火久元，巨 涛，杨景玉
（兰州交通大学 电子与信息工程学院，甘肃 兰州 730070）
Java语言程序设计是计算机相关专业的一门重要专业必修课，通过理论和实验环节培养学生掌握面向对象程序设计思想、Java语言编程技术和解决实际问题的应用程序设计开发能力，从而提升学生运用科学思维模式及现代工具解决实际问题的能力，为从事软件系统开发打下坚实的实践基础。
与此同时，Java语言编程技术在计算机课程体系中具有承上启下的重要地位，也为学生融会贯通所学知识、生产实习及毕业设计奠定基础。在传统模式教学过程中，该课程的教学和实践存在以下问题：①传统教学模式教学方法固定，难以长时间吸引学生注意力，导致教学效果较差；
②课程各知识点间关联密切，学生若在某一环节掉队，就难以再跟上整体的学习节奏，进而导致学生学习积极性下降；
③教师难以实时获取真实的学习数据，无法对学生学习行为和学习情况进行针对性和个性化指导。因此，在新工科建设及专业工程教育认证的大环境下，如何通过改进教学模式、创新教学设计等措施提高教学质量，培养学生具备创新创业思维及解决复杂工程问题的能力已成为高校课程改革的热点问题。
近年来兴起的混合式教学模式有机结合在线教学和传统教学两种教学组织形式的优势，通过线上+线下的混合式教学将学习者引向深度学习［1-3］。Francesco［4］于1992年创立一种高效简单的时间管理方法——番茄工作法（Pomodoro Technique），可帮助人们提高工作效率，改变学习习惯。为解决兰州交通大学电子与信息工程学院Java语言程序设计课程中存在的问题，课程组在工程教育认证与“双创”教育的背景下，基于混合式教育模式对课程建设进行了积极探索和研究，在教学方式设计中改进番茄工作法来规划具有丰富过程性交互的课程设计，从而建立具有自身特色的课程建设理念和改革思路。
随着教育信息化快速发展，大量学者和教师对混合式教学模式进行了深入研究与探索，并将其引入各类课程中进行教学改革实践。秦楠［5］基于互联网+的时代背景，结合理论基础与建构原则，设计了一种初步的新型混合式教学模式。马丽等［6］以软件工程课程为例，基于OBE构建出多元线上线下新型混合式教学模式。刘彤［7］提出“四模块三阶段二层面”教学方法，变革了数据挖掘课程教学模式。朱琳等［8］针对实验课程，基于翻转课堂＋雨课堂＋MOOC的教学模式实现了船舶锅炉水位控制综合实验课程教学改革。
针对Java程序设计语言类课程，不少学者基于混合式教学模式进行教学改革实践活动。卢冶等［9］以Java程序设计课程为例，提出符合程序设计类课程特质的“金课”建设思路。王文豪等［10］基于线上线下混合教学模式对Java程序设计课程进行改革与实践，取得了较好的教学效果。李永飞等［11］以Java程序设计课程为例，引入过程性评价机制提出一种个性化教学模式。陈益［12］将BOPPPS理论模型融入Java程序设计课程实际教学中。
虽然，上述混合式教学模式改革研究及针对Java语言程序设计课程改革实践活动，在教学方法、模式中均有所创新，取得了较好的教学效果，为课程教育模式改革提供了积极作用，但仍存在教学活动单一，难以长时间吸引学生注意力等问题，并未考虑通过设计具有丰富过程性交互的课程活动来提高教学效率。番茄工作法是一种高效的时间管理方法，已被应用于极限编程团队管理［13］、研究生反拖延［14］、课堂教学改革［15］。为此，本文基于番茄工作法实现了Java语言程序设计课程的混合式教学模式改革与实践，设计了丰富、交互性强的线下教学环节，对有效提升学生学习效率与热情、学生参与度和学习专注力具有一定的积极作用。
2.1 课程建设理念
“双创”要求全面提升学生的创新创业素质，使培养的工科人才具备创新、创业和解决创新型复杂工程问题能力［16］。结合兰州交通大学电子与信息工程学院国家一流本科专业建设和工程教育认证要求，坚持专创融合，教学夯实基础，工程实践与科研促进创新培养理念，坚持以学科竞赛为抓手、以信息化平台与方法为手段、以实际工程项目为主线、以线上自学+线下复习巩固为教学方法、以国家级示范中心等各级实践平台为依托、以培养学生解决复杂工程问题创新创业能力为目标的课程建设理念。
2.2 教学模式与方法改革创新
2.2.1 教学模式改革
