導師式線上線下混合教學模式的探索與實踐

劉剛　肖嵩　郭漪

摘 ?要：“互聯網+”與教育的深度融合為傳統的高等教育帶來了新的機遇和挑戰。文章以《信息論基礎》課程中的最佳不等長編碼章節為例，介紹了課程實施的以學生為中心的“導師式”線上線下混合教學新模式以及獲得的教學成效。課程通過課堂中創建學習場景，進行互動環節的導演設計、引導啟發學生進行思考、通過課程思政進行思想引領和疏導，通過先進的教學內容和多樣化的教學手段激發學生學習的興趣和能動性，培養學生的主動學習能力、實踐能力、合作能力和分析問題解決問題的能力和在情感、價值觀等方面的綜合素質。

關鍵詞：混合式教學;自主學習;合作學習;高階思維

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）07-0065-05

Abstract： The deep integration of "Internet +" and education has brought new opportunities and challenges to traditional higher education. This paper uses the best unequal-length coding chapter in the "Elements of Information Theory" as an example to introduce the new student-centered "tutor-style" new online and offline mixed teaching model and the teaching results achieved. The course creates learning scenarios in the classroom， directs the design of interactive sessions to inspires students to think， and guides the thinking through ideological and political courses. Advanced teaching content and diverse teaching methods stimulate students' interest and initiative， and cultivate students' active learning ability， practical ability， cooperation ability， the ability to analyze and solve concrete problems， and comprehensive qualities such as emotions and values.

Keywords： mixed teaching; self-learning; cooperative learning; higher-order thinking

隨著互聯網、信息技術、人工智能快速發展，線上線下混合式教學成為新型教學形態，它需要綜合運用學習理論、技術手段和應用方式，對教學資源建設、教學設計和教學管理提出了更高的要求。其中，教學設計是線上線下混合式教學是否成功有效的關鍵，如何充分發揮線上線下優勢，平衡二者關系，達到線上教學與線下教學功能效益最大化，是混合式教學亟待解決的難點問題。本文以《信息論基礎》最佳不等編碼章節為例，探索導師式混合教學模式。

一、背景介紹

《信息論基礎》是信息與通信工程學科的基礎骨干課程，面向本科三年級學生開設。完成課程學習后，學生能夠理解并掌握信息的提取、傳輸和處理的基本理論和基本方法，建立最優化信息傳輸系統設計的整體概念;能夠將信息論與編碼理論用于工程應用中的信息表示、信號傳輸、信號處理等問題;能夠結合數學，將信息論與編碼理論用于表達、分析、處理本專業相關的工程問題;能夠從數學的角度對工程問題的解決方案進行分析與改進。進一步通過融入課程思政，培養學生熱愛祖國、熱愛科學的精神與核心素養。

以教學內容改革創新為核心，對課程知識體系進行了重構與優化，構建了“以實踐與創新為導向”的“導師式”混合教學模式，如圖1所示，下文以以《最佳不等長編碼》為例說明混合式教學設計。

作為《信息論基礎》的重要章節，最佳不等長編碼要求通過尋找最佳不等長編碼的方法的過程，啟發學生如何分析問題和解決問題;通過證明Huffman編碼的最佳性，鍛煉學生應用數學工具分析工程問題的能力;通過Huffman編碼的實際應用，鍛煉學生應用專業知識解決實際問題的能力。

（一）傳統教學的局限

1. 傳統教學課堂以教師傳授知識為主，師生互動討論為輔。由于學生欠缺學習的主動性，在課堂學習中遇到的問題未能及時反饋給教師，從而無法得到教師及時地有效地個性化指導，課堂教學質量無法保證。

2. 學生的學習能力參差不齊，學習能力強的學生覺著進度太慢，學習能力弱的學生覺著進度太快，班級整體的學習效率低下。

3. 由于課時限制，教師將重點放在三種編碼方法以及Huffman編碼的最佳性證明，沒有時間將理論知識與實踐相結合、沒有時間引入擴展性問題和應用性問題，更談不上綜合能力鍛煉。

