论软件工程软件工程“翻转课堂”云计算教学平台初探

[摘要]“翻转课堂”是知识传授与知识内化的颠倒安排，为师生互动、学生自主学习创建环境，对提高学生的实践能力、创新能力具有重要作用。构建云计算教学平台就是利用科技颠覆“教”与“学”，是一种有效实施“翻转课堂”的现代技术手段。首先，介绍了“翻转课堂”、云计算辅助教学的应用与研究现状，然后，构建了软件工程“翻转课堂”教学模型及与之相适应的云计算教学平台架构，最后，分析了其主要功能模块。
[关键词]软件工程；翻转课堂；云计算；教学平台
[]A [论文编号]1009-8097（2013）08-0026-06 [DOI]10.3969/j.issn.1009-809

7.201

3.08.005

一、引言 计算机类课程内容抽象，难于理解，不易自学，学习难度较大，很多学生遇到困难后容易产生畏难情绪，缺乏学习的动力与兴趣，甚至产生厌学心理，学生逃课率高，并形成恶性循环。软件工程是一门综合应用学科，软件工程专业具有实践性、工程性、实用性等特征。学生难以靠听讲软件工程的理论学会开发一个真实的软件，而是在“动手做”和“真正练”中体会和掌握软件开发的思想。传统计算机类课程教学重理论、轻实践，“学”、“用”脱节，重教师的知识传授，轻学生的主动学习，学生积极性低。计算机类课程本身的特征形成了课堂理论讲解越多、体收获越少的怪圈。诸多学者提出采用项目驱动式教学法，强化实验、实训，提高学生实际操作能力、思维能力与创新能力。而“翻转课堂”是有效实施项目驱动式教学法的教学模式，“翻转课堂”成功的关键是技术工具与教学的结合，云计算等现代信息技术的运用是“翻转课堂”得以实现的重要手段和资源。

二、“翻转课堂”、云计算辅助教学的应用与研究现状

1.“翻转课堂”的应用与研究

“翻转课堂”（Flipped Classroom）是一种对知识传授和知识内化的颠倒安排，即“学生白天在教室完成知识吸收与知识内化，晚上回家学习新知识”的教学模式，是“老师白天在教室上课传授知识，布置家庭作业，让学生回家练习完成知识内化”这一传统教学模式的翻转。通过运用现代技术手段，教师将常规课堂讲授的部分制作成教学视频，作为家庭作业布置给学生在家中观看、学习，而课堂变成了师生、生生之间互动的场所。“翻转课堂”的实质是：增加师生互动；提供学生自主学习的环境；教师成为导师：直接指导和建议式学习混合；缺席学生不会被落下功课；内容永久保存；所有学生参与学习并获得个性化教育。美国学者Maureen LaKe，Glenn Platt and Michael Treglia最早在教授《经济学入门》课程时采用翻转教学模式，但没有明确提出“翻转课堂”这一概念。2007年，美国卡罗拉多州伍德兰高中两位化学老师JonathanBergmann和Aaron Sams在课堂中采用“翻转课堂”教学模式并发现用这种模式取得的教学效果远比传统模式好得多，两位老师的实践引起越来越多的关注，此后，这一模式在美国中小学教育中快速推广。2011年，Salman Khan在TED（Technology Entertainment Design）大会上做了《用视频重新创造教育》演讲报告，阐释了“翻转课堂”的内涵，“翻转课堂”成为全球教育界关注的教学模式，并被加拿大《环球邮报》评为2011年影响课堂教学的重大技术变革。
2011年，重庆市江津聚奎中学和广州市海珠区第五中学相继实施“翻转课堂”并获得了良好的教学效果，成为国内基础教育领域“翻转课堂”实践的一面旗帜。国内学者对“翻转课堂”的研究逐渐增多，曾贞（2012）探讨了反转教学的特征、实践及问题；张金磊、王颖等（2012）在对国外教学实践案例研究的基础上，构建出“翻转课堂”模型；朱莎、宋化民（2012）探讨了“翻转课堂”在农民科技培训中的应用；马秀麟、赵国庆（2013）对大学信息技术公共课“翻转课堂”进行了实证研究，认为课堂讨论对知识内化有帮助，对于大学信息技术公开课具有潜在优势；张金磊、张宝辉（2013）提出了基于游戏化学习理念的“翻转课堂”模式；钟晓流（2013）构建了一个太极环式的“翻转课堂”模型并给出了实施的要点。目前，对“翻转课堂”的研究与应用主要集中于中小学教育，在普通高校尤其是针对某一专业的研究与应用成果较少。

