智能機(jī)器人技術(shù)及其仿真課程混合式教學(xué)實(shí)踐與效果評(píng)估

王旭仁，馮安然，熊子晗

（首都師范大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京100048）

0 引 言

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展給教育帶來(lái)了全新的挑戰(zhàn)。“互聯(lián)網(wǎng)+教育”實(shí)質(zhì)就是利用以MOOC為代表的教育信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)改革[1]。混合式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)為教師提供了全新的教學(xué)模式。

1 開(kāi)展混合式教學(xué)的目標(biāo)

智能機(jī)器人技術(shù)及其仿真課程是面向計(jì)算機(jī)專業(yè)大三學(xué)生的專業(yè)選修課，授課內(nèi)容量大、具有一定理論深度，再加上授課時(shí)間有限，不利于學(xué)生上課消化吸收。

混合式學(xué)習(xí)是隨著對(duì)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的反思和傳統(tǒng)課堂學(xué)習(xí)的回歸而逐漸被關(guān)注的一種學(xué)習(xí)策略和學(xué)習(xí)理念。混合式學(xué)習(xí)是指以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向，在多種學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)下，根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)者及教師自身?xiàng)l件，混合“面對(duì)面教學(xué)”“網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)”混合式教學(xué)“實(shí)踐”3種方式來(lái)實(shí)施教學(xué)的一種策略。混合式教學(xué)是將面對(duì)面教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)進(jìn)行了有效整合的一種教學(xué)方式。

對(duì)智能機(jī)器人技術(shù)及其仿真進(jìn)行混合教學(xué)，強(qiáng)調(diào)以學(xué)為主；方式上采用探究學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)等多種方式。課程采用混合式教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)是：①知識(shí)目標(biāo)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)和掌握機(jī)器人基本理論和概念。強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，以自主學(xué)習(xí)為主要方式[2]。②能力目標(biāo)，通過(guò)課堂講授和實(shí)踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)和掌握機(jī)器人基礎(chǔ)技能，例如使用傳感器及其處理電路、使用機(jī)器人的計(jì)算機(jī)硬件、對(duì)機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制、機(jī)器人的編程等，提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。強(qiáng)調(diào)合作學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)。③情感目標(biāo)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和課堂教學(xué)實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、觀察力，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力、小組協(xié)作的精神以及競(jìng)爭(zhēng)的意識(shí)。

2 混合式教學(xué)總體思路

2.1 課程基本信息

智能機(jī)器人技術(shù)及其仿真課程主要包括機(jī)器人發(fā)展歷史、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析、機(jī)器人軌跡規(guī)劃、機(jī)器人本體基本結(jié)構(gòu)、機(jī)器人的控制系統(tǒng)、機(jī)器人的編程語(yǔ)言、工業(yè)機(jī)器人、操縱型機(jī)器人、智能機(jī)器人的發(fā)展、機(jī)器人仿真等內(nèi)容，每學(xué)期共計(jì)48學(xué)時(shí)/3學(xué)分，選課人數(shù)20～60人。

2.2 支撐平臺(tái)

中國(guó)大學(xué)MOOC平臺(tái)是網(wǎng)易聯(lián)手高教社推出的云端在線教育平臺(tái)，平臺(tái)提供了多種功能。教師可以在課程首頁(yè)發(fā)布微視頻、課件、單元測(cè)驗(yàn)與作業(yè)，可以通過(guò)查看每節(jié)課程的瀏覽量、討論區(qū)的發(fā)帖情況、測(cè)驗(yàn)與作業(yè)的完成情況等課程信息來(lái)了解學(xué)生的整體學(xué)習(xí)情況，也可以通過(guò)批改學(xué)生的測(cè)驗(yàn)與作業(yè)來(lái)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度。其中，微視頻中可以穿插一些小測(cè)驗(yàn)來(lái)加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的記憶，也可以提出一個(gè)話題來(lái)供學(xué)生討論。

2.3 混合模式

混合學(xué)習(xí)模式是線上學(xué)習(xí)與線下學(xué)習(xí)的混合，但其更深層次是優(yōu)化、選擇和組合教學(xué)環(huán)境、教學(xué)資源等[3]，有利于學(xué)習(xí)者開(kāi)展學(xué)習(xí)。同時(shí)，混合學(xué)習(xí)模式既發(fā)揮教師引導(dǎo)、啟發(fā)的主導(dǎo)作用，又充分體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的主體作用。

翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)施連接了課前學(xué)習(xí)與課堂學(xué)習(xí)，整合了豐富的技術(shù)環(huán)境，改變了師生角色，體現(xiàn)了混合學(xué)習(xí)策略[4]。翻轉(zhuǎn)課堂的本質(zhì)是教學(xué)流程的轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)的先教后學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橄葘W(xué)后教，將知識(shí)傳遞的任務(wù)放在課前，學(xué)生通過(guò)自主觀看微視頻來(lái)獲取基礎(chǔ)知識(shí)，而課堂上則由教師指導(dǎo)學(xué)生克服疑難點(diǎn)，完成知識(shí)的內(nèi)化與吸收。

智能機(jī)器人技術(shù)及其仿真課程的線上部分是在中國(guó)大學(xué)MOOC平臺(tái)的支撐下創(chuàng)建的學(xué)習(xí)資源充足、呈現(xiàn)形式豐富的網(wǎng)絡(luò)課程。開(kāi)課前，利用平臺(tái)構(gòu)建自主學(xué)習(xí)環(huán)境并根據(jù)課程特點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)和課程開(kāi)發(fā)；開(kāi)課后，同時(shí)開(kāi)展課堂教學(xué)和網(wǎng)上自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)，及時(shí)進(jìn)行混合式教學(xué)評(píng)價(jià)，根據(jù)教學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)修改課程的教學(xué)設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)活動(dòng)安排。

3 在線教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

智能機(jī)器人技術(shù)及其仿真課程使用中國(guó)大學(xué)MOOC平臺(tái)搭建在線課程。課程設(shè)計(jì)思想如圖1所示，突出以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心，以自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)為目標(biāo)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。

圖1 MOOC課程設(shè)計(jì)路線

在設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)模塊時(shí)從時(shí)間上加以把握, 每個(gè)學(xué)習(xí)模塊視頻錄制時(shí)間控制在15分鐘以內(nèi)；教學(xué)呈現(xiàn)形式要豐富，要利用視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)的雙通道, 用圖形、動(dòng)畫(huà)、視頻配合文字內(nèi)容來(lái)呈現(xiàn)知識(shí)內(nèi)容；利用思維導(dǎo)圖建構(gòu)學(xué)習(xí)路線。

課程共分成14個(gè)教學(xué)單元，每單元又分為3～5個(gè)模塊。以模塊為單位錄制了43個(gè)教學(xué)視頻，每個(gè)視頻5～15分鐘，充分體現(xiàn)了短小精干、主題突出的特點(diǎn)，適合學(xué)生碎片化時(shí)間學(xué)習(xí)，集中精力突破1～2個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

在視頻播放過(guò)程中設(shè)置提問(wèn)斷點(diǎn)，既能對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行干預(yù)控制，也能保持學(xué)生注意學(xué)習(xí)視頻配套提供的教學(xué)PPT，便于學(xué)生結(jié)合視頻講解，利用PPT進(jìn)行研學(xué)；每節(jié)視頻都提供對(duì)應(yīng)的小測(cè)驗(yàn)以檢驗(yàn)學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況；通過(guò)提供富文本對(duì)知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展，滿足學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行拓展學(xué)習(xí)；通過(guò)討論模塊對(duì)知識(shí)進(jìn)行廣泛的探討，加強(qiáng)學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解的交流和探討；通過(guò)每個(gè)教學(xué)單元設(shè)計(jì)了單元測(cè)驗(yàn)和單元作業(yè)，對(duì)該單元的內(nèi)容進(jìn)行總體測(cè)試和鞏固練習(xí)。

為了加強(qiáng)學(xué)生的協(xié)作能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，將全班同學(xué)進(jìn)行分組，每組設(shè)立1名組長(zhǎng)。組長(zhǎng)可根據(jù)小組成員意見(jiàn)統(tǒng)一安排大家的課前預(yù)習(xí)或安排小組成員自主預(yù)習(xí)，由組長(zhǎng)總結(jié)大家在課前學(xué)習(xí)中遇到的問(wèn)題以便在線上或課上向教師提問(wèn)。

