張志龍,郭一珺,楊鴻文,桑林
(北京郵電大學 信息與通信工程學院,北京 100876)
隨著我國經(jīng)濟、社會、教育等方面的多元化發(fā)展,高校學生個體和班級群體的差異化趨勢愈發(fā)明顯。一方面,個體差異性表現(xiàn)為不同學生在知識結(jié)構(gòu)、學習能力、學習習慣和學習興趣等方面的差異性,在教學過程中容易出現(xiàn)“眾口難調(diào)”的情況;另一方面,不同班級對同一門課程的學習表現(xiàn)往往有所不同,相同課程的不同班級可能有不同的群體性格和學習氛圍,這些因素勢必對教學效果產(chǎn)生差異化的影響。學習者的差異化和個性化對傳統(tǒng)高等教育中以教師講授為主的知識灌輸式和規(guī)?;慕虒W模式帶來了極大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的“批處理”方式教學容易導致學生學習的主觀能動性不足、課堂活力不足,嚴重影響了教學質(zhì)量。因此,以學生為中心的個性化教學探索與實踐變得越來越緊迫,也引起了教育界的廣泛關(guān)注[1-3]。
理想的個性化教學模式為極限“一對一”模式,即授課教師以單一學生為中心開展教學活動,授課內(nèi)容和教學進度完全為其定制。但是,此模式成本極高,無法在高等教育中大范圍實施,也沒有充分利用群體環(huán)境的促學作用。在常規(guī)班級授課制的背景下,為了實現(xiàn)以學生為中心的個性化教學,需要定期獲取和分析學生的階段性學習行為,并進行有針對性的教學調(diào)整。雖然可通過訪談、問卷、隨堂測驗和期中考試等傳統(tǒng)手段獲取學習行為信息,但是此類方式的弊端在于無法做到及時和精確地捕獲學習行為;并且數(shù)據(jù)種類較少,投入成本過高,增大了教與學的負擔。因此,傳統(tǒng)教學方式很難取得較好的個性化教學效果。
近年來,隨著教育信息化平臺和在線開放課程的建設和應用[4-6],學生的學習內(nèi)容和途徑越來越豐富,學習行為數(shù)據(jù)的獲取變得更為快速和便利。同時,數(shù)據(jù)維度眾多,比傳統(tǒng)方法所獲取的數(shù)據(jù)更為全面和準確,為個性化教學帶來了新的機遇。在上述有利條件下,國內(nèi)高校和教育工作者已經(jīng)針對個性化教學模式展開了多方面的實踐。例如,在教學中進行基于分層教學理念和慕課(Massive Open Online Course,MOOC)平臺的個性化教學模式探索[7];在選課過程中引入數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),通過挖掘教學網(wǎng)站頻繁訪問節(jié)點數(shù)據(jù)來推薦學生個性化選課[8];在學習空間使用上實現(xiàn)基本課程資源的公平分配和個性課程資源的差異性分配,并實現(xiàn)教學評價模式多元化[9];從學習風格、偏好、知能結(jié)構(gòu)以及在線學習行為及結(jié)果等方面進行分析,對學習資源進行個性化推薦[10];此外,國內(nèi)部分高校開展了針對各類課程翻轉(zhuǎn)課堂的個性化教學實踐[11-12]。
雖然上述探索取得了良好的教學效果,但是仍然沒有充分發(fā)掘?qū)W習行為數(shù)據(jù)對具體課程個性化教學改革的促進作用。因此,針對上述空白,本文依托課程組前期建設的國家級在線精品課程“通信原理MOOC”,利用雨課堂和學堂云等智慧教學平臺,整合和重建相關(guān)教學資源,進行了基于學習行為分析的個性化智慧教學模式探索與實踐?!巴ㄐ旁怼笔请娮有畔㈩悓I(yè)的核心必修課程,課程難度較高,學生普遍重視且成績分布差異度大,適合將其作為教改實驗課程。在具體實施方面,選取“2019北京學院”和本校通信工程專業(yè)“通信原理”課程班級為研究對象,進行兩輪教學實踐,引入線上線下混合式教學、分層教學、個性化推薦、翻轉(zhuǎn)課堂等先進教學理念和教學手段,基于學生特點對教學模式進行了設計,并測試和分析了教學效果。
