工程教育改革背景下混合式深度學習模式探索

曹曉倩，劉偉峰，王學恩，彭 朋

(陜西科技大學 電氣與控制工程學院，西安 710021)

為應對新一輪全球產業變革，實現制造強國目標，國務院印發《中國制造2025》，明確了高校在專業人才保障中的主體地位[1]。在此背景下，高等工程教育迎來了空前的改革浪潮。新工科建設、“雙創”教育和“金課”建設等[2-5]變革逐步在各個高校推廣開來。高等工程教育改革給工程教育帶來了人才培養模式優化的契機，使得人才培養與社會需求相匹配，與國家發展戰略相契合。不可避免地給課程建設帶來了變革壓力和挑戰，如圖1 所示。

圖1 高等工程教育改革背景下課程建設面臨的壓力和挑戰

新工科以“工程教學新理念、學科專業新結構、人才培養新模式、教育教學新質量和分類發展新體系”為主題，以培養具有實踐創新能力的跨學科復合型人才為目標。為實現這一目標，人才培養實施載體的課程體系中必然需要增加其他相關學科課程、增強實踐環節、加強創新創業訓練。“雙創”教育以“大眾創業，萬眾創新”為主旨，以激發民族的創新精神和創新基因為目標，因此要求大學教育要保證學生學習自主權，逐步降低學分成為高等教育改革的新趨勢。至此，工科專業的課程體系設計被置于增加課程數量和實踐教學環節總量與降低總學分的矛盾之中，在遵循跨學科融合和實踐創新能力培養的總原則下，組合課程、壓縮課時成了解決問題的主流方式。但是，課程作為人才培養體系的核心要素，是決定人才培養質量的關鍵。2018年，教育部在新時代中國高等學校本科教育工作大會上正式啟動一流課程建設“雙萬計劃”，主題為“淘汰水課、打造金課”，旨在進一步提升課程教學質量。因此，矛盾轉嫁到了課程上，如何在更少的課時時間內，以更高質量完成教學學習過程是授課教師必須面對及亟待解決的問題。

近年來，線上教學資源極大豐富，線上線下混合式教學模式[6-8]的改革嘗試為該問題的解決提供了思路，將部分教學內容轉移到線上不失為解決當前矛盾的有效途徑。只是還是存在諸如“應該轉移哪一部分？劃分的依據是什么？‘線上、線下’2 個教學環節應該如何銜接？各自實施要點是什么？如何保證和提升學生在整個學習過程中的配合度？”等問題，需要進一步的分析和探討。

本文以單片機原理及應用課程為例，以“金課”建設范疇下、學習者實現深度學習為目標，基于高等工程教育改革背景下課程建設中所面臨的壓力和挑戰，分析線上線下混合教學模式的必要性和可行性，討論線上線下混合教學模式構建中的教學設計原則、教學促進策略及教學保障方法，以期為相關課程的建設提供思路和借鑒。

一 “金課”建設的深度學習目標

2018年，教育部發起淘汰“水課”、打造“金課”行動，計劃到2022年，建設一萬門國家級一流課程和一萬門省級一流課程，即“雙萬計劃”。關于“金課”之“金”，有眾多學者做出過解析，其中南京大學呂林海[9]教授基于學習者視角，將“金課”標準指向學生的深度學習，這一點與國際工程教育的評價基準相契合。因此，本文所描述的“金課”，也是深度學習視域下的“金課”，以學生實現深度學習為課程教學的總目標。

深度學習，強調“學習者試圖自己抽取出意義、積極參與到學科之中，并力圖達到對作者文本意義的理解”，與之相對應的是淺層學習，即“學生更關注記憶和背誦，而非文本背后作者的真實意圖”。基于以上分析，以單片機原理及應用課程為例，探討淺層學習與深度學習的區別與聯系，明確深度學習目標，見表1。