4. 由于課時限制，沒有足夠時間以小組為單位進行合作學習，培養團隊合作意識，鍛煉學生分析問題和解決問題的能力，以達到課程能力要求。

（二）本方案預期到達的效果

本方案預期達到的效果如下，均與課程的教學目標相呼應。

首先，達到傳統教學的基本目標。即掌握幾種不等長編碼方法（包括Shannon編碼、Fano編碼、Huffman編碼）;掌握Huffman編碼最佳性證明;理解信源編碼Shannon限。

其次，通過引導啟發，與學生一起分析討論，尋找解決方案，使得學生在課堂能夠積極有效表達自己的想法，并對所闡述的問題積極思考，有效地激發學生的學習能動性，培養學生的批判性思維。

第三，通過證明Huffman編碼的最佳性，鍛煉學生應用數學工具分析工程問題的能力;通過Huffman編碼的應用，鍛煉學生應用專業知識解決復雜問題的能力。

第四，通過引入美國科學家Huffman的名人軼事，鼓勵學生勇于探索與挑戰，面對學術難題應堅持到底。通過融入思政元素，將專業課程內容與思政教育有機結合。

最后，有效鼓勵合作學習中的互幫互學，優等生帶動中差等生，實現共同發展。

二、教學資源和設計

（一）教學資源

課程教材是“十一五”國家級規劃教材和教指委推薦教材，獲陜西省優秀教材一等獎，被國內眾多高校采用。

課程在中國大學MOOC平臺上線4期，選課人數約19000人，來自300余所國內外高校、研究所和企業單位，課程評價4.6分。線上資源包括知識點視頻、PPT、進階式章節測驗、開放性實驗、專題討論輔助資料、前沿信息科技資料、名師名家講壇資料等，以供學生的個性化、泛在學習。課程通過教學設計將上述資源有機融合，形成具備高階性、創新性和挑戰度的立體化教材。

具體本節課參考資源如下：

1. 教材3.4.1節（對應教材60-63頁）

2. MOOC平臺：Shannon編碼、Fano編碼、Huffman編碼、擴展資源

3. 課前練習（課前雨課堂推送）

4. 進階式測試（課后推送）

（二）教學設計

1. 課前

主要要求學生根據導學清單，通過課前練習、MOOC和擴展資料等方式，在課前能夠掌握以下幾點：

（1）最佳碼的定義及評價指標。

（2）Shannon編碼、Fano編碼和Huffman編碼等常用的幾種不等長編碼方法。

（3）對如下信源進行不等長編碼，并根據自己的理解，判斷哪一種是最佳編碼，并說明原因。每一小組需要對自己得到的結論在雨課堂進行投票，并準備進行立論陳述的PPT，以備課堂上發言。

（4）根據課前反饋，對指定小組提出擴展性思考問題。在教師引導和鼓勵下，準備PPT做小翻轉課堂，與大家分享（根據課前反饋，可選）。

2. 課中

課堂分為10個環節，具體環節如圖2所示。

前兩個環節共計17分鐘，教師首先公布課前投票結果，并拋出探究式問題，引導學生進行小組間討論，即根據Shannon第一定理，從Shannon碼，Fano碼和Huffman碼尋找最佳碼，討論結束后進行第二次投票。隨后學生在教師的引導下，從實例出發，得出確定性的結論。由此教師向學生講述Huffman編碼的由來，并通過PPT和板書結合的形式向學生證明最佳唯一可譯碼的必要條件證明和最佳性定理證明，此過程將花費大約20分鐘。

接下來給學生15分鐘的時間小組討論，思考最佳性結論是否適用于多元編碼，請學生從實例出發判斷是否為最佳，并給出理由。抽選學生給出明確的數學分析方法及步驟，以解決多元Huffman編碼問題，最后老師對學生的回答進行評價與點評。在得到Huffman編碼為最佳碼后，課堂進入擴展環節，教師舉出一些通信實例，讓學生思考Huffman編碼是否唯一，判斷不同規則下的編碼結果是否都是最佳，哪種更實用？對于上述問題，學生進行小組討論并實施小翻轉課堂，由學生上臺表達自己的觀點同時給出證明。最后老師總結點評，給出Huffman編碼在通信傳輸應用中考慮的問題及其解決辦法。

然后是應用問題環節，教師將給出具體的應用型問題，請學生思考品嘗壞酒的方案，在小組討論后請學生上臺分別分享本組的設計方案，引發學生思考方案是否唯一，若不唯一，哪種更好？最后對其總結與點評，引出進一步的擴展思考問題，留給學生作課后作業。最后三個環節主要為由學生主導的對本課的經驗分享和教師布置課后作業以及對本堂的總結。

