程序設計實驗是各專業必修的信息類基礎實驗課程，它綜合了利用計算思維和程式語言工具解決實際問題所需要的基本方法和編程技能。在眾多語言中，C語言作為普適性最強的一種結構化程序設計語言，以及當今大部分流行高級語言的基礎或前身，在程序設計實驗中佔有相當重要的地位，是培養學生基本編程能力、科學研究能力、綜合創新能力的重要實踐環節，具有理論教學不可替代的作用[1]。傳統實驗教學模式主要存在以下4點不足：①實驗課作為理論課的附屬，教學內容設置上缺乏系統性與完整性，學生在不選修理論課的情況下完成實驗課有困難；②線下課堂教學存在時間空間上的限制，主要體現在實驗課時不夠，實驗設備不足，這極大制約了學生運用理論知識解決實際問題的能力獲取與發展；③驗證性實驗佔比較大，綜合設計性、創新研究性、開放性實驗較少，多學科融合實驗項目缺乏，不利於學生創新和綜合能力的提升，不同層次學生的差異化需求無法得到滿足，降低了非計算機類專業學生學習編程的興趣；④過程性評價方式單一，缺少有效的過程化管理機制，不利於學生學習數據的收集、整理和分析，無法全面及時地掌握學生學習情況。
在全球教育創新實踐中，在線教育作為一種新的教育模式，憑藉其不受時間和地域限制、支持個性化學習等優勢，正在成為推動高等教育變革的重要引擎，不僅助力高校成功應對了新冠疫情危機，而且今後將長期與傳統線下教育模式共存並進。為了將網絡教學與面授教學的優勢互補，線上線下混合式教學模式應運而生，這一模式已被眾多學者採納並應用於各專業的理論及實驗教學研究[2-5]。
線上線下混合式教學主要通過課前導學、線上自主學習、課堂重難點講解、線上線下深度研討、過程性考核等方式，將傳統的「以教師講授為主」模式向「以學生自主學習為主」模式轉變，在預、學、導、議、思、練、結等環節中既能有效發揮教師的引導、啟發和主導作用，同時也可以充分調動學生學習的主動性、積極性和創造性，進而提高學習質量、改善思維習慣，保證教學目標能夠按時按質按量完成[6-7]。
線上線下混合式教學模式已經在一些高校的各專業實驗教學中得到應用，並取得了較好效果，但該模式仍然有待從觀念到技術再到方法的結構性變革。在什麼階段混合（When）、在哪些方面混合（Where）、以何種方式混合（How）等一些具體問題都有待深入探討。此外，線上線下混合式教學模式最初主要是針對理論課教學提出的，內核仍然是「先知識後能力」的理念，符合一般先理論知識學習、再動手實踐運用的學習過程。如果直接將上述模式應用於實驗教學，可能無法有效解決傳統實驗教學的問題，因此須進一步豐富線上線下混合式教學模式的內涵，同時拓展其外延。
為了保證教學質量，還要輔以過程化管理機制。以C語言程序設計實驗為例，每次實驗圍繞一個主題，例如選擇結構、循環結構、數組、結構體、函數、高級編程等，在內容設置上分為驗證性實驗、設計性實驗及綜合性實驗。學生若要順利完成實驗，一般有3個必要條件：①必備的理論知識。基礎語法知識相對簡單，教師不必也不宜在課堂上花費大量時間講授，學生可以課前根據學習指導自主完成。然而，各類線上資源分布分散會對學生學習造成一定困難，課業壓力、學習觀念和習慣差異等也會導致學生無法完成課前自主學習，繼而影響學習效果。如何全面深入了解學生學習狀態、助其做好自我管理和自我評估，促進自主式學習，這對教師提出了新的考驗。②教師提供清晰明確的實驗指導或常規性實驗方案，學生可以在此基礎上進行優化設計，提出性能更好、效率更高的算法。學生與教師、學生與學生之間的良好溝通有助於激發學生的創新性思維。除了引入線下討論式、分組式教學方法以外，還可以利用線上討論區、留言板等工具，方便師生快速檢索相關問題及答案，有助於深入研討。③充分的實驗機時和友好的實驗環境，如在線實驗平臺或虛擬仿真實驗平臺等。驗證性實驗和設計性實驗通常有固定的輸入輸出模式，可以利用在線測評系統快速驗證反饋，而且支持24h多次提交。但是，在線測評系統通常只解決「判錯或判對」的問題，不提供具體的編譯錯誤信息或調試功能，不利於學生定位並修改程序中的錯誤。此外，學生撰寫提交實驗報告、教師收集批閱實驗報告也可以轉移到線上。可在以上環節中融入信息技術，通過在線實驗平臺記錄學生實驗全過程，方便教師實施精準過程化管理，進行準確的過程性評價、形成性評價和終結性評價。
