基于學(xué)習(xí)金字塔模型的課程教學(xué)模式改革與實(shí)踐
——以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程為例

王宇英

（桂林電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息安全學(xué)院，廣西 桂林 541004）

課程改革是教學(xué)改革落實(shí)的“最后一公里”，先進(jìn)的教育理念、教學(xué)內(nèi)容必須通過課程改革的落實(shí)才能作用在學(xué)生身上[1]。傳統(tǒng)的聽講式教學(xué)由于實(shí)施簡單而一直被廣泛應(yīng)用。隨著信息技術(shù)的發(fā)展、學(xué)生學(xué)習(xí)要求的提高，“聽講式”教學(xué)備受質(zhì)疑。近年來興起的線上教學(xué)、線上線下混合教學(xué)是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式的一個(gè)改革探索。計(jì)算機(jī)類課程理論與實(shí)際應(yīng)用要求都較高，傳統(tǒng)教學(xué)模式下，學(xué)生普遍反映能做題但動(dòng)手難[2]。課程組基于學(xué)習(xí)金字塔模型，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程實(shí)施了一系列教學(xué)改革，較好地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，課程教學(xué)改革模式在本校計(jì)算機(jī)類課程進(jìn)行了推廣應(yīng)用，能很好地支撐實(shí)踐能力培養(yǎng)。

1 傳統(tǒng)的課程教學(xué)模式及存在的問題

大學(xué)傳統(tǒng)的課程教學(xué)模式是“課堂老師授課+課后定期輔導(dǎo)+實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)”，傳統(tǒng)教學(xué)模式主要存在以下問題[3]：

（1）學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)保持率低，實(shí)踐動(dòng)手能力弱。

傳統(tǒng)課程教學(xué)模式屬于“聽講式”教學(xué)方法，教師單向灌輸，學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)保持率低，歷年教學(xué)反饋中學(xué)生普遍反映課堂知識(shí)、理論學(xué)習(xí)與課后實(shí)踐脫節(jié)，上課能聽懂但課后實(shí)際動(dòng)手難，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程，學(xué)生普遍反映上課能聽懂，但課后數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)、操作的運(yùn)用難以實(shí)現(xiàn)，而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)以實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)為主，一方面實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與工程問題、實(shí)際應(yīng)用脫離，另一方面，實(shí)踐面臨時(shí)空約束，實(shí)踐訓(xùn)練不足，算法效率、程序規(guī)范化意識(shí)不強(qiáng)，軟件素養(yǎng)培養(yǎng)不足。

（2）課后輔導(dǎo)具有被動(dòng)性，無法滿足學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)要求。

教師定期線上或線下輔導(dǎo)，處于等待學(xué)生來答疑的狀態(tài)；而學(xué)生因?yàn)閭€(gè)體差異，學(xué)習(xí)要求、進(jìn)度差異較大，面臨統(tǒng)一的教學(xué)進(jìn)度，需要有更多形式、個(gè)性化的學(xué)業(yè)輔導(dǎo)。

（3）教學(xué)過程考核評(píng)價(jià)缺失，不符合OBE 理念[4]。

傳統(tǒng)課堂教師一般通過課堂提問、課后作業(yè)方式檢查學(xué)生學(xué)習(xí)效果，過程性考核評(píng)價(jià)方式單一，評(píng)價(jià)反饋不及時(shí)，不利于教師全面了解學(xué)生學(xué)習(xí)效果和教師持續(xù)改進(jìn)教學(xué)。

隨著信息技術(shù)和智能設(shè)備的發(fā)展，學(xué)生利用豐富的互聯(lián)網(wǎng)資源隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)成為可能，線上模式、線上線下混合教學(xué)模式逐漸走入高校[5]。但高校依然以線下課堂教學(xué)模式為主，最根本的原因是學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力不足，自主學(xué)習(xí)能力差異較大，主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)缺乏。本文基于學(xué)習(xí)金字塔模型對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程教學(xué)模式進(jìn)行改革，主要目標(biāo)是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)從“要我學(xué)”到“我要學(xué)”的質(zhì)變。

2 課程教學(xué)模式改革思路與實(shí)踐

深度融合信息技術(shù)，提出了“研、教、學(xué)、練、測、評(píng)”六位一體課程教學(xué)新模式，包括線上線下理論教學(xué)改革、線上線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和線上線下評(píng)價(jià)考核改革三方面。

（1）面向“建模能力、算法設(shè)計(jì)與優(yōu)化能力、計(jì)算思維”培養(yǎng)，基于典型問題進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)和重構(gòu)，實(shí)施線上視頻學(xué)習(xí)，線下“理論+實(shí)踐”新型課堂教學(xué)結(jié)合的理論教學(xué)改革。

