[论文解读] ClassCode: An Interactive Teaching and Learning Environment for Programming Education in Classrooms

Ryo Suzuki, Jun Kato+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2020

Teaching and Learning Programming参考文献 20被引用 8

一句话总结

ClassCode 是一个基于网络的互动学习环境，通过嵌入式编程练习和实时学生进度追踪，支持在课堂中实现个性化、按自身节奏的编程教育。它为教师提供性能概览，并通过即时反馈和同伴代码分享提升学生参与度，该系统已通过用户研究和专家评审得到验证。

ABSTRACT

Programming education is becoming important as demands on computer literacy and coding skills are growing. Despite the increasing popularity of interactive online learning systems, many programming courses in schools have not changed their teaching format from the conventional classroom setting. We see two research opportunities here. Students may have diverse expertise and experience in programming. Thus, particular content and teaching speed can be disengaging for experienced students or discouraging for novice learners. In a large classroom, instructors cannot oversee the learning progress of each student, and have difficulty matching teaching materials with the comprehension level of individual students. We present ClassCode, a web-based environment tailored to programming education in classrooms. Students can take online tutorials prepared by instructors at their own pace. They can then deepen their understandings by performing interactive coding exercises interleaved within tutorials. ClassCode tracks all interactions by each student, and summarizes them to instructors. This serves as a progress report, facilitating the instructors to provide additional explanations in-situ or revise course materials. Our user evaluation through a small lecture and expert review by instructors and teaching assistants confirm the potential of ClassCode by uncovering how it could address issues in existing programming courses at universities.

研究动机与目标

• 解决传统课堂环境中标准化教学节奏与学生编程能力水平参差不齐之间的不匹配问题。
• 为教师提供学生个体进度的实时可视化，以支持及时干预和课程内容调整。
• 通过嵌入在线教程中的互动式、实践性编程练习，提升学生的学习效果。
• 通过允许学生在系统内分享解决方案和评论，促进同伴学习与交流。
• 设计一个可扩展的、面向课堂使用的基于网络的平台，整合形成性评估与反馈机制。

提出的方法

• 通过网络界面提供编程教程，学生可按自身节奏学习，并在其中完成嵌入式互动编程练习。
• 追踪所有学生互动行为，包括代码提交、测试结果和导航行为，以实现详细的性能分析。
• 为教师提供汇总与个体化的仪表板，展示学生进度、完成率及常见错误。
• 通过解决方案画廊支持同伴学习，学生可查看、分享并评论他人已完成的代码。
• 集成基础测试用例检查，通过二元通过/失败反馈验证代码正确性。
• 通过小规模讲座和对教师及助教的专家访谈，开展用户评估，以评估系统的可用性与教学价值。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于网络的互动教程系统是否能够提升课堂编程课程中的学生参与度与学习成效？
• RQ2 对学生互动行为的实时追踪，如何帮助教师识别学习困难的学生并调整教学策略？
• RQ3 同伴解决方案分享与评论在多大程度上能增强编程教育中的协作学习？
• RQ4 从教师和助教的视角来看，此类系统的优势与局限性是什么？
• RQ5 该系统的设计在多大程度上支持混合能力水平学生共存的课堂中的个性化学习？

主要发现

• 学生认为互动编程练习和快速练习对巩固学习和保持参与度具有显著帮助。
• 教师表示追踪机制提供了关于学生进度的宝贵洞察，减轻了手动检查进度的负担。
• 专家评审一致认为 ClassCode 能够应对当前编程课程中的关键挑战，尤其是缺乏实时反馈和同伴协作工具的问题。
• 解决方案画廊功能被视作强有力的激励因素，教师相信若存在此类平台，学生更可能主动分享并从同伴代码中学习。
• 教师对学生成员反向逆向分析测试用例表示担忧，建议需引入更复杂的反馈机制，如执行轨迹分析或程序合成。
• 尽管在编程语言支持（目前仅支持 JavaScript）和反馈粒度（二元通过/失败）方面存在局限，该系统在课堂部署方面展现出强大潜力。