人工智能賦能的混合式教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

摘 要：2020年的疫情，讓廣大的教育者積極思考未來教育的可能。隨著國內(nèi)疫情的好轉(zhuǎn)趨勢，各地復(fù)學(xué)，逐步轉(zhuǎn)入線下，利用互聯(lián)網(wǎng)+人工智能賦能，實(shí)施線上線下混合教學(xué)模式是符合當(dāng)前形勢需要和教學(xué)改革方向的有益探索。文章以廣東東軟學(xué)院數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程開展的線上線下混合教學(xué)模式為基礎(chǔ)，分析了混合教學(xué)的優(yōu)勢，構(gòu)建了互聯(lián)網(wǎng)+人工智能賦能的線上線下教學(xué)閉環(huán)，并對(duì)如何進(jìn)行教學(xué)過程的掌控和學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)進(jìn)行了優(yōu)化和實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：人工智能賦能;線上線下混合課程;數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.02.014

本文著錄格式：向燕飛.人工智能賦能的混合式教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐——以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程為例[J].軟件，2021，42（02）：

046-051

Design and Practice of Artificial Intelligence-enabled Hybrid Teaching： Taking Data Structure and Algorithm as an Example

XIANG Yanfei

（School of Computing Neusoft Institute Guangdong， Foshan? Guangdong? 528225）

【Abstract】：The epidemic in 2020 has prompted educators to think about the possibilities of future education. With the improving trend of the epidemic in China， schools opened again and turned to offline study. Using the Internet + Artificial intelligence to enable online and offline mixed teaching mode.It is a beneficial exploration that in line with the needs of the current situation and the direction of teaching reform.Taking "Data Structure and Algorithms" as an example，this paper analyzes the advantages of the mixed teaching mode， constructs the artificial intelligence empowering online and offline teaching closed-loop， and practices how to control the teaching process and learning evaluation.

【Key words】：artificial intelligence enabling;online and offline mixed courses;data structure and algorithm

0 引言

隨著各種新技術(shù)，尤其是信息技術(shù)的發(fā)明與普及，互聯(lián)網(wǎng)與人工智能技術(shù)相結(jié)合，呈爆發(fā)式發(fā)展，對(duì)人類社會(huì)帶來了前所未有的影響，其中之一就是對(duì)傳統(tǒng)的教育教學(xué)模式產(chǎn)生了巨大的沖擊。而過去的一年，突發(fā)的新冠肺炎疫情徹底改變了2020年春季學(xué)期的教學(xué)模式，在教育部提出的“停課不停教、停課不停學(xué)”實(shí)施方案指導(dǎo)下，各高校積極應(yīng)對(duì)，制定線上教學(xué)計(jì)劃，安排進(jìn)度，將原來的線下教學(xué)徹底轉(zhuǎn)換成線上教學(xué)[1]，人工智能賦能教育，促進(jìn)了教學(xué)手段多樣化。它輔助教師提高教學(xué)水平，提升教學(xué)質(zhì)量。我們需思考如何更好地融合線上和線下教學(xué)資源、教學(xué)手段、教學(xué)方法等為教育服務(wù)。切實(shí)提高教育教學(xué)水平是每一位教育工作者需要深入思考的問題[2]。隨著國內(nèi)疫情的好轉(zhuǎn)趨勢，防控也進(jìn)入了常態(tài)化，全程線上教學(xué)師生缺少面對(duì)面的交流[3]，難免生硬，缺少思想的碰撞。各地復(fù)學(xué)，逐步轉(zhuǎn)入線下，但線上的優(yōu)勢不能忽略，因此，利用“互聯(lián)網(wǎng)+”人工智能賦能，實(shí)施線上線下混合教學(xué)模式是符合當(dāng)前形勢需要和教學(xué)改革方向的有益探索。

論文以廣東東軟學(xué)院數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程開展的線上線下混合式教學(xué)模式為基礎(chǔ)，分析了混合式教學(xué)的優(yōu)勢，構(gòu)建了“互聯(lián)網(wǎng)+”人工智能賦能的線上線下教學(xué)閉環(huán)，并對(duì)如何進(jìn)行教學(xué)過程的掌控和學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)進(jìn)行了優(yōu)化和實(shí)踐。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 課程體系的優(yōu)化與構(gòu)建

