基于學(xué)習(xí)成效金字塔理論的遠(yuǎn)程混合式教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

徐國艷

（北京航空航天大學(xué) 交通學(xué)院，北京 100191）

0 引 言

2017 年12 月工業(yè)和信息化部印發(fā)了《促進(jìn)新一代人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動計(jì)劃（2018—2020 年）》的通知，指出要以信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合為主線，以新一代人工智能技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和集成應(yīng)用為重點(diǎn)，推進(jìn)人工智能和制造業(yè)深度融合，加快制造強(qiáng)國和網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國建設(shè)，要重點(diǎn)培育和發(fā)展智能網(wǎng)聯(lián)汽車、智能服務(wù)機(jī)器人等產(chǎn)業(yè)，鼓勵新一代人工智能技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域各環(huán)節(jié)的探索應(yīng)用，人工智能的應(yīng)用需要具有較強(qiáng)的計(jì)算思維能力。

筆者曾主講過11 年的C 語言課程，深刻感受到一些非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)C 語言中存在的問題，往往糾結(jié)在C 語言繁雜的語法中，而不能達(dá)到培養(yǎng)計(jì)算思維的教學(xué)目的。Python 編程與智能車技術(shù)課程在學(xué)習(xí)Python 基礎(chǔ)語法和基本編程思路基礎(chǔ)上，利用Python 語言簡潔、高效和強(qiáng)大的生態(tài)三大特點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維以及利用計(jì)算思維解決問題的能力[1]。

近年來MOOC、SPOC、混合式教學(xué)方法等基于網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方法在高等教育領(lǐng)域引起了廣大老師們的關(guān)注，有認(rèn)可的，也有排斥的，但國內(nèi)很多教育學(xué)家普遍認(rèn)為混合式教學(xué)可以加深對“學(xué)教并重”教學(xué)設(shè)計(jì)的認(rèn)識。混合式學(xué)習(xí)被認(rèn)為比單純的面對面教學(xué)或者單純的在線學(xué)習(xí)要高效得多[2]。此次利用新冠肺炎疫情契機(jī)，基于學(xué)習(xí)成效金字塔理論，針對Python 編程與智能車技術(shù)這門課進(jìn)行遠(yuǎn)程混合式在線教學(xué)嘗試。

1 學(xué)習(xí)成效金字塔理論

學(xué)習(xí)成效金字塔是美國緬因州的國家訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)室的研究成果，由美國著名的學(xué)習(xí)專家愛德加· 戴爾1946 年首先發(fā)現(xiàn)并提出的，如圖1 所示。它用數(shù)字形式說明采用不同的學(xué)習(xí)方式，學(xué)習(xí)者在兩周以后還能記住多少內(nèi)容（平均學(xué)習(xí)保持率）。在金字塔的塔尖，是第一種學(xué)習(xí)方式是“聽講”模式，學(xué)習(xí)效率最低，兩周以后學(xué)習(xí)者只能記住5%的內(nèi)容。第二種是“閱讀”方式，兩周之后只能記住10%的內(nèi)容。第三種是“聲音+圖片結(jié)合視聽”方式，兩周之后能記住20%的內(nèi)容。第四種是用“示范/演示”的方法，兩周之后可以記住30%的內(nèi)容。第五種是“參與討論”，兩周之后可以記住50%的內(nèi)容。第六種是“做中學(xué)”或“實(shí)際演練”方式，兩周之后可以記住75%的內(nèi)容。處于金字塔最底層方法的是“馬上應(yīng)用”或“教別人”，兩周后可以記住90%的內(nèi)容。可以看出，學(xué)習(xí)方法不同，學(xué)習(xí)效率差別很大。學(xué)習(xí)效果在30%以下的幾種傳統(tǒng)方式，都是個人學(xué)習(xí)或被動學(xué)習(xí)；而學(xué)習(xí)效果在50%以上的，都是團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)、主動學(xué)習(xí)和參與式學(xué)習(xí)[3]。

圖1 學(xué)習(xí)成效金字塔理論

2 基于學(xué)習(xí)成效金字塔理論的教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 課程簡介

