以工程体验为核心的在线教学平台构建与实践

——以疫情期间《计算机程序设计基础》课程教学为例

       魏青轩¹,王淑鸿¹,刘建东¹,王  鹏²    

(1 北京石油化工学院 信息工程学院,北京 102617；2 北方工业大学 电气与控制工程学院,北京 100144)

[摘  要] 新冠肺炎疫情防控背景下，针对应用型本科院校《计算机程序设计基础》课程强实践性的特点，在充分分析大学生居家线上学习存在问题的基础上，构建了基于“云班课+微信”的“轻直播+”在线教学平台，并以本科工程教育中符合“三个是否”界定标准下的工程体验为核心进行了教学过程设计，采用问卷调查的形式开展了在线教学效果分析与评价。评价结果表明，学生对课程在内容安排、授课方式、互动反馈以及听课感受等方面的满意度均较高，课程的在线教学取得了良好效果。

[关键词] 疫情防控;在线教学;工程体验;教学设计

[基金项目] 2020年度北京石油化工学院教育教学改革与研究重点项目“计算机程序设计基础”(ZD20200304)；2021年度北京石油化工学院重要科研成果培育项目“大尺寸篷布自动化柔性生产关键技术及应用”(BIPTACF-013)。

[作者简介] 魏青轩(1983-)，男，山西大同人，博士，北京石油化工学院信息工程学院讲师，主要从事计算机程序设计、复杂工业过程智能测控理论与教学研究；王淑鸿(1973-)，女，辽宁沈阳人，硕士，北京石油化工学院信息工程学院讲师(通信作者)，主要从事计算机基础类课程教学理论与实践研究；刘建东(1966-)，男，河北张家口人，硕士，北京石油化工学院信息工程学院教授，信息工程学院院长，主要从事教育技术学与信息交互安全研究。

[中图分类号] G642 [文献标志码] A     

2020年初，教育部应对新型冠状病毒感染肺炎疫情工作领导小组办公室印发《关于在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》，要求各高校积极开展在线教学活动，保证疫情防控期间教学进度和教学质量；根据校情学情制定疫情防控期间在线教学实施方案，保证在线学习与线下教学质量实质等效^[1]。北京石油化工学院深入贯彻落实教育部、北京市委市政府加强新型冠状病毒感染的肺炎疫情防控工作要求，制定了详细的延期开学情况下本科教学工作实施方案，要求任课教师充分利用信息技术，按照“周周有任务、周周有答疑”的基本要求开展在线教学。

计算机程序设计能力是所有工科专业能力素质培养目标中非常重要的一项，其重要性不仅仅体现在一般意义上的程序编制，更体现在面对复杂工程问题时，从程序设计角度思考和解决问题的能力。《计算机程序设计基础》正是一门从工程应用角度培养学生程序设计能力的课程，是电气信息类专业用于培养、支撑计算机编程能力的一门重要的专业技术基础课，具有较强的实践性。

工程体验^[2]是联系工程学习与工程专业实践的桥梁，更是实现工程师培养的核心环节。在本科工程教育以及“新工科”建设背景下，“工程体验”有着极其丰富的内涵和多样的界定。本文针对应用型本科院校《计算机程序设计基础》课程强实践性的特点，以在本科工程教育中符合“三个是否”^[3]界定标准下的工程体验为核心，探索疫情防控期间课程的在线教学平台构建与教学设计，以期为促进有效的在线教学提供有益实践。

一、疫情防控期间大学生居家线上学习存在的问题

新冠肺炎疫情的爆发，使得在线教学首次覆盖了全国范围内各学段的所有学科^[4]。线上学习具有课程资源丰富，能够在同步或异步环境中进行学习等优点^[5]，但将大学生线上学习置于疫情防控、居家环境下，又存在诸多新的问题，这些问题直接或间接影响着“教与学的效果”^[6]。

准确分析疫情防控期间大学生居家线上学习存在的问题，是教师设计和实施有效在线教学的关键。通过文献梳理和理论分析发现，疫情防控期间大学生居家线上学习主要存在以下问题：

(一)无监督下的自由学习，自主学习意愿降低

疫情防控期间，学生一方面处于无监督环境下的自由学习状态，自主学习意愿较低；另一方面，由于教学对象为电气信息类专业本科一年级学生，绝大多数学生的程序设计基础与工程实践能力非常薄弱，使得学生自信心较弱，对学习内容存在畏难情绪，也进一步降低了自主学习意愿。

(二)学习环境松散，缺乏上课氛围

与传统的课堂听课不同，学生线上学习处于居家环境下，由于不需要课堂听课时饱满的精气神和严格的纪律性，导致学习环境松散，时间点不明晰，缺乏教室中紧张的学习氛围。

(三)听课效果受网络质量影响大

网络质量的高低，直接影响着学生在线听课效果。在教学平台软硬件不变的前提下，如何在教师端直接或间接降低线上教学过程对高质量网络的依赖，使线上教学过程更加流畅，进而提高学生在线学习的体验和效果，成为亟待解决的问题。