綜上所述，線上線下混合式實驗教學必須在系統性、整體性、協同性上下功夫，抓住傳統實驗教學的「痛點」出擊，才能真正做到「混而不渾」，充分發揮出現代信息技術與傳統教學深度結合的優勢。
2.1 線上線下混合式教學模式的構建及教學過程設計
線上線下混合式教學模式的教學過程分為課內教學環節與課外第二課堂（如圖1所示）。課內教學環節分為課前準備、課中實施及課後反饋3個階段，實驗內容包括驗證性、設計性和綜合性實驗項目，促進學生知行並進。課外第二課堂主要針對學有餘力、有繼續深入學習興趣或需求的學生，依託西北工業大學大學生程序設計創新實踐基地，通過有良好積澱的創新創業教育課程、產學合作協同育人項目、大學生創新創業訓練計劃項目、國際大學生程序設計競賽等平臺為其提供第二課堂，實驗內容以綜合性、創新性、多學科交叉性項目為主，鼓勵學生學做融創。本文重點介紹課內教學環節，以循環結構實驗為例進行說明。
2.1.1 課前準備階段
教師課前的主要任務是準備教學資源和制訂「學習任務清單」。教學資源包括但不限於學習相關理論知識的微視頻、PPT課件、測試題，文獻資源、實驗指導書。例如針對實驗項目「設計利息最高存款方案」，理論知識點應覆蓋while、do、for等循環結構的應用格式，循環嵌套的使用方法，枚舉算法求解問題的基本思路等，還可以提供相關練習及參考代碼幫助學生加深理解。實驗指導書應包括實驗項目介紹、題意解析與推理、常規性實驗方案、參考代碼或偽代碼及步驟說明。
學生課前的主要任務是通過在線實驗平臺完成「學習任務清單」，掌握相關知識點，了解實驗項目關鍵信息，如實驗要求、原理、方法優缺點及適用性、影響結果因素等，同時按小組進行問題討論。
為了解決部分學生由於沒有個人電腦導致課外上機編程困難的問題，實驗課程平臺還提供了在線編譯工具，支持多種語言的編輯、編譯和在線運行。學生可以通過手機、平板等終端設備隨時使用在線編譯器，完成課前編程練習，這從硬體條件上降低了學生動手實踐的門檻，能夠有效保證課程的順利進行。
線上線下混合式教學模式的課前準備重視培養學生的資料閱讀和整理能力，鼓勵其對實驗方案進行優化。學生僅通過在線實驗平臺就可以完成全部課前學習任務，教師也能從後臺了解學生預習情況。
2.1.2 課中實施階段
因為學生在課前已經對實驗內容有所了解，教師在講授過程中應採用以問題為導向的教學方法，便於檢查學生自學效果，為學生答疑解惑，同時加以歸納延伸。以「設計利息最高存款方案」實驗項目為例，學生課前已了解如何利用嵌套循環實現枚舉算法，以及如何選擇枚舉對象提高算法效率等，因此在參考方案基礎上，可以通過小組討論進一步提出優化算法。學生經過結構化程序設計、編程實現、調試代碼等步驟，通過在線測評系統提交程序，得到實時反饋，並就具體情況進一步排除問題或錯誤。代碼調試是程序設計實驗教學的重難點，程序故障原因多種多樣，必須結合具體情況指導學生掌握各種調試方法，例如防禦式編程、邊界條件測試等。
線上線下混合式教學模式的課中實施，注重學生對理論知識的內化理解及實踐轉化，重點培養其探究式、協作式的計算思維和科研思維，並最大化兼顧不同學生的差異化需求。
2.1.3 課後反饋階段
學生課後的主要任務是對實驗過程進行總結分析並撰寫實驗報告，完成課後練習或綜合性實驗項目。個別在課中沒有完成的學生可在課後通過在線實驗平臺繼續實驗。
教師課後的主要任務是匯總學生的學習數據，進行分析評價。在線實驗平臺積累了學生在課前、課中、課後的學習行為數據，並提供智能分析工具方便教師為教學全過程進行全方位監督，不僅為教學評價提供多元化衡量指標，更重要的是，教師可以掌握更多精準「線索」，對學生在學習過程中存在的問題做到早發現、早幹預，切實踐行「因材施教」原則[8]。
