基于層次認知模型的大學計算機課程多元混合教學模式設計與實施

安向明,屈成亮

(1.吉林化工學院 教務處，吉林 吉林 132022；2.吉林化工學院 石油化工學院，吉林 吉林 132022)

2020年初爆發(fā)的新冠狀肺炎極大程度影響了全球各級學校的正常教學，為應對疫情危機，各地出現(xiàn)不同程度的停課停學，隨之陸續(xù)開展大規(guī)模的在線教學[1-3]。疫情過后，傳統(tǒng)課堂與在線課堂將長期共存并深度融合[4]。教育部吳巖司長提出了混合式課程教學的建設應遵循“四性”，即內容的前沿性、互動的高效性、方法技術的創(chuàng)新性及知識能力素質相結合的有效性，以達到“五度”，即培養(yǎng)目標達成度、社會需求適應度、技術條件支撐度、質量保障有效度、學生學習滿意度。

大學計算機基礎課程是面向高等學校非計算機專業(yè)的核心通識課程[5]，非計算機專業(yè)的大學生通過本課程學習,掌握計算機科學的基本概念、基本原理和基本方法，以及利用計算思維來解決本專業(yè)實際問題的能力，該課程基本決定了現(xiàn)代大學生未來的基本信息素養(yǎng)。因此，增強該課程的教學效果，對提高學生運用信息技術分析解決實際問題的能力有重要意義。本文在“四性五度”指導下，以大學計算機課程為例，構建了層次認知模型，應用到“SPOC+翻轉課堂”的混合教學中，凝練出“資源整合、內容融合、環(huán)境混合、活動混合、評價混合”的多元混合教學思路，最終達到教學目標。

一、大學計算機課程現(xiàn)狀

大學計算機基礎課程偏重于培養(yǎng)學生利用信息手段開展專業(yè)技術學習的能力，增強學生運用計算思維分析問題以及啟發(fā)學生應用計算機軟硬件解決本專業(yè)實際問題的能力。隨著混合式課堂教學的廣泛開展，綜合考慮課程特征、學時限制、知識時新性、共享名校師資等因素，很多高校大學計算機基礎課程采用混合式教學模式授課[6-8]。

通過混合式學習，學生初步掌握了使用計算機獲取信息、處理信息、傳遞信息的基本能力，當前的課程教學在學生掌握計算機基礎知識、基本操作技能方面有著良好的表現(xiàn)，但是缺乏應用計算機解決綜合問題的能力以及使用現(xiàn)代信息技術手段進行自主學習與協(xié)作學習的能力。課程教學過程中也體現(xiàn)了諸多問題：首先，仍然存在“狹義工具論”的傾向，認為計算機基礎教學就是讓學生學會計算機工具的使用，教學內容與學生的專業(yè)學習相脫離，培養(yǎng)技術技能型人才的課程目標難以落實；其次，教學內容“常規(guī)化”，未能充分挖掘網(wǎng)絡平臺等新理念、新知識和新技術資源的內在價值，適合學生個性化學習的優(yōu)質資源匱乏；最后，教學評價形式化，對多元評價中自主學習、合作學習、表達交流和同伴互評等過程性評價落實不到位，難以發(fā)揮教學評價的反饋、激勵、調節(jié)和導向功能。

綜上，探索建立知識和技能并重，與“四性五度”需求相適應的課程體系，使學生通過教師講授、協(xié)作學習、自學習等手段更好地掌握信息處理技術，達到應用計算思維解決本專業(yè)相關應用問題的目的，進而提高課程教學質量，是本課程改革需要重點解決的問題。

二、基于層次認知模型的課程設計

參考WING[9]的計算思維理論，根據(jù)從知識到能力轉變的遞進過程，本文創(chuàng)建了認知層、應用層、設計層三層次認知模型應用于教學，以此加強深度學習，達到教學目標。見圖1。

圖1 大學計算機層次認知模型

教學設計從課程設計、資源設計和教學方法設計三方面進行闡述。

(一) 課程設計

課程設計包括前期分析、課程標準、總體方案、教學大綱、教學內容、考核評價方案設計。

1.前期分析

包括學生特征研究、學習基礎調查、課程目標制定、混合式學習環(huán)境分析和職業(yè)崗位需求定位，最終得到課程開展深度學習視域下混合式教學的可行性報告。

2.課程標準制定

對課程標準編寫原則、教學大綱進行研究，形成課程的總體方案報告。

3.教學內容制定

為達到深度學習目的，根據(jù)大學計算機課程的授課大綱，對各個知識點的授課內容特征進行總結、理論學時和實驗學時進行細化分配；然后將各個知識點分別歸類到層次模型的認知層、應用層和設計層中；最后，按照各層次模型所對應的知識點的學時分配總和，來確定各認知層次的理論授課學時和實驗授課學時。各章節(jié)知識點、學時與層次認知模型的對應關系如表1所示。

