基于混合式學(xué)習(xí)的計(jì)算機(jī)理論性課程設(shè)計(jì)

詹捷宇，蔣運(yùn)承，馬文俊

（華南師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 廣州 510631）

0 引 言

隨著新一波人工智能浪潮的到來(lái)以及工業(yè)界和學(xué)術(shù)界對(duì)計(jì)算機(jī)人才的強(qiáng)烈需求，越來(lái)越多的學(xué)生選擇計(jì)算機(jī)相關(guān)學(xué)科作為自己的專業(yè)和興趣，而國(guó)家也基于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和戰(zhàn)略需求對(duì)計(jì)算機(jī)人才的培養(yǎng)和儲(chǔ)備高度重視，因此對(duì)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)中存在的部分問(wèn)題進(jìn)行改革，使之適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展和社會(huì)的需求十分必要。

計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)的課程規(guī)劃一般既包括應(yīng)用性課程，又包括理論性課程，這兩類課程對(duì)培養(yǎng)學(xué)生優(yōu)秀的計(jì)算機(jī)專業(yè)技能都具有不可或缺的重要作用。應(yīng)用性課程能夠讓學(xué)生迅速掌握計(jì)算機(jī)重要技術(shù)，用于解決實(shí)際問(wèn)題，提高學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力；理論性課程是一門學(xué)科的核心組成部分，能夠讓學(xué)生對(duì)所學(xué)學(xué)科有更加深入的了解，提高學(xué)生對(duì)學(xué)科體系的整體性認(rèn)識(shí)。然而，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)理論性課程的教學(xué)面臨著如下問(wèn)題：理論性課程與應(yīng)用性課程相比，與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系不夠密切，導(dǎo)致部分學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高、學(xué)習(xí)動(dòng)力不足，課程教學(xué)的實(shí)際效果并不理想，學(xué)生并不能很好地掌握課程知識(shí)體系，從而影響學(xué)生部分后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。

1 混合式學(xué)習(xí)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，在線課程的教學(xué)方式因其開展的便捷性和資源的豐富性逐漸受到廣大學(xué)習(xí)者的追捧。從最開始較為簡(jiǎn)單的教學(xué)視頻錄制到如今風(fēng)靡全球的大型開放式網(wǎng)絡(luò)課程（Massive Open Online Courses，MOOC），在線課程已經(jīng)成為一種重要的學(xué)習(xí)方式[1]。然而，實(shí)踐表明純粹的在線學(xué)習(xí)并不能完全取代傳統(tǒng)課堂面對(duì)面的學(xué)習(xí)方式。在一些課程中，傳統(tǒng)課堂學(xué)習(xí)仍然具有在線學(xué)習(xí)不可替代的優(yōu)勢(shì)，如傳統(tǒng)課堂所營(yíng)造出來(lái)的學(xué)習(xí)氛圍、學(xué)生之間面對(duì)面討論的機(jī)會(huì)、得到授課教師及時(shí)答疑解惑的機(jī)會(huì)、具有一定的學(xué)習(xí)約束力等。在線課程和傳統(tǒng)課堂教學(xué)具有其各自的優(yōu)點(diǎn)，并不能完全互相替代，因此教育界提出一種將在線學(xué)習(xí)和傳統(tǒng)課堂教學(xué)“混合”起來(lái)、互相配合的教學(xué)形式，即混合式學(xué)習(xí)（Blending Learning/Blended Learning）[2]。文獻(xiàn) [3]中提出，“所謂Blending Learning就是要把傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式的優(yōu)勢(shì)和E-learning（即數(shù)字化或網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)）的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，也就是說(shuō)，既要發(fā)揮教師引導(dǎo)、啟發(fā)和監(jiān)控教學(xué)過(guò)程的主導(dǎo)作用，又要充分體現(xiàn)學(xué)生作為學(xué)習(xí)過(guò)程主體的主動(dòng)性、積極性與創(chuàng)造性。目前，國(guó)際教育技術(shù)界的共識(shí)是只有將這二者結(jié)合起來(lái)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，才能獲得最佳的學(xué)習(xí)效果”。相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，混合式學(xué)習(xí)與純粹的在線學(xué)習(xí)和傳統(tǒng)的課堂學(xué)習(xí)相比，能夠更加有助于提高大學(xué)生群體的學(xué)習(xí)效果[4-5]。

