基于混合式學習的計算機理論性課程設計

詹捷宇，蔣運承，馬文俊

（華南師范大學 計算機學院，廣東 廣州 510631）

0 引 言

隨著新一波人工智能浪潮的到來以及工業界和學術界對計算機人才的強烈需求，越來越多的學生選擇計算機相關學科作為自己的專業和興趣，而國家也基于經濟發展和戰略需求對計算機人才的培養和儲備高度重視，因此對計算機課程教學中存在的部分問題進行改革，使之適應時代的發展和社會的需求十分必要。

計算機專業教學的課程規劃一般既包括應用性課程，又包括理論性課程，這兩類課程對培養學生優秀的計算機專業技能都具有不可或缺的重要作用。應用性課程能夠讓學生迅速掌握計算機重要技術，用于解決實際問題，提高學生的就業競爭力；理論性課程是一門學科的核心組成部分，能夠讓學生對所學學科有更加深入的了解，提高學生對學科體系的整體性認識。然而，在實際教學過程中，計算機理論性課程的教學面臨著如下問題：理論性課程與應用性課程相比，與實際應用聯系不夠密切，導致部分學生學習積極性不高、學習動力不足，課程教學的實際效果并不理想，學生并不能很好地掌握課程知識體系，從而影響學生部分后續課程的學習。

1 混合式學習

隨著互聯網技術的發展，在線課程的教學方式因其開展的便捷性和資源的豐富性逐漸受到廣大學習者的追捧。從最開始較為簡單的教學視頻錄制到如今風靡全球的大型開放式網絡課程（Massive Open Online Courses，MOOC），在線課程已經成為一種重要的學習方式[1]。然而，實踐表明純粹的在線學習并不能完全取代傳統課堂面對面的學習方式。在一些課程中，傳統課堂學習仍然具有在線學習不可替代的優勢，如傳統課堂所營造出來的學習氛圍、學生之間面對面討論的機會、得到授課教師及時答疑解惑的機會、具有一定的學習約束力等。在線課程和傳統課堂教學具有其各自的優點，并不能完全互相替代，因此教育界提出一種將在線學習和傳統課堂教學“混合”起來、互相配合的教學形式，即混合式學習（Blending Learning/Blended Learning）[2]。文獻 [3]中提出，“所謂Blending Learning就是要把傳統的學習方式的優勢和E-learning（即數字化或網絡化學習）的優勢結合起來，也就是說，既要發揮教師引導、啟發和監控教學過程的主導作用，又要充分體現學生作為學習過程主體的主動性、積極性與創造性。目前，國際教育技術界的共識是只有將這二者結合起來，優勢互補，才能獲得最佳的學習效果”。相關實驗證明，混合式學習與純粹的在線學習和傳統的課堂學習相比，能夠更加有助于提高大學生群體的學習效果[4-5]。

具體而言，混合式學習包括學習理論的混合、學習資源的混合、學習環境的混合和學習方式的混合。混合式學習需要針對不同的學習者、不同的學習目標和不同的學習環境采用相適應的學習理論，需要將豐富的在線學習資源與線下資源進行有機結合，在傳統的課堂環境或在線的虛擬課堂、學習討論區等環境下實現師生之間的交互。學習方式的混合也是多種多樣的，如線上學習、線下輔導、案例談判、學習論壇、課后測試和評論等。混合式學習通過不同方面和不同層次之間的整合，試圖增強學習趣味，調動學生主動性，提高教師引導監督作用，最終改善教學效果。

2 計算理論導論課程教學

計算理論導論一般面向計算機學科高年級本科生或計算機理論方向的低年級研究生開課，要求選課學生具備良好的數學基礎和基本的計算機理論基礎。相對于其他計算機科學的課程，計算理論導論的課程內容更加接近于數學，涉及大量計算理論的數學敘述和定理證明，因此部分學生對這門課程沒有太多的興趣，也沒有動力投入更多的時間學習。著名教材Introduction to the Theory of Computation的作者Michael Sipser 教授也在書中前言直言不諱地說道：“部分學生或許認為理論比較神秘、難學且用處不大”[6]。 然而，這門課程的開設卻具有深遠的意義。