2.云计算辅助教学的应用与研究

2009年，黎加厚教授正式提出了“云计算辅助教学”（Cloud Computing Assisted Instructions，CCAI）概念，即利用“云计算”提供的服务，支持教师的教学和学生的学习，提高教学质量。“云计算”可以应用于教学、实验实训、教学管理、学生管理等方面。云计算辅助教学具有一切皆服务（everything as a service）、事事可在线（everything online）、更快更方便（everything easy and quick）、更加个性化（everything personal）等特征。云计算的廉价和方便会使越来越多的学校和个人把自己的信息处理迁移到“云”上。2012年4月，厦门大学软件学院、移动云计算教育培训中心、厦门超级计算中心（云计算中心）举行共建“云计算教学实训基地”签约仪式，开创了我国云计算实训教学的先河。2012年3月，聚奎中学构建了“翻转课堂”云计算教学平台，成为江津云计算产业在教育领域应用的典型范例，但只是互联网功能的简单替代，未进行真实在线软件开发实践。近几年，诸多学者从云计算辅助教学的可行性与作用、协作学习与网络学习策略、云计算教学资源平台的构建等方面做了较多较为深入的研究，但结合“翻转课堂”教学模式构建云计算教学平台的研究成果较少。

三、软件工程“翻转课堂”云计算教学平台架构

1.软件工程“翻转课堂”教学模型源于：论文格式要求www.618jyw.com

美国富兰克林学院Robert Talbert（2011）教授结合线性代数课程实践总结出“翻转课堂”实施模型并取得了良好的教学效果，如图l所示，“翻转课堂”包括课前和课中两个阶段：课前，学生在家观看教学视频，然后进行针对性地练习；课中，学生快速完成少量测评，然后通过解决问题来完成知识的内化，最后，进行总结和反馈。
软件工程专业具有很强的实践性，理论知识抽象，难于理解，不易自学。因此，需要对Robert Talbert提出的“翻转课堂”教学模型进行改进才更加适合于软件工程专业。如图2所示，在课前，学生在家观看教学视频学习软件开发理论与进行针对性训练时，需要及时与任课教师进行交流、答疑，否则，学生将“知难而退”，难以实现课前学习的目标。为了让学生在课堂上有更多的时间进行项目训练，将学生课中的测评移至课前，学生训练过程即完成测试过程，并且教师能快速统计、掌握学生的课前学习情况。在课中，以真实项目开发为主线，教师首先简单讲解多数学生在课前学习中存疑的概念、知识点，然后简要介绍软件项目背景，提出项目目标，引导学生了解项目任务，分组探讨并进行项目规划、需求分析、系统设计、编码实现与软件测试。在软件开发过程中，学生之间可以进行交流，研讨问题，不断向教师提出疑问，教师回答学生疑问，并适当点拨理论知识，不断引导学生思考更深层次的问题，学生在“训练-思考-提问-点拨”的过程中不断提升，理顺各知识点之间的关联性，直到学生提交、展示设计成果，教师进行点评总结，进一步提升理论。

