以應(yīng)用設(shè)計為核心的課堂教學(xué)模式研究與實踐

黃東軍 夏佳志 王磊

摘要：本文以計算機(jī)專業(yè)《多媒體原理與系統(tǒng)設(shè)計》課程為依托，落實學(xué)?！伴_放精品課堂計劃項目”要求，提出以應(yīng)用設(shè)計實踐為核心的交互式課堂教學(xué)模式。該模式貫徹理論密切聯(lián)系實際的基本原則，充分發(fā)揮案例、項目、群組、示范、啟發(fā)、引導(dǎo)和綜合評價等教學(xué)要素的作用，通過精心選擇和設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，采用講練結(jié)合的課堂教學(xué)方法、實施項目驅(qū)動引導(dǎo)和綜合學(xué)習(xí)評價等措施，教學(xué)效率顯著提高，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、主動性明顯增強(qiáng)，批判思維和創(chuàng)新實踐能力得到提升。

關(guān)鍵詞：課堂教學(xué)模式；應(yīng)用設(shè)計實踐；積極性；創(chuàng)新實踐能力

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）16-0146-03

一、研究背景

作者在高等學(xué)校講授多媒體技術(shù)、程序設(shè)計、圖像處理等專業(yè)課程有十多年了。在長期教學(xué)實踐中，我們深切體會到，高校的專業(yè)課程教學(xué)（也包括很多理論課程教學(xué)）一直受到理論與實踐脫節(jié)的困擾。從教學(xué)內(nèi)容來看，大部分教科書是從國外著作翻譯或轉(zhuǎn)述過來的，過于偏向理論描述?？陀^地講，這些教材在教學(xué)中發(fā)揮了積極作用，然而，由于不提供系統(tǒng)的程序和應(yīng)用設(shè)計方面的指導(dǎo)，對原理的解釋大多停留在抽象層面，使得學(xué)生雖然接觸了很多概念和技術(shù)，但工程實踐能力并沒有得到提高，嚴(yán)重妨礙了優(yōu)秀人才的培養(yǎng)。從教學(xué)方法來看，傳統(tǒng)課堂教學(xué)給人的印象是，教師在講臺上演講（可以非常有激情），學(xué)生聽（可以很認(rèn)真地聆聽），當(dāng)然，可以有互動，例如，教師提問，然后請學(xué)生回答，或者把學(xué)生請上講臺來代替教師講課，或談?wù)勊麄兊膶W(xué)習(xí)體會等。我們并不否認(rèn)這些教學(xué)方法或模式的合理性。但是，使人感到困惑的是這種教學(xué)模式似乎走到了極限，無論我們想出什么招數(shù)，在這樣一個以教師為中心的教學(xué)模式下，我們無法實現(xiàn)真正的師生融合。這樣的教學(xué)模式，我們重復(fù)了一遍又一遍，我們也培養(yǎng)了大量學(xué)生，而且他們中間不乏優(yōu)秀者。但是，我們無法忽視，從統(tǒng)計意義上看，學(xué)生的動手能力、工程實踐能力、工程組織能力、項目交流能力總是處于一種不盡如人意的狀態(tài)，學(xué)生抱怨，教師責(zé)備，社會也有反映。例如，計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生程序設(shè)計能力總是難以提高，大量學(xué)生不得不到社會上的教育機(jī)構(gòu)進(jìn)行培訓(xùn)。當(dāng)然，學(xué)校層面還通過其他一些渠道做了很大努力，例如，設(shè)立各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，促進(jìn)了學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。我們必須承認(rèn)，高校課堂教學(xué)的主體作用并沒有充分發(fā)揮出來。這也正是當(dāng)前“新工科”關(guān)注的問題之一。隨著信息與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，高等教育正經(jīng)歷一場變革。就課堂教學(xué)而言，傳統(tǒng)的以傳授專業(yè)知識為主的教學(xué)模式，正被以培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力為核心的互動式、啟發(fā)式教學(xué)所取代[1]。本文所提倡的以核心原理為主線，融合知識、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、平臺與應(yīng)用設(shè)計于一體的新型多媒體技術(shù)闡述框架，是迎合這一趨勢的積極嘗試。

