《群智能計算及應用》線上線下混合教學模式探索

朱子強，閆文君，付宇鵬，王萌

（海軍航空大學， 山東 煙臺）

一 引言

《群智能計算及應用》課程是碩士研究生的一門學科專業課。課程適用的教學對象為信息與通信工程和電子信息專業的學員。其支撐的研究方向為無人機集群控制、通信信號處理、故障診斷和作業調度等。課程特點是知識概念多、覆蓋領域廣和實踐要求高。

在當前高等教育教學改革的大背景下，越來越多的高校教師開始嘗試著將教學模式由線下轉向線上教學。尤其是自2020年新冠肺炎疫情爆發以來，利用互聯網中的在線教學工具，比如“騰訊會議”“釘釘”等進行教學，已經成為了一種相對常用的教學方式[1]。雖然網上也存在著很多的教學資源，但是對于大多數學生來說線下傳統課堂的學習仍然是必不可少的，因此，我們結合《群智能計算及應用》課程自身特點，探索線上線下混合式教學方法，為學生提供更高效、更優質的學習方法和學習環境。

二 研究背景

傳統的教學過程以教師為中心，強調教師的主體作用。這種教學方式相對來說簡單容易，新教師在從教之后很容易執行，只需要對所學內容掌握比較好，就可以按部就班的將相關知識交給學生。但是缺點也很明顯，學生的學習過程會過度依賴老師，不能夠充分調動學生的學習積極性，在整個學習過程中缺乏發現問題和解決問題的動力，缺乏自主學習和自主探究的意識[2]，同時傳統教學方式也沒用充分利用現代科技發展所帶來的便利來提高教學的效率。

傳統的課堂中，一節課只有45分鐘時間，受課程學時的影響，教師在有限的授課時間內只能講授相關的基礎知識，像在人工智能相關的課程中，技術的發展日新月異，如果僅僅依靠課堂中的時間，教師無法將相關的先進技術全都教授給學生，同時，教師可能對于行業最新、最前沿的技術也并不掌握，因此學生所學內容跟不上行業發展的速度。

與本科生相比，研究生已掌握了一定的基礎理論、 專門知識和基本技能，具備了從事科學研究或專門技術工作的初步能力[3]。同時我們對于研究生的培養要求不同，研究生的培養方式以自主學習、自主研究為主，培養鍛煉學生的自主學習能力和自主科研能力。我們希望研究生對學習的內容更加的深入、要能夠有發現問題、分析問題和解決問題的能力。因此在網絡資源的自主學習方面，相對于本科生研究生會更有針對性，搜索資源的手段更加豐富，能夠判斷出網絡教學資源對于自己的適用程度，提高學習的效率。從理論上將，研究生更適合于網絡資源的自主學習。

當前雖然有很多教師開始嘗試在線上線下混合教學模式，但是普遍還是存在一些問題，在線上教學的過程中，有些教師只注重了氣氛和學生的意愿[4]，而忽略了教學的核心目標。另一方面，有些教師只知道一味地模仿、復制，不對課程進行創新，脫離學生的實際學習需求，無法給學生帶來具有現實意義的學習內容，不利于激發學生學習外語的積極性[5]。

三 教學設計

《群智能計算及應用》課程的教學目標包含四個層次，一是使學員掌握群智能技術的基本知識和理論的知識目標；二是使學員具備實戰化和生活化的案例解決能力的應用目標；三是培養學員自主參與課程、主動學習、樂于探索的自我目標；四是培養學員對課程熱愛、對事業忠誠的思政目標。根據以上教學目標以及學情特點，我們按照線上線下教學優勢互補的原則，將教學環節分為混合教學設計、線上教學實施和線下教學實施三個部分，并在每一個部分更進一步將實施環節細化，其中線上環節側重于學生對于基本理論的自我學習，線下環節側重于教員對學生進行引導、學生之間進行研討以及教員最后進行總結，形成了線上線下一體化的教學環境。本門課程的整體設計結構如圖1所示：

