PBL聯(lián)合情境模擬教學法的運用
——以“信息安全數(shù)學基礎”課程為例

秦艷琳，陳 云，楊智超

（海軍工程大學 信息安全系，湖北 武漢 430033）

引言

“信息安全數(shù)學基礎”是信息安全本科專業(yè)的基礎課之一，對網(wǎng)絡空間安全理論與技術的深入學習具有重要的意義。但在長期的課程教學過程中，逐步形成了偏重基礎理論知識，以教員課堂講授為主的靜態(tài)、單一化教學模式，難以調(diào)動學生的學習主動性。PBL聯(lián)合情境模擬教學法通過設置實際情境，不斷以問題為線索，確保學生在情境模擬的學習體驗中進行沉浸式思考探究，得到解決問題的思路與方案，主動構建蘊含在問題中的專業(yè)知識體系［1］。在“信息安全數(shù)學基礎”教學中引入PBL聯(lián)合情境模擬教學法，搭建“情境—問題—探究”教學模式基本框架，將學生放在教學活動的主體地位，激發(fā)學生的學習熱情，鼓勵學生積極主動地思考，把傳統(tǒng)被動式的學習轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃有缘膶W習［2］。

一、“信息安全數(shù)學基礎”課程“情境—問題—探究”教學模式實施方案

下面以課程中離散對數(shù)這一知識單元為例介紹具體的教學實施方案。

（一）設置實際應用情境

設置兼具吸引力和有效性的應用情境是“情境—問題—探究”教學模式的關鍵。吸引力是指這個情境設置對于絕大多數(shù)學生來說都是引人入勝且充滿活力的。該情境可以使學生深入主題，激發(fā)他們的欲望、探秘或挑戰(zhàn)等本能需求，使之積極地參與到課堂活動中。創(chuàng)設的學習情境必須源自實際，讓學生身臨其境，避免枯燥的學術內(nèi)容，而是有趣生動的素材，可選擇故事、新聞報道、視頻、圖片等多種形式。

有效性是指情境設置能幫助學生在完成圍繞學習情境開展的問題探究、討論等活動后，能夠獲得核心概念的成功構建，培養(yǎng)更高層次的綜合素養(yǎng)和專業(yè)意識［3］。例如在介紹離散對數(shù)難題時可以設置以下故事情境：一次柏斌在外地某城市出差，得知該市要搞一個土地競拍會。機不可失，柏斌馬上向老總匯報了這個消息，老總立即安排艾麗準備標書，艾麗想用電子郵件把標書發(fā)給柏斌，但擔心被競爭對手截獲。打算用密碼算法對標書進行加密，這種密碼算法加解密雙方使用同一個密鑰參數(shù)。艾麗把加密后的標書發(fā)給柏斌。柏斌由于沒有艾麗用的密鑰參數(shù)，無法解密。但艾麗說在電話上告訴柏斌密鑰不安全。艾麗很苦惱，不知如何是好。

學生通過查閱課外有關Diffie-Hellman密鑰協(xié)商協(xié)議的相關資料，分組自行設計能解決上述雙方密鑰參數(shù)產(chǎn)生的具體方案，給出算法參數(shù)產(chǎn)生及詳細的加解密過程，并制作PPT匯報材料。

（二）提出關鍵問題

教學實施的第二個環(huán)節(jié)是結合具體情境，提出關鍵問題。問題是學習探究的航標，能夠指向和突出學習單元中的核心知識點，它們像一條通道，通過它們，學習者可以探索教學內(nèi)容中或許仍未被理解的關鍵概念、主題、理論等，可以為學生主動探究活動的持續(xù)開展提供充足的動力，能夠激發(fā)更多關聯(lián)問題的深度思考、熱烈討論和新的理解［4］。在具體的教學實踐中，教師可以選擇層層遞進、一環(huán)套一環(huán)的“串聯(lián)”問題模式，也可采取多維度、不同視角的“并聯(lián)”問題模式，或者采用同時兼顧深度與廣度的“串并聯(lián)”模式。例如，在離散對數(shù)問題的教學過程中，結合上述情境，教師可以設計以下問題：如何利用Diffie-Hellman密鑰協(xié)商協(xié)議解決故事情境中艾麗和柏斌遇到的困境？什么是離散對數(shù)？離散對數(shù)與我們學過的對數(shù)有何區(qū)別？它具有哪些類同于對數(shù)的基本性質(zhì)？離散對數(shù)的概念中涉及的哪些知識點是我們之前學過的？什么是離散對數(shù)困難問題？你是通過怎樣的探究發(fā)現(xiàn)離散對數(shù)問題的困難性的？