2.软件工程“翻转课堂”云计算教学平台架构

课前学生视频观看、训练与测验、学生管理与监控、学生学习状态信息的统计与获取、师生交流、课堂学生软件开发管理与文档提交、学生成绩评定等都需要网络教学平台。云计算网络教学平台不但有利于实现“翻转课堂”良好的教学效果，为师生提供方便，而且能降低学校固定资产投资与运行成本，减轻学生负担。如图3所示，软件工程“翻转课堂”云计算教学平台按照服务类型可以分为三层：第一层为基础设施服务层（Iaas），由计算机、存储器、网络设施、数据库等物理资源组成，并将同类型物理资源集成为计算资源池、存储资源池、网络资源池、数据库资源池、软件资源池等虚拟化资源，将硬件设备等基础设施封装成服务供用户使用，是整个云计算服务体系的基础，通过虚拟化资源池为“翻转课堂”云计算教学平台提供计算、存储、网络等按需的动态云基础设施服务，最大特点是允许用户动态申请或释放节点，按使用量计费；第二层为软件在线开发平台服务层（PaaS），构建在基础设施层之上，对资源的抽象层次更进一步，使用特定的编程环境，遵循特定的编程模型，负责资源的动态扩展和容错管理，为软件项目开发全过程提供环境支持、构件支持、开发工具支持、文献支持，为软件开发资源与虚拟教学资源如视频资源等的建设提供接口，通过分布式计算环境和分布式存贮环境提供海量资源系统、海量数据库系统、海量信息系统等服务，在线云通过在线开发平台将操作系统、应用开发环境等平台级产品以Web服务的方式提供给师生，方便教师在同一平台上进行教学资源设计，也方便学生在同一平台上进行真实项目训练，有利于师生对教学资源的充分利用；第三层为教学资源应用服务层（Saas），位于最上层，是师生与云计算服务体系的接口，将某些特定应用软件功能封装成服务，如直接为师生提供开发文档生成、软件检测、视频资源播放、课前训练与测试、师生、生生之间在线交流、学生管理等应用软件服务。师生不受时空限制，使用PC电脑、3G手机或其他移动终端设备访问“云”端，接受云计算技术系统提供的海量服务。
“翻转课堂”云计算教学平台既可选择公有云，也可选择私有云。公有云平台能够提供通用的运行环境和网络教学功能，学校无需自行构建网络教学平台摘自：学士论文www.618jyw.com
，可以降低建设成本。但公有云平台一般不向用户开放源代码，用户不能将教学资源以编译代码的方式上传至云平台，限制了云计算教学平台的个性发挥与软件的复用。因此，最好选择公有云与私有云相结合的“混合云”方式构建软件工程“翻转课堂”云计算平台，即通过公有云模式降低学校IT基础设施的投资成本，且通过私有云模式来确保平台个性化的充分发挥。

四、软件工程“翻转课堂”云计算教学平台主要功能模块

“翻转课堂”云计算教学平台功能模块主要包括课堂软件开发模块、课前理论学习模块、运行管理模块、学生评价模块，其关系如图4所示：

1.软件开发模块

“翻转课堂”由传统课堂的“先教后练”转变为“先学后练”，弱化“教”，强调“学”，突出“练”，其中“学”为学生采用观看视频的方式自学软件开发理论知识，“练”为软件项目开发训练，并且“练”占全部学习时间的比例大大增加，更加重视学生实验实训，学生学习的自主性增强，自由度增加。因此，要想达到良好的教学效果，对学生“学”的内容、“练”的环境提出了更高的要求。“翻转课堂”云计算教学平台应满足真实实验实训基地的“真实的企业项目”、“真实的企业化管理”和“真实的企业环境标准”三个“真实”要求。软件开发模块是软件工程“翻转课堂”云计算教学平台的核心模块，主要包括项目规划、需求分析、系统设计（总体设计、详细设计）、编码、测试等项目开发全过程并展现软件产品，每一个过程应能生成相应的项目文档。在课堂上，通过教师的引导，学生登陆至学校的云计算平台进行真实的软件项目开发训练，并且可以得到教师的全程适时指导、动态监控。学生在同一平台上，既可以分组研讨开发，又可以单独思考，并与教师实现一对一的面对面交流。通过校企深度合作，学校在云平台上建立真实软件项目库、案例库，为学生提供真实开发项目，或者校企共建软件开发云平台，学生在企业项目经理的统一安排下参与企业真实项目开发，起到“工学结合、顶岗实习”的作用。