圖1 《群智能計算及應用》“線上線下”混合式教學模式結構圖

（一） 資源建設

根據我們對于人才培養的要求，我們希望在課程資源建設實施中能夠實現軍地資源優勢互補的目標，這也是我們進行“線上線下”課程改革的原則。一方面，這樣可以充分利用國內外優質教學資源，另一方面，通過這種方法也可以充分發揮課程組教員對于軍事應用理解的作用，在課堂上加強學生對于智能算法的理解，提高學生的學習興趣。在教材選擇上，我們分別選用自編的《群智能及其軍事應用》和北京大學譚營主編的《Swarm Intelligence》作為主講和輔助教材，使用自編教材的優勢在于教材中有著豐富的軍事應用案例，貼合我們對于學生培養的最終要求，同時結合輔助教材可以滿足不同的學員是否要對知識點進一步學習的要求。

我們采用了自建課程+在線SPOC的的形式[6]，錄制了《群智能的Matlab實現方法》《群智能算法的軍事應用》等4個視頻資源； 引入了包括上海交通大學許志欽的《最優化方法》、清華大學袁博的《進化計算》在內的國內外優秀的5個視頻資源。此外，本課程擁有59個案例的算法程序庫，代碼總數超過10萬行，共同構成了本課程的在線資源體系。課程資源建設情況如圖2所示：

圖2 《群智能計算及應用》課程資源建設情況圖

（二） 教學流程

在實施過程中，我們充分利用網絡優勢，把學生對于基礎知識學習任務轉移到課外，把練習討論、知識消化轉移到課內，將討論交流作為課堂的主要形式，并通過案例式實驗課的形式幫助學員鞏固提高對于知識點的理解。根據PDCA戴明環理論（圖3），將授課過程分為計劃、實施、檢驗和總結四個步驟[7]，具體為：

圖3 PDCA戴明環理論

Plan，在課前環節，提出問題，及時發布公告和資源，學員自主學習課程。

Do，在課上環節，采取教師講解、互動研討、隨堂測試和翻轉課堂的方式分析問題。

Check，在實驗課中，解決問題，并針對難點問題線上線下持續性討論。

Act，在課后，發布教學視頻，便于學員隨時學習；對問題的解決方式進行檢驗；并采用實踐考核+論文考核的多元評價方式對學員學習成果進行評價。

針對一個知識點，我們要求學員在課前帶著案例進行理論學習，這部分學習在線上。在課上，我們給學員一個問題，讓學員運用基本理論解決實際問題，并根據知識點難易程度分配課時。課上部分包括三個階段：第一階段基礎知識鞏固，大約15~20分鐘，主要是幫助學員加深對課前自學知識點的理解；第二階段翻轉課堂和研討，大約10~30分鐘，過程中讓學生互相討論對于所學知識的一些理解，相互交流、學習；第三部分案例式教學實踐，大約20~90分鐘，給學生一個具體要解決的問題，讓學生能夠運用自學的知識，相互合作、配合來解決問題。課后部分包括線上復習、線上線下討論和作業完成三個環節，讓學員能夠對課程進行理論的學習得到進一步鞏固。

（三） 教學方法

在授課過程中，我們使用了翻轉課堂、研討式教學法、案例驅動式教學法來提升授課質量。

在翻轉課堂中，要求學員課前帶著問題學習基本理論，在課上相互交流、學習，傳授學習經驗，并且能夠利用基本理論解決問題，也可以讓學生成為“老師”來講授此次課的內容[8]。這種角色變換方式不僅能夠提升學員的學習興趣，還能加深學員對知識點以及整門課程的理解。

在研討式教學法中，我們針對課程中容易混淆的概念和重難點問題進行討論，讓學員在頭腦風暴中使得思想得到碰撞。通過這種方式可以很大程度上避免了學員在學習過程中對某一部分內容可能存在認知上的偏差，并且對于不理解的問題在互相討論中也可以得到解決，減少了因為學員對于不理解的問題越攢越多，導致最后出現厭學的情況。