3. 課后

學生在課后要完成三個任務。首先學生要在QQ群或網絡平臺上傳自行錄制的本堂課經驗總結分享視頻，其他學生和教師在觀看過后要對其進行評價。其次，學生要完成課后進階測試，如未達標，教師會推送知識點學習指南和練習題用于重新測試。基于測試結果，教師推送分類擴展資源，以便進一步擴展學習。最后學生要在課下給出品嘗壞酒擴展思考問題的解決方案。

（三）信息技術應用與學習支持

本次設計使用的信息技術主要包含雨課堂、智慧教室和小工具應用。其中雨課堂承擔著課前布置作業，課中對最佳碼投票、課堂提問、抽取小組成員進行論述和課后組間評價的任務。根據其中得到的反饋信息，老師能夠對課堂教學進行迅速調整。智慧教室則能為混合式教學設計提供極大便利，比如在合作學習中，每1～2組對應一個屏幕，組員可將自己的驗算手稿或者分析結果進行拍照，同時上傳到屏幕上與大家進行討論與分享，也可將小組討論結果上傳到主屏，與全班同學進行分享;而且，教師可獲得智慧教室提供的課堂學情數據，及時了解學生的課堂表現情況。小工具應用體現在學生在辯論環節采用的倒計時工具和在小翻轉課堂和討論分享時的點贊、鼓掌等互動工具，達到活躍課堂氣氛的目的。

三、教學評價與學生反饋

（一）學習評價

本課程以“厚基礎、強能力、促創新”為目標，構建了全過程、多元化、多形式、差異化的課程考核評價體系，總評成績結構如圖3所示。圖中，總評成績由平時成績與期末成績兩部分構成，各占總評成績的50%。平時成績包括線上評價、線下評價、探究式評價和項目式評價。這里的探究式/項目式評價是多次探究式/項目式課堂評價成績的均值。組內評價和組間評價，需要嚴格參考教師給出的評分細則，為了削弱“特殊因素”，這里去掉一個最高分，去掉一個最低分，再求平均;評價均采用匿名;并且每次課堂評價結果學生均可見，可申辯。

圖3 總評成績結構

本章節采用探究式教學方式。課堂結束后，每個小組需要整理總結學習成果，并在課堂上或課下進行匯報與分享。這里的總結不只注重學習結果，還應注重在學習過程中的收獲和進步、小組成員的合作程度以及創新等方面。學習評價過程依次是小組自評、組間互評、教師評價和助教評價。教師和助教，通過觀察小組合作學習的過程，結合小組合作學習的任務完成情況對小組合作學習做出整體的評價，對學生做到立即指導。組間評價是各學習小組針對其他小組的學習成果、態度、合作情況等進行的相互評價，該方法有助于培養學生合作式學習和批判性思維，引導學生互相學習，取長補短，從而更好的掌握課堂所學的知識。具體評價細則表1所示：

本次課堂評價成績為B2=F*（B21*50%+B22*30%+B23*20%），其中B21為主講教師評價（占50%），B22為助教評價（占30%），B23為組間評價（占20%），取值為多組給出成績的均值，F為調節因子。為了鼓勵互幫互學，優等生帶動中差等生共同發展，F由小組發言人在班內的線上平時測驗成績排名決定，如表2所示。

（二）課堂教學反饋

教師在課堂上設問是用來檢驗學生學習情況的重要反饋方式之一。本節課堂設計中，總共有10余次提問，而且環環相扣。通過學生課堂上的反應和回答，教師可隨時掌握學生在課堂上對相關知識的理解程度，從而及時調整講課節奏和講課內容。

雨課堂和智慧教室提供了學生的到課率、課堂抬頭率和合作學習參與度等數據，這些數據表明學生在課堂中的參與度和學習熱情度，都可作為參考數據，提醒教師是否需要通過適當提問或者使用課堂小工具來調節課堂氣氛;是否需要引導小組中未發言的同學進行思考和分享。

課后的進階式章節測試也能反映學生的學習效果。尤其是一次通過率可以反應學生在課堂中對知識點的理解程度。我們通過在雨課堂上設計課后反饋問卷，進一步完善教學反饋，以助教師進行教學反思，進一步提高課堂教學質量。