Python 編程與智能車技術(shù)課程主要包含5 部分內(nèi)容，如圖2 所示。緒論部分講解計(jì)算機(jī)和程序之間的關(guān)系、CPU 是如何執(zhí)行程序的，以及Python 語言的特點(diǎn)及開發(fā)環(huán)境；讓學(xué)生從熟悉的計(jì)算機(jī)出發(fā)，了解計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令和程序的過程，展示Python 語言的特點(diǎn)。第2 部分通過簡單的例子，利用Python 接近自然語言的特點(diǎn)，讓學(xué)生快速對Python 語言有一個較全面初步的認(rèn)識，達(dá)到能仿寫、改寫Python 小程序的目的。第3 部分內(nèi)容主要是Python 語言的基本數(shù)據(jù)類型、程序控制結(jié)構(gòu)、函數(shù)及代碼復(fù)用、組合數(shù)據(jù)類型、文件和數(shù)據(jù)格式化，使學(xué)生對Pyhton 有全面深入的認(rèn)識，達(dá)到會讀、會寫Pyhton 程序的目的。第4 部分內(nèi)容是Pyhton 的計(jì)算生態(tài)，重點(diǎn)介紹機(jī)器學(xué)習(xí)概念和Python 機(jī)器學(xué)習(xí)庫，使學(xué)生樹立應(yīng)用計(jì)算思維來解決工程問題的意識。第5 部分講解智能車技術(shù)及Python 在智能車方面的應(yīng)用案例，通過引入教師在智能車和無人駕駛方面的科研實(shí)例，如車道線識別、車輛檢測等，讓學(xué)生了解人工智能的具體應(yīng)用，并知曉人工智能所需要的數(shù)學(xué)知識體系和專業(yè)知識體系。

2.2 課程教學(xué)設(shè)計(jì)

在課程教學(xué)設(shè)計(jì)中，綜合應(yīng)用問題驅(qū)動教學(xué)法和開放性大作業(yè)，如圖3 所示，引導(dǎo)學(xué)生在解決問題中學(xué)、討論中學(xué)、做中學(xué)、應(yīng)用中學(xué)，充分挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)主動性和積極性，達(dá)到學(xué)習(xí)成效金字塔理論下面3 層的教學(xué)效果。

圖2 Python 編程與智能車技術(shù)課程內(nèi)容

圖3 重在知識應(yīng)用的課程教學(xué)設(shè)計(jì)

對于Python 基礎(chǔ)知識部分，選用嵩天老師的《Python 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》教材。教學(xué)過程中，對于每一個知識點(diǎn)，使知識問題化，引導(dǎo)學(xué)生在思考解決問題過程中完成知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)，比如想引出Python 基本數(shù)據(jù)類型知識點(diǎn)時，借用教材天天向上的例子，先請學(xué)生思考每天努力1%，7天后能力值能增加多少？30 天以后能力值能增加到多少？365 天后能力值又能增加到多少？從簡單的例子入手，引導(dǎo)學(xué)生從數(shù)學(xué)思維到計(jì)算思維的轉(zhuǎn)變，并思考用計(jì)算思維來求解這個問題。要用計(jì)算思維編程來求解這個問題，首先在程序中要有數(shù)據(jù)表達(dá)方式，也就是數(shù)據(jù)類型，繼而開始基本數(shù)據(jù)類型的講解，讓學(xué)生在需要應(yīng)用的基礎(chǔ)上去構(gòu)建新知識體系。在課后作業(yè)中，進(jìn)一步強(qiáng)化實(shí)踐，驅(qū)動學(xué)生去應(yīng)用知識。

對于Python 豐富的計(jì)算生態(tài)，不可能在有限的課時內(nèi)講解大量的第三方庫，通過布置開放性大作業(yè)，讓學(xué)生自由探索、分組合作、自主選擇感興趣的第三方庫完成作業(yè)。從三輪教學(xué)實(shí)踐來看，學(xué)生積極性很高，主動去查閱資料，互相探討。有同學(xué)的大作業(yè)結(jié)合專業(yè)需求完成，如北航生物醫(yī)學(xué)院3 位大二學(xué)生合作完成了細(xì)胞計(jì)數(shù)程序設(shè)計(jì)；有同學(xué)結(jié)合學(xué)習(xí)需求完成，如宇航學(xué)院2 位同學(xué)利用爬蟲和wordcloud 庫生成了出國介紹網(wǎng)站的詞云圖；還有同學(xué)針對學(xué)校熱門的博雅講堂和基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了選課程序。對于每位同學(xué)的大作業(yè)，給予課堂展示機(jī)會，讓學(xué)生有學(xué)習(xí)獲得感，并鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力，另外通過同學(xué)之間作業(yè)互評和交流分享，讓學(xué)生體會學(xué)科交叉。

3 遠(yuǎn)程在線混合式課程教學(xué)

3.1 遠(yuǎn)程在線混合式課程教學(xué)方案

國內(nèi)著名教育學(xué)家何克抗教授解釋混合式教學(xué)是把傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的優(yōu)勢和E-Learning 的優(yōu)勢結(jié)合起來的一種方法，體現(xiàn)教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用，也就是既要發(fā)揮教師引導(dǎo)、啟發(fā)、監(jiān)控教學(xué)過程的作用,又要充分體現(xiàn)學(xué)生的主動性、積極性與創(chuàng)造性。將二者結(jié)合起來優(yōu)勢互補(bǔ)，獲得最佳的學(xué)習(xí)效果[4]。