本文擬利用智能化教學手段獲取學生的學習行為數(shù)據(jù),以此為依據(jù)進行針對班級群體的授課內(nèi)容調(diào)整以滿足公共學習需求,以及針對學生個體的學習內(nèi)容推薦以激發(fā)學生的學習興趣,使學生不斷拓展自主學習的機會,提高學習水平。最終,在教師的智慧導航下,實現(xiàn)以學生為中心的個性化教學。
為滿足不同個性學生的不同需求,針對具體課程的教學應在個性化學習的需求下重新建構(gòu)和拓展,在教學開始前做好充分的準備。個性化教學的必要條件包括可伸縮的課程體系、可量化的學習行為以及可定制的學習內(nèi)容。接下來,針對這三個基本要素,詳細闡述相應的教學準備工作。
1.可伸縮的課程體系
只有在授課內(nèi)容與教學對象相匹配時,學生才具備拓展知識和能力的基石,才有機會對課程學習產(chǎn)生濃厚的興趣;否則,學習很可能淪為應付考試的被動行為,而無法成為一種渴求性的自覺行為。所以,針對不同學生的不同需求,構(gòu)建可伸縮的分層化課程體系十分必要,這樣才能根據(jù)教學對象的特征,自適應調(diào)節(jié)授課內(nèi)容,提升教學的靈活度和擴展性。在具體實施上,可將完整的知識體系按照廣度和深度進行拆解,如圖1所示。其中,廣度包含核心內(nèi)容和擴展內(nèi)容,每個知識點又進一步按照從易到難、由淺至深進行逐層次劃分。
以“通信原理”課程第五章“數(shù)字信號的基帶傳輸”的教學大綱為例,常規(guī)大綱中包括了“數(shù)字脈沖幅度調(diào)制原理”“數(shù)字脈沖幅度調(diào)制信號的功率譜密度”“加性高斯白噪聲信道下數(shù)字脈沖幅度調(diào)制信號的接收”“數(shù)字脈沖幅度調(diào)制信號通過限帶信道傳輸”“線路碼型”“眼圖”“信道均衡”“部分響應系統(tǒng)”“符號同步”這些知識點。其中,“線路碼型”“眼圖”“信道均衡”“部分響應系統(tǒng)”“符號同步”是考慮實際傳輸問題的延展內(nèi)容,相比于其他知識點,這些內(nèi)容相對獨立,因此可將這些知識點作為擴展內(nèi)容;核心內(nèi)容則圍繞“數(shù)字脈沖幅度調(diào)制信號的原理”“功率譜密度”“加性高斯白噪聲信道下數(shù)字脈沖幅度調(diào)制信號的接收”三個方面構(gòu)建。此外,在分層教學方面,以“加性高斯白噪聲信道下數(shù)字脈沖幅度調(diào)制信號的最佳接收”這一教學內(nèi)容為例,可劃分為以下層次:
(1) 淺層:了解數(shù)字脈沖幅度調(diào)制信號的接收過程(以碼元為單位的傳輸、接收端的抽樣判決過程)和最佳接收的概念(判決量、判決門限等),以圖形化的方法授課即可達到此效果;
(2) 中層:了解該過程的數(shù)學描述,掌握發(fā)送符號等概時的最佳判決門限和平均誤碼率;
(3) 深層:掌握背后的數(shù)學原理,例如最佳判決門限背后的優(yōu)化理論,對于發(fā)送符號不等概、多進制等一般情況能夠推導最佳判決門限和系統(tǒng)的平均誤碼率。
2.可量化的學習行為
將學生日常性和階段性的學習行為進行量化,以便及時和準確地了解學生的學習情況。采用智慧教學平臺和常規(guī)教學評測相結(jié)合的方式獲取學習行為的精細化數(shù)據(jù),將其作為個性化教學調(diào)整的重要依據(jù)。在課程的具體實施中,可以從線下和線上兩個方面進行教學準備。以通信原理課程為例,可通過雨課堂和學堂云SPOC兩個途徑獲取行為數(shù)據(jù)(如表1所示):