在線課程除任課教師外，還配備多名研究生助教，通過(guò)微信、郵件、討論區(qū)等多種途徑，隨時(shí)回答學(xué)生的提問(wèn)，并鼓勵(lì)學(xué)生之間交流互動(dòng)。

線上課程的考核內(nèi)容分為4個(gè)部分：?jiǎn)卧獪y(cè)試、單元作業(yè)、考試以及討論區(qū)發(fā)言，單元測(cè)試占比為30%，單元作業(yè)占比為36%，考試占比為20%，討論區(qū)發(fā)言情況占比為14%。單元測(cè)試、作業(yè)與考試的客觀題目均為系統(tǒng)自動(dòng)判分，減輕了教師的判卷壓力；討論區(qū)的發(fā)言次數(shù)以及發(fā)言獲贊情況均由系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并呈現(xiàn)給教師，使教師能夠及時(shí)了解學(xué)生的疑點(diǎn)、難點(diǎn)并在線上或線下進(jìn)行講解。

4 線下教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

4.1 總體設(shè)計(jì)

線下教學(xué)的重點(diǎn)在于課上教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)。教師在課前發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生根據(jù)任務(wù)觀看微視頻、完成微視頻中的小測(cè)驗(yàn)，并在討論區(qū)參與該小節(jié)課程的主題討論。教師在MOOC平臺(tái)上查看課前任務(wù)的完成情況，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度以及疑難點(diǎn)，以便在課上進(jìn)行講解。

教師根據(jù)課下收集、整理的問(wèn)題性質(zhì)決定是組織“以實(shí)踐活動(dòng)任務(wù)為主線的探究式課堂”，還是組織“以問(wèn)題研討為主體的討論式課堂”[5]。如果問(wèn)題是操作性的、過(guò)程性的或通過(guò)教師講解即可解決的，則按照探究式課堂組織；如果教師所搜集的問(wèn)題是爭(zhēng)議性的、理論性較強(qiáng)的問(wèn)題，教師通過(guò)5～10 分鐘的講解很難說(shuō)清楚，則組織討論式課堂活動(dòng)。

4.2 課前任務(wù)單設(shè)計(jì)

根據(jù)教學(xué)任務(wù)和學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，教師在每次課后向?qū)W生發(fā)布一個(gè)課前任務(wù)單，其中內(nèi)容包括這次課后需要完成的作業(yè)，下一次課前需要觀看的視頻和完成的練習(xí)等。課前任務(wù)單如表1所示。

表1 課前任務(wù)單

4.3 課上教學(xué)設(shè)計(jì)

教師根據(jù)課下收集的各組總結(jié)的問(wèn)題，來(lái)決定課堂的組織形式。

探究式課堂由教師主導(dǎo)，對(duì)所提出的問(wèn)題進(jìn)行講解并演示，隨后向?qū)W生提出實(shí)踐任務(wù)。在學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)踐時(shí)，教師指導(dǎo)學(xué)生及時(shí)解決新問(wèn)題，完成課堂的知識(shí)內(nèi)化任務(wù)。探究式課堂有利于提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的運(yùn)用能力，深化學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。

討論式課堂同樣也由教師先對(duì)收集的問(wèn)題進(jìn)行講解，隨后提出一個(gè)經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)加工的新問(wèn)題供學(xué)生討論。學(xué)生分組討論之后由各組組長(zhǎng)進(jìn)行發(fā)言，有不同意見(jiàn)的學(xué)生也可以自由發(fā)言。在討論過(guò)程中，教師要注意引導(dǎo)討論的方向，以免偏離討論主題。在討論的最后，教師對(duì)討論的主題進(jìn)行總結(jié)和點(diǎn)評(píng)。討論形式的課堂有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生的協(xié)作交流能力，有利于活躍課堂氣氛、提高教學(xué)質(zhì)量。

5 教學(xué)效果評(píng)估

對(duì)混合式教學(xué)模式的效果評(píng)估主要從學(xué)生的考試成績(jī)和學(xué)生對(duì)課程的認(rèn)可度兩方面。將混合教學(xué)模式下的學(xué)生成績(jī)與傳統(tǒng)教學(xué)模式下的歷史數(shù)據(jù)作比較。

