(shí)際情況，對(duì)BOPPPS 教學(xué)模型的具體教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計(jì)各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，進(jìn)行基于BOPPPS 教學(xué)模型的線上教學(xué)探索。

1 基于BOPPPS理念的線上教學(xué)設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)推進(jìn)國(guó)際工程教育認(rèn)證、開(kāi)展新工科建設(shè)等一系列舉措，促使教育界不斷探索新的教學(xué)模式，具體落實(shí)到具體專業(yè)課程教學(xué)上，則需要基于目標(biāo)導(dǎo)向（Outcome based education，OBE）設(shè)計(jì)以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式。本文針對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程，基于OBE 制定課程教學(xué)目標(biāo)，分析教學(xué)內(nèi)容和資源；基于BOPPPS 設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程組織方法、選擇線上線下混合式教學(xué)平臺(tái)等工作。

1.1 基于OBE理念制定課程教學(xué)目標(biāo)

依據(jù)工程教育認(rèn)證以學(xué)生為中心的OBE 制定課程目標(biāo)，使學(xué)生適應(yīng)工程教育要求，在技術(shù)性能力、非技術(shù)性能力和素養(yǎng)方面打下良好基礎(chǔ)。具體教學(xué)目標(biāo)如下：

（1）使學(xué)生掌握面向?qū)ο蟪绦虻幕靖拍詈退枷耄私庵蟹庋b性、繼承性和多態(tài)性的意義和實(shí)現(xiàn)方法，利用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的思想對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題建立模型。

（2）使學(xué)生掌握C++語(yǔ)言面向?qū)ο蟪绦虻脑O(shè)計(jì)方法，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題給出解決方案。

其中，前者重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，后者則重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維及解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

1.2 基于學(xué)情分析建設(shè)教學(xué)內(nèi)容和資源

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)是包括計(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)工程等計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生一年級(jí)第二學(xué)期的課程。此時(shí)，學(xué)生已具有C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，初步掌握了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想。

因此，課程教學(xué)內(nèi)容將以面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)三大特性為重點(diǎn)，覆蓋主要知識(shí)架構(gòu)，基于C++語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)踐，突出面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的聯(lián)系、區(qū)別、特性及優(yōu)勢(shì)。具體的教學(xué)內(nèi)容包括以下6個(gè)模塊：

①面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)概述。分析面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法的關(guān)聯(lián)與區(qū)別，了解C++對(duì)C 語(yǔ)言的共同點(diǎn)與改進(jìn)之處。②封裝性。通過(guò)案例分析如何從現(xiàn)實(shí)世界中發(fā)現(xiàn)和提取類與對(duì)象。③繼承性。通過(guò)案例分析面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的復(fù)用機(jī)制。④多態(tài)性。通過(guò)案例分析如何優(yōu)化面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)。⑤異常處理。⑥C++流。

為解決大型開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)課程（Massive Open Online Courses，MOOC）無(wú)法對(duì)高校學(xué)生實(shí)施個(gè)性化教學(xué)的現(xiàn)狀。河北工業(yè)大學(xué)人工智能與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)自制教學(xué)資源，根據(jù)教學(xué)方案制定學(xué)習(xí)指導(dǎo)書，設(shè)計(jì)課件、習(xí)題集、演示案例，并將內(nèi)容、知識(shí)點(diǎn)錄制為視頻。同時(shí)，將課程直播演示制作為微視頻進(jìn)行發(fā)布，供學(xué)生隨時(shí)觀看進(jìn)行學(xué)習(xí)。除教學(xué)方案外，還將學(xué)習(xí)指導(dǎo)書、課件、習(xí)題集、知識(shí)點(diǎn)講解視頻、案例演示視頻等學(xué)習(xí)資源進(jìn)行整合，為學(xué)生提供豐富的課外學(xué)習(xí)資源。

1.3 設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程組織方法

基于BOPPPS 教學(xué)模型對(duì)疫情期間線上教學(xué)過(guò)程組織方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體包括4 個(gè)階段：①將導(dǎo)言和明確學(xué)習(xí)目標(biāo)進(jìn)行合作為課前階段，制定學(xué)習(xí)指導(dǎo)書，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，督促學(xué)生作好課前準(zhǔn)備；②上課時(shí)首先進(jìn)行前測(cè)，了解學(xué)生對(duì)前序知識(shí)的掌握情況，必要時(shí)先進(jìn)行討論、講解，再導(dǎo)入新的教學(xué)內(nèi)容；③教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行重、難點(diǎn)精講并隨時(shí)進(jìn)行提問(wèn)和討論，通過(guò)案例分析、師問(wèn)生答、學(xué)生典型問(wèn)題你問(wèn)我答等形式模擬線下課堂參與式教學(xué)，必要時(shí)進(jìn)行后測(cè)和總結(jié)，深化學(xué)生的理解，并適當(dāng)增加課后學(xué)習(xí)拓展內(nèi)容；④課后督促學(xué)生完成基礎(chǔ)知識(shí)作業(yè)、程序設(shè)計(jì)作業(yè)及實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步固化、拓展所學(xué)知識(shí)，強(qiáng)化程序設(shè)計(jì)能力。線上BOPPPS 教學(xué)模型示意圖如圖1所示。