二、教學(xué)理念

實際上，廣大教師一直在探索新的更有效的教學(xué)設(shè)計。例如，加強(qiáng)實踐性教學(xué)，主要辦法是增加實踐性學(xué)分，我們看到，實踐的深度和廣度，仍然無法適應(yīng)數(shù)字媒體技術(shù)本身的發(fā)展。究其原因，主要還是教學(xué)與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計脫節(jié)，這是一個根本性弊端[2]。一方面，一些教師試圖在比較偏向原理的教學(xué)中，通過增加實踐性內(nèi)容來改善教學(xué)設(shè)計，例如，提供專門的實驗課就是普遍的做法，或者增加課程設(shè)計。我們必須認(rèn)識到，這些做法并沒有從根本上改變傳統(tǒng)教學(xué)以原理為核心的特點（缺點就是以口頭講述為主，課后進(jìn)行一些實驗，根深蒂固地把實驗和實踐看成是輔助性的）。另一些長期從事多媒體技術(shù)專業(yè)教學(xué)的老師意識到第一種教學(xué)模式的弊端，因此推出了以培養(yǎng)實踐能力為主要目標(biāo)的教學(xué)設(shè)計，如《多媒體技術(shù)實驗教程》、《多媒體案例教程》等。這些教學(xué)設(shè)計試圖大力培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力，這是值得稱道的。由于學(xué)時等條件限制，這些教學(xué)設(shè)計又一定程度上忽視了原理與關(guān)鍵技術(shù)的闡述，而且大都以傳授多媒體工具軟件（如Photoshop）的使用方法為主。使得計算機(jī)專業(yè)類的多媒體技術(shù)教學(xué)演變成了技能教育。我們認(rèn)為，如果一所大學(xué)是以培養(yǎng)高級專業(yè)技術(shù)人才（如卓越工程師）為目標(biāo)，就不能偏執(zhí)于單純的理論，也不能以工具性技能教育為主體，而應(yīng)當(dāng)構(gòu)建一種融合核心原理和關(guān)鍵技術(shù)于一體的教學(xué)設(shè)計架構(gòu)。原理應(yīng)當(dāng)深入到核心，而關(guān)鍵技術(shù)則是核心原理的直接體現(xiàn)，這不同于以傳授專業(yè)知識為核心的傳統(tǒng)教學(xué)，也不同于以工具軟件使用為主的技能教育?？傊?，我們希望建立一個以核心原理為主線，融合知識、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、平臺與應(yīng)用設(shè)計于一體的新型多媒體技術(shù)教學(xué)框架。要實現(xiàn)這樣的教學(xué)設(shè)計，關(guān)鍵是開發(fā)教學(xué)內(nèi)容和改革教學(xué)方法。

三、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

我們的基本理念是，大力開發(fā)和傳授理論與實踐密切結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容，切實做到理論講授必有工程實踐依托，拒絕空洞，而工程實踐也有堅實的理論指導(dǎo)和觀念培育。為此，我們在近幾年的教學(xué)探索中，積極把原理知識的闡述與更加底層化的核心技術(shù)應(yīng)用設(shè)計緊密結(jié)合在一起。通過精心設(shè)計和內(nèi)容選材，基本上做到了每一個核心原理介紹都會有相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用設(shè)計與之配套。具體而言，在介紹音頻編碼原理過程中，會展示PCM樣本合成、音頻轉(zhuǎn)碼、語音識別等音頻數(shù)據(jù)處理的深度應(yīng)用設(shè)計方法；在介紹和分析無損數(shù)據(jù)壓縮原理和技術(shù)之后，會給出詳盡的實用代碼分析和應(yīng)用指導(dǎo)；在介紹數(shù)字圖像原理、圖像數(shù)據(jù)格式的過程中，會展示圖像的底層顯示應(yīng)用、高斯濾波（卷積運算）、透明融合、基于圖像的自然現(xiàn)象模擬（水波紋、火焰等）像素級操作（注意，是像素級別的操作，不是簡單調(diào)用封裝好的函數(shù)），這些設(shè)計都融合了巧妙的算法原理和技術(shù)；在介紹視頻編碼原理與數(shù)據(jù)格式過程中，會展示視頻播放、視頻特效（字幕、淡入淡出、多視頻融合等）、視頻捕獲、YUV視頻轉(zhuǎn)碼、視頻對象檢測與跟蹤等特色與底層內(nèi)容；在介紹網(wǎng)絡(luò)多媒體原理和技術(shù)過程中，會展示流媒體應(yīng)用系統(tǒng)搭建、基于套節(jié)字的遠(yuǎn)程桌面圖像傳輸?shù)葢?yīng)用設(shè)計。

站在專業(yè)的立場上看，本文所設(shè)計的這些教學(xué)內(nèi)容和實踐訓(xùn)練，不僅充分展現(xiàn)了現(xiàn)代數(shù)字媒體技術(shù)的核心原理，而且深入觸及關(guān)鍵技術(shù)（在計算機(jī)領(lǐng)域，高層的組件與封裝技術(shù)，總是掩蓋著大量真正核心的東西，這是公認(rèn)的事實），這樣的教學(xué)設(shè)計體現(xiàn)了綜合性、啟發(fā)性和創(chuàng)新性，具有較高的學(xué)習(xí)價值，對科學(xué)研究也有一定的訓(xùn)練意義。只有這樣，才能實現(xiàn)培養(yǎng)高級專業(yè)技術(shù)人才的目標(biāo)。