由于突如其來的新型冠狀病毒肺炎疫情，2020 年春季學(xué)期教師和學(xué)生們不得不改變傳統(tǒng)面授課堂的形式，采用遠(yuǎn)程在線學(xué)習(xí)模式進(jìn)行課程的學(xué)習(xí)，這對于全體師生們來講，既是一次挑戰(zhàn)，也是一次機(jī)遇。

本課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，在線下課堂授課時，感受到的最大問題是難于在教學(xué)過程中做到因材施教，學(xué)生基礎(chǔ)和能力有差別，課堂上有限的時間不能兼顧到所有學(xué)生。如果進(jìn)度放慢，能兼顧到基礎(chǔ)差的同學(xué)，就會浪費(fèi)優(yōu)秀學(xué)生的時間；如加快講課進(jìn)度和提升難度，基礎(chǔ)差的同學(xué)跟不上。學(xué)生的個性化特點(diǎn)得不到充分發(fā)揮，從而導(dǎo)致部分學(xué)生對學(xué)習(xí)失去興趣[5]。

由于有嵩天老師的國家精品在線MOOC“Python 語言程序設(shè)計(jì)”，收到新冠肺炎疫情遠(yuǎn)程在線授課的通知后，本課程決定確定采用MOOC+Python123 在線作業(yè)平臺+在線討論展開遠(yuǎn)程混合式課程學(xué)習(xí)。優(yōu)質(zhì)的MOOC，在教學(xué)內(nèi)容方面可以節(jié)省教師不少精力，教師可以把主要工作集中在引導(dǎo)學(xué)生高效率學(xué)習(xí)上。

緒論課程采用直播方式，對課程主要內(nèi)容和考核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行介紹，讓學(xué)生對課程有一個總體清晰的認(rèn)識，并且也讓學(xué)生感受到雖然遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)，但是大家學(xué)習(xí)課程收獲不會少，樹立學(xué)生對課程的信心和興趣。學(xué)生在第一次課后大都感覺良好，評價第一次課程說：“課程很有趣，學(xué)到了很多計(jì)算機(jī)知識，第一次清楚地明白了計(jì)算機(jī)和程序之間的關(guān)系，對后續(xù)的課程內(nèi)容很期待?！睆牡诙握n開始，基于MOOC 進(jìn)行遠(yuǎn)程混合式教學(xué)，嵩天老師的MOOC 講得非常細(xì)致，需要的時間就顯得長一些，對于本課程來講，如果MOOC內(nèi)容全部用課堂學(xué)時完成，就沒有課堂討論和交流的時間了，而如果只是選取部分章節(jié)學(xué)習(xí)，缺少知識的連貫性。為此，設(shè)計(jì)了課堂學(xué)習(xí)、課后延伸學(xué)習(xí)、拓展學(xué)習(xí)相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式，如圖4所示。

對于每個章節(jié)的核心知識，在課堂上完成，教師事先設(shè)計(jì)知識點(diǎn)相關(guān)的討論題和作業(yè)題，提前在微信群和作業(yè)平臺公布，讓學(xué)生知曉并思考解決問題的方法，帶著解決問題的目的進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)完以后，讓學(xué)生小組討論，各自完成作業(yè)，并輪流在小組內(nèi)選擇學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)會議中講題，使得學(xué)生在全課堂學(xué)習(xí)保持高度緊張和投入的狀態(tài)，學(xué)生在組織講題的過程中，可以及時發(fā)現(xiàn)自己知識點(diǎn)理解不到位的地方，或者其他同學(xué)和老師指出其知識點(diǎn)理解錯誤的地方，完成知識內(nèi)化和鞏固的過程。在核心知識學(xué)習(xí)過程中，會牽出非核心知識，非核心知識并非不重要的，它往往是進(jìn)一步完善核心知識的必備知識點(diǎn)。布置學(xué)生課后延伸學(xué)習(xí)非核心知識，并設(shè)計(jì)作業(yè)鞏固非核心知識的消化。鼓勵學(xué)生在微信群提問和回答其他同學(xué)提出的問題，營造同學(xué)互教互學(xué)的良好氛圍，教師也時刻關(guān)注微信群學(xué)生的互問互答，如果沒有錯誤，教師不介入，如果有錯誤，教師通過提示性問題，引導(dǎo)學(xué)生去思考，直至找到正確的答案。