表1 知識點及其所屬模型層次分類

根據(jù)知識點所屬模型層次的劃分，總結出不同認知層次的教學內容與教學目標，見表2。

表2 不同認知層次的教學內容與教學目標

在各層次的課程內容組織上，一是對層次內課程教學內容進行構建、選取和確定，形成適合計算機通識教育的最小課程教學內容集合；二是拓展與之相關的其他教學內容模塊，充分利用信息技術手段和豐富的網(wǎng)絡教學資源，讓學生在課外進行自主學習、協(xié)作學習；三是依據(jù)認知層、應用層和設計層的教學目標的不同，在具體的教學活動設計不同的教學方法，并采用不同的評價方式進行考核。

4.考核評價方案

第一，分層分類考核。根據(jù)層次認知模型的每一層中各類知識點的特性，采用不同的評價方法；第二，創(chuàng)新評價方式。鼓勵采取分組合作、面試答辯、同伴互評、實踐操作、作業(yè)展示等多種靈活評價方式，完善“自評-生評-師評-機評”四層結合評議機制。具體實現(xiàn)方法見表3。

表3 分層分類考核方式

(二) 課程資源設計

遵循“面向應用、突出實踐”特性，以學習活動為中心，設計、開發(fā)、整合形成立體化優(yōu)質的教學資源。課程資源建設中，既要注重概念、事實等陳述性知識的呈現(xiàn)，又要以適合崗位需求的真實任務為導向，通過模擬現(xiàn)場、合作學習、真實案例分析來提高解決問題能力。從資源的類型、內容和形式上進行設計和組合，達到“認知—應用—設計”三層次聯(lián)結的目標要求。

(1)內容設計：包括知識點的呈現(xiàn)、技能操作步驟、實踐案例指導和工具類，使其與教學路徑保持一致，讓學生在不同階段根據(jù)自身需求選擇使用。

(2)資源分類：分為教材資源、PPT課件類、音視頻資源和動畫類，適合學生獨立進行自主學習和小組開展探究協(xié)作活動。

(3)資源形式：將教材資源、PPT課件、音視頻資源和動畫等網(wǎng)絡資源融為一體，多角度展現(xiàn)事物的各方面，形成“課堂教學資源-實驗實踐資源-網(wǎng)絡學習資源”三位一體的立體化教學資源，見圖2。

圖2 “三位一體”立體化教學資源設計思想

(三) 層次化混合式教學方法

為了提高不同層次上的課程內容的教學質量，滿足不同基礎學生的學習需求，擬通過“教師講授”“案例探究”“平臺學習”“實時討論”“論壇交流”“個別輔導”“調研分享”等多種教學手段，“搞活”混合課堂教學，探索“在線自學+師講生聽+以練促學+生講生評”教學評價方式[10]并運用到課程教學中。本文根據(jù)各層次的教學內容特點，設計了相應的混合式教學方法。

1.內涵認知混合教學

內涵認知混合機教學應用于認知層，主要通過“在線自學+師講生聽”教學策略，介紹計算理論、計算機系統(tǒng)、計算機語言等知識的歷史演進過程，重點講解計算機系統(tǒng)如何支持計算、程序執(zhí)行以及所有軟硬件資源的協(xié)同管理，從而揭示計算機內涵。教學過程中，充分利用學校SPOC優(yōu)質在線教學資源拓展相關知識，彌補學生個性化差異，教學重點在于培養(yǎng)學生的認知與興趣。

2.案例應用混合教學

案例應用混合教學主要在應用層使用，是指基于案例講解邏輯演算、基本電路原理、軟硬件使用、編程及算法的相關操作和相關概念。教學策略是“以練促學”。通過模擬和驗證，培養(yǎng)學生深入思考和廣泛聯(lián)系的思維習慣，更進一步提高人才培養(yǎng)的知識學習與能力提升。

3.演化設計混合教學

演化設計混合教學應用于設計層，主要在課堂上通過案例的演化來介紹軟件綜合應用、程序設計，適當引入翻轉式課堂，利用SPOC教學資源對相關問題進行擴展研究。教學策略是“以練促學+生講生評”。利用這種探索式的學習方式，提高學生分析問題、解決問題的能力，更深層次地啟發(fā)思維方式與創(chuàng)新意識。

三、教學實施及教學效果

(一) 教學實施

對于層次認知模型中所有知識點，均采用“課前-課中-課后-反思”四段模式開展教學；同時根據(jù)知識點所屬認知層、應用層和設計層的層次特征，酌情調整課前、課中、課后和反思四段式教學階段的側重點。在教學過程中，靈活創(chuàng)設教學交互環(huán)境，設計多樣化教學活動，改變傳統(tǒng)課堂教學以“教師-教材-案例”為中心的知識傳授模式，形成以“學生-問題-活動-資源”為中心的應用能力培養(yǎng)模式，見圖3。