(1) 線下:基于雨課堂插件改進和編寫授課講義和隨堂測試題庫,用于實時了解學生學習情況,在授課過程中根據(jù)學生學習情況反饋靈活調(diào)整;
(2) 線上:依托于課程組近幾年建設的“通信原理MOOC”,建立以班級為單位的SPOC,記錄學生的線上學習和測試數(shù)據(jù)。該慕課于2018年被評為“國家精品在線課程”,已在學堂在線和中國大學MOOC兩大平臺上線數(shù)輪,學習內(nèi)容和測試習題較為成熟。
表1 融合雨課堂和學堂云SPOC的多維學習行為
如表1所示,實際教學可融合雨課堂和學堂云SPOC提供的學習行為數(shù)據(jù),并從多個維度展開分析,包括了解學生的參與度、知識基礎、疑惑、感興趣的內(nèi)容以及對教學效果的反饋等方面。
3. 可定制的學習內(nèi)容
為實現(xiàn)以學生為中心的個性化教學,需要為學生提供豐富的模塊化學習資源和學習途徑,給每個學生都留有廣闊的學習空間,并在教學活動中創(chuàng)造性地處理課堂、教材和網(wǎng)上的教學資源,在不同階段根據(jù)學習行為數(shù)據(jù)進行定制化的智慧導航和內(nèi)容推薦??啥ㄖ频膶W習內(nèi)容分為補充性和挑戰(zhàn)性兩類:補充性內(nèi)容以基礎知識為主,推薦給知識掌握程度不足的同學;挑戰(zhàn)性內(nèi)容以拓展知識、增加挑戰(zhàn)度為目的,推薦給基礎較好的同學,如圖2所示。
下面以“通信原理”課程為例,進行具體說明。
(1) 補充性內(nèi)容:“通信原理”課程側(cè)重于理論分析,對理論基礎要求較高,主要的兩門先修課程是“信號與系統(tǒng)”和“概率論與隨機過程”。部分同學先修課程基礎薄弱,增加了學習新課程、新知識的難度。此外,“通信原理”課程知識點前后銜接緊密,在學習過程中容易出現(xiàn)中途“掉隊”的情況。所以,需要準備可定制的學習內(nèi)容來加強學生的基礎知識學習。內(nèi)容主要來源于兩方面:①國家精品在線課程“通信原理MOOC”的線上資源;②授課教師長期積累的關(guān)于課程知識點理解和擴展的參考資料。
(2)挑戰(zhàn)性內(nèi)容:對于基礎較好的同學,主要從拓展廣度和挖掘深度兩方面推薦學習內(nèi)容,通過教師的智慧導航,能使學生看問題站得高、思路廣,更容易理解掌握當前的通信技術(shù)發(fā)展。此外,還可采用翻轉(zhuǎn)課堂等新型教學模式來加強學生學習的參與度和挑戰(zhàn)度。翻轉(zhuǎn)課堂核心思想在于:讓學生在課前完成知識的自主學習,在課堂上完成知識的吸收與掌握。相比于文史類課程,“通信原理”課程具有理論性強這一鮮明特點,課程中需推導分析的內(nèi)容多,可發(fā)散討論的內(nèi)容少。因此,將翻轉(zhuǎn)課堂設計為“學生上講臺”的形式:選擇合適的知識點,讓部分學生課前學習,并在課堂上扮演“老師”角色向全體學生講授。
基于學習行為分析的個性化教學模式的總體思路如圖3所示。首先,通過線上線下多種智慧教學平臺搜集學生的學習行為數(shù)據(jù);其次,基于數(shù)據(jù),進行面向?qū)W生個體和班級群體的行為分析;最后,根據(jù)分析結(jié)果進行個性化的教學調(diào)整。上述三個環(huán)節(jié)形成迭代關(guān)系,每個教學周期進行多輪次的迭代,使教學內(nèi)容和方式能夠更好地適應教學對象,并促使學習效率和教學效果逐步收斂。