Fig.1 Curriculum design teaching system圖1 課程設(shè)計(jì)教學(xué)體系

1.4 選擇線上線下混合式教學(xué)平臺(tái)

教學(xué)工具、環(huán)境設(shè)施等教學(xué)資源需求取決于教學(xué)材料。由于在疫情期間，線上教學(xué)中需要進(jìn)行線上直播、現(xiàn)場(chǎng)討論、發(fā)布教學(xué)資源、布置和評(píng)判作業(yè)、布置和檢查程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等一系列工作，當(dāng)大量課程集中在線教學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行教學(xué)時(shí)，會(huì)造成平臺(tái)擁堵甚至癱瘓。為此，本文經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，選擇結(jié)合兩種平臺(tái)進(jìn)行使用，以確保授課過(guò)程中的穩(wěn)定性。具體措施如下：

（1）組建課程學(xué)習(xí)專用QQ 群進(jìn)行教學(xué)文檔、知識(shí)點(diǎn)視頻等教學(xué)資源的發(fā)布并組建線上討論平臺(tái)，同時(shí)使用QQ群分享屏幕功能進(jìn)行課程直播。

（2）使用程序設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助平臺(tái)PTA 布置和評(píng)判作業(yè)與程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

2 基于改進(jìn)BOPPPS的線上教學(xué)實(shí)施

將教學(xué)實(shí)施分為教學(xué)準(zhǔn)備、課前測(cè)試、線上課堂教學(xué)和學(xué)習(xí)成果鞏固與拓展4個(gè)階段。

2.1 教學(xué)準(zhǔn)備階段

教師主要進(jìn)行教學(xué)方案設(shè)計(jì)、課件制作、課程視頻錄制、直播腳本書寫及演練、課前測(cè)試題設(shè)計(jì)、案例演示程序設(shè)計(jì)與調(diào)試、實(shí)驗(yàn)題目設(shè)計(jì)、作業(yè)題目集設(shè)計(jì)等工作，最后將組織好的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)資料、課堂參與要求、課后作業(yè)要求等編制為《學(xué)習(xí)指導(dǎo)書》。其中，《學(xué)習(xí)指導(dǎo)書》的主要作用是導(dǎo)言和明確學(xué)習(xí)目標(biāo)。并將課件、課程視頻、《學(xué)習(xí)指導(dǎo)書》等課程資源發(fā)布至學(xué)習(xí)群；課前測(cè)試題集、實(shí)驗(yàn)題目集、作業(yè)題目集發(fā)布至PTA 平臺(tái)。

2.2 課前測(cè)試階段

為檢測(cè)學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)知識(shí)的掌握情況，通過(guò)單選題回顧前驅(qū)概念、分析程序運(yùn)行結(jié)果等方式幫助學(xué)生回顧前序相關(guān)教學(xué)內(nèi)容。該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：①通過(guò)問(wèn)題討論與解答，利用少量時(shí)間導(dǎo)入新的教學(xué)內(nèi)容；②便于教師及時(shí)了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況，對(duì)于一些共性、掌握不好的知識(shí)點(diǎn)可進(jìn)行針對(duì)性強(qiáng)化；③輔助學(xué)習(xí)過(guò)程評(píng)價(jià)，利用PTA 平臺(tái)自動(dòng)評(píng)判和記錄學(xué)生實(shí)踐成績(jī)，作為平時(shí)成績(jī)?cè)u(píng)判依據(jù)。其中，課前測(cè)試輔助主要記錄學(xué)生的考勤情況；通過(guò)PTA 平臺(tái)分析學(xué)生參與測(cè)試的時(shí)間，發(fā)現(xiàn)遲到或曠課的學(xué)生。

2.3 參與式線上教學(xué)

相較于傳統(tǒng)線下教學(xué)，線上課堂可留出更多時(shí)間供學(xué)生進(jìn)行課間討論。其中，討論環(huán)節(jié)的包括重點(diǎn)概念辨析、程序運(yùn)行結(jié)果分析、程序設(shè)計(jì)方案對(duì)比、案例分析討論等內(nèi)容，具體討論形式包括師問(wèn)生答、學(xué)生你問(wèn)我答、學(xué)生自問(wèn)自答等，通過(guò)模擬線下課堂參與式教學(xué)，實(shí)現(xiàn)線上翻轉(zhuǎn)課堂。