在創(chuàng)新型應(yīng)用計(jì)算機(jī)人才的培養(yǎng)體系中，程序設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)能力是最首要的培養(yǎng)目標(biāo)。在課程體系中更重視構(gòu)建“以程序和算法為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力”，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程在這一課程主線起著“承上啟下”的橋接作用。經(jīng)過幾年的探索和實(shí)踐，我們對(duì)培養(yǎng)計(jì)劃和各課程定位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建以下適合本校應(yīng)用型本科特點(diǎn)的線上線下混合式課程體系，如圖1所示。

1.2 教育思想和理念

在教學(xué)過程中，基于以下三大教學(xué)理論的思想，對(duì)課程進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。

（1）PBL（Problem-Based Learning，問題驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)）。問題求解是人類在自然界中最重要的認(rèn)知活動(dòng)之一。根據(jù)PBL的啟發(fā)，對(duì)課程進(jìn)行線上線下混合式設(shè)計(jì)，在課前和課后分別設(shè)計(jì)不同的問題，探索和實(shí)踐“遞進(jìn)式分層任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)模式。以問題作為學(xué)習(xí)的起點(diǎn)，設(shè)計(jì)的教學(xué)活動(dòng)圍繞著問題展開，問題的挑選并不是隨意的，而是學(xué)生在其未來的專業(yè)領(lǐng)域可能會(huì)碰到的真實(shí)問題，基于此，學(xué)生開展自主、合作和探究式的學(xué)習(xí)，得出的學(xué)習(xí)成果，是一套能解決問題的算法或方案，在問題的求解完成后，進(jìn)行自我評(píng)價(jià)和小組評(píng)價(jià)。（2）Bloom認(rèn)知理論（教育目標(biāo)分類法）。在Bloom教學(xué)目標(biāo)的各層次中，記憶和理解位于最底層，也是最簡單的任務(wù)，應(yīng)用和分析處于中間層次，是有一定難度的，評(píng)估和創(chuàng)造位于最上的兩層，當(dāng)然是最有難度的任務(wù)[4]。因而在任務(wù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，提倡不能僅僅局限于初級(jí)認(rèn)知的問題，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)，高級(jí)應(yīng)用型和創(chuàng)新型的問題更能夠激發(fā)學(xué)生的思維，從而培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、創(chuàng)新能力和職業(yè)素養(yǎng)。（3）SCL（Student Centred Learning，以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)）。2020年《創(chuàng)新教學(xué)報(bào)告》仍強(qiáng)調(diào)一個(gè)重要的信息：技術(shù)變革帶來的創(chuàng)新教學(xué)法正日新月異，教育工作者在關(guān)注技術(shù)應(yīng)用的同時(shí)，更應(yīng)思考技術(shù)與理論的有機(jī)融合，緊密圍繞以學(xué)生為中心的教學(xué)理念創(chuàng)新應(yīng)用[5]。在計(jì)算機(jī)學(xué)院2019級(jí)軟件工程和網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)學(xué)生中進(jìn)行“哪些能力得到提高”的調(diào)查問卷中，“自學(xué)能力、溝通能力、查閱資料能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、分析解決問題等能力得到了提高”是學(xué)生表述最多的內(nèi)容，其中“解決問題的能力”占比最高，78.3%的學(xué)生選擇了此項(xiàng)，數(shù)據(jù)說明，這一模式實(shí)現(xiàn)了知識(shí)課堂向能力課堂的轉(zhuǎn)變。

1.3 “互聯(lián)網(wǎng)+”智能賦能的混合式課程的教學(xué)框架

課程組經(jīng)過幾年在專業(yè)核心課程進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)踐，積累了不少經(jīng)驗(yàn)，疫情期間，在原有的“MOOC+ PTA（程序設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)平臺(tái)）”混合式課堂模式的基礎(chǔ)上，融入了更多AI教學(xué)軟件，讓教學(xué)更具有互動(dòng)性、智能性和可擴(kuò)展性。疫情后期線下復(fù)課以后，很好地延續(xù)了這一模式，設(shè)計(jì)出基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的線上線下混合課程，如圖2所示。

在課程總體設(shè)計(jì)的框架里，設(shè)計(jì)Online-Online & Offline-Online-Offline-Online五步環(huán)節(jié)，構(gòu)建O2O2O （Online to Offline to Online）教學(xué)閉環(huán)，如圖3所示。