具體而言，混合式學(xué)習(xí)包括學(xué)習(xí)理論的混合、學(xué)習(xí)資源的混合、學(xué)習(xí)環(huán)境的混合和學(xué)習(xí)方式的混合?；旌鲜綄W(xué)習(xí)需要針對(duì)不同的學(xué)習(xí)者、不同的學(xué)習(xí)目標(biāo)和不同的學(xué)習(xí)環(huán)境采用相適應(yīng)的學(xué)習(xí)理論，需要將豐富的在線學(xué)習(xí)資源與線下資源進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，在傳統(tǒng)的課堂環(huán)境或在線的虛擬課堂、學(xué)習(xí)討論區(qū)等環(huán)境下實(shí)現(xiàn)師生之間的交互。學(xué)習(xí)方式的混合也是多種多樣的，如線上學(xué)習(xí)、線下輔導(dǎo)、案例談判、學(xué)習(xí)論壇、課后測(cè)試和評(píng)論等?；旌鲜綄W(xué)習(xí)通過(guò)不同方面和不同層次之間的整合，試圖增強(qiáng)學(xué)習(xí)趣味，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)性，提高教師引導(dǎo)監(jiān)督作用，最終改善教學(xué)效果。

2 計(jì)算理論導(dǎo)論課程教學(xué)

計(jì)算理論導(dǎo)論一般面向計(jì)算機(jī)學(xué)科高年級(jí)本科生或計(jì)算機(jī)理論方向的低年級(jí)研究生開課，要求選課學(xué)生具備良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和基本的計(jì)算機(jī)理論基礎(chǔ)。相對(duì)于其他計(jì)算機(jī)科學(xué)的課程，計(jì)算理論導(dǎo)論的課程內(nèi)容更加接近于數(shù)學(xué)，涉及大量計(jì)算理論的數(shù)學(xué)敘述和定理證明，因此部分學(xué)生對(duì)這門課程沒(méi)有太多的興趣，也沒(méi)有動(dòng)力投入更多的時(shí)間學(xué)習(xí)。著名教材Introduction to the Theory of Computation的作者M(jìn)ichael Sipser 教授也在書中前言直言不諱地說(shuō)道：“部分學(xué)生或許認(rèn)為理論比較神秘、難學(xué)且用處不大”[6]。 然而，這門課程的開設(shè)卻具有深遠(yuǎn)的意義。

首先，從理論和實(shí)踐的關(guān)系上看，理論是實(shí)踐的指南。計(jì)算機(jī)技術(shù)更新?lián)Q代速度很快，專門的技術(shù)可能在當(dāng)今的市場(chǎng)上很受青睞，但可能短短數(shù)年之后就會(huì)被淘汰。過(guò)去幾十年計(jì)算機(jī)科學(xué)這門學(xué)科的經(jīng)驗(yàn)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。如果能夠把握計(jì)算機(jī)理論知識(shí)體系，則可以更好地培養(yǎng)計(jì)算思維，提高學(xué)習(xí)者表達(dá)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，這是對(duì)一名計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)者來(lái)說(shuō)更加重要的能力。其次，從這門課程和計(jì)算機(jī)科學(xué)其他課程的關(guān)系上看，計(jì)算理論導(dǎo)論的學(xué)習(xí)也有助于學(xué)生了解計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的其他方向，如現(xiàn)代密碼學(xué)、隨機(jī)計(jì)算、程序語(yǔ)言理論等。因此，計(jì)算理論導(dǎo)論的學(xué)習(xí)可以為學(xué)習(xí)者提供了解其他方向課程的理論工具，讓學(xué)習(xí)者能夠更加深刻地認(rèn)識(shí)和把握相關(guān)學(xué)科方向。

計(jì)算理論導(dǎo)論課程以“計(jì)算”作為研究對(duì)象，主要探討的是計(jì)算機(jī)的基本能力和局限性是什么的問(wèn)題，包括3個(gè)部分的內(nèi)容：自動(dòng)機(jī)、可計(jì)算性理論和復(fù)雜性理論。表1為對(duì)這門課程主要內(nèi)容的概括。

表1 計(jì)算理論課程主要內(nèi)容

3 基于混合式學(xué)習(xí)的課程設(shè)計(jì)

混合式學(xué)習(xí)授課方式的核心在于合理地融合多樣的授課方法，因地制宜，因材施教，最大限度地發(fā)揮教師的引導(dǎo)作用和學(xué)生的反饋?zhàn)饔?，而這個(gè)過(guò)程的關(guān)鍵就在于教師和學(xué)生之間的互動(dòng)。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，教師和學(xué)生的互動(dòng)僅僅局限于課堂上教師的授課、課間教師的答疑解惑以及課后作業(yè)的布置和批改。這樣傳統(tǒng)的方式一方面使得學(xué)生處于被動(dòng)的狀態(tài)，對(duì)課程的把握往往受限于教師對(duì)課程內(nèi)容的理解；另一方面，教師往往無(wú)法及時(shí)了解學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的掌握程度，難以站在學(xué)生的角度看待授課內(nèi)容，對(duì)難點(diǎn)的定位不清晰。因此，有必要在傳統(tǒng)的課堂授課基礎(chǔ)上融入混合式學(xué)習(xí)的概念，統(tǒng)籌多種教學(xué)方式，從不同的層面增強(qiáng)師生之間的互動(dòng)。為了解決上述傳統(tǒng)課堂中出現(xiàn)的問(wèn)題，我們提出基于混合式學(xué)習(xí)的三階段互動(dòng)模式：課前互動(dòng)、課中互動(dòng)以及課后互動(dòng)。

