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基于網絡教學平臺的混合教學模式設計與實踐

2017-11-09 08:46:47黃朝兵郭志強
計算機教育 2017年11期

黃朝兵,楊 杰,郭志強,鄭 林,王 昱

(武漢理工大學 信息工程學院,湖北 武漢 430070)

劉柳岑,谷震離,謝贊福

(廣東技術師范學院 計算機科學學院,廣東 廣州 510000)

基于網絡教學平臺的混合教學模式設計與實踐

黃朝兵,楊 杰,郭志強,鄭 林,王 昱

(武漢理工大學 信息工程學院,湖北 武漢 430070)

數字圖像處理是計算機視覺重要的基礎課程。文章針對該課程內容抽象、信息量大、應用廣泛等特點,提出利用網絡教學平臺教學資源豐富、自主學習和交流方便等特點,采用課堂講授、線上學習、線下交流相結合的混合式教學模式,并以武漢理工大學為例,闡述混合教學模式的設計及實踐過程。

數字圖像處理;網絡教學平臺;網絡課程;混合教學;主動學習

0 引 言

隨著互聯網技術的廣泛應用和發展,以大規模開放在線課程(MOOC)為代表的新的教育形式正在改變傳統課堂的教學模式[1],利用網絡平臺進行學習和交流,開闊了學生視野,為學生自主學習提供方便;但是,單純采用MOOC進行教學,教學千篇一律,很難因材施教。針對MOOC的不足,小規模限制性在線課程(SPOC)應運而生,它利用MOOC的資源優勢,創建一種針對特定教師和學生的較為靈活的教學模式。目前,很多高校采用“MOOC+SPOC+傳統課堂”的混合教學模式,使傳統課堂教學和在線課程學習互為補充,取得了較好的效果[23]。

以數字圖像處理課程為基礎的計算機視覺技術已經應用到工業、經濟、國防和社會生活的各個領域,包括前沿技術如圖像視頻大數據分析、無人機、機器人、無人駕駛、人工智能等領域,其應用日益廣泛和深入。“數字圖像處理”課程具有以下特點:①概念多,公式多,內容抽象,學生學習時不易理解、入門難。②內容多,信息量大,技術發展更新快。③應用領域廣,發展前景好。傳統教學以課堂講授輔以課堂練習貫穿教學過程,以教師為中心,學生處于被動學習地位,師生交流時間和方式受限,在有限課時內,難以達到教學的預期目標。為此,課程組利用互聯網引入先進教學模式,在武漢理工大學U-MOOCS在線教育綜合平臺上建立了“數字圖像處理”在線網絡課程,并采取線上學習與課堂講授交流相結合的混合教學模式進行教學。

1 在線網絡課程建設

1.1 教學資源

教學資源包括基本資源和擴展資源兩大部分。

1)基本資源。

(1)課程基本情況介紹。包括課程介紹、教學大綱、教學日歷等內容。課程介紹主要是課程特點、教學目標、教學內容覆蓋面、教學方法及組織形式、授課對象要求、教材與參考資料等內容;教學大綱包括課程的教學目的、教學任務、教學內容的結構、模塊或單元教學目標與任務、教學活動以及教學方法上的基本要求;教學日歷是教學的具體實施計劃表。

(2)教案和學習指導。本課程教案涵蓋全部教學內容,按照以下3種形式呈現:①授課的演示文稿:包括課程全部10章授課的PPT。②步進教程:對一些原理算法的英文說明和解釋。③名詞術語:課程名稱術語的英文解釋。學習指導包括課程各章內容的重點難點等知識要點解析和學習指導。

(3)授課錄像。包括本課程全部10章內容54個知識點的所有講課錄像。學生可以方便地進行瀏覽和點播。

(4)課程作業。圍繞課程內容的思考和練習,提供學習完各章內容的練習作業題,學生可以上網直接答題和提交結果,教師可以直接在網上進行批閱。

(5)實驗及指導。本課程的涵蓋各章內容的實驗指導書。

2) 擴展資源。

針對數字圖像處理概念多、內容抽象、信息量大、發展更新快、應用領域廣闊等特點,課程組在基本資源的基礎上,擴展教學資源。這就要求學生熟練掌握Matlab和Visual C++開發工具,并能夠在掌握數字圖像處理各個算法原理的基礎上給出程序實現的過程和結果,使抽象內容直觀化,同時給出應用開發案例和研究發展方向開闊學生的視野。