基于典型問題重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，建設(shè)線上微課教學(xué)視頻，支持學(xué)生自主線上學(xué)習(xí)。具體做法是：改變傳統(tǒng)以教材為本，按章節(jié)教學(xué)模式，建設(shè)典型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的問題資源庫，同時(shí)圍繞典型問題求解對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)，每種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的教學(xué)圍繞“問題分析-建模-算法設(shè)計(jì)-算法實(shí)現(xiàn)-測試-性能優(yōu)化”6 個(gè)步驟，訓(xùn)練學(xué)生計(jì)算思維、建模能力和算法設(shè)計(jì)與優(yōu)化能力。

實(shí)施“理論+實(shí)踐”結(jié)合，融“講—練—測—評(píng)”于一體的新型理論課堂。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法對(duì)解決實(shí)際問題的分析、建模和應(yīng)用能力要求高，需要學(xué)生不斷實(shí)踐和訓(xùn)練，根據(jù)學(xué)習(xí)金字塔模型，“做中學(xué)”和“實(shí)際演練”“教別人”和“馬上應(yīng)用”兩種學(xué)習(xí)方法屬于主動(dòng)學(xué)習(xí)的范疇，能達(dá)到75%-90%的學(xué)習(xí)保持率。課程組經(jīng)過精心挑選，確定使用Educoder平臺(tái)作為線上實(shí)踐平臺(tái)，融“講-練-測-評(píng)”于一體的“理論+實(shí)踐”新型課堂教學(xué)模式改革方案，讓學(xué)生能做中學(xué)，馬上應(yīng)用所學(xué)算法或程序設(shè)計(jì)。具體做法是：在Educoder 平臺(tái)建設(shè)典型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和排序、查找等基本操作、應(yīng)用實(shí)訓(xùn)。課堂教學(xué)中，“教師講授，學(xué)生算法訓(xùn)練，課堂測試，師生點(diǎn)評(píng)”多種教學(xué)活動(dòng)穿插進(jìn)行，學(xué)生在理論學(xué)習(xí)后即時(shí)練、即時(shí)測，教師即時(shí)評(píng)，通過測、評(píng)了解學(xué)生學(xué)習(xí)短板，教師可基于課上評(píng)測結(jié)果及時(shí)采取措施改進(jìn)教學(xué)，而學(xué)生可以及時(shí)訓(xùn)練，提高學(xué)習(xí)效果。通過多年實(shí)踐，“理論+實(shí)踐”新型課堂很好地解決了傳統(tǒng)理論課堂單向灌輸?shù)膯栴}，學(xué)生深度融入課堂教學(xué)活動(dòng)，學(xué)習(xí)主動(dòng)性大大提高，學(xué)習(xí)效果提升明顯，實(shí)現(xiàn)了從“要我學(xué)”到“我要學(xué)”的轉(zhuǎn)變，提升了學(xué)習(xí)保持率。

（2）面向“解決復(fù)雜問題能力、創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)隊(duì)合作能力”培養(yǎng)，實(shí)施“線上基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)+線下綜合實(shí)驗(yàn)”結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少，課外實(shí)驗(yàn)效果難以保證。課程組選擇的Educoder 平臺(tái)同時(shí)支持闖關(guān)式實(shí)驗(yàn)和金幣獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，教師可以設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的難度，從易到難，引導(dǎo)學(xué)生逐步深入、探討和挑戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提高學(xué)生的主動(dòng)思考能力和學(xué)習(xí)積極性，讓他們進(jìn)入一種“沉浸式”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降臅r(shí)空約束，讓學(xué)生能隨時(shí)隨地闖關(guān)，并能反復(fù)訓(xùn)練，實(shí)驗(yàn)教師根據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)能全面掌握學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間投入、實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)和進(jìn)度等。同時(shí)利用有限的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)組織學(xué)生線下進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)，通過自擬課題、組隊(duì)、答辯等環(huán)節(jié)訓(xùn)練學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力和解決復(fù)雜問題/實(shí)際問題的能力。

（3）為保障實(shí)驗(yàn)效果，構(gòu)建了生生互助輔導(dǎo)、教師/助教線上隨時(shí)答疑+線下定期答疑方式。

具體做法是：在高年級(jí)和同年級(jí)學(xué)生中征集志愿者作為輔導(dǎo)答疑者，每天晚上安排固定的闖關(guān)答疑時(shí)間和地點(diǎn)，為學(xué)生實(shí)驗(yàn)闖關(guān)提供幫助。輔以教師、助教在課程QQ 群的隨時(shí)答疑和每周定時(shí)答疑，助力學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

（4）基于OBE 理念，設(shè)計(jì)了全過程多維度、定量與定性結(jié)合、過程性評(píng)價(jià)與結(jié)果評(píng)價(jià)結(jié)合的評(píng)價(jià)考核模式。