（1）Online：分發(fā)需求解的新任務(wù)——教師將教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行分解，提出問題-創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)興趣;（2）Online & Offline：分組討論——學(xué)生查看任務(wù)單對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，分析問題，包括數(shù)據(jù)怎么組織，完成什么功能，需要用到什么算法;（3）Online：思考探究，構(gòu)建知識(shí)——學(xué)生完成MOOC預(yù)習(xí)視頻+OJ課前練習(xí)，教師查看答題情況，設(shè)立線上小白專場，詳解基礎(chǔ)任務(wù);（4）Offline：組織課堂教和學(xué)，問題求解——學(xué)生展示在預(yù)習(xí)和完成基礎(chǔ)階任務(wù)中獲得的經(jīng)驗(yàn)，分享解題技巧，教師根據(jù)預(yù)習(xí)情況提煉總結(jié)重難點(diǎn)，需要注意的是，在這一環(huán)節(jié)，教師還將側(cè)重于在深度上進(jìn)行引申，深化知識(shí)，合作提煉，激發(fā)學(xué)生舉一反三的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新性思維，從而引導(dǎo)學(xué)生找到更多的解法。設(shè)立刷題排行榜，讓學(xué)生完成能力應(yīng)用級(jí)的任務(wù);（5）Online：拓展延伸，利用PTA完成分級(jí)任務(wù)評(píng)測——在問題上進(jìn)行拓展，延伸到專業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，設(shè)立線上應(yīng)用競技場，詳解高階性的任務(wù)。

2 教學(xué)案例和效果評(píng)估

廣東東軟學(xué)院的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程依托國家級(jí)在線開放課程，在“中國大學(xué)MOOC”和網(wǎng)易“云課堂”平臺(tái)，注冊(cè)人數(shù)累計(jì)超過一百萬人（截止到2020年6月）。課程基于“MOOC+PTA”的翻轉(zhuǎn)教學(xué)在疫情前已進(jìn)行實(shí)踐3期。作為計(jì)算機(jī)學(xué)院的專業(yè)核心課程，共設(shè)立96學(xué)時(shí)，其中理論56學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)24學(xué)時(shí)，綜合課程設(shè)計(jì)16學(xué)時(shí)。課程利用天梯程序設(shè)計(jì)團(tuán)體賽的官方評(píng)判系統(tǒng)PTA，此系統(tǒng)得到網(wǎng)易的技術(shù)支持，是科技部科技創(chuàng)新2030-“新-代人工智能”大項(xiàng)目（2020年）和國家自然科學(xué)基金重項(xiàng)目（2020年）研究的支撐平臺(tái)。在疫情6個(gè)月期間內(nèi)，線上提交量達(dá)到0.5億次，系統(tǒng)壓測QPS>5000，最大程度地為線上教學(xué)活動(dòng)提供了保障。

在課程實(shí)踐中，借助“PDS查重系統(tǒng)+OMS監(jiān)考系統(tǒng)”，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程實(shí)現(xiàn)了無紙化考試。進(jìn)一步結(jié)合智能互動(dòng)教學(xué)工具，努力讓學(xué)生在質(zhì)疑、思疑、解疑的互動(dòng)體驗(yàn)、參與中學(xué)習(xí)。設(shè)計(jì)任務(wù)難度分級(jí)，形式采取多樣化，引入電影，生活中各種解題的場景，體現(xiàn)課程內(nèi)容的“兩性一度”，即高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。打造一個(gè)立體多維度的線上線下混合式教學(xué)生態(tài)系統(tǒng)，最大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性，如圖4所示。

結(jié)合這樣的思路，設(shè)計(jì)靈活多樣的教學(xué)活動(dòng)，這些活動(dòng)充分體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的互動(dòng)式教與學(xué)，主要集中在三個(gè)點(diǎn)：一，以學(xué)生為中心;二，教與學(xué)的互動(dòng)，三，保障教學(xué)按節(jié)點(diǎn)完成，提升教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。充分利用互聯(lián)網(wǎng)+人工智能教學(xué)APP，賦能滲透到教和學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，詳見表1。

2.1 教育的組織和實(shí)施

通過“問題代入，任務(wù)驅(qū)動(dòng)式”策略，教學(xué)組織上參照BOPPPS模式，注重學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)的各環(huán)節(jié)，重點(diǎn)在目標(biāo)-活動(dòng)-評(píng)價(jià)的整體設(shè)計(jì)，如圖5所示。

