基于MOOC的程序设计开放实验平台的构建

许小东， 吴军强， 刘小晶

(嘉兴学院 数理与信息工程学院， 浙江 嘉兴314001)

基于MOOC的程序设计开放实验平台的构建

许小东， 吴军强， 刘小晶

(嘉兴学院 数理与信息工程学院， 浙江 嘉兴314001)

针对实验教学MOOC化面临的问题，分析程序设计实验特点，提出了“资源、过程、考核”三位一体的平台构建思路，实现了统一、开放、共享的程序设计开放实验平台，采用“1个打破+2个结合+3类资源+4个层次”模式精品化管理实验资源，遵循“真实性、合理性、精细性”三性原则智能化控制实验过程，利用云计算技术和可配置考核方案实现差异化实验考核。实践证明，该平台有效促进了学生对知识的深度理解，提升了学生创新实践能力，同时还促使教师不断学习，形成学评教的良性循环。

慕课； 开放实验平台； 实验资源； 云计算； 差异化考核

0 引 言

大规模开放在线课程(Massive Open Online Course，MOOC)引发了传统教育模式的变革，对高校实验教学的改革与创新提出了新的挑战[1]。实验教学是培养学生创新意识，深化理论知识理解，形成专业工程素养，提升实践动手能力的重要途径[2]。面对MOOC浪潮的冲击，如何理清当前存在的问题，在开放实验教学中实践MOOC理念，探索和研究MOOC环境下开放实验平台的解决方案，对实验教学模式变革具有重要的意义。

1 实验教学MOOC化面临的问题

MOOC起源于美国麻省理工学院(MIT)开放课程资源(OCW)项目，其核心理念是开放共享优质教育资源，实现开放式、个性化在线学习[3]。实验教学有别于理论教学，实验技能的获取需要亲自实践并反复实践，常常受到物理的实验场地和设备等因素的限制[4]。因此，实验教学MOOC化面临着一些急需解决的共性问题。

(1) MOOC化意识不足。随着“翻转课堂”“精品在线开放课程”等教学改革项目的不断推进，理论课程MOOC化建设取得了显著成效，但实验教学MOOC化的研究则很少，究其原因主要是缺乏实验教学的MOOC化意识。

(2) 开放共享程度不高。当前开放实验教学多集中于时间、课程、仪器和实验室等方面的开放共享，但MOOC提倡更广义的开放共享，包括虚拟实验资源、联通主义知识体系、虚拟实验环节、学习支持机制、协作交流方式、考核评价模式等[5]。

(3) 实验过程监控困难。传统开放实验教学大多采用现场登记、专家抽查等手段监督实验过程[6]，但MOOC强调在线学习的开放性和自主性，突破时间和空间的限制，这给实验过程跟踪评估带来很大困难。

(4) 考核评价模式单一。传统开放实验教学面对的学生经常来自同一学校或拥有相似背景，考核评价模式相对固定。但MOOC降低了人们接受教育获取知识的门槛[7]，参与的学生参差不齐，拥有完全不同的知识背景，这就要求采用灵活多变的考核评价模式。同时，讲授式、协作式和探究式等教学模式的开展也对实验的考核评价提出了新的要求。

2 MOOC理念下平台的构建

程序设计能力是计算机类专业的核心技能，也是工科专业的基础实验技能，具有很强的应用性、工程性、抽象性和更新快速等特点，容易出现实验教学滞后于技术应用的现象[8]。MOOC的本质是一种在线教育模式，包括网络环境、教学平台、网络课程、资源中心、应用服务、评价认证六大核心要素[9]。实验教学MOOC化不是简单地将传统实验搬到网络上，而是六大核心要素的有机整合，从网络到平台，从课程到资源，从应用过程到考核评价，利用信息技术、网络技术和多媒体技术，实现内外融通，虚实结合，开放共享，构建统一的实验平台。因此形成了程序设计开放实验教学MOOC化的整体思路，提出了“资源+过程+考核”三位一体的开放实验平台构建模式。

(1) 实验资源MOOC化。整合课程和资源，以MOOC理念对传统实验内容进行剖析和完善，引入教师科研、学生竞赛、工程应用的成果，利用先进的信息技术和多媒体技术，化繁为简，化整为零，化抽象为具体，重新设计实验资源，创新开发虚拟实验，构建高质量的适应MOOC环境的实验教学资源库。

(2) 实验环节过程化。整合网络、平台和应用，加强实验环节设计，注重平台过程控制，遵循“问题抛出—交流互动—算法设计—编程实现—应用实践”的实验过程，突出抽象、晦涩实验环节的虚拟化、形象化，体现知识获取和技能掌握规律，实现松散耦合的实验体系，突破内容、时间和空间的限制，做到开放式、个性化学习，培养学生的自主学习意识和创新实践能力。