2.理论学习模块

曾贞提出了“翻转课堂”的三个关键步骤：观看视频前的学习一讨论并提出问题；观看视频时的学习一根据问题寻找答案；应用并解决问题的学习一深入问题进行探究。在“翻转课堂”中，学生主要通过观看教师提供的教学视频来获取理论知识，通过课前针对性训练基本消化理论知识，并且师生都需要及时了解学生理论知识的掌握情况。可以看出，云计算理论学习模块由教学视频、课前训练、课前测试统计、师生交流等子模块组成。教学视频子模块具有视频播放、快进、慢放、重放、后退、暂停等功能，便于学生自定进度，自主学习。教学视频的视觉效果、互动性、时间长度等对学生的学习效果有着重要的影响。不但视频内容要与教学目标和课堂训练内容相吻合，而且要清晰、简明、到位地解释新知识点、主题要点，知识点的解释要先浅后深，具有逻辑性、层次性、递进性，同时要注意讲授节奏、选取例子、互动策略。在每个知识点讲授之前需设置问题，以便学生带着问题观看视频并在其中寻找答案，每个知识点讲解结束之后，学生通过课前训练子模块及时进行简单训练、应用知识与研讨问题。师生通过课前测试与统计子模块检测学生对理论知识的掌握程度，及时向师生反馈，教师还能快速了解学生的总体情况，便于在课中进行针对性的讲解。在课前学习全过程中，学生均可以通过师生交流子模块进行交流，及时解答学生的疑问。

3.运行管理模块

云计算运行管理模块是“翻转课堂”源于：标准论文www.618jyw.com
软件开发训练与课前理论学习的支持与保障模块，位于云计算教学平台应用服务层（SaaS），通过特定应用软件封装成服务提供，主要包括：项目管理、学生管理、资源管理等子模块。
（1）项目管理子模块
教师通过项目管理子模块对学生项目开发训练的全过程与结果进行监控与检查。项目管理子模块主要涉及项目的集成管理、范围管理、质量管理、成本管理、时间管理、资源管理、风险管理、合同管理、沟通管理等九大知识领域，其中，质量管理、成本管理、时间管理为项目管理的核心领域，成为“翻转课堂”教师监控的重点。软件项目开发各阶段的开发文档与产品，经文档输出子模块与产品展示子模块进行输出和展示，任课教师通过项目管理子模块及时进行监控与阶段评价。学生将开发过程中遇到的问题发布在项目管理平台上，教师通过师生交流子模块进行交流或者进行面对面的交流，及时解决学生在训练中存在的问题。项目管理各阶段对所有学生开放，让各小组学生能及时了解其他组学生的软件开发进度、质量等情况，进行成果交流；一方面，促进各组之间互相学习、协作开发、共同提高，另一方面，建立竞争机制，让学生亲身感受各组之间的竞争与压力，体验企业工作氛围。
（2）学生管理子模块
学生管理子模块可以进一步分为课堂学生管理子模块与课外学生管理子模块。课堂“翻转”以后，基础理论知识的学习由学生在课前自主观看视频进行，学生课外自学效果直接影响到课堂训练，教师不能现场监控，因此，有效的课外学习监控是“翻转课堂”成功的重要因素。哪些学生观看了视频？哪些学生对哪些知识点没有掌握及掌握的程度又如何？教师只有对学生的课前学习状态了如指掌，才能在课堂上有针对性地安排训练内容，组织研讨活动，进行答疑解惑、擦漏补缺、总结与提升。课外学生管理子模块与课前测试与统计子模块相连，不但能动态监控学生课前视频观看、课前训练过程、课前协作研讨，而且能输出课前测试情况、课前关键控制点及统计信息，以便教师及时全面地掌握学生课外学习效果。
在“翻转课堂”中，课堂成为学生项目探究、问题研讨的场所，教师通过与学生面对面的交流及现场状态观测，能基本了解学生的学习与训练的状态。但因为课堂时间的有限性，教师与一些学生进行交流时，就失去了与另外一些学生交流的机会，同时，教师对学生训练与探讨的结果也难以通过面对面的交流全面掌握，尤其是软件工程专业学生进行开发训练的文档，教师在课堂上来不及一一检查，难以结合课堂训练情况对学生下一次课的学习资源进行调整、优化，因此，云计算课堂学生管理子模块对学生课堂训练效果具有记录与检测输出的功能。另外，应具有：对学生请假、考勤与学习态度进行监控的功能；对学生个体与小组实训计划完成、理论知识的应用、创新等的检查功能；对学生团队学习的监视功能，如开发经理、计划经理、测试经理、技术支持经理等角色任务分配、岗位轮换、协调配合、团队成员士气、团队之间竞争与压力等。
（3）资源管理子模块
软件工程“翻转课堂”所需资源主要包括课前理论学习视频资源与课堂软件开发资源，“资源”本身的质量很大程度上决定了学生学习的效果。课前理论学习视频资源必须要与课堂软件开发训练资源高度相关，主讲教师可以亲自录制或者使用网络优秀开放教育资源建立视频资源库。自行录制教学视频容易与课堂训练和教学目标保持一致，甚至可以针对不同基础的班级录制不同版本的教学视频，学生自学的效果容易保证。如果借鉴现有网络资源，可以节省人力、物力，提高资源的利用率，但难以保证视频内容与课堂训练的一致性。视频资源管理子模块负责对视频资源的管理与调度，视频资源主要有视频制作工具、软件开发“云课件”、“云教材”、“云案例”、“云试题”等。课堂软件开发资源子模块主要对软件开发资源进行管理与调度，课堂软件开发资源主要包括软件开发云环境、企业真实软件项目库、案例库、软件开发专用技术资料、重点与难点讲解资料及相关文档、模版等，这是高级应用型软件人才培养的基础，是可教学化实训体系的核心。软件开发云环境通过云计算在线开发平台层（PaaS）提供，主要有软件开发的各种主流技术、先进开发工具、相关的帮助文档、开发文档。真实软件项目、案例应来源于校企合作企业，校企双方建立深度合作机制，按照培养计划的要求，精心挑选软件项目与案例，并进行可教学化改造，通过“云”端在线开发平台层（PaaS）建设真实的软件项目库、案例库。