表1 “金課”建設范疇下的學習目標——以單片機原理及應用課程為例

淺層學習在知識層面以知識點的記憶、背誦為主，強調知識點的直接復制和搬移，例如單片機片內硬件組成，8051 指令系統的111 條指令等；在能力層面以具體能力培養為主，比如能夠根據具體應用需求，完成單片機應用系統的設計和開發；在情感層面，則以基礎學習態度、責任感培養為主。正如字面所示，深度學習在知識、能力和情感3 個維度上都要比淺層學習更深入；在知識層面，深度學習關注的重點已經不再單純是知識點本身，而強調對知識來源的分析，即“為什么是這樣？為什么以這樣的形式體現？別的方式可不可以？”等；在能力層面，更加強調系統的分析評估能力以及知識和能力的遷移擴展能力，例如“單片機的設計者為什么要這樣設計？有沒有可替代的方案？單片機相關知識和系統設計方法在嵌入式系統、DSP 和FPGA 等其他的微控制系統中有何體現？”等；在情感層面，強調更高的站位和格局，例如成就的力量、科技的力量及推動科技進步的使命感等。事實上，深度學習與淺層學習之間并非互相排斥，淺層學習可以為深度學習奠定基礎，深度學習可以反作用促進淺層學習，只是單純的淺層學習已經不能滿足當前的人才培養需求。遺憾的是，長久以來，以講授法為主的傳統課堂中，大部分學生都只能達到淺層學習目標，因此，如何通過教學模式的變革，引導學生實現深度學習，是課程質量提升的關鍵。

二 深度學習目標下混合式教學的必要性與可行性

面對新工科增加課程數目，“雙創”教育降低學分的雙重“壓力”，各個專業將壓縮課程學時作為主要應對措施。在“金課”建設主方向下，矛盾進一步轉嫁到課程上：更少的學時與更高的教學質量。在此壓力下，當前極大豐富的線上教學資源開始散發“金光”，以合理的方式，將一部分教學活動轉移到線上，分解課堂教學壓力成為解決這一矛盾的必要方式，課程教學所面臨的課時減少與課程質量提升的雙重壓力為線上線下混合教學模式的嘗試提供了強烈的內部驅動力。

當前，線上教學資源極大豐富，中國大學MOOC 等靈活易用的線上教學平臺，學習通、雨課堂等性能優越的教學輔助工具以及智能終端的普及都為線上線下混合教學模式的實施提供了有力支撐。特別是關于線上教學資源，教師如果受限于建設周期和建設經費，無法自建線上課程，直接引用平臺已有的精品課程建設自己的小規模限制性在線課程(SPOC)不失為一種簡便、高效的方法，可以幾乎無阻礙地快速展開混合式教學的嘗試，筆者所授的單片機原理及應用課程采用的就是這種模式。另外，教學輔助工具[10-11]的靈活運用也可以促進混合教學更有效地開展，與此相關的文獻資料較多，在此不再詳述。

關于混合教學模式的可行性分析，還有一個很重要的問題就是教學內容是否適合分解以及應該如何分解。關于這一問題，對照教學目標，通過分析線上線下教學的特點就可以獲得答案。線上教學的優點在于學習時間、地點的靈活性及可復現性，缺點在于互動性較差；課堂教學的優點在于有可以良好互動的條件，可監控性強，但缺點在于學習時間、地點的固定及不可復現，更重要的是時間有限。將此特點對照表1，即可獲得大致分解方案：將淺層學習任務和學習目標轉移到線上教學，而深度學習目標的實現則在線上學習基礎上，通過課堂教學來完成，如圖2 所示。

圖2 深度學習目標下，線上線下混合式教學的必要性和可行性

需要說明的是，淺層學習是深度學習目標達成的基礎，一方面是因為知識的記憶是深層理解的基礎，另一方面是因為只有在線上淺層學習的基礎上，課堂教學的深度學習才有了順利開展的基礎。同理，線上視頻學習和線下課堂教學并不能割裂開來，而是在表面上以知識點相聯結，實質上以實現深度學習目標達成相統一。

