“賦能教育”的混合教學(xué)模式設(shè)計(jì)與實(shí)踐
——以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程為例

2020-07-10 05:52:30王曙燕鄭佳妮王春梅

計(jì)算機(jī)教育 2020年4期

王曙燕，鄭佳妮，王燕，王春梅

（西安郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西西安 710121）

0 引言

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，教師以“講”為主，學(xué)生以“聽(tīng)”為主，這種教學(xué)方式導(dǎo)致了學(xué)生只能被動(dòng)接受，由于教師在課堂講學(xué)的時(shí)間有限且不可重復(fù)，所以學(xué)生在課后對(duì)課程復(fù)習(xí)時(shí)無(wú)法全面回憶，在課程前期的預(yù)習(xí)過(guò)程中也只能依靠課本內(nèi)容進(jìn)行有限的學(xué)習(xí)，而無(wú)法把握整節(jié)課的重點(diǎn)內(nèi)容和整體架構(gòu)。

2017 年，國(guó)務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，著重提出人工智能對(duì)于教育發(fā)展的重要性[1]，以人工智能賦能計(jì)算機(jī)教育是新的趨勢(shì)。人工智能自發(fā)展以來(lái)所涉及的領(lǐng)域與教學(xué)系統(tǒng)息息相關(guān)，如知識(shí)工程、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、專(zhuān)家系統(tǒng)等[2]，而智能教學(xué)系統(tǒng)可以輔助教師管理教學(xué)過(guò)程，有力地更新教師教育技術(shù)能力。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行線上教學(xué)的方式使得學(xué)生可以在課前、課后對(duì)相關(guān)課程進(jìn)行系統(tǒng)的預(yù)習(xí)和溫習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率，在此前提下以學(xué)生為中心的大型開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)課程應(yīng)運(yùn)而生。MOOC（Massive Open Online Courses，大型開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)課程）顛覆了傳統(tǒng)課堂以“教”為中心的教學(xué)方式，打破了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的壁壘，為實(shí)現(xiàn)教育公平奠定了基礎(chǔ)[3-4]，但就針對(duì)具體課程而言，MOOC 平臺(tái)上的選課人數(shù)較多，學(xué)生構(gòu)成復(fù)雜，使得教師難以因材施教，并對(duì)學(xué)生提供個(gè)性化的教學(xué)輔導(dǎo)。為解決這些問(wèn)題，SPOC（Small Private Online Course，小規(guī)模專(zhuān)有在線課程）教學(xué)模式隨之誕生[3]。SPOC 教學(xué)模式以小規(guī)模的特定人群為基礎(chǔ)，可以針對(duì)不同學(xué)校、不同課程、不同學(xué)生定制個(gè)性化的學(xué)習(xí)課程，從而提高教師的教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率[3，5]。

1 “賦能教育”與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法教學(xué)

“技術(shù)賦能教育”的觀點(diǎn)源自2010 年美國(guó)聯(lián)邦教育部教育技術(shù)辦公室頒布的《國(guó)家教育技術(shù)規(guī)劃》（National Educational Technology Plan，NETP），其愿景旨在強(qiáng)調(diào)以學(xué)習(xí)者為中心，技術(shù)為學(xué)習(xí)者提供支持[6]。線上學(xué)習(xí)平臺(tái)以及教育APP 都是“技術(shù)賦能教育”的典型應(yīng)用，通過(guò)分析挖掘?qū)W生在學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，幫助教師更好地為學(xué)生制定個(gè)性化的學(xué)習(xí)方案。計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及人類(lèi)行為理解的涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[7]。計(jì)算機(jī)教學(xué)應(yīng)該加強(qiáng)“計(jì)算思維能力的培養(yǎng)”，在教學(xué)模式的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該使學(xué)習(xí)者可以充分利用學(xué)習(xí)資源環(huán)境幫助自己認(rèn)識(shí)和理解問(wèn)題，通過(guò)與老師和同學(xué)的交流，傳遞想法，促進(jìn)思維模式的培養(yǎng)。不斷建構(gòu)自己的知識(shí)場(chǎng)景和體系，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證反思學(xué)習(xí)過(guò)程，更進(jìn)一步應(yīng)用和提升計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論。從計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)教學(xué)的知識(shí)體系來(lái)看，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法教學(xué)目標(biāo)是能夠針對(duì)實(shí)際問(wèn)題場(chǎng)景，選擇、擴(kuò)展甚至設(shè)計(jì)全新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，并編碼加以實(shí)現(xiàn)。

