BOPPPS教學(xué)模型在“算法分析與設(shè)計(jì)”課程改革中的應(yīng)用

阮勇輝　朱友康　吳天乙　韓偉

摘 要 分析“算法分析與設(shè)計(jì)”課程現(xiàn)狀，針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法存在的問題引入BOPPPS教學(xué)模型，進(jìn)行課程改革。討論了BOPPPS六大環(huán)節(jié)在“算法分析與設(shè)計(jì)”課程中的應(yīng)用，并舉例說明了各環(huán)節(jié)的實(shí)施方法。最后提出了對(duì)課程評(píng)價(jià)體系的改革措施，使得新的教學(xué)方法和相應(yīng)的評(píng)價(jià)體系能夠更好地反映真實(shí)的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 BOPPPS 算法分析與設(shè)計(jì) 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2020.05.060

Abstract This paper analyzes the current situation of Algorithm Analysis and Design， introduces the teaching model of BOPPPS to solve the problems existing in traditional teaching methods， and carries out course reform. This paper discusses the application of six links of BOPPPS in the course of Algorithm Analysis and Design， and illustrates the implementation methods of each link with examples. Finally， the paper puts forward the reform measures of the curriculum evaluation system， so that the new teaching methods and the corresponding evaluation system can better reflect the real teaching effect.

Keywords BOPPPS; Algorithm Analysis and Design; teaching reform

1 概述

近年來，計(jì)算機(jī)專業(yè)的人才需求量快速增加。計(jì)算機(jī)專業(yè)畢業(yè)生的素質(zhì)之一，是具備良好的算法基礎(chǔ)，既有扎實(shí)的理論功底，又能在實(shí)際工作中進(jìn)行應(yīng)用。通過“算法分析與設(shè)計(jì)”課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握一般算法的概念和分析、設(shè)計(jì)方法，提升理論素養(yǎng)和應(yīng)用水平，同時(shí)也為學(xué)生在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的進(jìn)一步深造打下良好的基礎(chǔ)。

在“算法分析與設(shè)計(jì)”課程的實(shí)際教學(xué)過程中，教師和學(xué)生往往會(huì)遇到許多問題。首先，教學(xué)目標(biāo)不夠明確，教師往往只是簡(jiǎn)單的規(guī)定學(xué)生需要理解和掌握哪些知識(shí)點(diǎn)，而學(xué)生則不了解所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)有什么作用，這樣很難引起學(xué)生的興趣。

其次，算法知識(shí)保羅萬象，從計(jì)算機(jī)到數(shù)學(xué)、通信等領(lǐng)域均有涉及，知識(shí)體系龐大。在傳統(tǒng)的教學(xué)方法中，教師為了保證知識(shí)的系統(tǒng)性，需要講解大量?jī)?nèi)容，但忽略了學(xué)生對(duì)知識(shí)的接受情況。通過灌輸為主要手段的教學(xué)方法往往導(dǎo)致課程講完時(shí)，學(xué)生已經(jīng)忘記大部分的內(nèi)容。

最后，課程本身較為抽象，難度較大，對(duì)課上學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用更是難上加難。如果教師不加強(qiáng)課堂的互動(dòng)性，學(xué)生就很難有效的參與到教學(xué)過程中，很容易分神，降低學(xué)習(xí)效果。而傳統(tǒng)的教學(xué)方法中，這一點(diǎn)恰恰是容易被忽視的。

針對(duì)上述問題，本文探討“算法分析與設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)改革方法，使用BOPPPS教學(xué)模型來解決教學(xué)目標(biāo)不明確，學(xué)情得不到重視，課堂參與度低等問題。

2 BOPPPS教學(xué)模型簡(jiǎn)介

BOPPPS教學(xué)模型根據(jù)教育學(xué)人的認(rèn)知理論提出的一種教學(xué)過程設(shè)計(jì)，[1]近年來受到國(guó)內(nèi)各大高校的關(guān)注，[2-4]該模型將教學(xué)過程分為六個(gè)部分。

導(dǎo)入（Bridge-in）：利用提問、案例分析、短視頻等方法引起學(xué)生的興趣，使學(xué)生進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)。

目標(biāo)（Objective）：讓學(xué)生明確可量化、可檢驗(yàn)的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