以2020學年秋季學期選修C語言程序設計實驗課程學生的在線測評系統數據為例，該數據記錄了1 483名學生在11周課程內的日累積代碼通過情況及期末成績。以橫軸為天數，縱軸為截止到當日的累積代碼通過數量，可以得到每個學生的學習曲線。學習曲線一般表現為，初期累積代碼通過數量較少；隨著課程推進，表現出有規律的增長態勢；課程結束時，累積代碼通過數量達到最大。考慮到個體差異，學習曲線表現出不同的增長規律。這裡粗略地將百分制期末成績劃分為6個等級，分別是[0，45)、[45，60)、[60，70)、[70，80)、[80，90)、[90，100]。通過分析原始數據，得到兩點經驗性結論：①期末成績處於同等級的學生學習曲線分布有差異，這表明學生學習過程的個性化差異。②數據分布具有一定規律，主要表現在：期末成績越高的學生，其學習曲線在課程初期表現出較高的增長率，且整體較穩定，說明學生在課程初期實驗完成情況較好，且按照課程進度每周完成實驗情況較好；相反，期末成績越低的學生，其學習曲線在課程初期增長緩慢，且增長態勢不穩定，說明學生在課程初期實驗完成情況不好，且按照課程進度每周完成實驗情況不好，短時間內大量提交代碼並通過的行為提示可能存在抄襲或考前惡性突擊。
此外，不考慮期末成績，僅對學習行為數據進行適當預處理（分段聚合逼近、去除異常值、去除累積等）得到周代碼提交記錄後，提取了修正學習曲線的多種統計特徵，如最大值、均值、分位數、標準差、分桶熵。通過對經過特徵工程的數據進行聚類分析，可初步得到6類學習曲線。修正學習曲線聚類結果如圖2所示，各子圖展示了不同類別學習曲線的分布情況、期末成績的均值（MEAN）、標準差（STD）和 範圍（RANGE）。儘管同類別下學生的成績範圍跨度很大，但平均成績和標準差具有較好的區分度。學習曲線與成績間的關係再次驗證了之前的結論。
基於學習行為數據進行學習研究的目的是為學生提供個性化的學業指導，幫助學生做好自我管理、評估等學習決策，促進學生形成自我發展式的智慧化學習，如在課程初期對實驗進度緩慢的學生發出警告，給出階段性學習建議等。此外，分析學生學習數據還可以幫助教師調整教學進度和教學設計，引導學生進行探究式與個性化學習。
2.2 線上線下混合式教學模式的教學效果
筆者對2020學年秋季學期選修C語言程序設計實驗課程的1 545名學生進行了問卷調查，以了解學生對新教學模式的滿意度。調查結果顯示：①92%的學生支持課前在線學習課程內容；②97%的學生支持課中教師對實驗內容進行重點強化及延伸；③85%的學生使用了在線編譯工具；④98%的學生認為學業指導對提高學習成績有幫助；⑤100%的學生支持基於在線實驗平臺展開的線上線下混合式實驗教學；⑥90%的學生認為線上線下混合式教學模式有利於提高編程能力、獨立思考能力及團隊協作能力。
學生對線上線下混合式教學模式的建議主要是，希望教師能夠增加在線學習資源的類型及數量，在實驗內容設置上提供多學科交叉的教學案例及實驗項目。根據學生的建議，筆者豐富了教學資源，聯合來自不同專業背景的教師，精選學科交叉案例並進行適當編排，保證其在計算機基礎教學過程中發揮作用。
史丹福大學發布2025計劃，對未來大學教育模式提出了開創性的設計，例如將「先知識後能力」翻轉為「先能力後知識」，提出能力將成為本科學習的基礎。同樣，我國教育部提出重點建設有利於培養學生實踐能力和創新能力的實驗教學體系，打造實驗教學一流課程和高素質實驗教學隊伍，通過發揮線上線下混合式、虛擬仿真實驗等項目或課程的示範帶動作用，助推信息技術與實驗教育教學深度融合。
實驗教學是加深理論認識、提高實踐能力的有效途徑，是培養學生創新實踐能力的重要教學手段。針對程序設計實驗教學，自線上線下混合式教學模式實施以來，通過融合多種教學活動及手段，對實驗教學全過程做到了豐富形式、提升內涵，為學生提供了多元化的學習環境和友好的實驗平臺，滿足了學生的差異化學習需求，有效提高了學生的學習興趣和學習質量，訓練了學生的計算思維，以及利用電腦程式解決實際問題的動手能力及創新能力。
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基金項目：國家自然科學基金青年基金項目（61801396）；西北工業大學「中央高校建設世界一流大學（學科）和特色發展引導專項資金」項目（19GH0101311）；教育部產學合作協同育人項目（202002004031）。
第一作者簡介：王雪，女，西北工業大學助理研究員，研究方向為學習科學、計算機視覺、機器學習，xwang@nwpu.edu.cn。