（三）引導深入探究

教師設置故事情境，結合具體情境提出問題，進而需要圍繞情境問題為學生提供合理的學習體驗機會，如開展翻轉(zhuǎn)課堂、角色扮演、分組研討等，同時應充分考慮學生先前經(jīng)驗的不足，教師可以通過精心設計詳細的問題探究指南，為學生的主動探究搭建“腳手架”，引導學生積極參與到對大概念和基本問題的探索中，在故事情境與相關數(shù)學原理之間建立聯(lián)系，通過問題探究的全過程體驗逐步加深對核心問題和知識的理解。針對離散對數(shù)這一知識單元，可設置如圖1所示的探索和體驗過程。在教學探究過程中，教師的角色為多重角色：一是教學的組織者，起到組織教學活動，營造學習氛圍，監(jiān)督和評估學生學習效果的作用；二是引導者，在學生的自主學習探究過程中指引學習的方向，在允許學生自由探索的前提下避免部分學生過遠地“偏離航線”；三是感染者，教師應融會貫通學科知識，不僅講授學科知識，而且要與學生交流自己對學科的認識過程、體驗和感悟，以自身的知識儲備和個人修養(yǎng)感染學生，讓學生站在教師的肩上認知世界。

圖1 問題探究指南

（四）研討質(zhì)疑

在學生分組完成自主探究之后，可以通過請學生繪制思維導圖、組織小組匯報、開展計算競賽等方式為學生提供機會來對探究的過程和結果進行分享、回溯、檢驗，提出不同見解，教師要起到很好的引領作用，及時對學生的觀點進行質(zhì)疑和點評，并且穿插部分知識點講授，引導學生對關鍵的知識點進行重新思考，對自己的探究過程進行適時的修訂。針對本次課程的學習內(nèi)容，教師可以采取下列方式：請學生按組交流展示課堂問題探究報告，互相質(zhì)疑評價，對課堂探究報告進行重新思考、修訂完善，教師在交流展示中進行點評。

（五）考核評估

為最大限度地激發(fā)學生圍繞問題情境開展自主探究的積極性，教學過程中及時地進行形成性評估十分關鍵。形成性評估包括教師對學生的評估和學生的自我評估。教師對學生的評估貫穿于整個教學過程中，并延伸至課前預習、課后復習及自主學習階段，采取的形式多種多樣，可通過記錄學生答題、討論情況，課堂練習、隨堂測驗、課程論文、課堂報告、思維導圖、文獻綜述、實踐/調(diào)研報告、期中/期末考試等；學生的自評是指隨著教學的進展，教師要積極幫助學生結合自身學習情況不斷地進行自我監(jiān)控、自我評估和適時的自我調(diào)整，從而建立自己對已理解和尚未理解的內(nèi)容、已完成的和尚未完成任務的逐步清晰的認識，引導學生積極思考自己在探究過程中采用的哪些方法有效，哪些無效，哪些可能做得更好。例如可以采取以下方式讓學生進行自我評估：（1）要求學生給出的每一個正式的成果或表現(xiàn)都附帶有自我評估，自我評估的準確性在學生的成績中會占有小部分權重；（2）在一節(jié)課結束時進行一分鐘總結隨筆，讓學生總結兩到三個自己仍未解決的關鍵要點和問題，也可提出需要繼續(xù)探討的新問題。

二、教學效果分析

我們通過對學生開展問卷調(diào)查，邀請教學督導聽課評價，對學生課程考核成績進行對比分析等方式對PBL聯(lián)合情境模擬在“信息安全數(shù)學基礎”教學中的應用效果進行評價，與“師講生聽”傳統(tǒng)講授式課堂相比，新的課程教學模式體現(xiàn)出以下優(yōu)越性。