參與式線上教學(xué)的成敗關(guān)鍵在于討論范圍和效果。由于學(xué)生間的能力參差不齊，若設(shè)計(jì)的討論題目過(guò)于簡(jiǎn)單，能力較強(qiáng)的同學(xué)就會(huì)缺乏收獲感；反之，能力稍差的同學(xué)課堂參與度較差。因此，本文在提升學(xué)生收獲感、參與感方面重點(diǎn)開(kāi)展了以下兩方面工作：

（1）選取、設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)某绦蛟O(shè)計(jì)案例進(jìn)行討論。預(yù)先準(zhǔn)備多個(gè)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)版本的討論案例。具體的，第1 版方案要保證程序結(jié)果正確；第2 版方案要確保程序設(shè)計(jì)合理；第3 版方案要使得程序風(fēng)格良好；第4 版方案要考慮系統(tǒng)化需求（包括用戶友好性支持、程序架構(gòu)利于團(tuán)隊(duì)合作、便于擴(kuò)展等）。在案例討論中，能力稍差的同學(xué)先嘗試完成第1 版方案，爭(zhēng)取做到第2 版或第3 版方案；能力較強(qiáng)的同學(xué)可輕松完成第1、2 版方案，但未必會(huì)注意到第3 版方案中的細(xì)節(jié)問(wèn)題；還存在極少數(shù)學(xué)生能夠完成第4 版方案，接近規(guī)范軟件甚至系統(tǒng)開(kāi)發(fā)要求。如此，能夠使不同能力層次學(xué)生都能在案例分析中有所收獲，全面提升了學(xué)生的收獲感與參與感。

（2）對(duì)積極參與討論的學(xué)生給與適當(dāng)獎(jiǎng)勵(lì)，以鼓勵(lì)學(xué)生討論。對(duì)主動(dòng)發(fā)問(wèn)并引發(fā)有效討論、主動(dòng)解答問(wèn)題并提供有效答案、解決自身問(wèn)題并總結(jié)出對(duì)其它學(xué)生有所幫助、教師抽查提問(wèn)回答正確的學(xué)生，在平時(shí)成績(jī)上給予一定的加分，并定期公布獎(jiǎng)勵(lì)名單。此外，建立線上實(shí)驗(yàn)互助討論小組，選拔實(shí)驗(yàn)完成早、實(shí)驗(yàn)效果好、編程能力強(qiáng)的學(xué)生組成志愿助教組指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)有困難的學(xué)生，并給予一定的加分。

2.4 學(xué)習(xí)成果鞏固與拓展

通過(guò)設(shè)計(jì)、選擇基礎(chǔ)知識(shí)題目，發(fā)現(xiàn)線上教學(xué)中的知識(shí)點(diǎn)漏洞及學(xué)生掌握不扎實(shí)的知識(shí)點(diǎn)，并布置程序設(shè)計(jì)練習(xí)驗(yàn)證所學(xué)知識(shí)。例如，設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)題目——圖書館管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，結(jié)合教學(xué)進(jìn)度引導(dǎo)學(xué)生逐步完成和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。由于教學(xué)課時(shí)限制，可能無(wú)法完全展開(kāi)講解課程的全部相關(guān)內(nèi)容，例如STL、可視化界面程序設(shè)計(jì)等。教師可制作拓展教學(xué)資源、思考題目、練習(xí)，供學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)，加強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)。

3 實(shí)踐教學(xué)效果

3.1 客觀評(píng)價(jià)與分析

對(duì)河北工業(yè)大學(xué)人工智能與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院2019-2020年春季學(xué)期的多個(gè)班進(jìn)行隨機(jī)抽樣，對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程討論參與人均次數(shù)、經(jīng)常參與討論人數(shù)百分比、作業(yè)按時(shí)完成度、作業(yè)平均成績(jī)、實(shí)驗(yàn)按時(shí)完成度、實(shí)驗(yàn)成果平均成績(jī)等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

Table 1 Analysis of students'learning situation in the spring semester of 2019 and 2020表1 2019-2020年春季學(xué)期學(xué)生學(xué)習(xí)情況分析

由表1 可知，2020 年網(wǎng)上教學(xué)學(xué)生參與積極性普遍高于2019 年；經(jīng)常討論人數(shù)百分比顯著提高；作業(yè)按時(shí)完成度、作業(yè)平均成績(jī)、實(shí)驗(yàn)按時(shí)完成度、實(shí)驗(yàn)成果平均成績(jī)均明顯優(yōu)于2019 年。4 個(gè)抽樣班在討論參與、作業(yè)完成情況和實(shí)驗(yàn)完成情況上存在一定的差異性，但總體情況較為均衡。