(1)開發環境工具。數字圖像處理研究和應用開發使用的開發環境和工具,如Matlab(圖像 處 理 函 數 庫 )、C++、Visual C++/VS2010、OpenCV(開源計算機視覺函數庫)、Linux操作系統及Qt開發工具。可以針對不同開發環境的應用需要,進行學習和應用開發。

(2)演示仿真。提供了17個不同算法的程序實現的動畫演示過程,過程直觀、清晰。

(3)基于VC++原理與實現。在VC++開發工具下的數字圖像處理,包括位圖基礎、數字圖像處理VC++程序設計以及部分程序,方便學生在VC++環境下進行練習和開發。

(4)英文版課程內容。課程全英文PPT以及英文電子版教材。

(5)應用開發案例。選出部分課程組教師在指導圖像視頻處理研究開發應用方面的碩士生畢業論文,和在指導本科生課程教學中進行教學方法改革中學生完成小型項目任務開發的報告,論文和報告中有原理、算法實現和實驗結果分析,學生通過參考案例,了解到如何將數字圖像處理課程知識與實際問題相結合,為將來從事相關領域的研究和應用開發服務。

(6)研究發展方向。提供一些數字圖像視頻處理與識別方面的研究發展新理論、新方法和新技術方面的資料,開闊學生的視野,為學生將來在相關領域的發展提供參考。

1.2 教學活動

(1)答疑討論和常見問題。課程網站提供有課程討論區,學生和教師都可以在該討論區提出問題,參與討論,從而實現網上直接答疑。對一些典型性的問題可以歸結為“常見問題”,并提供問題的答案供學生查閱。學生可以通過檢索該問題進行自動答疑,教師也可以通過郵件對學生進行郵件答疑。

(2)試題試卷庫。提供課程的試題庫和試卷庫,試題庫可以用來生成在線測試試卷。

(3)在線測試。教師可以設定不同的組卷策略生成不同的測試試卷,作為在線測試試卷,供學生進行在線測試,自我進行測驗測試。

(4)研究型教學。教師可以將申報立項的教研項目、教學方法改革的情況,在該欄目進行展示,分成不同的小組,由學生分組完成。

(5)課程教學管理。包括課程通知、問卷調查、教學郵箱、教學筆記等。

2 混合教學設計

我們從2014年開始在武漢理工大學U-MOOCS教學平臺上建設“數字圖像處理”網絡課程。該課程經過學校教學資源和使用效果驗收,于2016年被確定為校級精品資源共享課程。本混合教學改革依托武漢理工大學資源共享課程“數字圖像處理”,網絡資源課程內容豐富,網上作業、討論交流、在線測試功能齊全,能夠滿足在線教學的需要。

2.1 教學策略

本次混合課程教學改革,以課堂教學為主,網絡資源在線學習為輔,同時安排線下學習交流。

(1)線上線下交流。安排3次在線課程學習交流,每次2學時,依次安排在“圖像增強、圖像復原”之后1次,“圖像壓縮、圖像分割”之后1次,“彩色圖像處理、圖像表示”之后1次。列出一些問題,同學們通過在線自主學習,在課堂上進行交流解答。

(2)網上交流互動。安排一些問題進行網上交流互動,促進課程的深入學習,并將網上互動情況列入課程考核。

(3)考核方式改革。課程考核成績由期末考試、平時作業、課堂表現、網絡互動等組成,采取以期末考試為主,課堂討論交流、平時作業、回答問題等為輔的綜合評價手段。成績的分布比例為:期末考試成績占60%,實驗占15%,課堂考勤及表現占5%,平時作業占5%,網上作業占5%,網絡討論互動和線下課堂交流占10%。