因此，賦能教育的理念結(jié)合混合教學(xué)模式的設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，混合教學(xué)模式可以立體地提供網(wǎng)絡(luò)資源、編程實(shí)踐環(huán)境。教師輔助制定教學(xué)策略以幫助學(xué)生主體自主學(xué)習(xí)，交流與協(xié)作，在該過(guò)程中，教師需要接觸和學(xué)習(xí)現(xiàn)代化教學(xué)工具，并且研究教學(xué)理論，探究現(xiàn)代化教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)賦能、教師教學(xué)賦能的同步提升。布魯姆認(rèn)知理論是由以本杰明· 布魯姆為代表的美國(guó)心理學(xué)家于20 世紀(jì)50 年代提出的，其中認(rèn)知領(lǐng)域的目標(biāo)更加細(xì)化，大體可以分為知識(shí)、理解、應(yīng)用、分析、創(chuàng)造和評(píng)估。具體闡釋詳見(jiàn)文獻(xiàn)[8—9]。布魯姆認(rèn)知理論提供了認(rèn)知行為的順序，可以輔助教學(xué)設(shè)計(jì)。將布魯姆認(rèn)知理論應(yīng)用于賦能教育的混合式教學(xué)過(guò)程4 個(gè)環(huán)節(jié)，其流程設(shè)計(jì)如圖1 所示，其中箭頭部分是布魯姆理論中認(rèn)知順序流，在線上與線下的混合式教學(xué)過(guò)程中，教學(xué)工具、技術(shù)提供學(xué)習(xí)支持，實(shí)現(xiàn)技術(shù)賦能，學(xué)生的自學(xué)過(guò)程以及相互交流討論則逐漸加深自學(xué)能力，而教師的輔助教學(xué)，通過(guò)課后評(píng)價(jià)反饋并修正教學(xué)計(jì)劃則動(dòng)態(tài)賦能授課能力。

2 “賦能教育”的混合教學(xué)實(shí)踐

圖1 “賦能教育”的混合式教學(xué)模式設(shè)計(jì)流程

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)等電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的核心主干基礎(chǔ)課程，同時(shí)本課程也是考研科目及各企業(yè)入職筆試課。課程以問(wèn)題求解為導(dǎo)向，培養(yǎng)和提高學(xué)生理論、抽象、設(shè)計(jì)的能力，從邏輯、存儲(chǔ)、運(yùn)算的角度培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)常用基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。因此應(yīng)結(jié)合課程的特殊性，重在基礎(chǔ)知識(shí)的掌握和創(chuàng)新創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程教學(xué)中采用“MOOC+SPOC+翻轉(zhuǎn)課堂”的混合教學(xué)模式，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源分為線上和線下，線上教學(xué)采用“中國(guó)大學(xué)MOOC”平臺(tái)的自建課程，2017 年9 月在愛(ài)課程開(kāi)展第1期SPOC 教學(xué)；2018 年3 月在愛(ài)課程開(kāi)展第1 期MOOC 教學(xué)；2019 年已完成5輪MOOC教學(xué)，第6 期已開(kāi)課，選課達(dá)5.3 萬(wàn)人。2018 年9 月同步在超星爾雅上線。線下教學(xué)交流采用“學(xué)習(xí)通”學(xué)習(xí)平臺(tái)，可以對(duì)于教學(xué)過(guò)程進(jìn)行有效的管理，完整記錄和保存學(xué)生課前預(yù)習(xí)，課中講解幻燈片、提交作業(yè)、回答問(wèn)題、討論答疑等教學(xué)數(shù)據(jù)。線上資源覆蓋教育部計(jì)算機(jī)核心課程《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》教學(xué)大綱要求，配備教學(xué)視頻、在線練習(xí)、單元作業(yè)、測(cè)試、論壇等完整教學(xué)環(huán)節(jié)的在線課程體系，注重學(xué)生計(jì)算思維和解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的培養(yǎng)，構(gòu)建了“強(qiáng)化基礎(chǔ)—突出實(shí)踐—重在素質(zhì)—提升能力”的培養(yǎng)模式。