在案例式教學中，我們將實戰化和生活化案例引入教學中，這樣一方面提高了學員學習興趣，另一方面加強了學員對部隊的了解，讓學員我們為什么要學習這些，我們學習這些內容將來有什么樣的用途，以及怎樣將所學的知識運用到實際問題中去，同時將理論與實踐相結合，一舉三得。

（四） 創新與特色

1. 興趣指引，聚焦“引導式自主學習”。針對線上教學缺乏對學員的監督的問題，我們在線下組織課程時，將重點放在提高學員學習內驅力和持續學習能力培養上。不僅強調“以學員為中心”，更加強調“以學習為中心”，變被動接收知識為主動學習，弱化教員在理論講授中的作用，更加強調教員的引導作用，實現從“教學”到“學教”的教學模式翻轉。

2. 優勢互補，構建線上線下新生態。通過自建課程+在線SPOC結合的形式，整合了豐富的在線教學資源，并持續更新。同時，將線上教學資源與團隊教學特點優勢互補。一是發揮課程組教員對學情和軍事應用的把握；二是充分利用國內外高校精品課程和網絡資源，構建了圍繞群智能技術的線上線下新生態。

3. 教研相長，創新了教學手段。在教學手段上，充分利用釘釘在線直播、雨課堂等手段開展線上線下教學，讓技術與教學融合起來。在教學方法上，廣泛采用了研討式、案例式和翻轉課堂的教學方法，改善了傳統教學法研討和鞏固時間不足的問題。在教學內容上，多項科研成果在課程教學上得到了轉化。

4. 案例驅動，促進學員個性化發展。針對研究生專業分散、研究方向多的特點，在分析學情的基礎上，個性化定制教學內容。課程結合課程思政、實戰化主題和前沿科技，形成了豐富的案例庫，學員在實驗課程中根據研究方向和自身基礎個性化選擇實驗案例。同時鼓勵學員參加國際群智能會議和地方高校高水平培訓，以及發表高水平論文。

四 教學效果與評價

（一） 學員反饋方面

學員提出的問題數量大幅增加，這得益于線上更加開放的環境。在問卷調查中，學員普遍反饋通過線上線下混合式教學的轉變，在課程中收獲很大，課程組對于課程的改革是“理論與實踐的完美結合”。

（二） 案例實現情況方面

混合式教學之前的實驗由于時間不充分，一般是求取函數極值或者背包問題等簡單問題實現，混合教學后，一般要求學員對通信信號進行分析、多級協同任務分配等高階問題，難度加大。實驗問題變化情況如表1所示：

表1 混合式教學前后實驗問題對比

以基于遺傳算法的排課問題為例，學員針對學院2020年春季學期課程的排課問題，從染色體選取、適應度函數建立、交叉、變異等環節進行建模，從結果上看，能夠較好地實現排課算法，單個排課算法代碼超過1000行，10秒的程序運行約相當于人工4個小時的工作量，成效顯著。

（三） 作業以及知識理解方面

學員對于問題的思考更加深刻，完成的實驗和作業質量大幅提高。通過混合式教學，學員學習興趣和理論聯系實際能力均得到較大提高。課程緊貼前沿，學員在各自研究領域均有較大收獲，課程在線上線下混合式教學中得到升華。

五 結語

針對《群智能計算及應用》研究生課程，以提高學員學習內驅力和持續學習能力為目標，對課程進行線上線下混合式的的教學設計，在學員能夠進行基本理論自主學習的基礎上，對學員進行引導，幫助學員構建專業知識和技能體系。根據已取得的教學效果發現，通過線上線下混合式的教學方式，很大程度上提高了學員對于知識的理解，實驗和作業的質量得到大幅度提高，對學員提高學習興趣、加強理論聯系實際的能力方面都有非常積極的作用。