(四)情绪易波动，消极情绪影响学习与生活

心理学认为，人的心理情绪易受社会与生活环境影响，包括所处空间和活动范围的大小，所处环境的改变会造成相应的心理波动和情绪反应。

在线教学期间，开学时间不确定，大学生将“长期宅家”，丰富多彩的大学校园生活也被迫搁置，加之居家学习主动性不足，使其更易产生悲观、消极等负面情绪，极易影响大学生正常的学习和生活。

二、基于“云班课+微信”的“轻直播+”在线教学平台构建

(一)在线教学平台构建思路

在线教学平台为学生端与教师端交互搭建了桥梁。平台的构建主要考虑了以下两方面因素：

1.大规模并发数据对教学平台的影响

教育部统计数据（2020）表明，2019年我国有各级各类学校53.01万所，专任教师1732.03万人，在校学生2.82亿人^[7]。疫情防控期间，全国有数亿学生要进行在线学习，必须考虑单一教学平台“卡顿”时的替代方案，确保在“卡顿”发生时能够快速、平滑衔接，提升学生听课体验。

2.在线教学对师生、生生间沟通的要求

疫情防控期间，师生、生生之间处于不同空间环境，缺乏面对面、直接高效的沟通交流，若不能对学生学习过程中遇到的问题、困惑予以及时解答、指导，很可能降低学生的学习积极性，导致学生被小问题“卡住”而停滞不前。因此，在线教学平台还需具备畅通的交流、讨论和答疑功能。

图1 基于“云班课+微信”的“轻直播+”在线教学平台

(二)在线教学平台构建

为减少“卡顿”对在线教学影响，克服单一在线教学平台缺点，以及畅通师生、生生间的互动交流，构建了基于“云班课+微信”的“轻直播+”在线教学平台，拓展了云班课“轻直播”的功能，如图1所示。

“轻直播+”教学平台利用了云班课特有的“轻直播”功能和丰富的线上互动活动，避免了直播教学并发数据量大、交互不深等问题，学生能够随时反复观看轻直播内容，有利于学生加深对重难点知识的理解；融合微信强大的即时通讯能力，与云班课形成有效互补，能够可靠地实现在线教学、精准互动、准确沟通、即时答疑等教学活动。具体体现为：

（1）基于云班课开展教学活动，主要包括：教师提前录制教学短视频，以“轻直播”方式进行在线授课；开展形式多样、内容丰富的互动活动等。

（2）基于微信开展教辅活动，主要包括：建设课程微信群，增强沟通便捷性与信息发布及时性；当轻直播“卡顿”时，快速平滑切换至课程微信群，有效提升在线教学过程可靠性；在云班课开展互动活动期间，借助课程微信群发布互动活动的过程信息（如测试排名等），增强学生参与感与互动体验。

三、以工程体验为核心的教学过程设计

结合教学目标与教学内容，以工程体验为核心，在充分考虑疫情期间学生居家线上学习存在问题以及学生特点基础上，优化在线教学策略，细化教学过程设计，同时，注重课程思政与教学过程的统一，并融入了疫情防控期间对学生的人文关怀。

 (一) 优化在线教学策略

（1）针对“无监督下的自由学习，自主学习意愿降低”的问题。通过合理利用随堂测试、头脑风暴、问卷调查等教学手段，开展内容丰富的线上互动活动，提高学生学习兴趣，检测、巩固学习效果，也为过程性考核提供真实有效的数据支撑，使得无监督下的自由学习，逐渐转变为无监督下的自主学习，培养学生在无监督环境下的自主学习能力。

（2）针对“学习环境松散，缺乏上课氛围”的问题。通过在课前10-15分钟发布提示信息的方式，为学生营造出时间点清晰明确、稍显紧张的课前氛围。并在即将开始上课时，再次提醒学生即将开课，引导学生做好听课准备。

（3）针对“听课效果受网络质量影响大”的问题。一方面，以知识点或小节为单位录制教学视频，在保证内容清晰的前提下，尽可能减小视频体积，避免因视频文件较大导致的上传慢、打开慢、观看“卡顿”等影响学生听课体验的情况发生。另一方面，在云班课与微信群多点同时发布教学视频，降低单一平台下单点发布可能出现的加载缓慢问题。

（4）针对“情绪易波动，消极情绪影响学习与生活”的问题。一方面，采用延长签到时间、制定签到备用方案、建立补签制度等措施，消除学生因无法正常线上签到产生的焦躁情绪；另一方面，制作抗疫安全教育短视频，向学生宣传抗疫安全知识的同时，帮助学生树立乐观、积极的学习与生活态度，为学生加油打气，达到激发学生学习动力、消除学生消极情绪、营造积极向上氛围的目的。