前測(cè)（Preassessment）：教師通過小測(cè)試了解學(xué)生對(duì)于課程內(nèi)容的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握情況。

參與式學(xué)習(xí)（Participatory learning）：學(xué)生充分參與的教學(xué)過程。

后測(cè)（Postassessment）：教師通過小測(cè)試了解課程是否達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

總結(jié)（Summary）：總結(jié)課程的知識(shí)點(diǎn)，幫助學(xué)生強(qiáng)化學(xué)習(xí)目標(biāo)。

BOPPPS教學(xué)模型非常契合“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，強(qiáng)調(diào)學(xué)生參與到教學(xué)過程中，教師則需要及時(shí)了解學(xué)情，并根據(jù)學(xué)情調(diào)整教學(xué)計(jì)劃。通過仔細(xì)設(shè)計(jì)六個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)容，教師可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，活躍課堂氣氛，并且使學(xué)生牢固的掌握所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)。

3 課程教學(xué)方法改革

通過引入BOPPPS教學(xué)模型進(jìn)行課程改革，改進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)方法在課程中的諸多問題，分析了BOPPPS教學(xué)模型六大環(huán)節(jié)在“算法分析與設(shè)計(jì)”課程中的具體實(shí)施方法。

3.1 導(dǎo)入環(huán)節(jié)

導(dǎo)入部分通常時(shí)間較短（3至5分鐘），應(yīng)該充分借鑒微課教學(xué)法、案例教學(xué)法等方法，使得學(xué)生的興趣被快速的調(diào)動(dòng)起來。

微課教學(xué)法是利用微視頻的形式講授知識(shí)的一種教學(xué)方法，其核心在于短小、精煉的微視頻。在BOPPPS的導(dǎo)入部分，教師可以通過微視頻讓學(xué)生快速了解各類算法在實(shí)際應(yīng)用中的成果。例如，在介紹算法的概念之前，可以先播放《AI算法助力疾控診療》短視頻，向?qū)W生展示算法如何在醫(yī)療領(lǐng)域帶來幫助，讓學(xué)生明白算法學(xué)習(xí)并不是空中樓閣，而是與日常工作生活息息相關(guān)。

在短視頻素材的選取方面，教師應(yīng)該以時(shí)事要聞為主，特別是學(xué)生更加關(guān)注的新聞，讓學(xué)生覺得課程內(nèi)容與日常生活有聯(lián)系，用得上。

案例教學(xué)法是一種以案例為基礎(chǔ)的教學(xué)方法，教師選取與課程內(nèi)容相關(guān)的實(shí)際案例作為導(dǎo)入，讓學(xué)生在充分思考的基礎(chǔ)上，能夠主動(dòng)參與到后續(xù)環(huán)節(jié)，而不是一味的被動(dòng)接受。

例如，在講解線性規(guī)劃模型時(shí)，可以通過銀行理財(cái)?shù)陌咐鳛檎n程導(dǎo)入。理財(cái)是日常生活中經(jīng)常發(fā)生的事，不同的方式帶來不同的收益，在理財(cái)時(shí)達(dá)到收益最大化是所有人的共識(shí)。在講解該案例時(shí)，學(xué)生會(huì)覺得理財(cái)知識(shí)非常有用，但又無從下手，從而產(chǎn)生好奇心，于是主動(dòng)參與到后續(xù)的教學(xué)環(huán)節(jié)中。

課程導(dǎo)入環(huán)節(jié)是BOPPPS模型中非常重要的一環(huán)，在“算法分析與設(shè)計(jì)”課程中，由于算法本身較為抽象，學(xué)生很難快速進(jìn)入學(xué)習(xí)角色中，因此導(dǎo)入環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)尤為重要。好的導(dǎo)入能夠讓學(xué)生自然的進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，跟隨教師參與到后續(xù)教學(xué)環(huán)節(jié)中。導(dǎo)入的方法不限于上述的討論，教師應(yīng)該不斷的探索如何設(shè)計(jì)一個(gè)好的導(dǎo)入環(huán)節(jié)。

3.2 目標(biāo)環(huán)節(jié)