采用线上线下翻转课堂的教学模式，引用优质慕课建立本地SPOC课程。基于智慧教学工具一站式解决课前、课中、课后问题，智慧教学平台能快速分析学生学习情况，供教师进行深度分析，实现有的放矢的教学与学习。如图1所示，Java语言程序设计课程中继承与多态教学过程开展以学生为中心的线上线下混合式教学设计。课前，学生通过SPOC平台进行线上自学、自测，教师进行学情统计与分析；
课中，教师根据学习情况讲解重难点，通过分组讨论、游戏巩固和提高环节提升学生能力；
课后，学生通过作业和答疑进行学习巩固。
Fig.1 Examples of “student-centered” online and offline hybrid teaching design图1 以“学生为中心”的线上线下混合式教学设计示例
2.2.2 基于改进番茄工作法规划设计线下教学活动
番茄工作法基本原理是将工作时间划分为多个番茄钟，一个番茄钟由25分钟工作时间和5分钟休息时间组成。但在教学过程中，通常无法完全按工作时间和休息时间进行划分，因此兰州交通大学电子与信息工程学院课程组创新地改造番茄工作法，规划设计线下教学活动，通过设计丰富、交互性强的线下教学环节，避免了传统教学模式中单一教学方法容易造成学生学习疲劳、无法集中精力的问题。
如图2所示，本文以Java语言课程设计的继承与多态其中一堂课（两小节，每节45分钟）为例，将线下教学活动划分为线上学习情况总结、重点知识回顾、小组讨论、游戏巩固、随堂测验、扩展提高、思政教育、课堂总结、课后作业安排等环节，实现了具有丰富过程性交互的课程设计。
Fig.2 Offline teaching activity design case based on the improved pomodoro technique 图2 基于改进番茄工作法线下教学活动设计案例
具体的，小组讨论内容为实际案例，将其通过继承概念进行描述；
游戏巩固环节内容为“你画我猜”，以锻炼学生阅读程序的能力；
扩展提高内容为多态性的作用，从而引出思政教育中大国工匠精神的相关案例。该方法突出以学生为主体的教学模式，可有效提升学生学习效率与热情、学生参与度和学习专注力，从而达到较好的学习效果。
2.3 教学内容建设创新
设计具备创新性的教学内容和有效的知识能力素质培养相结合的模式，既传递了知识，又关注了学生学术能力的培养和创新性、批判性思维的训练。
2.3.1 重构Java程序设计语言课程体系架构
针对将复杂工程问题引入计算机专业的工程专业教育认证要求，通过重构实践课程知识体系，有机衔接前导和后续课程群，增加创新实践等课程比重，开发出有益于提高学生双创素质和能力的实践课程体系。
2.3.2 持续更新前沿性和先进性的教学内容
自主开发设计例如书籍管理、CD管理、磁带管理、通讯录管理、计算器、相关工具、五子棋等11个具备综合性和创新性特征的课程实验，并以开发Java图形化应用程序的综合大作业形式将实验进行集成，为教学实践、创新创业能力培养提供了多模块、多层次的实践教学资源。
2.4 思政教育创新
本文结合专业特色和课程特点，提炼专业课程中包含的重要价值、文化、正能量和优秀传统等元素，构建包含价值、文化、正能量、优秀传统等重要元素的思政案例库，将其在专业课程授课过程中以更加生动直观的方式传递至学生，潜移默化地实现专业育人的培养目标，从而形成在程序设计类课程中引入思政教育的方法与思路。例如，在学习Java语言的继承性和多态性中能得到何种启发？Java语言中的封装性、继承性和多态性是非常优秀的设计，这也是其几十年来经久不衰的原因之一，从而体现出现阶段所倡导的精益求精，找到更好解决办法，做到极致的工匠精神。
2.5 课程考核评价方式
课程采用过程形成性考核成绩（50%）、结课集中考试成绩（50%）的方式综合评定学生成绩。过程形成性考核使用多种考核和评价方式考察、监测学生学习情况，包括预习小测验、线上作业、随堂练习、纸质作业、分组讨论、游戏环节等。其中，小测验、线上作业（客观题）、随堂练习等可由教学平台自动批阅，提升了教师工作效率，特别增加的小组活动成绩（分组讨论和游戏环节）可考核学生在团队合作精神方面的表现。
2.6 课程特色与创新