三 “合理銜接、共同探索”，奠基深度目標達成

教學設計是教學實施的藍本，是保障教學質量的基礎。“合理銜接、共同探索”的混合式教學設計是實現深度學習目標的保障。其中“合理銜接”是指線上線下教學環節的合理銜接和有機融合，而“共同探索”是指課堂教學環節中，以問題為驅動構建師生學習共同體教學模式。本節以單片機原理及應用課程中斷與中斷系統一節內容為例，對“合理銜接、共同探索”的課程設計過程進行探討，整體教學設計框架如圖3 所示。

圖3 “合理銜接、共同探索”的教學設計框架

“線上”“線下”只是從教學平臺和教學形式上劃分，依據各自特點對教學任務的大致分解，兩者通過知識點相聯結，達成深度學習目標相統一。因此，線上線下教學環節合理銜接、有機融合是混合式教學設計的關鍵之一。在中斷與中斷系統一節中，線上學習的主要任務是通過主要知識點的依次講授使得學生達成淺層學習目標，能夠說明什么是中斷、中斷系統由什么組成及應該如何去設計中斷服務程序。線下課堂教學環節依然以主要知識點為(隱藏)線索，只是不再強調知識點本身，而是關注知識點的由來。例如通過“為什么需要中斷”來引出中斷的概念；通過分析實現中斷機制核心要素來討論中斷系統的組成；通過分析中斷服務程序的職責和功能來推斷中斷服務程序的設計方法等。如此，線上線下教學通過關鍵知識點聯結，通過同一教學目標相統一。

需要強調的是，課堂教學依然是教學學習活動的主戰場，其關鍵在于以線上淺層學習為基礎，通過問題驅動式學習共同體的構建達成深度學習目標。所謂問題驅動，是指學習過程不再是傳統教學中的“通過講授告知”，而是“通過問題探究發現”。以中斷與中斷系統一節為例，以“單片機執行過程中遇到突發事件怎么辦？如何更高效地解決按鍵查詢？”問題開始，分析中斷的必要性，進而引出中斷的概念；然后以“如何保障中斷機制正常運行？”問題開始，通過中斷應用背景分析中斷執行過程，進而分析保障中斷機制正常運行的關鍵模塊，引出中斷系統組成；最后以“中斷服務程序的任務是什么？應該如何完成？”開始，分析中斷服務程序的關鍵環節及架構，引出中斷服務程序的設計方法。需要特別說明的是，在整個課堂教學過程中，教師只是問題探究的引導者，和學生一起針對問題進行分析探索，一起尋找解決問題的方法，一起揣摩設計者的設計心理，一起達成深度學習的目標，即所謂學習共同體構建。

需要說明的是，圖3 中關于仿真實踐的內容是在理論學習完成之后增加的實踐環節，旨在提升課堂吸引力，促進深度學習目標的達成。

四 “仿真實踐、理實結合”，促進深度目標達成

一直很喜歡葉圣陶先生的“隔岸觀火和身臨其境畢竟不一樣”，這句話放在工科專業課程的教學中再合適不過。工科專業的課程，特別是專業課，都是實踐性很強的課程。在傳統教學中，理論和實踐是分離的，理論課在教室上，實驗課在實驗室上，甚至大部分課程的理論和實驗分別由不同的老師講授和指導，這就很容易造成理論和實踐的脫離，理論對實踐的指導作用和實踐對理論的加深推動作用減弱。

事實上，對于工科專業課程，幾乎都有相應的仿真軟件，能夠模擬相關功能模塊或智能單元工作過程，提供系統設計、功能仿真和性能分析，以往這類軟件一般都用于教師科研或教學演示，受限于教學條件，學生實踐需要去專門的EDA 實驗室進行。但是今時今日，攜帶筆記本進入課堂已不再是難事，因此仿真軟件也具備了進入課堂的條件，那么理論和實踐相結合的教學模式也具備了客觀基礎。

單片機原理及應用課程常用的仿真軟件包括用于程序設計和仿真的keil μvision 軟件，以及用于硬件電路設計和軟硬件聯合調試的Protues 軟件。這些軟件會在開課之前通知學生安裝，并要求學生攜帶電腦上課。一般會在每一次課堂教學中留出10～15 min 的時間用于實踐，根據教學內容的不同，可以是給定運行程序下特定存儲單元狀態的觀察，可以是單純的程序設計，可以是軟硬件綜合設計和聯合調試。如圖4 所示是中斷及中斷系統一節中的理論和實踐結合示意圖。通過課堂教學實踐發現，往往仿真實踐環節是學生們注意力和學習熱情的一個高點。