2.2 教學方法

課堂教學中,注意問題提出背景的闡述,將數字圖像處理的原理算法與程序實現相結合,理論與工程應用實例相結合,使課程內容不再抽象難懂,同時提高同學們的實踐動手能力。課程教學期間,每次學習交流之前由教師事先提出8個相關知識的討論題,并在網上公布。同學們對這8道題目結合講課內容和網上材料的在線學習給出解答,并在網上提交。同時每次選出8名同學在課堂上主講對問題的研究思路、解題方法、程序演示和結果分析,進行學習情況交流。整個課程學習期間,一共列出了24個討論題,有24位同學在3次討論課中進行了主講交流,同時其他同學也參與交流討論。

設計的討論題包括“根據灰度圖像的直方圖分析圖像的特性”“給定圖像塊,用均值濾波器計算濾波過程、結果及分析”“分析中值濾波器分別對高斯噪聲、椒鹽噪聲的濾波效果”“給定一個掃描字符串,分別用Huffman編碼和混合編碼進行編碼,并分析結果”“算術編碼的計算與分析”“預測編碼中無損編碼和有損編碼兩者的異同及舉例分析”“對灰度圖像進行分塊FFT變換壓縮編碼的Matlab實現及分析”“對給定圖像塊,用Sobel模板進行銳化處理及分析”“分裂與合并算法分割圖像的Matlab實現及分析”“用不同結構元素對圖像進行形態學腐蝕、膨脹運算結果分析”“彩色圖像不同彩色模型轉換及Matlab實現”“彩色圖像分割的Matlab實現及分析”“邊界鏈碼的計算及歸一化”“獲取邊界圖及其Fourier描述子的Matlab實現及分析”“區分字符的形狀描述子及分析”等,通過對這些問題的探討和交流,使學生的知識面更寬廣,課程學習更深入。

3 混合教學實踐及效果分析

本次課堂教學、線上線下相結合的混合教學在電信2014級部分教學班進行試點,其他班級同學也可以訪問網絡課程資源和提交網上作業。到2017年6月20日課程結束,課程訪問數為6 536,課程討論區主題數為513,課程討論區發文數為1 000,學生提交網上作業720人次。具體情況見圖1。

圖1 “數字圖像處理”網絡課程圖

在3次線下集中交流中,共提出24個問題,這些問題涵蓋了課程學習的主要知識,有一定的深度和廣度,涉及課程的主要內容,包括理論原理及Matlab編程實現。學生能夠主動查閱資料,結合線上自主學習和線下討論解決問題,使學生能夠更好地掌握圖像增強、圖像復原、圖像壓縮編碼、圖像分割、彩色圖像處理、圖像表示等的原理和技術,能夠結合實際問題應用加以解決,提高了學生分析問題解決問題的能力,拓寬了學生的知識面,有利于更好達到課程的教學目標。對于提出的24個問題,同學們都能認真地去完成,特別是在課堂上主講交流的同學,都能夠對問題給出全面的回答,有的給出多種不同的解題方案,很多還用Matlab工具進行仿真實現,給出設計的程序、運行結果及分析。從同學們在課堂上主講和討論的情況看,同學們都能夠把每個問題,從原理、Matlab實現到實驗結果及分析講得比較全面和透徹,線下課堂交流收到了很好的效果。對學生的專業培養目標提供了強有力的支撐,加大了與實踐教學的結合度。

從課程考核情況看,開展混合教學的試點班的成績為:平均成績71.51分,90分及以上占 11.25%,80~89分 占 22.50%,70~79分 占38.75%,60~69分占23.75%,60分以下占3.75%,成績符合正態分布,高于其他未進行混合教學試點的教學班成績。這也從一個側面反映了開展混合教學能夠促進學生的自主學習,提高學習的成效。

4 結 語

針對學校和學生的具體情況,利用武漢理工大學U-MOOCS在線教育綜合平臺,建立了“數字圖像處理”在線網絡課程,采取線上學習與課堂講授交流相結合的混合教學模式進行教學,這種模式能夠充分利用網絡資源共享課程教學資源豐富、交流互動方便的特點,促進學生主動學習、深入學習課程理論,提高實踐動手能力。經過實踐檢驗,效果較好。然而這種模式在課堂討論中,除了主講的同學外,參與討論的人數不夠多,部分同學參與意識不強,為此可以在今后的混合教學中,考慮引入智慧教學工具雨課堂[4],提高全體同學的參與度。

[1] 楊鑫, 王大維, 王宇新, 等. 互補MOOC的主動式課堂建設方法探究[J]. 現代教育技術, 2017, 27(1): 115-120.