(二)以工程体验为核心细化教学过程设计

主要从授课内容和课后任务两方面，通过引入与学生所学专业联系紧密的工程案例以及工程实践中涉及到的程序设计思路与方法、仪器设备作用与应用场景、工程伦理、安全与协作意识等内容，给予学生丰富的工程体验，不仅有助于学生明确本课程在其专业体系中的位置与重要意义，拓宽学生专业视野，激发学生学习兴趣与主观能动性，而且有利于培养学生的工程思维与素养。

1.针对性设计授课内容，给予学生早期工程体验

引入专业领域的前沿技术以及认知度高的程序类软硬件产品，引导学生建立程序设计概念，理解程序设计在现实生活中的应用，明确本课程的作用与意义；介绍并演示一些趣味性强、实用直观的信息处理技术，比如图像去噪、图像二值化、最小二乘等算法，使学生能够非常直观的感受实际应用场景下程序设计的魅力；配合工业现场照片、视频，讲解工程案例，并适当延伸、拓展专业知识，帮助学生理解所学知识、树立团队协作等工程意识。

2.精心设计课后任务，强化学生工程体验

一方面，设计贴合学生所学专业、难度适中、有工程背景的课后任务，从而有效激发学生的参与热情，增强任务完成过程的工程体验。比如：在完成选择结构程序设计的教学后，通过作业/小组任务的方式，向学生布置了设计加热控制器仿真程序的任务，要求学生根据控制要求编写程序，实现加热控制过程的仿真。学生不仅实践了选择结构程序设计方法，还了解了加热控制器的控制思路，体验了电气控制领域中非常典型的温度控制过程。

另一方面，以完成一个贴近工程实际的综合性程序设计项目为目标，将项目分解为多个子任务，多个子任务之间难度逐渐增加、功能逐渐丰富，学生通过逐一完成子任务，最终完成了项目，进一步强化了学生在完成任务过程中的工程体验，同时，学生能够更深刻的体会“分而治之”、“自顶向下”等重要程序设计思想的作用。

四、教学评价

本学期，《计算机程序设计基础》有三个教学班，共100名学生。累计开展在线教学活动158个。其中，作业/小组任务20次，累计提交2081个结果；测试62次，涉及255道题目，累计交卷4582份；投票问卷4次，涉及8个题目，收获有效投票751票；头脑风暴4次，累计发表299个观点。

表1 学生对课程在线教学授课方式和听课感受的反馈统计

表2 学生对课程在线教学的整体评价统计

开课2周后，利用头脑风暴获得了学生对授课方式和听课感受的反馈数据，共81位学生（占班级总人数的81%）参与了反馈（见表1）。其中，72.8%的学生给予了积极肯定的评价，有33.3%的学生提出了教学过程中存在的一些问题，并对学生反馈较为集中的随堂测试时间短的问题，做了相应调整。

开课最后一周，参照教育部高教司《高校学生在线学习情况调查问卷》第四部分（在线学习效果），采用匿名制，设计了本课程在线教学整体评价的调查问卷，共收到有效问卷93份（见表2）。其中，80.7%的学生对“教学安排合理且明确”和“学习效果整体较好”表示非常同意；79.6%的学生对“教学平台使用支持及服务到位”表示非常同意；78.5%的学生对“互动反馈及答疑顺畅”表示非常同意。统计结果表明，学生对本课程在线教学整体效果满意度较高。

在充分分析疫情防控期间学生居家线上学习存在问题的基础上，构建了基于“云班课+微信”的“轻直播+”教学平台，提出了以工程体验为核心的教学过程设计方案，对疫情防控期间《计算机程序设计基础》课程的在线教学做了有益探索。随着疫情防控常态化，在遵循远程教育的理论和方法，坚持以学生为中心的基础上，在线教学势必将向更加科学、有效和常态化、系统化方向发展。

[参考文献]

[1]教育部应对新型冠状病毒感染肺炎疫情工作领导小组办公室.关于在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见[EB/OL].(2020-02-04)[2020-07-06].http://www. gov.cn/zhengce/zhengceku/2020-02/05/content_ 5474733.htm.

[2]Chen W., Shah U. V., Brechtelsbauer C.. A framework for hands-on learning in chemical engineering education—Training students with the end goal in mind[J]. Education for Chemical Engineers, 2019,(28):25-29.

[3]李肖婧.工程体验教育模式研究[D].杭州:浙江大学,2019.

[4]郑勤华,秦婷,沈强,等.疫情期间在线教学实施现状、问题与对策建议[J].中国电化教育,2020(05): 34-43.

[5]Vandana S., Alexander T.. How Many Ways Can We Define Online Learning? A Systematic Literature Review of Definitions of Online Learning (1988-2018)[J]. American Journal of Distance Education,2019,33(4):289-306.

[6]谢晨,胡惠闵.学情分析中“学情”的理解[J].全球教育展望,2015,44(02):20-27.

[7]教育部.2019年全国教育事业发展统计公报[EB/OL].(2020-05-20)[2020-07-06].http://www.moe. gov.cn/jyb_sjzl/sjzl_fztjgb/202005/t20200520_456751.html.