本課程共設(shè)置80 學(xué)時(shí)，其中面授課36 學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課24 學(xué)時(shí)，翻轉(zhuǎn)課20 學(xué)時(shí)，分別對(duì)2016—2017、2017—2018、2018—2019 學(xué)年計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生進(jìn)行課程實(shí)踐，根據(jù)前述布魯姆認(rèn)知理論對(duì)于教學(xué)過(guò)程的指導(dǎo)，“MOOC+SPOC+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式的具體實(shí)施步驟如下。

1）課程先導(dǎo)部分。

按班級(jí)5 人（隨機(jī)）一組，將學(xué)生分為若干組。教師提前下發(fā)任務(wù)單，學(xué)生根據(jù)任務(wù)單信息對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，形成初步對(duì)于問(wèn)題的認(rèn)知，并將預(yù)習(xí)筆記提交到“學(xué)習(xí)通”平臺(tái)，任務(wù)單主要包括教學(xué)目標(biāo)、重點(diǎn)難點(diǎn)以及教學(xué)活動(dòng)安排。隨后，學(xué)生在中國(guó)大學(xué)MOOC 平臺(tái)上自主學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程，該課程由本團(tuán)隊(duì)老師錄制，通過(guò)動(dòng)態(tài)有趣的講解方式，如三維動(dòng)畫(huà)演示可以將一些抽象難懂的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以更加直接、生動(dòng)形象的方式展現(xiàn)，讓學(xué)生在課前就可以?xún)?chǔ)備解決問(wèn)題的基本知識(shí)。并根據(jù)各自的自主學(xué)習(xí)情況在MOOC 平臺(tái)討論區(qū)對(duì)疑問(wèn)和難點(diǎn)進(jìn)行交流、討論，逐步勾勒出問(wèn)題解決的框架。

2）教學(xué)活動(dòng)組織（面對(duì)面教學(xué)）。

教師隨機(jī)抽取小組中的學(xué)生作為講解人，學(xué)生根據(jù)線上自主學(xué)習(xí)情況對(duì)課程內(nèi)容面向其他學(xué)生進(jìn)行重難點(diǎn)詳盡的講解，同時(shí)也可將自己感興趣的拓展知識(shí)，或者依然存在的疑問(wèn)進(jìn)行呈現(xiàn)，在隨機(jī)抽取的所有講解人完成講解后，由不同小組之間進(jìn)行互評(píng)打分，并對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行討論，提高了學(xué)生的課堂參與度，對(duì)于學(xué)習(xí)的流程進(jìn)度可以構(gòu)建自己的規(guī)劃路徑，教師對(duì)學(xué)生在交流討論過(guò)程中存在的疑問(wèn)也會(huì)進(jìn)行詳細(xì)解答，提出新問(wèn)題的解決思路。

3）教學(xué)活動(dòng)組織（網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)交流）。

學(xué)生通過(guò)“學(xué)習(xí)通”平臺(tái)在課程群組內(nèi)對(duì)于課上存在疑問(wèn)和難題進(jìn)行討論，加深和完善之前對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的掌握，教師在“學(xué)習(xí)通”平臺(tái)課程群組發(fā)布單元測(cè)試題目，學(xué)生在完成測(cè)驗(yàn)后進(jìn)行提交，進(jìn)行知識(shí)小節(jié)的鞏固加深。教師在課堂、實(shí)驗(yàn)課臨時(shí)發(fā)布的問(wèn)題或?qū)嶒?yàn)題目，學(xué)生在線下平臺(tái)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)提交。教師在“學(xué)習(xí)通”群組中對(duì)學(xué)生在課后作業(yè)及實(shí)驗(yàn)中存在的疑問(wèn)進(jìn)行解答。