每輪迭代都可以輸出階段性的評測結(jié)果和定制化的學習方案,以便學生在后續(xù)學習過程中彌補不足和提升能力。顯然,迭代次數(shù)越多,學生得到的定制化學習指導就越及時。但是,每輪迭代都需要教師和學生投入額外的時間和精力,迭代次數(shù)的增加意味著教學負擔的增長。當總體教學投入成本確定時,圖3中任意環(huán)節(jié)開銷過大都會導致迭代次數(shù)不足,影響個性化教學的實施效果。傳統(tǒng)教學的瓶頸之一就在于數(shù)據(jù)獲取成本過高,導致迭代阻力較大。隨著多種信息化教學平臺的出現(xiàn),學習行為數(shù)據(jù)的獲取變得更為簡易,輔之以傳統(tǒng)教學經(jīng)驗和分層可推薦的教學內(nèi)容,新時期的個性化教學具有了大幅提升效果的可能性。
下面闡述圖3的三個關(guān)鍵步驟。其中,對于“數(shù)據(jù)獲取”的介紹如前文所述,本節(jié)不再贅述。“行為分析”是將不同途徑獲取的學習行為數(shù)據(jù)與學生的學習狀態(tài)建立聯(lián)系,發(fā)掘潛在問題,以便明確教學調(diào)整的方向。此環(huán)節(jié)針對學生個體和班級群里兩個層面展開。個體行為數(shù)據(jù)反映了學生不同階段的學習狀態(tài),包括參與度、對當前教學的反饋意見、對部分知識的掌握情況、存在的基礎問題等方面。學生個體行為分析是個性化推薦的依據(jù)。班級群體的學習行為是學生個體數(shù)據(jù)的統(tǒng)計表現(xiàn),包括出勤率、線上學習參與度、練習正確率、分數(shù)分布等方面。群體數(shù)據(jù)可以反映學生的整體學習情況,是課堂整體教學調(diào)整的依據(jù)。
在“教學調(diào)整”方面,基于對學生個體和班級群體的行為分析結(jié)果,進行個性化調(diào)整。首先,根據(jù)群體行為特征,找到教師授課中的不足,強化薄弱環(huán)節(jié),動態(tài)調(diào)整教學進度。例如,可設計課前或課后測試環(huán)節(jié),根據(jù)測試結(jié)果動態(tài)設計并調(diào)整授課內(nèi)容與進度安排,使其具備學生可接受的廣度和深度。其次,根據(jù)個體行為特征,進行預警和學習內(nèi)容推薦,以調(diào)動學生積極性和幫助學生彌補不足、查缺補漏。例如,基于學生線上線下的學習數(shù)據(jù),了解不同學生個體的學習進度差異,并有針對性地推薦不同的線上內(nèi)容輔助學習;適時開展翻轉(zhuǎn)課堂、研討式教學等不同形式的教學活動,基于學生特點分配不同任務,讓每個學生都感受到挑戰(zhàn)度。
基于上述對個性化教學的思考,本文在兩輪次教學活動中,針對授課對象的不同特點,設計并實施了基于學習行為分析的個性化教學具體方案。
2019年暑期,北京郵電大學(以下簡稱“北郵”)與在京多所高校聯(lián)合開展北京學院建設項目,北郵共享自身的優(yōu)質(zhì)教育資源,面向7所北京高校招生,利用暑期時間集中進行一輪核心課程授課,其中包含“通信原理”課程。
考慮到以下因素:一方面,該輪次授課學生的來源和學習基礎差異較大,對個性化教學有強烈需求;另一方面,由于特殊的授課背景,該輪次授課還具備良好的個性化教學條件:①小班教學,學生共計19人,授課老師能夠了解到每一位學生的學習情況;②過程導向,向?qū)W生授予結(jié)課證書,總評不納入學生在其自身學校GPA的計算,適合嘗試新型教學模式。因此,在該輪授課首次嘗試和探索本文所提出的基于學生行為分析的個性化教學模式。下面從學生特點、實施方案和實施效果三個方面具體闡述。
該輪次授課學生來自七所高校,其中有雙一流、211院校,也有普通一本院校,覆蓋大二、大三兩個年級,從學習基礎上看學生之間差異很大。其中,基礎最差的是普通一本院校的大二年級學生,只學習過“信號與系統(tǒng)”和“概率論”,還沒接觸過“隨機過程”“隨機信號”等概念;基礎最好的是211院校的大三年級學生,已經(jīng)在其所在院校學習了“通信原理”課程,報名聽課的主要目的是鞏固和提升。