（三）混合式教學效果分析

1. 學生滿意度高

學生評教成績、到課率、抬頭率、課堂活躍度等方面均表明，教學模式得到了學生的認可，并有效地激發了學生的學習能動性。

2. “抓兩頭促中間”的教學效果顯著

橫向比較混合式班級與傳統班級的期末成績、縱向比較近三年期末試卷中綜合題與提高題的回答正確率，看出教學模式顯著提高了教學質量，有效促進了互幫互學，結果如圖4所示。

3. 學生創新、實踐能力顯著提高

對比課程實施不同階段的問卷結果，看出課程有效地鍛煉、提高了學生的合作學習能力和演講能力。從參與信息傳輸理論相關競賽的學生比例（約30%）和成績來看，學生的實踐能力和創新能力顯著提高。

四、教學創新點

本次教學設計的創新有以下四點：

（一）采用“導師式”的混合教學模式

通過創設問題情境（實踐性問題、實用性問題的引入）引發學生的參與心理;通過適當引導和練習嘗試啟發思維（最佳性辯論中啟發嘗試換信源重新評判，并進行再次投票）;通過以舊引新，促進遷移，溫故而知新（學生辯論后，對三種編碼方法進行總結，并對探究思路進行梳理，從而得到確定性結論）。Huffman名人軼事鼓勵了學生要勇于探索與挑戰，并且面對學術難題應堅持到底，從而達到專業課程內容與思政教育（疏導）的有機結合。

（二）注重以實踐與創新為導向的教學內容

通過引入依托科研成果的擴展問題、實踐性問題的分析與討論，實現教學科研一體化，賦予課程多層次的挑戰度。通過提出問題、討論問題、分析問題到解決問題，加深了學生對信息論基本理論的理解，鍛煉了學生的批判性思維和創新性思維，增強了學生分析問題和解決問題的能力。

（三）注重個性化、差異化教學

根據學前反饋，對學有余力的同學提出擴展性問題，引導他們思考，鼓勵在課堂上參與小翻轉課堂分享，從而培養學生獲取知識的能力和探索精神。通過進階式章節測試，對未達標的學生推送知識點學習指南和練習題，隨后需要他們重新測試，直至達標;基于測試結果，教師分類推送擴展資源，以供進一步擴展學習;教學評價引入調節因子，有效地鼓勵合作學習中的互幫互學。

（四）注重數學理念培養

信息論又稱通信的數學理論。利用數學工具分析通信問題是課程的精髓。課堂教學強調數學模型的建立、求解、分析與應用，強調板書示范，使同學在課堂上與教師一起思考，不僅加強了學生對基本公式和基本方法的理解和掌握，而且啟發了學生的數學思維，鍛煉了學生利用數學工具解決工程問題的能力。

五、結束語

混合式教學設計則能充分利用學生的課上與課下時間，對不同學生因材施教，通過實際例子使學生充分理解所學知識，做到學以致用。本文基于學情分析，精心設計教學實施方案，有效地激發了學生的學習主動性和積極性，使得學生在課堂能夠積極有效表達自己的思路，并對他們闡述的問題積極思考，進行批判性思維，不僅增強了學生分析問題和解決問題的能力，而且鍛煉了學生的實際動手操作能力，培養了學生自主學習的能力和團隊合作的意識。混合式教學設計仍處于探索階段，因此在以后的教學過程中，將會不斷探索，繼續創新，積累經驗，使得混合式教學設計方法變得愈加成熟。

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基金項目：2019年陜西省教育教學改革研究項目重點攻關項目“雙一流背景下的電子信息類金課建設探索與實踐”（編號：19BG007）;2018

年校級高等教育教學改革研究項目“電子信息類金課教學模式改革研究與實踐”（編號：A18008）、“基于慕課資源的專題探究式教學研究——信息論基礎”（編號：B18004）;2020年西安電子科技大學應急類示范課程項目“基于MOOC+直播的‘三促三導式混合教學新模式的探索與實踐”（編號：SF2001）

作者簡介：劉剛（1977-），男，漢族，陜西三原人，博士，副教授，研究方向：信息論與編碼、寬帶無線傳輸技術。