[2] 吳寧, 房琛琛, 任燕飛. 大班教學環境下基于SPOC的混合教學設計與效果分析[J]. 中國大學教學, 2016(5): 32-37.

[3] 黃璐, 于紅, 谷軍. 翻轉課堂與傳統面授混合教學模式研究[J]. 計算機教育, 2016(9): 167-170.

[4] 王帥國. 雨課堂: 移動互聯網與大數據背景下的智慧教學工具[J]. 現代教育技術, 2017, 27(5): 26-32.

1672-5913(2017)11-0134-04

G642

武漢理工大學教學研究項目(2015411212)。

黃朝兵,男,教授,研究方向為數字圖像處理與識別、數字視頻處理與分析,email:huangcb@whut.edu.cn。

(編輯:彭遠紅)

實驗與實訓

智能機器人充當名師的MOOC教學

劉柳岑,谷震離,謝贊福

(廣東技術師范學院 計算機科學學院,廣東 廣州 510000)

文章編號:1672-5913(2017)11-0138-04

中圖分類號:G642

摘 要:從系統科學角度看,MOOC是一個復雜的動態系統,受開放性環境影響,會通過失穩從原有狀態進入到應用智能機器人充當名師教學的新定態。文章從輸入和輸出兩個角度分析MOOC系統的組成元素,針對性闡明技術和名師資源兩個因素的狀況,提出以智能機器人充當MOOC名師角色為前提搭建新MOOC系統框架,并對新MOOC系統框架進行思考。

關鍵詞:系統科學;MOOC系統;智能機器人;名師

第一作者簡介:劉柳岑,女,在讀研究生,研究方向為從系統科學的視角研究MOOC的創新應用,1048873022@qq.com。

0 引 言

系統科學正在成為21世紀學術研究的重要領域,其理論與方法已經滲透應用到各個學科,逐步成為各學科研究發展的重要理論指導[1]。MOOC系統是一個處于一定相互關系中,并與環境發生關系的各組成要素的總體集合。MOOC系統自組織內部不斷調節到平衡狀態,但因系統和環境發生變化會失穩,從原有狀態突變到新MOOC系統狀態,突變主要是由原要素的失衡和外界新要素的發展引起的。本文探索的目的是MOOC系統自組織受智能機器人的影響后進入新的組織結構狀態,形成新的MOOC系統框架。

1 MOOC是一個復雜動態系統

MOOC作為一個復雜的動態系統,主要的輸入要素為從社會、學校等環境獲得系統設計技術、專業人才(包括系統設計開發人才、專業教師和管理人才)、學生、課程資源(包括課程設計資源和視頻資源)、經費;主要的輸出要素包括課程設計成果、各類畢業生、科技研究成果、教育模式創新成果、社會服務成果5個方面。圖1為MOOC系統要素關系圖。

圖1 MOOC系統要素關系圖

在MOOC系統中,主要輸入要素、輸出要素以及自身特性隨著時間和技術的變化而變化體現了該系統的動態性[2]。MOOC系統的復雜性主要源于其多種功能所決定的復雜內部結構。MOOC系統的功能子系統由5項主要輸出決定,包括課程設計子系統、科技研發子系統、教育模式創新子系統、人才培養子系統、社會服務子系統,而為了實現5個子系統的協調運行,還必須有戰略決策與管理子系統。圖2為MOOC系統功能子系統關系圖。

圖2 MOOC系統功能子系統關系圖

MOOC系統具有開放性,會與外部發生物質、能量、信息交換,保持密切關聯[3]。因此,MOOC系統的外部環境子系統主要有科技創新子系統、社會子系統、經濟子系統、政策法規子系統等。同時,外部系統的日新月異會導致MOOC系統隨之改變。

2 MOOC系統突變

MOOC系統需要外界物質、能量、信息的大量輸入,外界環境的改變會給系統相關要素帶來影響,進而系統會發生改變。系統質變的一種基本形式是系統發生突變從而不斷發展變化,系統的發展分叉帶來質變的多樣性以及系統的完善和豐富多彩。在此,系統輸入既是系統外部參量也是控制參量,系統輸出是系統的狀態,而突變則是通過控制參量連續漸變引發系統狀態的不連續突變。

