用计算机技术改进计算机教育

孙志岗　车万翔　王宇颖

信息技术已经彻底改变了人类的生活,各行各业都在享受它带来的便利。专为培养信息技术人才而设置的计算机专业,理所应当地应该走在应用信息技术改革教学方式、教学理念的前列,从更深的层面上实现用计算机改进计算机教育。但遗憾的是,至今仍有为数不少的教师只应用PowerPoint讲课,更不可能借助当代最伟大的发明Internet进行教学改革了。

本文作者历时六年,在教学实践中成功应用了Moodle、libsandbox、Moss和Duplication四种利器,开发了将四者集成在一起的插件,实现了网络化课程管理,编程作业自动评判、编程作业雷同检测和中文报告雷同检测,取得了不同凡响的效果,而且这些工具都是完全免费的。

1网络课程管理平台——Moodle

课堂面对面授课存在着空间与时间的局限。随着学生数量的增加,这种局限表现得越来越明显,直接导致教学质量的下降。突破局限的较好路径就是降低教师对课程的影响度,让学生从课程接受者变为课程建设者——这在教育理论界被称为“建构主义教育学”。学生角色的转变不仅可以提高教学质量(即知识的传授),更可以实现真正的素质教育。因为建设者比接受者要经历更多的思考和实践,在过程中自身的知识和能力都不由自主地升华了。每个老师教完第一轮课后,都会感觉自己对该课程的理解又上了一个层次,就是因为教师的角色是建设者。“建构主义教育学”与我们的很多现行体制有矛盾,但我们尝试使用Moodle这个基于“建构主义教育学”理念而开发的网络教学平台后,就可以比较轻松地实践这个理论并取得好的教学成果。

Moodle(http://moodle.org)是一个开放源代码的在线课程管理平台,用户遍布全球200多个国家和地区。它既可以用来建设纯粹的网络课程,也可以对课堂授课进行有益补充。它拥有大量课程管理功能,发布课件、提供参考资料、编写教学大纲、制定教学日历是最普通的,在线收作业、批作业最受欢迎,但这也仅仅是实现规范化管理,减少工作量,促进环保而已。最具特色的,是Moodle面向教学需求构造了一个多方式的交流、协作平台。标准功能模块包括论坛、投票、wiki、聊天室、问卷调查、专题讨论等,而且都为教学做了特别设定。比如论坛和wiki模块,教师可以给学生的帖子和撰写的条目评分,分数和作业得分等可以一起计入最终成绩,达到鼓励交流和为课程做贡献的效果。对中国学生而言,羞于表达是一种传统,但在分数的刺激下,他们很乐意打破传统,在网上充分展示自己的想法。在实际使用中,我们让论坛发贴的分数占期末成绩的5%,结果引发了持续一个学期的网上讨论热潮。直接结果是教师被边缘化,几乎不需要参与讨论,学生自己的思辨带来了更好的学习效果。

Moodle从1998年启动至今,数百名开发者持续为其贡献代码,已经拥有一个相当活跃的社区。经过十多年的发展,它已经相当成熟、细致,以至于显得有些繁杂。它开放式的架构使我们可以更灵活地定制、扩展Moodle,基于它实现自己的特殊需求,比如将其他工具集成到Moodle中。以下工具就都已经集成进我们用Moodle搭建的网络教学平台——乐学网(http://cms.hit.edu.cn)。

2编程作业在线评判——libsandbox

ACM ICPC已经成为国内计算机专业影响力最大、参与人数最多的学生竞赛,但它的作用不仅仅局限在竞赛中,如它独特的Online Judge评判方式很适合在程序设计课程中采用。我们已经连续四年在C语言课程中用Online Judge评判作业,效果惊人。对教师来说,这种方式显著降低工作量,提高评分的准确性和客观性;对学生来说,Online Judge自动返回的一次次错误就像一针针兴奋剂,刺激他们不断尝试,不达满分不罢休。得到满分后的喜悦与成就感,又驱使很多学生寻找更大的挑战。与之前不使用Online Judge相比,学生编程的热情明显提高,程序的完成质量也有很大提升。

国内高校已相继建立很多用于ACM竞赛的Online Judge,但它们几乎都没有提供和教学过程的接口,不能方便地以作业形式布置题目,不能提供适合教学的评分策略,不能对成绩进行按需管理,甚至账号和学生本人的身份绑定关系也不十分确定。因此,我们将Online Judge的评判方式和Moodle集成,将哈工大学生原创的开源软件libsandbox(http://sourceforge.net/projects/libsandbox/)作为评判核心,针对教学需求开发了一个Moodle作业的插件。作为http://acm.hit.edu.cn的核心,libsandbox已经稳定运行多年,安全性已经受到足够考验,值得信赖。作业插件继承了Moodle作业本身的所有功能,又扩充出自动评分、评判历史和代码查看等特色功能,极大地方便了教学。学生看到的插件界面如图1所示。

3程序雷同检测——Moss

抄袭是教学最大的敌人,所以才会有严密的监考。但平时作业如何监考呢?靠人眼比对数十甚至上百份作业是不现实的。斯坦福大学开发的Moss系统(http://theory. stanford.edu/～aiken/moss/)就是编程作业的监考,它能飞快地从数百份程序中精准地列出疑似雷同名单,并按雷同度排名,方便做进一步的人工审核。从我们的使用经验和统计结果看,相似度超过50%或相似代码行超过30行的作业几乎都存在抄袭行为。

Online Judge让学生努力编程序,Moss让学生自己编程序,两者相辅相成,形成一种强大的压力/动力,威逼/利诱学生好好编程。我们还曾尝试在高年级课程中应用Moss,对那些习惯性抄袭的学生来说真是一场噩梦。但教学效果却非常好,很多学生期末欣喜地表示,才知道自己原来也会编程序,是Moss激发了他们的潜力。

Moss客户端只是一个命令行脚本,将本地的源代码文件上传到Moss服务器,服务器处理后返回结果。我们开发了一个插件,将Moss和Moodle集成,可以在Moodle页面内直接将指定的作业上传,并对返回的结果进行格式化分析、显示。图2和图3是该插件第一版的效果。第二版正在开发中,将支持更多的格式化选项。

4中文报告雷同检测——Duplication

随着信息技术的普及,越来越多学生的大作业及论文以电子报告的形式提交,具有一定的环保意义,但电子信息的易复制性也给学生抄袭带来了方便。有效地进行雷同报告的检测,对于培养学生独立思考的习惯,提高教学质量有重要意义。我们针对常见的学生报告抄袭问题,设计并实现了一个高效的检测系统——Duplication,并初步验证了该系统的有效性。它的主要处理对象是电子格式提交的报告和大作业,内容是自然语言文本而不是形式语言代码的文档,支持.txt、.pdf和.doc等多种文档类型。它能减轻教师人工判定雷同的工作量,督促学生独立思考,提高作业质量。该系统目前还不能处理互联网抄袭情况,这也是我们目前正在研究的一个问题。

我们采用和Moss相同的方式将Duplication集成进Moodle中,实现了在同一个界面内自由选择检测引擎进行雷同检测。

5结束语

“好的工具不仅可以改变教学方式和方法,更能改变教学思维和理念”,这是我们应用上文介绍的几种工具后最大的感受。现在,这些工具已经广泛获得教师和学生的欢迎,越来越多的课程部分或全部采用这些工具。为了更方便地使用,提供更强大、稳定的功能,我们正在开发第二版Moodle插件。读者可以向sun@hit.edu.cn索取这些插件,向car@hit.edu.cn申请Duplication的使用权。