4）學(xué)習(xí)支持以及課程評(píng)價(jià)。

在“技術(shù)賦能教育”的應(yīng)用實(shí)踐中，“學(xué)習(xí)通”也提供拍照簽到、上課打卡等功能，對(duì)于教師管理學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程更加智能精準(zhǔn)，位置、身份、時(shí)間與活動(dòng)是移動(dòng)學(xué)習(xí)情境的4 個(gè)關(guān)鍵要素。可以使學(xué)習(xí)過(guò)程達(dá)到“自由卻不散漫，學(xué)習(xí)更有成長(zhǎng)”的教學(xué)目標(biāo)。課后和期末考試后，教師可以根據(jù)線上線下數(shù)據(jù)記錄以及學(xué)生的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)衡量得分，這種教學(xué)模式評(píng)價(jià)方式比單一根據(jù)期末成績(jī)?yōu)橹笜?biāo)的方式更具說(shuō)服力。

3 實(shí)施效果分析

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程采用“MOOC+SPOC+翻轉(zhuǎn)課堂”的混合教學(xué)模式后，極大地提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、思考和解決問(wèn)題的能力。計(jì)科試點(diǎn)班與非試點(diǎn)班的學(xué)生成績(jī)相比平均提升5.92 分，及格率提升8.56%，優(yōu)良率提升4.76%。根據(jù)期末成績(jī)和學(xué)生討論反饋來(lái)綜合評(píng)價(jià)混合教學(xué)模式的實(shí)施效果。學(xué)生的成績(jī)主要集中在80～89 和70～79 之間，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)在2016—2017、2017—2018、2018—2019 學(xué)年學(xué)生成績(jī)?cè)?0 分以上的占比分別為60%、63.71%、72.5%，呈逐年遞增的趨勢(shì)。軟件工程專(zhuān)業(yè)三學(xué)年學(xué)生成績(jī)?cè)?0～79 之間和90 分以上的占比逐年增長(zhǎng)。根據(jù)中國(guó)大學(xué)MOOC 平臺(tái)數(shù)據(jù)，本課程完成5輪MOOC 教學(xué)，第三期和第五期的課程加入人數(shù)、成績(jī)合格人數(shù)、優(yōu)秀成績(jī)都呈大幅度遞增趨勢(shì)，在2019 年6 月10 日開(kāi)設(shè)的第6 期課程中選課人數(shù)迅速遞增，不僅本校學(xué)生積極加入，選課學(xué)生還有來(lái)自哈爾濱工業(yè)大學(xué)、電子科技大學(xué)、浙江大學(xué)等180 多所高校。

隨著混合教學(xué)模式的探索和改進(jìn)，不僅課程主講老師提供了高質(zhì)量的教學(xué)服務(wù)，學(xué)生也更接受甚至喜愛(ài)這種教學(xué)方式，學(xué)生的自學(xué)能力逐步加強(qiáng)。學(xué)生們?cè)u(píng)價(jià):“混合教學(xué)模式為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這門(mén)無(wú)比重要又極為難學(xué)的課程搭了一個(gè)很好的平臺(tái)。我們?cè)谡n堂上有疑問(wèn)時(shí)不光可以向老師提問(wèn)尋求解答，還可以在SPOC 平臺(tái)上尋找老師拍攝的視頻講解詳細(xì)觀看，在溫故已學(xué)知識(shí)的同時(shí)還將老師的思路重新復(fù)習(xí)了一遍，對(duì)于我們的自學(xué)十分有幫助。”“暑期課程的開(kāi)設(shè)，對(duì)我考研有很大幫助”“作為工作5 年的程序猿，學(xué)好數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法絕對(duì)讓你脫離底層碼農(nóng)”，表達(dá)了學(xué)習(xí)者對(duì)本課程的真實(shí)感受。總體來(lái)說(shuō)，該模式能有效解決面對(duì)面學(xué)習(xí)中存在的一些弊端，充分體現(xiàn)以學(xué)生為主體地位以及以教師為主導(dǎo)的新型教學(xué)模式，這也是以后高校教育教學(xué)改革中需要大力發(fā)展的方向。

4 結(jié)語(yǔ)