圖4 基于學(xué)習(xí)成效金字塔理論的混合式教學(xué)方案

把非核心知識設(shè)計(jì)到課外學(xué)習(xí)，給課堂學(xué)時爭取到了討論時間，每次安排MOOC 學(xué)習(xí)進(jìn)度的時候，不要求所有學(xué)生完全統(tǒng)一進(jìn)度，而給予適當(dāng)?shù)臅r間裕度，讓學(xué)生根據(jù)個人需要，跟著MOOC 進(jìn)度同步編寫、調(diào)試程序，每次課留20分鐘的空余時間不學(xué)習(xí)MOOC 新內(nèi)容，設(shè)計(jì)有針對性的討論題和作業(yè)題，通過學(xué)生講題和討論方式引導(dǎo)學(xué)生深入思考，強(qiáng)化重點(diǎn)、難點(diǎn)和易錯知識點(diǎn)。如對于基本數(shù)據(jù)類型的講解，字符串的索引和切片是學(xué)生容易混淆的地方，在學(xué)習(xí)完知識點(diǎn)MOOC 后，設(shè)置微信群討論題：“如何索引到字符串“I love China”中的字符‘C’”？有同學(xué)微信群中寫出“I love China”[7]，也有同學(xué)寫出“I love China”[-5]，當(dāng)有同學(xué)寫出也可以“I love China”[7:-4]時，有同學(xué)表示驚訝和懷疑，趁此群里的討論就熱烈了，字符串的索引和切片，同學(xué)們的掌握也就比較牢固了。

對于Python 豐富的第三方庫內(nèi)容學(xué)習(xí)，引導(dǎo)并鼓勵學(xué)生自由探索Python 第三方庫，把知識拓展應(yīng)用于實(shí)踐，用知識來解決學(xué)習(xí)和生活中的問題。

3.2 遠(yuǎn)程在線混合式課程教學(xué)思考

從已進(jìn)行的幾次遠(yuǎn)程授課來看，當(dāng)代學(xué)生已經(jīng)具備了在線學(xué)習(xí)能力，對學(xué)生而言，MOOC 給了他們一種新的不同于傳統(tǒng)線下課堂的學(xué)習(xí)方式，他們可以在一定時間范圍內(nèi)自由掌控自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度，對于不明白的地方，可以反復(fù)觀看，而不像課堂上，一開小差就跟不上老師的進(jìn)度了，他們相當(dāng)于每次課都坐在第一排，不存在聽不見老師講課或看不清屏幕的問題，他們隨時可以提問，而不用擔(dān)心打擾老師的上課進(jìn)度，在某種程度上，他們可能更喜歡這種學(xué)習(xí)方式和交流方式。這顯示基于MOOC 的混合式教學(xué)難于大面積推廣的原因并非來源于需求側(cè)，而是來源于高校教學(xué)改革的滯后性[6]。

這次疫情推動的遠(yuǎn)程教學(xué)，毫無疑問將推進(jìn)混合式教學(xué)的改革，這種新的學(xué)習(xí)方式必然也要求教師改變自己的教學(xué)方式來適應(yīng)變化?；旌鲜浇虒W(xué)給教師教學(xué)帶來的挑戰(zhàn)主要將體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)[7]。

1）教學(xué)關(guān)注點(diǎn)的變化。

傳統(tǒng)授課方式，教師的教學(xué)關(guān)注點(diǎn)是講什么和怎么講，主要時間投入在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上，采用MOOC 進(jìn)行混合式教學(xué)后，教師的關(guān)注點(diǎn)將轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)學(xué)生怎么學(xué)和控制學(xué)生學(xué)習(xí)效果上。教師需要針對知識點(diǎn)設(shè)計(jì)討論的問題并控制課堂的進(jìn)度，教師的時間主要投入在設(shè)計(jì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，以讓學(xué)生達(dá)到最佳的學(xué)習(xí)效果?？梢哉f，這種教學(xué)關(guān)注點(diǎn)的變化可以真正地做到以學(xué)生發(fā)展為中心來設(shè)計(jì)課程教學(xué)。

2）教師角色的變化。

混合式教學(xué)方法將促使教師把自己從單純的知識傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)和助力學(xué)生成長的導(dǎo)師，其主要任務(wù)不是監(jiān)督和評判學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果，不是給學(xué)生一個課程分?jǐn)?shù)，而是幫助學(xué)生獲得更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新精神。

4 結(jié) 語

教學(xué)是一個復(fù)雜的過程，金字塔學(xué)習(xí)成效理論表明，傳統(tǒng)的說課等授課形式，學(xué)習(xí)方式是被動的，學(xué)習(xí)效率是偏低的。由于新冠肺炎疫情的推動，結(jié)合高質(zhì)量的MOOC 展開的混合式教學(xué)模式，教師的教學(xué)關(guān)注點(diǎn)和教師角色都發(fā)生了轉(zhuǎn)變，在教師有目的的引導(dǎo)下，基于MOOC 的混合式教學(xué)模式使得學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力得到極大的釋放和提高，真正做到了以學(xué)生發(fā)展為中心、以學(xué)生為主體的課程教學(xué)過程，有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的提升，這也為將來疫情結(jié)束后的線上線下混合式教學(xué)模式改革提供參考依據(jù)。