3.1 課前互動(dòng)階段

課前互動(dòng)是三階段互動(dòng)模式在傳統(tǒng)的課堂授課環(huán)境下最缺失的，而這一環(huán)節(jié)的缺失使得學(xué)生無(wú)法及時(shí)了解授課內(nèi)容，教師也無(wú)法了解學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中困惑的地方，這樣就導(dǎo)致在授課的過(guò)程中，教師雖然占據(jù)授課的主導(dǎo)地位，但是不能因材施教，不能根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)有的放矢，使得授課的質(zhì)量大大減弱。因此，在課前互動(dòng)階段，教師應(yīng)讓學(xué)生主動(dòng)了解學(xué)習(xí)內(nèi)容，反饋知識(shí)難點(diǎn)，帶著問(wèn)題學(xué)習(xí)，協(xié)助導(dǎo)師有針對(duì)性地改進(jìn)課程設(shè)計(jì)，使其符合學(xué)生群體的需求。

具體而言，這一階段的互動(dòng)形式包括以下幾個(gè)步驟：首先，在上課之前，教師提前將準(zhǔn)備好的課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)大綱告知學(xué)生，使學(xué)生對(duì)即將學(xué)習(xí)的內(nèi)容有所了解，并且提出與接下來(lái)的課程內(nèi)容相關(guān)的若干問(wèn)題，讓學(xué)生自己搜索答案；其次，提供給學(xué)生相關(guān)的網(wǎng)上教學(xué)資源，包括教材章節(jié)、知名教師的課件、知名MOOC平臺(tái)上的相關(guān)課程章節(jié)等，讓學(xué)生帶著準(zhǔn)備的問(wèn)題進(jìn)行觀看并尋找答案；第三，構(gòu)建該課程的網(wǎng)上論壇，收集學(xué)生在自學(xué)習(xí)階段中遇到的問(wèn)題；最后，教師根據(jù)網(wǎng)站的討論和收集到的信息，更新授課課件，有的放矢，抓住學(xué)生興趣點(diǎn)的同時(shí)兼顧重難點(diǎn)知識(shí)的講授。

以計(jì)算理論導(dǎo)論第一節(jié)課緒論為例，這節(jié)課的主要內(nèi)容包括講解自動(dòng)機(jī)、可計(jì)算性和復(fù)雜性的概念；課程相關(guān)的數(shù)學(xué)概念和術(shù)語(yǔ)介紹；定義、定理、證明和證明類型的介紹等。在講授這節(jié)課之前，教師需要將授課內(nèi)容和大綱以及相關(guān)問(wèn)題發(fā)送給學(xué)生，提出的問(wèn)題可以是學(xué)生比較感興趣的問(wèn)題，如“列舉出與計(jì)算理論導(dǎo)論中關(guān)鍵概念相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域”等，然后提供與自動(dòng)機(jī)、復(fù)雜性理論等相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)資源給學(xué)生，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生尋找更多的資源解決上述問(wèn)題；接著教師構(gòu)建用于收集學(xué)生問(wèn)題的網(wǎng)上論壇，根據(jù)學(xué)生的網(wǎng)上討論和留言改進(jìn)授課內(nèi)容，如當(dāng)大部分學(xué)生表示對(duì)復(fù)雜性理論在密碼學(xué)中的應(yīng)用感興趣時(shí)，則應(yīng)該適度增加這一部分的內(nèi)容，從而提高學(xué)生對(duì)本門課程的興趣。