首先，從理論和實踐的關系上看，理論是實踐的指南。計算機技術更新換代速度很快，專門的技術可能在當今的市場上很受青睞，但可能短短數年之后就會被淘汰。過去幾十年計算機科學這門學科的經驗也驗證了這一點。如果能夠把握計算機理論知識體系，則可以更好地培養計算思維，提高學習者表達問題和解決問題的能力，這是對一名計算機學習者來說更加重要的能力。其次，從這門課程和計算機科學其他課程的關系上看，計算理論導論的學習也有助于學生了解計算機科學領域的其他方向，如現代密碼學、隨機計算、程序語言理論等。因此，計算理論導論的學習可以為學習者提供了解其他方向課程的理論工具，讓學習者能夠更加深刻地認識和把握相關學科方向。

計算理論導論課程以“計算”作為研究對象，主要探討的是計算機的基本能力和局限性是什么的問題，包括3個部分的內容：自動機、可計算性理論和復雜性理論。表1為對這門課程主要內容的概括。

表1 計算理論課程主要內容

3 基于混合式學習的課程設計

混合式學習授課方式的核心在于合理地融合多樣的授課方法，因地制宜，因材施教，最大限度地發揮教師的引導作用和學生的反饋作用，而這個過程的關鍵就在于教師和學生之間的互動。傳統的課堂教學中，教師和學生的互動僅僅局限于課堂上教師的授課、課間教師的答疑解惑以及課后作業的布置和批改。這樣傳統的方式一方面使得學生處于被動的狀態，對課程的把握往往受限于教師對課程內容的理解；另一方面，教師往往無法及時了解學生對課程內容的掌握程度，難以站在學生的角度看待授課內容，對難點的定位不清晰。因此，有必要在傳統的課堂授課基礎上融入混合式學習的概念，統籌多種教學方式，從不同的層面增強師生之間的互動。為了解決上述傳統課堂中出現的問題，我們提出基于混合式學習的三階段互動模式：課前互動、課中互動以及課后互動。

3.1 課前互動階段

課前互動是三階段互動模式在傳統的課堂授課環境下最缺失的，而這一環節的缺失使得學生無法及時了解授課內容，教師也無法了解學生在學習過程中困惑的地方，這樣就導致在授課的過程中，教師雖然占據授課的主導地位，但是不能因材施教，不能根據學生學習的難點有的放矢，使得授課的質量大大減弱。因此，在課前互動階段，教師應讓學生主動了解學習內容，反饋知識難點，帶著問題學習，協助導師有針對性地改進課程設計，使其符合學生群體的需求。

具體而言，這一階段的互動形式包括以下幾個步驟：首先，在上課之前，教師提前將準備好的課程教學內容和教學大綱告知學生，使學生對即將學習的內容有所了解，并且提出與接下來的課程內容相關的若干問題，讓學生自己搜索答案；其次，提供給學生相關的網上教學資源，包括教材章節、知名教師的課件、知名MOOC平臺上的相關課程章節等，讓學生帶著準備的問題進行觀看并尋找答案；第三，構建該課程的網上論壇，收集學生在自學習階段中遇到的問題；最后，教師根據網站的討論和收集到的信息，更新授課課件，有的放矢，抓住學生興趣點的同時兼顧重難點知識的講授。

