基于C语言程序设计谈在线虚拟实验用于MOOC教学.pdf
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1、195计 算 机 教 育Computer Education第 11 期2023 年 11 月 10 日中图分类号:G642基于 C 语言程序设计谈在线虚拟实验用于MOOC 教学赵三元,李仲君,李凤霞,薛静锋(北京理工大学 计算机学院,北京 100086)摘 要:针对 MOOC 课程目前教与学的不对称性以及师生在线交流方式壁垒导致的 MOOC 难以开展细粒度教学问题,以 C 语言程序设计课程为例,探讨在线虚拟实验用于 MOOC 教学的方式,分析该课程在线教学中的痛点和难点问题,针对这些问题提出在线虚拟实验解决方案,同时介绍在线虚拟实验平台与 MOOC 平台无缝对接的解决方案,给出一个完整的技术
2、赋能在线教学的系统方法,并通过MOOC 课程后台数据说明该方法在解决教学难点上获得的显著成效。关键词:虚拟实验;在线虚拟实验;MOOC 教学;C 语言程序设计;信息技术第一作者简介:赵三元,女,副教授,研究方向为计算机基础教育、计算机视觉和虚拟现实技术,。0引 言虚拟实验软件是一种利用虚拟现实技术和计算机仿真技术来模拟真实实验环境进行实验交互过程的软件1。在 C 语言程序设计教学中,它可以通过对硬件设备和软件平台的工作机制、程序的执行流程、计算机内部信息流的动态过程等的模拟呈现,为学生提供一个虚拟的实验场景和交互方式,使学生可以在不受时空限制的情况下进行可视学习和实验操作。作为计算机技术用于线
3、上教育的一种新形式,在线虚拟仿真实验2丰富了 MOOC 课程的内容和形式,填补了实验在线的空缺,对于引导学生完全自主学习,推动线上教学的发展,助力翻转课堂具有重要意义。1C语言MOOC在线教学现状C 语言程序设计是一门重要的计算机基础课程,对于培养学生的编程思维、算法设计和数据结构应用能力具有重要意义。随着 MOOC 的兴起,C 语言相关的 MOOC 课程建设获得了长足的发展,其 MOOC 内容呈现出了较多元的形式,除了讲座视频、互动讨论、在线测验,还包括编程在线测评等。C 语言 MOOC 在提供优质教学资源的同时,也存在尚未解决的挑战和问题,如学生缺乏直观的面对面交流与互动,缺乏细粒度的量身
4、讲解等,导致不少学生对于 C 语言的细节、本质的知识把握不足。这主要受制于两方面:C 语言编程过程中有很多涉及语法细节的问题,无法仅从教学视频中获得答案,初学者在学习过程中经常遇到长代码报错,难以定位其问题所在,也无法分辨其中的逻辑关系和语法问题;能够参与 MOOC 答疑的师资力量有限,面对长代码问题,目前 MOOC 平台提供师生问答方式进行讨论,这很难应对海量选课学生的庞大问题体量。即使学生互问互答,也难以保证其答疑质量和正确性。因此,需要进一步完善MOOC教学模式和资源创建,提高学生的学习效果和质量3。虚拟实验方法提供了与 MOOC 融合的教学资源与模式,突破传统实验的局限,弥补了 MOO
5、C 在实验教学环节的匮乏。重点在于利用技术赋能实验教学的可视性和可重复性,提升学习效果和教学效果,并促进开放共享教育理文章编号:1672-5913(2023)11-0195-062023196计 算 机 教 育Computer Education念的实施。一直以来,在国内 MOOC 上开放的虚拟实验很少4-6,国际平台 Coursera 和 edX 上,也仅在不免费的情况下才能访问完整的课程实验资源。目前,虚拟实验作为一种新技术支持下的课程资源已经出现在国内的一些 MOOC 平台中。例如,中国大学 MOOC 平台上华东师范大学的大学物理实验课程、北京理工大学的大学计算机课程,其实验都提供了虚拟
6、仿真操作,对实物器材进行了模拟,使用专门的虚拟实验仿真平台作为虚拟实验软件的载体,突破传统实验在设备、场地、时间等方面的限制,方便学生进行实验操作。学堂在线平台上清华大学的数据结构课程也配置了虚拟仿真实验,如“图灵机演示”“Hailstone”等,使用离线 Excel 文件作为载体,对数据结构中的算法运行过程进行动态交互演示,其操作简便,能够让学生在短时间内掌握操作的技能和规范,将关注点放在实验原理和过程上。与以上课程相比,C 语言不仅需要关注代码执行过程的算法逻辑,还需要关注程序运行时相应数据流在计算机内存中的变化态势,因此,程序设计类课程的虚拟实验不是直接对实物器材模拟并强调实验操作步骤,
7、而是既对计算机内存微观数据流进行模拟,又是对算法逻辑进行交互性演示和操作的过程。北京理工大学开设的 C 语言程序设计课程获评国家级一流线上课程,其实验建设过程不断探索和完善,最终将虚拟实验以在线方式融入 MOOC 课程,利用先进技术支撑,创建数字化实验教学资源,从多方位考查学生能力,以期提升在线教学的效率。2在线虚拟实验用于MOOC教学的解决方案虚拟实验教学改革需要 3 方面的支撑:教学积累、技术赋能、软件研发。1)实验方法。本 MOOC 课程目前已提供两个在线虚拟实验:循环程序的基本概念和构成方法;冒泡排序实验过程数据与结果。对于初学者来说,通过 MOOC 视频讲解能够了解循环的基本概念以及
8、通过循环控制变量控制循环次数的思想,如何将这些概念和思想落实在学生自己编写的代码上呢?这是一个常见的教学难题。虚拟实验一着眼于该教学难点,以一个求和问题的程序设计为例,让学生采用循环思路设计算法,并启发学生按照规范方法进行流程图完善性设计,培养分析问题并正确表达问题的能力,使学生了解循环程序解决问题的特征点,并能直观了解算法执行过程中计算机内存中控制变量的变化,从而深刻理解循环的执行过程和核心概念。本实验首次实现程序逻辑、程序运行、内存数据流演化的同步动态展示,具体地,将实验界面设计成为 3 个主要模块,如图 1(a)所示,实验主要包含左侧的流程图、中间区域的 C 程序源代码以及右侧区域的内存
9、演示。这3 个区域要求学生首先完善流程图,之后虚拟实验软件根据流程图自动生成相应的 C 程序源代码(如图 1(b)所示),最后学生通过点击“自动运行”或者“单步运行”按钮,观察根据其流程图逻辑所生成的程序是如何执行的,变量的值在内存中是如何变化的(如图 1(c)(f)所示)。虚拟实验二面向的教学难点是冒泡排序算法,它是一个二重循环,对于初学者来说其逻辑不易理解。MOOC 教学中,仅靠视频讲授难以把控学生的理解和掌握程度,也使学生难以消化成为自己动手可用的知识。本实验以一个成绩排名为例,实现冒泡排序算法的动态可视化过程,根据冒泡排序的基本思路,学习利用计算机进行问题求解的算法设计过程,了解采用数
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