3.2 主觀評(píng)價(jià)與分析

為了解學(xué)生主觀體驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)了問(wèn)卷調(diào)查學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容、方法、資源、平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、參與環(huán)節(jié)、案例選擇、測(cè)驗(yàn)題目難度、程序設(shè)計(jì)作業(yè)、實(shí)驗(yàn)難度等方面的感受，現(xiàn)有130位同學(xué)填寫了問(wèn)卷，總體調(diào)查結(jié)果如表2所示。

由表2可知，課程的項(xiàng)目滿意度超過(guò)了80%，僅有教學(xué)方法、教學(xué)資源、參與教學(xué)環(huán)節(jié)三項(xiàng)分別存在1.54%、1.54%、1.54%的學(xué)生尚不滿意。通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)看出，學(xué)生對(duì)現(xiàn)階段教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施的滿意度較高。

Table 2 Statistical table of teaching satisfaction survey in spring semester of 2020表2 2020年春季學(xué)期教學(xué)滿意度調(diào)查統(tǒng)計(jì) （%）

4 常態(tài)化線上教學(xué)實(shí)施思路

雖然本文提出的教學(xué)模式對(duì)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程的教學(xué)效果較好，但畢竟是特殊時(shí)期作用下的結(jié)果，仍需要認(rèn)真總結(jié)，爭(zhēng)取將經(jīng)驗(yàn)推廣到常態(tài)化課堂教學(xué)中，充分發(fā)揮教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)。

4.1 以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)教學(xué)

BOPPPS 作為諸多名校所推崇的教學(xué)模型，有其固然優(yōu)點(diǎn)，若在實(shí)施過(guò)程中結(jié)合課程和學(xué)生特點(diǎn)靈活運(yùn)用，能夠顯著提高教學(xué)質(zhì)量。

在河北工業(yè)大學(xué)人工智能與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院2020 春季學(xué)期的多次課堂教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在BOPPPS 模型的課程導(dǎo)入、明確學(xué)習(xí)目標(biāo)、前測(cè)、參與式學(xué)習(xí)、后測(cè)、總結(jié)的6 個(gè)階段當(dāng)中，前測(cè)、后測(cè)和參與式教學(xué)過(guò)程均需要以學(xué)生為主體，課程導(dǎo)入適合與前測(cè)相結(jié)合，課程總結(jié)也可與后測(cè)過(guò)程相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)分析測(cè)試題目達(dá)到自然導(dǎo)入和總結(jié)課程的目的。為體現(xiàn)教師的主導(dǎo)作用，課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)必須由教師完成。

4.2 線上線下混合式教學(xué)

BOPPPS 模型中的前測(cè)、后測(cè)及部分參與式學(xué)習(xí)過(guò)程，都需要應(yīng)用在線教學(xué)平臺(tái)，統(tǒng)計(jì)學(xué)生參與情況，但現(xiàn)階段通過(guò)線下教學(xué)方式明確學(xué)習(xí)目標(biāo)、課程總結(jié)及大部分參與式學(xué)習(xí)過(guò)程的效果更好，因此需要進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，將兩種教學(xué)方式完美結(jié)合。

其次，充分利用線上教學(xué)資源，可有效深化和拓展教學(xué)內(nèi)容，克服線下教學(xué)的課時(shí)限制，提升教學(xué)效果。再者，通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)線上程序設(shè)計(jì)測(cè)試平臺(tái)能夠快速檢測(cè)學(xué)生程序設(shè)計(jì)結(jié)果，有利于鍛煉學(xué)生基礎(chǔ)程序設(shè)計(jì)、調(diào)試、排錯(cuò)能力，但在面對(duì)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新、接近于實(shí)際項(xiàng)目的復(fù)雜工程類問(wèn)題時(shí)，則更適合線下進(jìn)行指導(dǎo)。因此，基于BOPPPS 模式進(jìn)行線上線下混合式教學(xué)將是今后的教學(xué)趨勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

在河北工業(yè)大學(xué)人工智能與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院2020 春季學(xué)期中，基于BOPPPS 教學(xué)模型開(kāi)展面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)線上教學(xué)取得了較好的教學(xué)效果。學(xué)生普遍反映相較于傳統(tǒng)課堂教學(xué)，線上教學(xué)的參與度更高，提供的教學(xué)資源更豐富，自主學(xué)習(xí)能力等方面提升顯著。接下來(lái)，將線上教學(xué)常態(tài)化，形成與線下教學(xué)的有效互補(bǔ)將是未來(lái)的努力方向。