4.学生评价模块

学生评价既是对学生学习全过程（课前理论学习、课堂软件开发实训）与效果（理论成绩与实训成绩）的评估，对教师教学过程与效果的检查，又是对“翻转课堂”教学模式及其云计算平台有效性的检验，是师生共同改进与努力的依据。学生评价模块涵盖如图4所示虚线范围，包括学生学习过程评价模块与学习结果评价模块。学生过程评价模块由软件开发各阶段文档生成、课前视频观看、课前训练与测试输出等子模块组成，学生结果评价模块由软件产品展示、实训报告、实训成绩、理论成绩与总成绩生成子模块等组成。项目文档输出模块能反映学生训练全过程的质量，也是学生专业知识、技术能力、综合能力和职业素养的直观展现，是任课教师课堂控制的重点：课前视频观看、课前训练与测试输出子模块能反映学生自我控制、自学过程与学生课前理论知识掌握程度，是课前云平台过程控制的重点。理论成绩是学生课前测试的结果体现，软件产品是学生开发真实软件项目的成果展示，实训报告是学生课堂实训过程的总结与提高展现，实训成绩是学生课堂实训的综合表现，总成绩是对学生学习、教师教学过程与结果的定量综合评定。
五、结束语
“翻转课堂”从注重教师“教”向注重学生“学”转变，是一种“自助餐”式的学习模式，被比尔盖茨称为“预见了教育的未来”。“翻转课堂”的灵活性、可检测性、以学生为中心、个性化学习、师生互动等特征受到广大学生的青睐，课堂研讨与实践所带来的“吸收内化”是达到“翻转课堂”良好教学效果的根源。软件工程“翻转课堂”云计算教学平台以IaaS、PaaS、SaaS为主要服务模式，由软件开发、理论学习、运行管理、学生评价等功能模块所组成，主要分布于PaaS层与SaaS层。云计算技术为软件工程专业实施“翻转课堂”教学模式创造了技术条件，不受时空限制，学生可以在“云”中自主学习理论、研讨问题、开发软件、体验企业真实工作环境，教师可以在“云”中开发教学资源、组织教学活动及对学生进行管理，师生可以在“云”中进行一对一、一对多、多对多的交流。大量的程序在“云”中运行，对终端设备的要求低，可以降低学校实验室固定资产的投资与运行成本，减轻学生负担，并且师生自始至终使用同一云平台，可以减少使用过程中的转换成本，提高工作与学习的效率。