本輪次授課是在暑期兩周內(nèi)完成,共計40學時,相比于常規(guī)授課的64學時,總學時數(shù)減少了約1/3。針對學生基礎差異大、總學時數(shù)少、單次授課時間長這三大特點,設計如下總體教學方案:第一,采用簡化版教學大綱。刪除零散知識點,留下主線內(nèi)容,在教學總量匹配學時數(shù)的同時,盡量讓授課內(nèi)容完整化。第二,層次化教學內(nèi)容。一方面,能夠有效地應對學生差異性大的特點,在實際授課時,側(cè)重于講述淺層的概念和脈絡以提高基礎弱的學生的聽課效果;把深層的理論分析和推導以課后思考和課外閱讀的形式推薦給基礎好的學生,以提高挑戰(zhàn)度。第三,增加隨堂測驗環(huán)節(jié)。由于單次授課時間較長,可在授課結(jié)束前進行10~20分鐘隨堂測驗,根據(jù)隨堂測驗結(jié)果,了解該次授課的總體效果,便于授課老師根據(jù)學生學習行為反饋,靈活動態(tài)地調(diào)整授課深度。
基于上分析,課程組設計了個性化教學方案,并在教學實施中動態(tài)調(diào)整。具體做法包括:
(1) 在授課開始前,基于學生預習數(shù)據(jù),調(diào)整該次課對相應知識點的講授深度;基于上次課隨堂測驗的情況,調(diào)整該次課對老知識點的復習強度,以及對新知識點的講授速度;
(2) 在授課過程中,基于雨課堂實時反饋數(shù)據(jù),對學生疑惑多的內(nèi)容通過重復、多角度等方式加強對知識點的講解;根據(jù)設計測試題的完成情況,有針對性地補充和鞏固;
(3) 在授課結(jié)束后,通過課后思考題、閱讀參考文獻等方式,對高年級基礎好的學生提出更高的要求和挑戰(zhàn)。
考慮到授課對象的特殊性,對該輪次授課的總評側(cè)重于過程考核??傇u構(gòu)成為:線下成績(40%)+線上成績(40%)+閉卷考試(20%)。其中,線下成績和線上成績分別來自于雨課堂和學堂云的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)的采集時間點多且維度豐富,能夠較為客觀地評價學生在整個授課過程中的學習情況。此外,作為對個性化教學模式的探索,課程組基于所采集的大量學生學習行為數(shù)據(jù),針對學生學習行為的不同特點,對學生進行了個性化評價并授予其定制的結(jié)課證書。例如,對于課堂習題正確率最高的學生,授予其“答題先鋒”稱號;對于在線視頻觀看率最高的學生,授予其“視頻學習王者”稱號。在整輪授課結(jié)束后,通過交流反饋,課程組了解到學生的個性化學習需求得到了很大程度的滿足:基礎弱的學生了解了點對點傳輸?shù)幕靖拍?、原理和方法;基礎好的學生在一些重點和難點內(nèi)容上加深了理解和掌握;學生反饋顯示大部分同學對“通信原理”課程的學習興趣得到了大幅提升。可見,本輪教學初步實現(xiàn)了基于學生學習分析的個性化智慧教學。
基于首輪實施的經(jīng)驗,在2019年秋季學期中,課程組面向北郵通信工程專業(yè)學生再次開展了一輪“通信原理”授課,此輪授課共計64學時,覆蓋學生113人。
該輪次授課的特點是:第一,北郵通信工程專業(yè)在全國排名前列,學生學習基礎好、積極性高,愿意接受高挑戰(zhàn);第二,屬于為期16周的正常教學學期,學生有足夠的時間吸收和轉(zhuǎn)化所學知識。
基于教學對象的特征,在沿用實施案例一所提方案的基礎上,做了以下改進:第一,在總體教學方案上,采用未刪減的完整大綱;第二,在學生行為分析和個性化教學舉措方面,針對學生基礎較好這一特點,引入翻轉(zhuǎn)課堂,提高挑戰(zhàn)度。
下面對翻轉(zhuǎn)課堂教學的具體設計進行詳細闡述。