2.2 課前

課前設(shè)計(jì)主要包含兩個(gè)內(nèi)容：

（1）教學(xué)目標(biāo)分解和學(xué)生掌握程度評(píng)估的設(shè)計(jì)。教師在課前進(jìn)行教學(xué)目標(biāo)分解和學(xué)生掌握程度評(píng)估的設(shè)計(jì)，以第三周學(xué)習(xí)中的“認(rèn)識(shí)堆棧、掌握棧的邏輯結(jié)構(gòu)與基本運(yùn)算”為例， 設(shè)計(jì)詳見表2。

（2）分級(jí)任務(wù)單。以第三周為例，每周6學(xué)時(shí)，每2學(xué)時(shí)設(shè)計(jì)課前預(yù)習(xí)任務(wù)和PTA基礎(chǔ)練習(xí)。如圖6所示，在課前用A+課堂派，以通知公告的形式提前一周發(fā)送給學(xué)生，學(xué)生可以在手機(jī)上通過微信查看。線下小組討論和線上看MOOC視頻及課件做好預(yù)習(xí)，在課前完成與知識(shí)能力目標(biāo)對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)練習(xí)，教師可以在課前導(dǎo)出練習(xí)的成績，用PTA和A+課堂派的數(shù)據(jù)分析查看學(xué)生預(yù)習(xí)的掌握程度，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)課堂教學(xué)。

2.3 課中

課堂教學(xué)主要在多媒體翻轉(zhuǎn)教室（Flipped class-room）進(jìn)行，教師首先對(duì)學(xué)生完成先導(dǎo)任務(wù)的情況進(jìn)行總結(jié)，講解學(xué)生存在的共性問題和不合理的設(shè)計(jì)，有針對(duì)性地對(duì)重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展解析，必要時(shí)，教師輔以參考代碼示例講解，適當(dāng)增加調(diào)試技巧展示。對(duì)學(xué)生在任務(wù)中的亮點(diǎn)提出表揚(yáng)，為鼓勵(lì)學(xué)生多思考，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，可以自薦或點(diǎn)人的方式由1～2名學(xué)生通過屏幕共享方式分享創(chuàng)新的解題思路，培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)能力和溝通能力。并設(shè)計(jì)互動(dòng)環(huán)節(jié)，利用A+課堂派平臺(tái)的搶答、隨機(jī)選人、投票等功能，活躍課堂氛圍。提問以獎(jiǎng)勵(lì)為主，獎(jiǎng)勵(lì)按評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)入過程考核分。另外，實(shí)驗(yàn)課或者拓展討論課，以線性結(jié)構(gòu)為主題的拓展專題為例，延伸到行業(yè)前沿的應(yīng)用，如：（1）鏈表在緩存清理方面的運(yùn)用;（2）堆棧在最短路徑智能搜索方面的運(yùn)用;（3）隊(duì)列在數(shù)據(jù)加密技術(shù)方面的運(yùn)用。學(xué)生可選擇主題做匯報(bào)，以小組為單位以分享屏幕的方式分享階段性綜合編程實(shí)踐的設(shè)計(jì)思路和代碼，引導(dǎo)學(xué)生互評(píng)和討論。

2.4 課后與評(píng)價(jià)

課后，教師通過A+課堂派發(fā)布課后拓展任務(wù)，主要在程序類實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生需在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)完成，由系統(tǒng)在線判題?；ピu(píng)作業(yè)通過微助教提交，可設(shè)置教師和學(xué)生互評(píng)成績的比例，互評(píng)可以讓學(xué)生加強(qiáng)相互學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)不同的解題方法，同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生高階思維的能力。教師可以通過PDS系統(tǒng)和AI教學(xué)軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如查重，針對(duì)某道編程題，選擇一位同學(xué)，通過在本用戶組和同題集里生成查重報(bào)告，如圖7所示。如果有三位同學(xué)和這位同學(xué)的代碼重復(fù)率達(dá)到95%以上，則認(rèn)定為無效作業(yè)，判0分，而圖中的樣本為通過查重檢測。