3.2 課中互動(dòng)階段

相對(duì)于課前互動(dòng)和課后互動(dòng)，課中互動(dòng)是傳統(tǒng)課程教學(xué)中最能夠兼顧到的，可以從混合式學(xué)習(xí)的角度嘗試在這個(gè)階段融入更多的師生交互方式。具體而言，這一階段的互動(dòng)包括3種形式：匿名提問(wèn)、網(wǎng)上答題競(jìng)賽和動(dòng)手設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)的課堂授課中，部分學(xué)生在教師講授課程內(nèi)容的過(guò)程中有疑惑卻不勇于提出，因此可以在該環(huán)節(jié)中設(shè)計(jì)匿名提問(wèn)方式，在授課的過(guò)程中令學(xué)生通過(guò)掃描二維碼或者其他方式進(jìn)入匿名提問(wèn)系統(tǒng)；然后在課堂的問(wèn)答環(huán)節(jié)中，教師對(duì)學(xué)生匿名的提問(wèn)進(jìn)行一一解答或者選擇提問(wèn)次數(shù)較多的問(wèn)題進(jìn)行有針對(duì)性的解答。類似地，在傳統(tǒng)的課堂中，教師經(jīng)常隨堂布置一些題目并邀請(qǐng)部分學(xué)生上臺(tái)講解，但有些學(xué)生比較羞怯不敢參與，因此同樣可以借助移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，讓學(xué)生通過(guò)手機(jī)端對(duì)課堂上提出的問(wèn)題進(jìn)行作答，這種方式既能增加課堂趣味性，又可以提高學(xué)生的課堂參與度。由于計(jì)算機(jī)理論導(dǎo)論課的內(nèi)容包含大量的數(shù)學(xué)描述和證明過(guò)程，缺少實(shí)際的動(dòng)手編程操作，因此可以試圖在課程教學(xué)過(guò)程中適當(dāng)增加動(dòng)手設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，讓學(xué)生不至于乏味。例如，在講授圖靈機(jī)一節(jié)時(shí)，可以鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)已經(jīng)學(xué)習(xí)的編程語(yǔ)言，設(shè)計(jì)圖靈機(jī)的程序并且進(jìn)行展示。通過(guò)類似的動(dòng)手設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，學(xué)生在理論性課程中也可以進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練，同時(shí)增強(qiáng)對(duì)理論的了解?？偠灾?，在課中互動(dòng)階段，應(yīng)倡導(dǎo)學(xué)習(xí)的趣味性，通過(guò)融合多種教學(xué)手段消除學(xué)生的膽怯心理，提高學(xué)生的課程參與度，從而提升學(xué)習(xí)效果。

3.3 課后互動(dòng)階段

傳統(tǒng)的課后互動(dòng)階段基本只是建立在布置作業(yè)和批改作業(yè)這一層面上。一方面，部分課程由于授課時(shí)間比較緊張，導(dǎo)致后續(xù)的作業(yè)講解環(huán)節(jié)不能面面俱到；另一方面，教師在課堂上講解的重難點(diǎn)無(wú)法多次重復(fù)，導(dǎo)致學(xué)生在復(fù)習(xí)階段難以完全還原課堂講解內(nèi)容。因此，在課后互動(dòng)階段，我們圍繞傳統(tǒng)課堂授課情況下出現(xiàn)的這兩個(gè)問(wèn)題，提出三階段互動(dòng)模式的教學(xué)流程，如圖1所示。

圖1 三階段互動(dòng)模式的教學(xué)流程

首先，教師要進(jìn)行課后評(píng)價(jià)和效果的收集，主要包括學(xué)生自身對(duì)重難點(diǎn)把握程度的匯報(bào)，也包括教師在課后作業(yè)批改過(guò)程中對(duì)學(xué)生已掌握內(nèi)容程度的把握。其次，教師將收集到的信息錄制成若干長(zhǎng)度為10 min左右的短視頻，主要內(nèi)容包括兩部分：①部分易錯(cuò)題的解題過(guò)程；②課程內(nèi)容中部分學(xué)生還未能掌握的重難點(diǎn)。這兩部分的視頻內(nèi)容可以讓學(xué)生在課余時(shí)間自主復(fù)習(xí)。最后，教師應(yīng)該固定開放一定時(shí)長(zhǎng)的提問(wèn)時(shí)間，使學(xué)生在自主復(fù)習(xí)無(wú)法解決疑惑的情況下，可以通過(guò)直接提問(wèn)的方式得到教師的解答。例如，在計(jì)算理論導(dǎo)論這門課程中有大量的證明題，通過(guò)短視頻的方式逐步講解證明，可以更加清晰地展示推導(dǎo)過(guò)程，便于學(xué)生理解。

4 結(jié) 語(yǔ)

混合式學(xué)習(xí)的重點(diǎn)在于混合不同的學(xué)習(xí)方式，改進(jìn)傳統(tǒng)課堂教學(xué)和在線課程教學(xué)，發(fā)揮兩者各自的優(yōu)點(diǎn)。基于混合式學(xué)習(xí)的三階段互動(dòng)模式教學(xué)方法，旨在提高教師和學(xué)生之間的互動(dòng)頻率和互動(dòng)深度，從而提高計(jì)算機(jī)理論性課程的趣味性和可接受度，提高課堂授課效率和學(xué)生學(xué)習(xí)效果。在未來(lái)的工作中，我們需要更加關(guān)注學(xué)生對(duì)教學(xué)方式的反饋，記錄在三階段互動(dòng)模式下學(xué)生的反映和實(shí)際的授課效果，并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)改進(jìn)對(duì)應(yīng)的教學(xué)方式。