以計算理論導論第一節課緒論為例，這節課的主要內容包括講解自動機、可計算性和復雜性的概念；課程相關的數學概念和術語介紹；定義、定理、證明和證明類型的介紹等。在講授這節課之前，教師需要將授課內容和大綱以及相關問題發送給學生，提出的問題可以是學生比較感興趣的問題，如“列舉出與計算理論導論中關鍵概念相關的應用領域”等，然后提供與自動機、復雜性理論等相關的網絡資源給學生，同時鼓勵學生尋找更多的資源解決上述問題；接著教師構建用于收集學生問題的網上論壇，根據學生的網上討論和留言改進授課內容，如當大部分學生表示對復雜性理論在密碼學中的應用感興趣時，則應該適度增加這一部分的內容，從而提高學生對本門課程的興趣。

3.2 課中互動階段

相對于課前互動和課后互動，課中互動是傳統課程教學中最能夠兼顧到的，可以從混合式學習的角度嘗試在這個階段融入更多的師生交互方式。具體而言，這一階段的互動包括3種形式：匿名提問、網上答題競賽和動手設計。

傳統的課堂授課中，部分學生在教師講授課程內容的過程中有疑惑卻不勇于提出，因此可以在該環節中設計匿名提問方式，在授課的過程中令學生通過掃描二維碼或者其他方式進入匿名提問系統；然后在課堂的問答環節中，教師對學生匿名的提問進行一一解答或者選擇提問次數較多的問題進行有針對性的解答。類似地，在傳統的課堂中，教師經常隨堂布置一些題目并邀請部分學生上臺講解，但有些學生比較羞怯不敢參與，因此同樣可以借助移動互聯網的優勢，讓學生通過手機端對課堂上提出的問題進行作答，這種方式既能增加課堂趣味性，又可以提高學生的課堂參與度。由于計算機理論導論課的內容包含大量的數學描述和證明過程，缺少實際的動手編程操作，因此可以試圖在課程教學過程中適當增加動手設計的環節，讓學生不至于乏味。例如，在講授圖靈機一節時，可以鼓勵學生通過已經學習的編程語言，設計圖靈機的程序并且進行展示。通過類似的動手設計環節，學生在理論性課程中也可以進行實操訓練，同時增強對理論的了解。總而言之，在課中互動階段，應倡導學習的趣味性，通過融合多種教學手段消除學生的膽怯心理，提高學生的課程參與度，從而提升學習效果。

3.3 課后互動階段

傳統的課后互動階段基本只是建立在布置作業和批改作業這一層面上。一方面，部分課程由于授課時間比較緊張，導致后續的作業講解環節不能面面俱到；另一方面，教師在課堂上講解的重難點無法多次重復，導致學生在復習階段難以完全還原課堂講解內容。因此，在課后互動階段，我們圍繞傳統課堂授課情況下出現的這兩個問題，提出三階段互動模式的教學流程，如圖1所示。

圖1 三階段互動模式的教學流程

首先，教師要進行課后評價和效果的收集，主要包括學生自身對重難點把握程度的匯報，也包括教師在課后作業批改過程中對學生已掌握內容程度的把握。其次，教師將收集到的信息錄制成若干長度為10 min左右的短視頻，主要內容包括兩部分：①部分易錯題的解題過程；②課程內容中部分學生還未能掌握的重難點。這兩部分的視頻內容可以讓學生在課余時間自主復習。最后，教師應該固定開放一定時長的提問時間，使學生在自主復習無法解決疑惑的情況下，可以通過直接提問的方式得到教師的解答。例如，在計算理論導論這門課程中有大量的證明題，通過短視頻的方式逐步講解證明，可以更加清晰地展示推導過程，便于學生理解。

4 結 語

混合式學習的重點在于混合不同的學習方式，改進傳統課堂教學和在線課程教學，發揮兩者各自的優點。基于混合式學習的三階段互動模式教學方法，旨在提高教師和學生之間的互動頻率和互動深度，從而提高計算機理論性課程的趣味性和可接受度，提高課堂授課效率和學生學習效果。在未來的工作中，我們需要更加關注學生對教學方式的反饋，記錄在三階段互動模式下學生的反映和實際的授課效果，并總結經驗改進對應的教學方式。