如圖2所示，翻轉(zhuǎn)班的期末考核成績(jī)普遍比上學(xué)期的普通班高，平均分高出24.82分，最高分比普通班高出16分。在圖3中，經(jīng)過(guò)翻轉(zhuǎn)的課堂不及格率大大降低，67%的學(xué)生處于良好的分段，比未經(jīng)過(guò)翻轉(zhuǎn)的課堂提高了42%。由此可見(jiàn)，混合式教學(xué)能夠提高學(xué)生的成績(jī)，并且對(duì)成績(jī)的提高較為明顯。這表明，在概念原理類知識(shí)的教學(xué)中，結(jié)合MOOC平臺(tái)的混合式教學(xué)相對(duì)于傳統(tǒng)課堂有一定的優(yōu)勢(shì)。

圖2 平行班比較

圖3 兩種課堂分段成績(jī)比較

為了調(diào)查學(xué)生對(duì)混合式學(xué)習(xí)方式的認(rèn)可度以及除了成績(jī)之外其他能力的提升，在學(xué)期結(jié)束時(shí)向全班25名學(xué)生發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷，回收有效問(wèn)卷25份，問(wèn)卷有效率為100%。

在調(diào)查問(wèn)卷中，學(xué)生對(duì)混合式學(xué)習(xí)模式的滿意度用分?jǐn)?shù)來(lái)體現(xiàn)，0分表示“不滿意”，5分表示“非常滿意”。對(duì)回收的問(wèn)卷結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖4所示，80%以上的學(xué)生認(rèn)為混合式教學(xué)模式能夠增強(qiáng)他們挖掘知識(shí)點(diǎn)的能力和自我表現(xiàn)能力，20%的學(xué)生認(rèn)為混合模式對(duì)自己該方面的能力提升有限；85%的學(xué)生認(rèn)為混合式教學(xué)提高了他們的知識(shí)歸納總結(jié)能力和知識(shí)運(yùn)用能力，15%的學(xué)生則認(rèn)為混合式學(xué)習(xí)并沒(méi)有明顯提高自己對(duì)知識(shí)的總結(jié)與運(yùn)用能力；92%的學(xué)生認(rèn)為混合模式下的課堂教學(xué)形式提高了他們的表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，8%的學(xué)生認(rèn)為并沒(méi)有在混合模式中提升自己的表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)意識(shí)，主要原因是有些學(xué)生由于害羞或原有習(xí)慣而在實(shí)際學(xué)習(xí)過(guò)程中交流、合作較少。

6 結(jié) 語(yǔ)

混合式教學(xué)將教師與學(xué)生的角色重新定位，教師成為學(xué)生的導(dǎo)學(xué)者、助學(xué)者，而學(xué)生則是學(xué)習(xí)的核心，是主動(dòng)學(xué)習(xí)者。這體現(xiàn)了以學(xué)生為本的教學(xué)思想，是混合式教學(xué)的本質(zhì)。

智能機(jī)器人技術(shù)及其仿真課程的混合式教學(xué)模式將傳統(tǒng)課程與MOOC課程平臺(tái)相結(jié)合；在課前教師發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生根據(jù)任務(wù)在MOOC平臺(tái)上觀看視頻，完成相應(yīng)的練習(xí)；在課上，教師對(duì)課程的重點(diǎn)以及學(xué)生在討論區(qū)發(fā)布的疑難點(diǎn)進(jìn)行講解；在課后，學(xué)生可以在MOOC平臺(tái)上根據(jù)自己的情況溫習(xí)前面的知識(shí)并完成課后作業(yè)。

圖4 調(diào)查問(wèn)卷分析

通過(guò)本次教學(xué)評(píng)估可以看出，混合式教學(xué)模式能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)他們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)和自我表達(dá)能力，提升他們對(duì)知識(shí)的總結(jié)歸納和運(yùn)用能力。同時(shí)，由于混合式教學(xué)在概念原理類的教學(xué)形式上與傳統(tǒng)教學(xué)相比有一定優(yōu)勢(shì)，學(xué)生對(duì)于這類的知識(shí)掌握能力也有一定的提升。混合式教學(xué)模式對(duì)教師提出了更高的要求，教師要勇于創(chuàng)新，挖掘混合式教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)，提出更多的課堂教學(xué)形式。此外，教師也要傾聽(tīng)學(xué)生的意見(jiàn)，鼓勵(lì)學(xué)生參與討論，共同營(yíng)造良好的教學(xué)環(huán)境。