提交動(dòng)態(tài)列表功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)測學(xué)生做題過程的詳細(xì)情況，包括提交的具體時(shí)間和狀態(tài)，判斷和選擇類的題包括部分正確和完全正確，教師可以展開查看具體的詳細(xì)信息，程序題可以查看提交代碼是否一一通過測試點(diǎn)，以及程序運(yùn)行耗時(shí)，可以讓教師清晰地了解哪些知識(shí)是易錯(cuò)點(diǎn)，哪些是難點(diǎn)。對(duì)下一次線上課堂重難點(diǎn)分析的教學(xué)設(shè)計(jì)起到了很好的決策作用，如圖8所示。

每一次任務(wù)，可以在線生成成績分析報(bào)告，教師通過數(shù)據(jù)對(duì)比，查看學(xué)生的最高分，最低分和平均分，通過查看知識(shí)點(diǎn)得分率和難度系數(shù)來評(píng)判學(xué)生的掌握程度，幫助教師及時(shí)對(duì)下一次任務(wù)設(shè)計(jì)作出對(duì)應(yīng)的調(diào)整，以20軟工3班，第一周任務(wù)完成后的成績數(shù)據(jù)為例，可以得出，因?yàn)閷W(xué)生在程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中學(xué)過數(shù)組，掌握得還不錯(cuò)，所以順序表的題目得分率也達(dá)到了94%，而對(duì)于函數(shù)的增長趨勢知識(shí)點(diǎn)，掌握相對(duì)較弱，導(dǎo)致時(shí)間復(fù)雜度分析的得分率也不高，如圖9所示。教師在下一次查缺補(bǔ)漏的環(huán)節(jié)中，將加深這一知識(shí)點(diǎn)的剖析和鞏固訓(xùn)練。

為了讓學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)從以往的總結(jié)性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)為形成性評(píng)價(jià)，從判斷結(jié)果轉(zhuǎn)到描述過程[6]。對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)不僅要關(guān)注學(xué)生的元認(rèn)知能力，也要關(guān)注學(xué)生的素養(yǎng)發(fā)展[7]，而傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)思路往往會(huì)造成測試與學(xué)習(xí)呈分離狀態(tài)，整個(gè)評(píng)價(jià)過程主要是教師在開展，學(xué)生被動(dòng)地參與評(píng)價(jià)。為了改變這一現(xiàn)狀，借助于人工智能的教學(xué)APP和評(píng)價(jià)體系的設(shè)計(jì)，大大鼓勵(lì)了學(xué)生積極參與評(píng)價(jià)各環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生通過自我評(píng)估、自我監(jiān)督和自我調(diào)整來縮小與更優(yōu)秀學(xué)生的學(xué)習(xí)差距，并幫助他們確定下一步的學(xué)習(xí)計(jì)劃。在課程的評(píng)價(jià)體系中，實(shí)施過程考核多樣化，形成性評(píng)價(jià)與學(xué)期末評(píng)價(jià)相結(jié)合，詳見表3。

在實(shí)踐中，結(jié)合“教賽融合”，以輸出成果為導(dǎo)向，再反饋到教學(xué)上的反思，促進(jìn)教學(xué)，形成相互促進(jìn)的良性循環(huán)。通過這樣的實(shí)踐，計(jì)算機(jī)學(xué)院取得了顯著的成績，學(xué)生學(xué)習(xí)算法興趣越來越濃，以20級(jí)軟工4班為采樣數(shù)據(jù)，平均每周的互動(dòng)話題發(fā)言條數(shù)，較以前增長了225%，刷題排行榜的總積分（總分為880分）整體提高了146分，在程序設(shè)計(jì)與編程類的國賽省賽中，參加的學(xué)生人數(shù)和獲獎(jiǎng)獎(jiǎng)項(xiàng)也越來越多。

3 結(jié)論

一場突如其來的疫情，給人類的生活帶來了影響，同時(shí)也帶來了挑戰(zhàn)，讓廣大的教育者積極思考和探索未來教育的可能[8]，文章提出的“互聯(lián)網(wǎng)+智能賦能的線上線下混合式課堂”模式，通過實(shí)踐證明，學(xué)生對(duì)這一教學(xué)模式普遍表示認(rèn)可和接受，在理論知識(shí)掌握和實(shí)踐能力提升，以及創(chuàng)新思維培養(yǎng)上均基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。人工智能、技術(shù)賦能教育融合線上線下的教學(xué)改革實(shí)踐當(dāng)前還處于第一階段，在今后的實(shí)際開展中還有需要完善的地方，需要更多的思考和不斷的總結(jié)，以取得更大的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

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