2.1 內部元素:教師資源失穩

1)專業教師資源供需不足。

就外部大環境而言,各個學科的專業教師數量足夠,主要從事教育單位或教育機構的相關工作,在MOOC興起之前,專業教師本身組織穩定,形成了固有體系。但是MOOC系統需從原有的教育大系統中抽離元素以作系統的搭建,容易受到所需教師受困于原有環境、對MOOC理念不支持或無興趣、接受新技術能力受限、制作課程效果低于原有課程效果、臨時原因等因素的影響,導致部分專業教師無法進行MOOC課程的制作。

2)投入成本高于使用效益。

投入成本高主要在于教師知識產權保護和教師課程制作過程中需提供大量技術支持兩方面。同一門課程,由不同的教師進行MOOC制作,需向每一位教師支付制作經費;而由于教師對制作過程中需要使用的計算機等相關技術生疏,需另外提供相關技術人員作為課程制作的技術支撐。MOOC系統中,大量高成本制作的課程無人問津或使用人數低,達不到理想的教育效益和經濟效益,一定程度上偏離初衷,不利于系統長遠穩定發展。

3)成果體系內部紊亂。

同一門學科,不同的教師因自身知識系統體系的獨特性,制作的課程成果呈一定的差異性,不利于學習者對課程的選擇,難以達到期望的教育效果。長期成果體系的不穩定會引發紊亂,影響系統的穩定性和自我完善的功能,難以達到有序發展。

2.2 外部元素:智能機器人滲透

智能機器人因為具備對不同任務和特殊環境的適應性,所以逐漸滲透并適用于各個領域必是大勢所趨。隨著科學技術的迅猛發展,機器人技術同步提升,智能程度越來越高,逐漸大規模有目的性地應用于各個領域,譬如教育、醫學、娛樂、工農業生產、軍事、海洋開發、宇宙探測等。隨著科學界專家學者對機器人技術的深入研究,各式各樣具有感知、決策、行動和交互能力的機器人已經被成功研發,如教育機器人、移動機器人、工業機器人、微型機器人、水下機器人、軍用機器人、仿人機器人等[4]。機器人正朝著智能化和多樣化等方向發展,技術的發展和逐步滲透對MOOC系統將產生巨大的影響,可能達到改革性效果。

近期,教育機器人在國外一直是熱點,而在國內逐步開始成為中小學技術課程和綜合實踐課程的有力支撐,在教學中逐步得到普遍的應用。教育機器人是進行信息技術教育的有效載體,是一種十分典型的數字化幼教工具。既然教育機器人可以在教育界得到初步的應用,同理,智能機器人也可成為MOOC系統的重要組成要素,研發適合MOOC系統的智能機器人類型成為這項應用的重點和難點。

MOOC系統受到外界科學技術這一不穩定域的影響,從傳統MOOC系統的穩定定態過渡到另一個不確定狀態。由于技術應用上的不可預估性,本來應該在分叉點A處發生的變化,在實際上可能繼續運動到B點才發生,導致對新MOOC系統的研究比較艱難。

3 基于整體優化的新MOOC系統架構搭建

從系統科學的整體優化原理可看出:系統的整體功能大于各部分功能之和,意味著系統的整體功能不僅包含各子系統的功能,而且包含子系統之間相互關聯形成的新結構所產生的功能[5]。當前,MOOC亟需加入新的元素,形成新的子系統體系,新的子系統不僅要在獨立系統內部產生作用,而且必須與其他各個子系統進行全面協調,對別的系統同樣產生作用,達到最佳的滲透作用效果。

原MOOC系統內部關系出現不利因素,阻礙體系的順利運轉,加之系統的開放性,使得外部環境的變化滲透至原有系統,外界科學技術的進步和發展,企圖與原系統達到新的穩定狀態。基于此,根據智能機器人的發展狀況,假設智能機器人可充當名師應用于MOOC教學。系統架構圖主要的子系統為:學生管理子系統、教學設計子系統、戰略管理子系統、技術研發子系統、社會服務子系統、學術研究子系統6個子系統。圖3為智能機器人充當名師的MOOC教學系統關系圖。