以學(xué)生為中心，以課程目標(biāo)達(dá)成為導(dǎo)向，融合MOOC、慕課堂、Educoder、線下期末考試，線上線下圍繞課程目標(biāo)達(dá)成對(duì)學(xué)生的精準(zhǔn)、量化評(píng)價(jià)，進(jìn)而持續(xù)改進(jìn)教學(xué)。具體做法是：建設(shè)線上測試資源，用于單元測試和綜合測試。使用慕課堂簽到和練習(xí)功能，掌握學(xué)生到課情況和課堂學(xué)習(xí)效果；使用Educoder單元測試了解學(xué)生單元學(xué)習(xí)后知識(shí)掌握情況，使用Educoder 的實(shí)訓(xùn)掌握學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力；同時(shí)使用問卷調(diào)查法收集學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)效果的自我評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)了“知識(shí)-能力”全方位過程性測試，“課前測-課堂測-課后測”，“知識(shí)點(diǎn)測試-單元測試-課程綜合測試”。

3 課程教學(xué)模式改革實(shí)施效果

（1）成就感驅(qū)動(dòng)，學(xué)生學(xué)習(xí)投入增加，學(xué)習(xí)主動(dòng)性提升。

闖關(guān)模式實(shí)訓(xùn)方式，讓學(xué)生能充分感受通過關(guān)卡時(shí)的獲得感，過關(guān)時(shí)的愉悅感和成就感促使學(xué)生主動(dòng)投入學(xué)習(xí)，每學(xué)期學(xué)生在線評(píng)測次數(shù)超過250 次，90%以上學(xué)生能按時(shí)完成實(shí)訓(xùn)闖關(guān)、測試，學(xué)習(xí)主動(dòng)性提高了。

（2）課堂活起來了，學(xué)生學(xué)習(xí)效果、能力提升明顯。

通過課上實(shí)訓(xùn)，教師將算法策略分析、算法實(shí)現(xiàn)搬進(jìn)課堂，學(xué)生聽完算法講解后立即實(shí)操，課堂上學(xué)生的關(guān)注度提高，通過馬上應(yīng)用，做中學(xué)，能很快應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，學(xué)習(xí)興趣大為提升，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本操作、算法應(yīng)用實(shí)踐能力明顯提升。連續(xù)三年對(duì)學(xué)生的考核結(jié)果進(jìn)行跟蹤、統(tǒng)計(jì)對(duì)比可以看出學(xué)生的算法分析、設(shè)計(jì)題得分率提高，學(xué)習(xí)效果獲得提升。

（3）應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力提升，實(shí)踐作品豐富，且完成質(zhì)量提高。

近兩年，由學(xué)生自主選題，通過團(tuán)隊(duì)合作完成綜合實(shí)驗(yàn)，學(xué)生根據(jù)日常學(xué)習(xí)生活擬定課題，題目覆蓋24 點(diǎn)游戲、校園導(dǎo)航、迷宮游戲、掃雷游戲、桌面日歷、壓縮軟件、算法可視化演示系統(tǒng)等近30 種不同題目的綜合實(shí)驗(yàn)作品，作品應(yīng)用價(jià)值好，界面美觀，質(zhì)量高。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的課程教學(xué)模式下，課堂上學(xué)生睡覺、玩手機(jī)現(xiàn)象越來越普遍，沒有吸引力和參與度的課堂越來越難以適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的大學(xué)生，如何吸引學(xué)生在課堂上主動(dòng)參與教學(xué)活動(dòng)是廣大教師應(yīng)思考的問題。基于學(xué)習(xí)金字塔模型的教學(xué)模式取得較好的教學(xué)效果應(yīng)用于在校內(nèi)其他課程，本校有130 余名教師，180 余門次課程（包括C 語言、Python、Java、C++、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等程序設(shè)計(jì)和算法設(shè)計(jì)類課程；數(shù)據(jù)庫、Web 前端開發(fā)、Android 應(yīng)用開發(fā)、網(wǎng)站規(guī)劃與藝術(shù)、網(wǎng)絡(luò)編程等軟件設(shè)計(jì)類課程；應(yīng)用密碼學(xué)、網(wǎng)絡(luò)攻防等信息安全類課程和軟件測試、操作系統(tǒng)等）參考該課程模式進(jìn)行改革。課程基于信息平臺(tái)，讓學(xué)生在課上忙起來，深度參與進(jìn)來，改變教師講學(xué)生聽的現(xiàn)狀，而讓學(xué)生在做中學(xué)，對(duì)于計(jì)算機(jī)類或操作性強(qiáng)的課程有很好的借鑒意義。