圖4 “仿真實踐、理實結合”的教學形式

將實踐環節引入課堂，具有3 個方面的優勢：首先，可以及時鞏固和驗證所學理論知識，讓學生對理論有更為直觀的認知，進一步加深對理論知識的理解；其次，可以增加學生的學習興趣，提升課堂活躍度，消除學生因為教學模式變革帶來學習任務增加的不滿情緒；最后也是最重要的，在于學生自信心和成就感的培養，這一點對深度學習目標的達成也是至關重要的。

五 “過程考核、適當適量”，保障深度目標達成

考核，一直是課程教學的重頭戲，本意在于對學生學習成果的認證，但在過去以及可預見的未來相當長一段時間內，都是大部分同學學習的主要驅動力。傳統課堂教學中，一般是“一考定終身”，期末考試的成績就宣告了學生的學習“成果”，至于這一成果與學生真實的學習所得之間的契合度，無從考證。但是可以確定的是，這些“成果”大部分來自淺層學習，這一點考試之前通宵自習室的燈可以作證。

為實現深度學習之目標，必須有與之相適應的考核方式。隨著一流課程建設的推進及工程教育認證理念的推廣，過程化考核[12]的討論熱度越來越高，很多高校已經開始全面實施。過程化考核之于課程教學質量提升的重要性，筆者深表認同。當前工程教育改革背景下，過程化考核是深度學習目標達成的保障：一方面在于督促學生及時完成相應的學習任務，積極參與到學習活動中；另一方面，考核結果是動態調整教學方式和內容的重要依據，可以深化學習達成過程，實現實時動態優化。

表2 是以單片機原理及應用課程為例的過成化考核內容一覽表。過程化考核根據教學環節分為課前、課堂和課后3 個部分：課前考核的主要目的是督促學生完成線上學習，為課堂深度學習奠定基礎；課堂考核的主要目的是通過隨機安排的知識點考核調節課堂氣氛，通過仿真實踐任務提升學生的實踐能力并增強學習興趣和自信心；課后考核一般以設計和仿真實踐為主，目的在于培養學生問題分析、解決能力，提升成就感。另外，根據內容酌情安排文獻檢索任務，旨在提升信息獲取能力、知識遷移能力及持續學習能力。最后會安排一次綜合設計任務，旨在培養學生的問題分析和綜合能力、提升實踐創新能力及溝通表達能力。

表2 “適當適量”的過程化考核示例——以單片機原理及應用課程為例

這里，還需要探討的是過程考核的適當、適量的問題。所謂適當，是指考核內容與考核目的的匹配、考核要點、考核形式與考核內容的匹配。所謂適量，是指考核一定是因為必要而存在，而非因為考核而考核。這一點之所以需要單獨說明，是因為如果過程化考核為追求形式而偏離初衷，考核內容過多、任務過重、形式過于復雜，就會給學生造成額外的負擔和壓力，進而引起學生對課程、對教學模式變革的排斥，這對于深度教學目標的達成是非常不利的。

六 結束語

在以新工科、“雙創”教育和“金課”建設為代表的工程教育改革浪潮下，課程建設面臨著課時減少與課程質量提升的雙重壓力。本文以此為背景，以學習者實現深度學習為目標，對混合式教學模式的必要性和可行性進行分析，針對合理的混合式教學設計方法、深度學習目標下混合式教學的促進和保障策略等問題展開討論和分析，提出了“合理銜接、共同探索”的混合式教學設計原則、“仿真實踐、理實結合”的混合式教學促進策略及“適當適量、過程考核”的混合式教學保障方法，以期為相關課程的教學模式改革提供參考和借鑒。值得強調的是，教學理念和教學模式需要根據科技發展現狀、人才需求及國家重大發展戰略進行動態調整，才能實現人才培養的持續優化。