由圖3可以看出,由于新元素智能機器人的加入,子系統明顯發生變化的是教學設計子系統和技術研發子系統。教學設計子系統的下一層角色由原來的專業教師變成專業教師和智能機器人兩者充當(隨著技術的發展,專業教師有可能成為智能機器人的高一層級關系),值得注意的是,智能機器人的種類包括硬智能機器人和軟智能機器人兩種。硬智能機器人屬于仿人機器人,直接以實物的形式出現在課程視頻當中,一般適用于心智成熟、獨立學習能力強的學習者使用;軟智能機器人則相當于一個趣味學習軟件平臺,亮點是除了傳播知識以外,教師的形象可以根據學習者的喜好進行變化、隨著授課方式發生變化,一般適用于注意力不夠集中、獨自學習能力尚弱、心智不成熟的學習者,譬如學前教育層次或中小學教育層次的學習者。技術研發子系統下一層新增智能機器人研發技術。本系統架構提出的成功的關鍵在于智能機器人研發技術。雖然智能機器人在多領域應用已成熟,教育機器人也開始普及,但專門針對MOOC的智能機器人的應用還有待研究。

除了上述兩個子系統的明顯改變以外,子系統與子系統之間是存在聯系的,戰略決策子系統相關人員需全盤考慮智能機器人應用于MOOC的可行性以及如何正確運用其中;智能機器人的加入對學生管理子系統產生影響,因為教育者形式的改變,直接影響學習者的學習效果;學術研究子系統的參與對象發生改變,在原來的專業教師和學生中增加智能機器人的角色;社會服務子系統所創造的價值與智能機器人有莫大的聯系,智能機器人有效應用于MOOC教學與系統創造的價值成正相關。

與原MOOC系統相似,該系統仍具有開放性,與外部環境密切相關,且相關度有所增長,因為新系統更多依賴于技術的發展,技術的創新意味著系統相應地變化[6]。新MOOC系統的外部環境仍包括教育和科研大系統、科技創新大系統、社會大系統和經濟大系統等。

圖3 智能機器人充當名師的MOOC教學系統關系圖

4 對新MOOC系統架構的思考

①從科學技術系統的角度來看,MOOC系統外部環境的技術確實日新月異,人們幾十年來對智能機器人的開發和研究,使得機器人技術取得了巨大的成就。隨著人工智能、智能控制和計算機技術的發展,智能機器人在當前的軍事、醫學、科研等領域發揮著日益重要的作用,但能否創造出適合MOOC系統應用的智能機器人是新MOOC系統架構的關鍵問題。

②從教育系統大格局的角度來看,教學子系統的主要參與對象一般是教師、學生、行政管理人員,如若硬智能機器人能成功在MOOC系統中充當教師的角色,這一模式極有可能滲透到普通的教學課堂當中。智能機器人在生產業的應用,大量減少了人力的投入,若應用于教學,在未來教學中的教師主要功能會更改為教會智能機器人如何教學。智能機器人培養輸出的人才的質量須大于專業教師培養輸出人才的質量,新MOOC系統的搭建才有價值,而教育系統體系也會逐漸由一個定態變化到另一個定態。

③從經濟系統目標的角度來看,MOOC一般由企業、機構或者學校制作課程,大部分需向學習者收取一定的費用,以維持整個系統的正常運作。雖然教育效益大于經濟效益,但產業的發展必須要有經濟效益的支撐。智能機器人應用于MOOC的研發設計前期需大量資金的投入,若后期穩定實施應用后的效益長期小于投入,那這個系統的長遠發展就會產生問題,需要進一步改進。

新MOOC系統架構的搭建是一個基于現實的理想化設想,必須滿足以上提到的3點,甚至是更多未能考慮到的要求方可長遠實施下去,進而達到穩定狀態。

5 結 語

智能機器人應用于MOOC充當教師角色后,形成一個開放且更為復雜的巨系統,無疑它的運行架構的搭建是一項艱巨的學術任務。文章僅提供了初步的猜想和框架的搭建,整個框架的構建及更為切實可行的措施仍需要在深度系統理論、教育學、管理學等方面進行深度研究。

參考文獻:

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(見習編輯:景貴英)

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