目標(biāo)環(huán)節(jié)的提出是為了讓學(xué)生明確課程目標(biāo)，準(zhǔn)確的說應(yīng)該是學(xué)生通過一次課程的學(xué)習(xí)而取得的“收獲”。這一環(huán)節(jié)不同于傳統(tǒng)教學(xué)方法中的課程目標(biāo)，要體現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，確立的目標(biāo)應(yīng)該是可測(cè)試的。

首先，在制定目標(biāo)時(shí)，不要簡(jiǎn)單的將知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行一一羅列，并要求學(xué)生理解或者掌握。要從學(xué)生的立場(chǎng)出發(fā)，結(jié)合學(xué)情，制定的目標(biāo)既要有較為基礎(chǔ)、易于實(shí)現(xiàn)的部分，又要有具備難度，向?qū)W生提出挑戰(zhàn)的部分。例如，在講解算法的時(shí)間復(fù)雜度計(jì)算時(shí)，“能夠說出時(shí)間復(fù)雜度的定義”的目標(biāo)僅要求學(xué)生聽懂定義并且復(fù)述，是一個(gè)基礎(chǔ)的目標(biāo)，而“能夠列舉主定理的三種情況”的目標(biāo)則要求學(xué)生在理解主定理證明過程的基礎(chǔ)上進(jìn)行記憶，是一個(gè)更具挑戰(zhàn)的目標(biāo)。

其次，所制定的目標(biāo)一定是易于測(cè)試的，這不僅有利于教師檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，更有利于學(xué)生自我檢查。例如，在講解分治算法章節(jié)內(nèi)容時(shí)，如果將目標(biāo)之一定為“掌握分治算法”，那么教師如何測(cè)試學(xué)生是否真正掌握算法？“掌握”到底是指能夠用分治法解決理論習(xí)題，還是指能夠靈活運(yùn)用分治法解決實(shí)際生產(chǎn)生活中的問題？如果教師無法明確教學(xué)目標(biāo)的評(píng)測(cè)，那么學(xué)生只會(huì)更加迷茫，搞不清楚自己是否完成了學(xué)習(xí)任務(wù)，從而降低學(xué)習(xí)積極性。相反，如果學(xué)生能夠通過教師設(shè)計(jì)的測(cè)試或者自我測(cè)試的方式檢查自己的目標(biāo)完成情況，這樣既能夠隨時(shí)自查學(xué)習(xí)不到位的地方，又能夠確定哪些部分自己已經(jīng)學(xué)到位，對(duì)于學(xué)生自信心的確立和積極性的提升都有益處。

在“算法分析與設(shè)計(jì)”課程中，課程內(nèi)容難度較大，學(xué)生容易在學(xué)習(xí)過程中喪失自信心，中途掉隊(duì)。因此，目標(biāo)環(huán)節(jié)要求教師從學(xué)生角度出發(fā)，根據(jù)學(xué)情合理制定可測(cè)試的學(xué)習(xí)目標(biāo)，幫助學(xué)生隨時(shí)自查學(xué)習(xí)進(jìn)度，提高學(xué)生的積極性。

3.3 前測(cè)環(huán)節(jié)

前測(cè)環(huán)節(jié)幫助教師更好的了解學(xué)情，從而調(diào)整和優(yōu)化教學(xué)過程的實(shí)施方案。在前測(cè)環(huán)節(jié)中，教師既可以測(cè)試學(xué)生是否具備相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)和能力，又可以了解學(xué)生的預(yù)習(xí)情況。這些內(nèi)容對(duì)于教師調(diào)整教學(xué)過程的有著重要的參考價(jià)值。

例如，在講解回溯法章節(jié)的內(nèi)容時(shí)，由于回溯法的實(shí)現(xiàn)對(duì)編程水平要求較高，前測(cè)環(huán)節(jié)可以用一些編程題測(cè)試學(xué)生的編程能力。如果學(xué)生普遍編程能力較強(qiáng)，上課時(shí)可以直接采用程序代碼進(jìn)行講解，課后作業(yè)可以要求學(xué)生獨(dú)立完成算法的編程實(shí)現(xiàn)。反之，如果學(xué)生普遍編程能力較弱，則上課時(shí)可以多花時(shí)間為學(xué)生講解程序?qū)崿F(xiàn)中的細(xì)節(jié)問題，布置作業(yè)時(shí)可以要求學(xué)生閱讀程序代碼而不是獨(dú)立編程實(shí)現(xiàn)。