四、改革課堂教學(xué)方法

要實現(xiàn)上述融核心原理和關(guān)鍵技術(shù)于一體的教學(xué)設(shè)計架構(gòu)，不僅要有切實體現(xiàn)該教學(xué)設(shè)計理念的內(nèi)容，更要有合適的教學(xué)方法，在教學(xué)實踐中不斷總結(jié)和探索，并力求取得真正的成效。

本文采用的課程教學(xué)方法是：堅持用實踐來統(tǒng)領(lǐng)教學(xué)，實施以應(yīng)用設(shè)計為基本依托的互動式課堂教學(xué)模式。具體做法是，直接在課堂上，以程序設(shè)計實踐為核心，通過案例和任務(wù)驅(qū)動，把原理和技術(shù)融合在一起，積極推行“干中學(xué)”的教學(xué)方式，課堂教學(xué)看上去是一個講練結(jié)合的過程，并且始終把實踐放在第一位，理論原理圍繞實踐闡述，教師不斷地引導(dǎo)學(xué)生理解原理，并通過啟發(fā)式示范推進(jìn)教學(xué)的展開，同時要求學(xué)生主動完成和落實教師提出的實踐任務(wù)，還原理論，并利用群組進(jìn)行互動促進(jìn)。上述教學(xué)過程既不同于傳統(tǒng)的以講授為中心的教學(xué)，也不同于單純的實驗課。它是一種以實踐為依托、理論與實踐密切結(jié)合、在引導(dǎo)和啟發(fā)中推進(jìn)的融合式深度長程教學(xué)。它已經(jīng)很大程度上改變了課堂教學(xué)的面貌。在我們的課堂上，學(xué)生把筆記本電腦帶到教室是常態(tài)，教師邊講理論知識，邊進(jìn)行程序案例演示；學(xué)生要在教師引導(dǎo)下開展關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用實踐；并且，我們會有計劃、有目的地組織協(xié)同應(yīng)用設(shè)計、課堂小組討論和交流等（這吸收了傳統(tǒng)互動教學(xué)的優(yōu)勢）。而對于有些理論性較強(qiáng)的內(nèi)容，如無損數(shù)據(jù)壓縮算法、數(shù)字視頻編碼原理與標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)多媒體基礎(chǔ)等，可能講授占用較多時間，但也需要結(jié)合實際應(yīng)用加以理解和掌握。實際上，在課堂上進(jìn)行多媒體應(yīng)用設(shè)計是一個挑戰(zhàn)，技術(shù)性很強(qiáng)。首先，教師需要做好充分的上課準(zhǔn)備，對于計劃解決的問題及其編程方案，自己都要事先做一遍，確保無誤。因為一旦在課堂上陷入某種困局，不僅會讓教師難堪，而且也浪費時間。當(dāng)然，對于有些探索性課題（例如，學(xué)生在課堂上突然提出的問題），在恰當(dāng)控制時間的前提下，教師可以嘗試當(dāng)堂編寫程序，或者組織學(xué)生試探解決，并說明允許失敗。其次，還要注意把時間和精力用在核心技術(shù)上。就是說，對于一些比較復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計，可以采取組裝程序的辦法，快速搭建應(yīng)用系統(tǒng)框架（我們主要采用Visual Studio 2015平臺和Win 32 API程序模式），然后在關(guān)鍵部分采取現(xiàn)場編碼的方式展開。以典型圖像處理算法為例，我們在課堂演示、組織學(xué)生編程實踐的時候，先把除關(guān)鍵代碼以外的輔助性源代碼通過text文件發(fā)給學(xué)生，然后引導(dǎo)學(xué)生從text文件中復(fù)制各個模塊的基本代碼（如打開圖像文件操作）以便搭建可運行的程序框架，最后與學(xué)生一起集中力量編寫核心算法實現(xiàn)代碼。實踐證明，這種方式能夠有效平衡課堂時間限制與編程實踐需要之間的矛盾。必須指出，除課堂上的講練結(jié)合教學(xué)以外，整個教學(xué)過程還包括課后消化吸收、自學(xué)、以小組為單位的課后深入研究等。