Java语言程序设计课程的改革特色主要体现在线上线下混合式教学模式、过程性交互式课程设计、个性化学习过程监控、多模式考核制度建立、小组活动激发学习热情等方面。基于改进番茄工作法设计的具有丰富过程性交互线下教学活动，突出以学生“学”为中心的教学模式。建立了该混合式教学模式中的各类教学活动与学习能力层次的对应关系（见图3），通过具有丰富过程性交互的课程设计可较好地实现从基础知识、关键能力、综合素质到核心价值的从低到高的人才培养要求，达到教书育人的目的。
Fig.3 Correspondence between various teaching activities and learning ability levels in the mixed teaching model图3 混合式教学模式中的各类教学活动与学习能力层次的对应关系
Java语言程序设计课程建设过程中坚持专创融合，教学夯实基础，工程实践与科研促进创新教育理念，进行课程交叉、专业交叉的实践教学改革研究，坚持以培养学生解决复杂工程问题能力为目标课程建设理念。2019年在兰州交通大学超星网教平台上完成课程建设，并已上线运行3个学期，在2020年被评为校级一流课程。
课堂教学改革方面，引入线上精品课程建立本地SPOC混合式教学平台，学生通过大量生动、活泼的线上教学视频进行学习和章节测验，课中教师根据学生学习情况，有针对性地进行内容回顾、复习和总结，创新性地改进番茄工作法规划设计线下教学活动，实现具有丰富过程性交互的课程设计。
此外，通过小组讨论和游戏环节，采用任务驱动的教学方式提高学生学习积极性与参与度。结合兰州交通大学电子与信息工程学院办学特色，基于学生特点提炼出专业课程中包含的重要价值、文化、正能量和优秀传统等元素构建政课堂案例库，通过生动直观的方式将知识传输给学生。经过多年建设，已形成了课程教学团队年龄结构合理、教学成果丰富、教育教学改革成效显著、多级实验实践平台先进及教学资源完备的特色与优势。
兰州交通大学电子与信息工程学院课程教学团队积极投身教学改革研究、在教育教学改革项目、实践教学平台构建、教材建设、教改论文发表和学生学科竞赛等方面取得了一系列教学成果，并将其应用于理论教学、实践教学和双创教育方面，取得了良好教学效果。
4.1 课程评价
经过兰州交通大学电子与信息工程学院课程教学团队多年的辛勤建设和努力，Java程序设计语言课程的教学质量得到了师生的共同肯定，成为深受学生喜爱的专业核心课程之一，得到了一致好评。2021年6月，教学团队通过问卷星匿名调查问卷的方式收集学生对课程的评价，统计结果显示95.7%的学生满意度较高。对2020-2021-2与2019-2020-2两学期的学生试卷进行成绩统计与课程达成情况评价可知，通过新教学模式的学习，学生平均分数由62.3提高到69.2，课程达成度值从69.8提升到72.2，反映该教学模式较大地激发了学生学习兴趣，极大调动了学生学习的主动性，初步达到课程改革的目标。
4.2 教学反思
在教学改革过程中，兰州交通大学电子与信息工程学院教学团队建立了课程持续改进机制的流程，具体为学生问卷调查、发现问题、课程组讨论、提出解决方案、持续改进。通过该方式及时发现目前课程教学中存在以下问题亟需解决：
（1）个别学生无法较好地自主完成线上知识学习，导致在线下巩固提高时跟不上学习进度。为此，教师应通过教学信息化平台掌握学生学习情况，对个别学生进行单独辅导和督促。
（2）在分组讨论、游戏环节阶段，教师有时教学节奏把控不当，导致后续环节无法按时完成。为此，教师应提前做好课前准备工作，提升课程流程把控能力。
（3）个别同学不愿参与分组讨论等环节，课堂活跃度较低，不愿表现和表达自身想法。为此，教师应通过奖励分、学习通随机点名等形式让学生积极参与分组活动，提升学生综合分析、表达、自我展示及团队合作能力。
本文探讨了在双创教育背景下，基于混合式教学模式和番茄工作法对Java语言程序设计课程进行改革创新，有针对性地实现目标式教学，将技术理论、在线课程资源、实践实验教学与创新教学方式紧密结合，注重教学模式改革和教学方法创新，从而达到培养学生掌握知识，提升自身能力、培养素质，完成课程思政育人的混合式课堂教学目标，对培养电子与信息工程专业学生的动手实践、系统分析与设计、编程能力及综合素质方面具有积极作用。
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