（一）扭轉(zhuǎn)沉悶死板的課堂氛圍，調(diào)動學生的學習積極性

“信息安全數(shù)學基礎”課程內(nèi)容包含抽象的數(shù)學基礎理論，傳統(tǒng)的“灌輸式”教學模式是以教師單向的講授為主，學生處于被動接受的狀態(tài)，未能充分激發(fā)學生主動參與課堂學習的興趣，課堂氛圍比較沉悶。PBL聯(lián)合情境模擬教學模式將課程知識單元與信息安全領域內(nèi)的經(jīng)典事件、新穎理論、特殊的謎題及實際安全問題建立聯(lián)系，設置主題學習情境，激發(fā)學生的好奇心和探究欲望，在具體的情境中，再由若干個問題進行穿插引導，做到問題與情境的相互呼應，由淺入深、循序漸進，兼顧理論和實踐，讓學生帶著問題走進情境，在情境中思考問題，體會自主探究、解決問題的樂趣。

（二）轉(zhuǎn)變教師中心模式，樹立學生中心理念

在“信息安全數(shù)學基礎”中引入PBL聯(lián)合情境模擬教學模式，突破了“以教師為主體”的傳統(tǒng)教學方式，摒棄原有的“教案加講稿”的單純講授式教學設計，精心制訂兼具有效性和吸引力的教學設計方案，設置具有挑戰(zhàn)性的問題＋情境作為切入點，將實際的網(wǎng)絡安全需求與學習情境通過問題的形式融為一體，激發(fā)潛藏在每一位學生身上的責任感，樹立學生課堂上的中心地位，引導學生進行自我鼓勵、設置自我完成目標，為學生提供自由表達、質(zhì)疑和討論的機會，促使學生深入思考、討論，積極參與到對基本概念及理論的挖掘和探索過程中，并嘗試在應用層面進行實踐。在整個教學過程中，充分調(diào)動了學生的學習積極性和主觀能動性，始終體現(xiàn)學生的主體性。

（三）改變單一的知識傳授，突出學生綜合能力培養(yǎng)

在現(xiàn)有“信息安全數(shù)學基礎”課程的教學中引入PBL聯(lián)合情境模擬教學理念，改變傳統(tǒng)教學模式下單一的知識傳授模式，樹立能力教學理念，強調(diào)學生實踐參與和親身體驗，著眼于學生綜合素質(zhì)培養(yǎng)與提高，重視課堂情境模擬、問題探究與研討等環(huán)節(jié)，實施高效的課堂管理，開展更加科學精準的課程全過程考核，密切關注學生好奇心、求知欲望和創(chuàng)新意識；訓練學生開展文獻檢閱、口頭表達、撰寫報告和團隊攻關等多方面素質(zhì)，培養(yǎng)學生質(zhì)疑、開放的學習精神和創(chuàng)新意識，讓學生感受綜合運用專業(yè)知識開展專業(yè)研究的過程，提高自主學習能力、獨立探究能力和理論聯(lián)系實際的能力。

在PBL聯(lián)合情境模擬教學模式的具體實施過程中也發(fā)現(xiàn)存在一些問題：一是教師對新教學模式的還在實踐摸索階段，積累的教學經(jīng)驗還不夠豐富，儲備的課程學習資源無法充分滿足實際的教學需求，導致問題情境設置對學生的吸引力不夠，學生主動學習探究的熱情不高，動力不足，同時針對新模式下靈活多變的課堂節(jié)奏把控能力不足，難以實現(xiàn)課堂形式的多變性與教學目標既定性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，等等；二是少數(shù)基礎較為薄弱的學生主動學習能力不足，課外任務執(zhí)行率低，課上參與度不高，直接影響課程學習效果。基于以上問題，教師應首先從提高自身教學水平和科研實踐能力出發(fā)，積累課程資源，學習先進經(jīng)驗，優(yōu)化教學設計，改進教學手段，調(diào)整考核方式。同時對學生特別是后進生投入更多的精力和關注度，開展一對一的交流疏導，幫助他們克服在課程學習中的心理障礙，查找問題癥結所在，并因人而異，對癥下藥，挖掘他們的內(nèi)在潛力，使這部分學生盡早融入課程學習中來，并獲得“樂在其中”的學習體驗。

結語

在信息安全基礎教學中引入“以學為中心”的PBL聯(lián)合情境模擬教學法，教師為學生創(chuàng)設生動具體的實際情境，以問題為導向，營造“情境—問題—探究”沉浸式課堂體驗環(huán)境，設計更全面多元的考核方式，充分調(diào)動學員的學習積極性和主觀能動性，將學員的獨立思考能力、創(chuàng)新能力、溝通協(xié)作精神等綜合能力培養(yǎng)滲透于日常教學活動的細節(jié)中，以達到令人滿意的教學效果。