五、改革考試考核辦法

毫無疑問，當(dāng)我們推行一項完整的教學(xué)改革設(shè)計時候，必然包含考核方式的相應(yīng)改革。第一，試卷考試僅占30%—40%。第二，實施以群組（3—5人）為單位的工程實踐展示、匯報、交流和考核評價，占30%。第三，讀書學(xué)習(xí)報告考核，占20%，規(guī)定必須閱讀主體教科書，并鼓勵批判性獨立思考。第四，實驗報告，占10%。我們的課程也包含了實驗室的大型實驗（主要是流媒體系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)）。上述綜合性考核，不僅激發(fā)了學(xué)生的熱情，而且更加客觀準(zhǔn)確地評價了學(xué)生的表現(xiàn)。

六、成效與評價

經(jīng)過兩年多的改革實踐與探索，我們的教學(xué)受到學(xué)生的熱烈歡迎，取得了顯著的成效。第一，學(xué)習(xí)成績普遍得到提高。我們多次用內(nèi)容相同的試卷進(jìn)行對比測試，結(jié)果顯示，通過上述教學(xué)訓(xùn)練后的學(xué)生成績，要明顯好于采用傳統(tǒng)教學(xué)方法的效果，學(xué)生對知識的理解更加準(zhǔn)確、更加深入。第二，激發(fā)了學(xué)習(xí)積極性和主動性。我們的課程吸引了大批學(xué)生選修，已經(jīng)成為最受歡迎的課程之一，每次選課系統(tǒng)開放前5分鐘，學(xué)位就一搶而空；一些沒有選到課的學(xué)生還打報告，請示學(xué)院增加學(xué)位。學(xué)生表示這門課給予他們的是貨真價實的知識和技術(shù)。第三，動手能力、創(chuàng)新能力顯著增強(qiáng)。由于整個教學(xué)始終緊扣能力的培養(yǎng)，通過示范、模仿、嘗試、拓展性實踐、以小組為單位的綜合應(yīng)用設(shè)計等，學(xué)生的實踐能力逐步得到提升，獲得感很強(qiáng)。在作品展示階段，學(xué)生踴躍上臺演示和介紹自己的作品，對同學(xué)和老師都是很好的教育。

我們有理由相信，本文所提出的理念和教學(xué)模式有積極的推廣價值和示范意義。至少，在計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，類似的《程序設(shè)計》、《操作系統(tǒng)》、《數(shù)據(jù)庫》、《大數(shù)據(jù)應(yīng)用》、《軟件工程》、《數(shù)據(jù)可視化技術(shù)》、《機(jī)器學(xué)習(xí)》等，這樣一些以實踐和原理緊密結(jié)合為特征的課程，應(yīng)當(dāng)完全擺脫傳統(tǒng)的以講授為核心和主體的教學(xué)設(shè)計，轉(zhuǎn)而采用以學(xué)生實踐為基本依托的、理論與實踐密切融合的教學(xué)模式，充分發(fā)揮案例、項目、群組、示范、啟發(fā)、引導(dǎo)、綜合評價等教學(xué)要素的作用，從而有望取得突破性教學(xué)改革成效。當(dāng)然，事情不會很簡單，師生的付出是免不了的，但在一種富有成效的愉快體驗中，事情會好辦得多。還必須指出，學(xué)校開創(chuàng)性推進(jìn)“開放精品課堂計劃項目”，為我們反思傳統(tǒng)教學(xué)方法，大膽創(chuàng)新提供了支持。

七、結(jié)論

第一，本文提出了融核心原理和關(guān)鍵技術(shù)于一體的教學(xué)設(shè)計架構(gòu)。該模式既不同于傳統(tǒng)的以講授為中心的教學(xué)，也不同于單純的實驗課。它是一種以實踐為依托、理論與實踐密切結(jié)合、在引導(dǎo)和啟發(fā)中推進(jìn)、融合式深度長程教學(xué)（整個教學(xué)體現(xiàn)該特征）。第二，關(guān)鍵是改革傳統(tǒng)課堂教學(xué)方式，實施以應(yīng)用設(shè)計為基本依托的互動式課堂教學(xué)模式，通過案例和任務(wù)驅(qū)動，把原理和技術(shù)融合在一起，理論原理圍繞實踐闡述，引導(dǎo)學(xué)生理解原理，主動完成和落實教師提出的實踐任務(wù)。第三，需要切實開發(fā)服務(wù)于上述教學(xué)理念和模式的教學(xué)資源，為學(xué)生提供一個全方位、優(yōu)質(zhì)、高效的學(xué)習(xí)環(huán)境與實踐平臺，包括基于新的教學(xué)理念編寫的教科書、應(yīng)用設(shè)計的范例和代碼、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，以及學(xué)生自己不斷積累起來的作品。第四，需要采取更加有效、客觀、公正、有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的課程考核辦法。

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