圖3 四段式教學活動

1.課前在線學習階段

首先，準備課程材料，發(fā)布PPT、微課視頻、實驗指導書、學習案例及其他參考資料，同時完成在線學習系統(tǒng)的初始化。見圖4。

圖4 吉林化工學院SPOC平臺

然后，組織學生采用“SPOC+微課”的方式，對教學案例進行自主學習。為了增加授課的趣味性和實用性，安排了貼近學生專業(yè)、崗位任職的相關案例布置任務。比如，本人授課專業(yè)是電子信息工程專業(yè)，因此設計了與或非電路原理、硬件接口、電路設計等教學案例。學生線下自學的時候，通過拋出問題引導他們由淺入深思考問題。例如講解可計算理論，先從計算發(fā)展史的角度，選取比較有代表性的算盤引出手工計算方法，再從機械計算、電子計算引出自動計算方法，最后通過圖靈模型引出可計算理論。從頭到尾，知識點環(huán)環(huán)相扣，學生學習了計算方法的演進及可計算理論一系列知識點。

最后，學生在線實時討論、反饋學習結果，隨時解決預習中碰到的問題，教師也適時調整了課堂教學內容、按需備課，師生同時做好課堂學習準備。

2.課堂教學

教師在課堂引入知識點，學生回憶課前線下自學內容，教師拋出問題組織學生進行交流互動，完成新知識的深度精細加工。舉例如下：課前，學生自主學習了手工計算、自動計算的演進和圖靈機模型；課上，教師由計算方法的演變引出自動化計算的原理，即把現(xiàn)實問題抽象并用0、1表達，然后對0、1進行邏輯運算，最終用電路實現(xiàn)；通過圖靈機模型，重點講解可計算理論的核心概念、難點以及判斷問題的可計算方法。

教學過程中，靈活運用小組討論、協(xié)作學習、交流互動、過程性評價等多種方式，帶動學生課上積極參與互動。最后知識點穿線，引入思維導圖總結課堂知識，完成課上任務。

3.課后知識應用與創(chuàng)新

課后，引入平臺測試以及平臺資源進一步豐富和拓展學習內容，進行知識的遷移應用，培養(yǎng)學生學習興趣，啟發(fā)知識創(chuàng)新思維。例如，在講完0和1與電子技術實現(xiàn)之后，拓展學習如何用電子原件實現(xiàn)基本邏輯運算？如何用已實現(xiàn)的基本邏輯運算來實現(xiàn)更復雜的運算?

4.反思評價

該階段主要通過學生自評價、組內評價、組間互評、教師評價等學習效果評價的結果，結合教師在授課過程中意識到的問題進行教學反思，修正或改進教學案例、翻轉課堂、學生分組、課程內容分配、資源組織等，應用到下一個教學周期。

(二) 教學效果

為驗證本文提出的教學方法的可行性及有效性，對2020級電子信息工程專業(yè)實施了本文提出的分層混合式教學方法。課程完成后，針對授課內容組織、講解效果、學習興趣、專業(yè)結合度、滿意度等情況對2020級和2019級本專業(yè)學生以及課程組教師開展問卷調查，并對翻轉課堂參與度、線上測試達成度、期末考核結果進行統(tǒng)計，結果見圖5。

圖5 教學調查及考核結果

從圖5中可以看出，2020級利用本文提出的教學方法比2019級傳統(tǒng)教學方法的教學效果好，學生對大學計算機課程更感興趣，課堂學習氣氛比較活躍，與老師互動較多，期末考核結果測評優(yōu)于2019級專業(yè)，課程目標達成度較高，見圖6。更重要的，2020級學生滲透了專業(yè)教學案例，學生利用計算機思維解決本專業(yè)問題的綜合能力更強，在以后的工作過程中的表現(xiàn)更會讓人滿意。綜上，說明分層混合式教學方法是可行的，并且具有良好的教學效果。

圖6 課程目標達成度散點圖

四、結 語

在“四性五度”指導下，重新梳理了課程方案、課程內容和課程資源，構建了層次化認知模型并應用于多元化混合式教學，最后以調查問卷的方式進行了教學效果的評估，得出以下結論：第一，將層次認知模型應用到大學計算機課程的混合式教學中去，一方面教師在課程內容、教學方法應用上更加清晰明了，另一方面，符合學生的認知邏輯，加上與專業(yè)、崗位和場景相結合的案例教學，更有效的調動了學習積極性和學習興趣；第二，教學中以“學生-問題-活動-資源”為中心，突出學生主體地位，以解決問題為導向，靈活應用拓展資源，隨時開展自主學習，做到學以致用，更加重視對學生應用能力的培養(yǎng)，為將來開展信息技術相關工作打下良好基礎。