教師應(yīng)重視前測(cè)環(huán)節(jié)收集的信息，這些信息不僅可以使教師靈活調(diào)整當(dāng)堂課程的內(nèi)容，也可以作為課程長(zhǎng)期規(guī)劃的依據(jù)。

3.4 參與式學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)

參與式學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的重點(diǎn)是令學(xué)生主動(dòng)參與到教學(xué)環(huán)節(jié)，而不是以教師講授，學(xué)生被動(dòng)接受的方式開展。

在“算法分析與設(shè)計(jì)”課程中，要充分利用這一環(huán)節(jié)，結(jié)合講授法、討論法、演示法等教學(xué)方法，讓學(xué)生在參與過程中獲得自信心和成就感，從而避免因?yàn)檎n程內(nèi)容抽象和難度較高使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生迷茫、挫敗，甚至抵觸的情緒。

在參與式學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中，不可全程采取講授法進(jìn)行教學(xué)，這樣就退回了傳統(tǒng)教學(xué)法，將產(chǎn)生種種問題。但是，在基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)環(huán)節(jié)，例如分治法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、回溯法等各種算法的概念和基本思想，講授法仍不失為一種可選的教學(xué)方法。

討論法是參與式學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)更為理想的實(shí)施手段。由于算法學(xué)習(xí)過程中伴隨著大量的練習(xí)，而大多數(shù)算法習(xí)題有著不止一種解決方案。隨著學(xué)習(xí)的不斷深入，不同的人面對(duì)同一個(gè)問題可能會(huì)想出不同的解法。這時(shí)組織小組討論，組間競(jìng)賽等，既能讓學(xué)生在交流中相互學(xué)習(xí)，又能夠引起學(xué)生的好勝心，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的積極性，使得學(xué)生自愿的參與到教學(xué)環(huán)節(jié)中。在適當(dāng)?shù)挠懻摻涣骱?，再由教師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和分析，加深學(xué)生的印象。

演示法在“算法分析與設(shè)計(jì)”課程中也是重要的教學(xué)方法之一，這里主要是指編程過程的演示。在課程教學(xué)過程中，大部分算法的實(shí)現(xiàn)代碼較為復(fù)雜，且要求較高的編程技巧，所以教師在實(shí)現(xiàn)部分的講解時(shí)，將關(guān)鍵代碼直接進(jìn)行編程演示，并細(xì)致剖析講解，讓學(xué)生能夠真正學(xué)會(huì)動(dòng)手實(shí)現(xiàn)算法，也是提高學(xué)生參與程序的有效方法。

參與式學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中用到的教學(xué)方法不限于以上討論的幾種，由于算法的發(fā)展日新月異，像大數(shù)據(jù)算法和人工智能算法如今每天都在更新，教師也應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，講解新算法時(shí)考慮新思路和新手段。

3.5 后測(cè)環(huán)節(jié)

后測(cè)環(huán)節(jié)臨近BOPPPS教學(xué)過程的尾聲，幫助教師了解學(xué)生經(jīng)過一堂課的學(xué)習(xí)后取得成果。和前測(cè)環(huán)節(jié)一樣，后測(cè)環(huán)節(jié)占據(jù)的時(shí)間通常也較短，測(cè)試內(nèi)容應(yīng)該重點(diǎn)突出，考察學(xué)生是否通過學(xué)習(xí)獲取了最基本、最重要的知識(shí)和能力，而不是將課上涉及的所有知識(shí)點(diǎn)、討論內(nèi)容和講解的習(xí)題——進(jìn)行測(cè)試。

在設(shè)計(jì)后測(cè)環(huán)節(jié)時(shí)，教師應(yīng)該注意測(cè)試內(nèi)容與目標(biāo)環(huán)節(jié)和/或前測(cè)環(huán)節(jié)的對(duì)應(yīng)。例如，目標(biāo)環(huán)節(jié)規(guī)定學(xué)習(xí)目標(biāo)之一是“學(xué)生能夠列舉貪心法應(yīng)用的兩個(gè)前提條件”，則后測(cè)環(huán)節(jié)中可以提問“貪心法的應(yīng)用有哪些注意事項(xiàng)”，幫助學(xué)生梳理是否完成了學(xué)習(xí)目標(biāo)。