(3) 实验考核能力化。实验考核、实验资源和实验环节是一个有机整体，实验考核能够促进实验资源优质化和实验环节精细化。开放实验平台具有统一、开放、共享的特性，推行讲授式、探究式、协作式等多种教学方式[10]，因此，必须以学生为中心，以能力考核为重点，建立一种灵活多变的实验考核评价体系，真正体现学生的自主学习能力、团队协作能力、工程实践能力和研究创新能力。

3 程序设计开放实验平台的实现

基于在线教育六大核心要素的创新、发展和应用，将虚拟实验资源、实验平台和实验支持服务进行有机整合，实现集“资源管理+过程控制+考核评价”三位一体的统一、开放、共享的程序设计开放实验平台。

3.1 精品化资源管理

基于对MOOC资源特点的充分认识，融合程序设计实验课程，进行碎片化、精细化处理，提炼知识点，重新设计实验内容，应用多媒体技术和信息技术，提出了“1+2+3+4”的精品资源管理模式，构建了高品质、虚实结合的MOOC实验教学资源库，如图1所示。

1个打破。打破程序设计课程界限，凝练程序设计知识点，以知识点为纽带组织管理知识体系，降低知识耦合度，杜绝重复建设，实现实验教学资源MOOC化建设。目前，依托“十二五”省级重点实验教学示范中心建设，我们融合了包括《C语言程序设计》《数据结构》《算法设计》《网络编程》在内的15门程序设计类课程，共提炼出134个知识点，为开展实验教学资源MOOC化建设提供了良好的基础。

2个结合。针对程序设计工程应用性强、更新速度快的特点，在设计实验内容时，注重“与科学研究相结合、与工程实践相结合”两个结合并举，确保实验教学紧跟技术进步，提高实验教学质量和效果。① 加强>教师科研、学生竞赛成果转化，制定了《嘉兴学院公共基础实验中心自主开发实验项目若干规定》等一系列鼓励、支持制度，引导教师将科研项目化繁为简，将国际计算机学会(ACM)程序设计竞赛等学生竞赛成果浓缩提炼，融入到实验内容，确保实验项目更新率。② 注重校际合作，加入浙江大学PAT考试联盟，与全国52所高校共享程序设计实验教学资源，参考借鉴、交流学习，提升实验项目品质。③ 推进校企合作，与微软(嘉兴)技术中心等企业共享工程案例，构建实训、实习综合性资源库，增强实验项目工程应用性。

图1 精品化资源管理

3类资源。剖析实验教学具体解决方案，构建了3种类型的MOOC实验教学资源。① 演示型纯视频类实验资源。将程序设计核心概念等知识点，如数据类型、三种程序设计结构，制作成演示视频，帮助学生较好地体验、理解核心概念及其相互关系。② 抽象型虚实结合类实验资源，针对晦涩难懂的核心算法，如最小生成树、最短路径，利用虚拟仿真技术形象化算法的实现过程[11]，帮助学生掌握、运用核心算法及设计思想。③ 硬件型远程控制虚拟类实验资源，强调网络编程技术的应用，如Socket编程、TCP/IP协议，实现实验数据和实验仪器的共享及对实验仪器的远程控制[12]，帮助学生实践、创新应用领域，提升工程实践能力。

4个层次。实验资源体现“基础实验、程序实践、项目实训、企业实习”4个层次的实验内容，实验教学注重“基础、技术、应用、创新”4个层次的能力培养。基础实验检验基础理论知识的掌握，注重夯实程序设计基础能力；程序实践注重算法设计思想的理解，突出加强算法综合设计能力；项目实训专注程序与专业的结合，强调实践专业工程应用能力；企业实习旨在应用领域解决方案的创新，培养形成良好科学作风和研究创新能力。

3.2 智能化过程控制

基于对实验过程重要性和MOOC对学习过程监管劣势性的充分认识，遵循“真实性、合理性、精细性”三性原则实现了实验过程的智能化控制。

(1) 真实性。为了确保在线开放实验教学的真实有效，杜绝代替学习或在线挂机等现象，引入人脸识别技术，实现持续、有效地用户身份认证[13]。首先，接轨校园信息化建设，依托电子照片提取学生人脸特征，构建人脸样本特征数据库；其次，利用HTML5等多媒体技术实现基于Web的人脸图像在线检测采集、特征提取和人脸识别；再次，根据预警控制策略，如果满足条件则继续实验，否则加入黑名单并终止本次实验。流程如图2所示。

(2) 合理性。MOOC推荐自主性、开放式在线学习，为了确保学习过程的合理性，本文设计了“核心知识+关键技术”的节点控制方法，实现MOOC实验教学的宏观控制。例如，将指针和结构体知识点设置为控制节点，在学习栈和队列知识点时，就会检查用户是否已经学习并通过控制节点的考核。这样就可以保证学生在学习新知识时已具备相应的知识背景，符合人类知识认知规律和实验技能掌握规律。