(1)翻轉(zhuǎn)課堂環(huán)節(jié)設計:針對指定的知識點開展翻轉(zhuǎn)課堂教學活動。對于每個知識點,授課老師會提前發(fā)給學生任務單,全體學生基于該任務單進行課前自主學習。將學生分為“老師”和“聽眾”兩種角色,扮演“老師”角色的學生需在課堂上向全體學生講授一個知識點;扮演“聽眾”角色的學生需在課堂上對“老師”的講授提出疑問或評價。
(2)知識點選擇:側(cè)重于選擇內(nèi)容完整、信息量合適,不太依賴知識積累和行業(yè)經(jīng)驗的知識點,使學生通過對指定教學資源的自主學習,輔助一定的網(wǎng)絡信息搜索,能夠基本掌握該知識點,如“數(shù)字脈沖幅度調(diào)制信號的功率譜密度分析”“加性高斯白噪聲信道下利用匹配濾波器接收的誤碼率分析”等。
(3)任務單設計:任務單用于為學生的自學提供方向性指導。把任務單設計成任務點和問題的形式,讓學生在準備時有明確的目標,提高學生學習的積極性。
(4)報名和準備:扮演“老師”角色的學生通過自愿報名或授課老師根據(jù)學習行為數(shù)據(jù)推薦兩種方式產(chǎn)生,剩余學生扮演“聽眾”角色。授課老師提前一周把任務單發(fā)放給學生,所有學生都根據(jù)任務單進行自主學習,扮演“老師”角色的學生需提前準備關(guān)于該知識點的授課資料。
確定總評結(jié)構(gòu)主要基于以下考慮:第一,能夠全面覆蓋個性化教學各個環(huán)節(jié),激勵和監(jiān)督學生積極參與;第二,能夠客觀反映學生學習效果?!巴ㄐ旁怼痹诒编]屬于重要的專業(yè)必修課,是保研、考研時區(qū)分學生學習能力的重要維度之一??傇u結(jié)構(gòu)中平時成績占比不宜過高,否則容易出現(xiàn)過程替代結(jié)果的現(xiàn)象,導致總評成績趨于統(tǒng)一,無法起到合理評價學生學習效果、區(qū)分學生能力水平的目的。
因此,總評結(jié)構(gòu)設計由過程考核和效果考核兩部分構(gòu)成,如圖4所示。過程考核部分占20%,包括線上學習評價7%、課堂學習評價7%和紙質(zhì)作業(yè)6%。其中,線上學習評價來自學堂云SPOC平臺獲取的線上學習數(shù)據(jù);課堂學習評價來自雨課堂獲取的課堂學習數(shù)據(jù);紙質(zhì)作業(yè)部分主要是針對“通信原理”課程理論推導多的特點,訓練學生的推導和證明能力。效果考核部分占80%,由期中成績40%和期末成績40%組成。期中考試、期末考試覆蓋了大綱里的所有知識點,均為閉卷考試,且考教分離,全年級流水閱卷,能客觀、有效地反映學生的學習效果。
表2統(tǒng)計了采用個性化教學模式的實驗班和其他采用傳統(tǒng)教學模式的對照班的總評情況。可以看出,一方面,實驗班在平均分和及格率上優(yōu)于對照班,這表明所采用的個性化教學方法提高了班級整體的學習效果;另一方面,在傳統(tǒng)教學中,教學內(nèi)容和進度一般以全體學生的平均水平為參照,導致中高水平的學生容易收獲不足,而個性化教學模式能夠讓不同水平的學生都感受到挑戰(zhàn),獲得足夠的提升。表2中實驗班的優(yōu)良率和優(yōu)秀率最高達到對照班的2倍水平,有力地證明了個性化智慧教學的優(yōu)勢。
表2 實驗班與對照班成績比較
本文針對高校傳統(tǒng)教學模式中存在的個性化不足的問題,進行了個性化教學模式的探索與實踐。以“通信原理”課程為例,利用線上線下智慧教學平臺,整合和梳理了課程資源和教學經(jīng)驗,提出了基于學習行為分析的個性化教學模式,概括了其基本目標、三個必要條件以及三個實施步驟,并通過兩個教學案例證明了該模式的有效性。在沒有明顯增加教學負擔的情況下,在一定程度上實現(xiàn)了以學生為中心的個性化智能教學,并取得了良好的教學效果。