(3) 精细性。实验过程数据是实验考核评价的重要参考依据，是实验技能掌握的评判标准，为了确保实验过程数据的便利采集和实验能力的分解体现，提出了精细性实验环节设置，实现MOOC实验过程的微观控制[14]。例如，针对网络应用编程，设置问题分析、交流互动、算法设计、算法实现和应用解决5个过程，实验过程中注重阶段数据采集与考核。

3.3 差异化实验考核

基于对实验考核能力化、学生背景差异化、实验教学方式多样化的充分认识[15]，构建了可配置的考核评价指标库，设计了差异化考核评价方案，并利用云计算技术实现程序智能测评，较真实地反映了学生的科学创新和工程应用能力。

(1) 可配置的考核评价指标库。程序设计具有很强的创新性和工程性，应以能力考核为重点。但是，不同背景、不同层次的实验教学，如ACM竞赛和工科基础编程教学，其考核评价指标应有所不同。因此，分析实验过程的各个考核评价节点，目前，设计了13个核心考核评价指标，并配置了4类考核评价方案，如图3所示。教师可以动态添加新的考核指标，也可根据实际考核要求配置生成新的考核评价方案，实现灵活的差异化实验考核。

(2) 基于云计算技术的智能测评。程序设计智能测评需要采用分布式系统架构，云计算技术可实现新型分布式计算应用，按需提供各种资源，包括网络、存储、服务器等，具有扩展方便、节省费用、便于部署和管理等优势[16-17]。本实验平台以云计算技术为支撑，采用国内开放式云平台部署开源的测评系统，按需构建分布式服务器池，提供存储服务、计算服务和测评服务等，利用反向代理机制实现负载均衡，保证系统服务效率，实现程序智能测评。

4 程序设计开放实验平台的教学成效

经过近几年程序设计开放实验平台的不断建设，平台已开设实验课程15门，实验室开放项目35项，拥有MOOC实验教学资源215个，支撑程序设计类学科竞赛2个，日均访问量3 000余人次，已经取得了一定的教学成果。2014年和2015年获得浙江省大学生程序设计竞赛三等奖五项；2011年获得“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛全国一等奖1项，省特等奖1项；2012年获得“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛全国金奖1项，三等奖1项；2014年获得浙江省电子商务竞赛(技术类)一等奖1项；2015年获得浙江省多媒体作品设计竞赛一等奖1项。近3年，获得国家级大学生创新创业训练计划项目4项，浙江省大学生科技创新活动计划(新苗人才计划)项目6项，获得软件著作权28项。

5 结 语

基于MOOC理念的程序设计开放实验平台不是简单的传统实验网络化，而是集资源管理、过程控制、考核评价于一体的开放共享的实验教学平台，是网络、资源、学习、交流、评价、反馈的有机整合。实践证明，该平台有效地促进了学生对程序设计知识和算法核心思想的深层次理解，提升了学生的自主学习意识和创新实践能力，同时，还促使教师不断学习新技术，更新实验资源，形成了学、评、教的良性循环。

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Construction of Open Experimental Platform of Programming Design Based on MOOC

XUXiaodong,WUJunqiang,LIUXiaojing

(College of Mathematics, Physies and Information Engineering, Jiaxing University, Jiaxing 314001, Zhejiang, China)

Facing on the problems in the promotion of MOOC of experimental teaching, by analyzing the features of programming experiment, the authors proposed the thoughts of holy trinity-resources, designed a platform to realize a unified, open, shared programming experiment. The platform takes “1+2+3+4” model in experimental resource management, follows "authenticity, rationalization, precision" principles in controlling experiment progress, applies cloud computing technology and configurable assessment scheme to realize the differentiation in experiment assessment. Practice has proved that the platform effectively deepened the students' understanding of knowledge, improved their creative and practical ability. At the same time, teachers were als encouraged to learn continuously. It promotes to form a virtuous circle in learning, evaluating and teaching.

massive open online course (MOOC); open experiment platform; experiment resources; cloud computing; differentiated assessment

2016-06-23

浙江省教育技术研究规划课题(JB033)；浙江省高校实验室工作研究项目(YB201609)；浙江省“十二五”省级重点实验教学示范中心重点建设项目(浙教办高教[2014]41号)；浙江省教育科学规划课题(2016SCG045)；嘉兴学院实验技术重点教学改革项目(70115001)

许小东(1985-)，男，浙江东阳人，硕士，实验师，嘉兴学院计算机实验中心(浙江省省级实验教学示范中心)公共计算机实验室主管。研究方向为计算机实验技术研究与实验教学。

Tel.:13511309443； E-mail: jx_xxd@aliyun.com

TP 391； G 642.0

A

1006-7167(2017)04-0157-04