面向“雙一流”建設(shè)的后疫情時(shí)代基于深度學(xué)習(xí)的混合式教學(xué)研究＊

閆鈞華，顏 灝，張 寅，康玉鳳

（1.南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院，江蘇 南京 211106；2.教師發(fā)展與教學(xué)評(píng)估中心/高等教育研究所，江蘇 南京 210016）

受全球新冠疫情影響，社會(huì)生產(chǎn)和生活進(jìn)入了后疫情時(shí)代，高等教育進(jìn)入“后疫情時(shí)代的高等教育”[1]。在“雙一流”高校建設(shè)的后疫情時(shí)代大環(huán)境下，對(duì)中國(guó)高等教育教學(xué)改革和高等教育人才培養(yǎng)模式提出了新的要求。培養(yǎng)學(xué)生的理論實(shí)踐創(chuàng)新力以及重視學(xué)生主體和教師主體間的融合，是發(fā)展高等教育教學(xué)道路和提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵舉措[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者們迎難而上、積極探索，身體力行地開(kāi)展研究與實(shí)踐。張新?tīng)I(yíng)[3]認(rèn)為，“后疫情時(shí)代”應(yīng)科學(xué)處理線上授課與傳統(tǒng)授課的銜接融合，以培養(yǎng)學(xué)生的理論實(shí)踐能力，提出線下授課與線上課程資源整合的“混合式”教學(xué)模式。李政濤等[4-6]認(rèn)為混合式教學(xué)不只是簡(jiǎn)單的面授與在線的結(jié)合，同時(shí)也是多種教學(xué)工具或方法的混合，或是各種教學(xué)理念的混合。HAVARD等[7-8]提出了在線教育的深度學(xué)習(xí)分析框架，分析了學(xué)生與知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)。從國(guó)內(nèi)外研究得出，基于深度學(xué)習(xí)的混合式教學(xué)模式有利于培養(yǎng)學(xué)生的理論實(shí)踐創(chuàng)新力，但有關(guān)基于深度學(xué)習(xí)的混合式教學(xué)模式通過(guò)哪種途徑來(lái)影響學(xué)生的理論實(shí)踐創(chuàng)新力卻亟待研究。

在后疫情時(shí)代的創(chuàng)新教學(xué)理念下，本文提出通過(guò)構(gòu)建深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)（CNN），實(shí)現(xiàn)混合式教學(xué)的研究方案，實(shí)現(xiàn)教學(xué)工具、教學(xué)理念和師生主體的混合，培養(yǎng)訓(xùn)練學(xué)生理論實(shí)踐創(chuàng)新力。

1 基于深度學(xué)習(xí)的混合式教學(xué)研究方案

本文提出的基于深度學(xué)習(xí)的混合式教學(xué)研究方案核心是培養(yǎng)訓(xùn)練學(xué)生的理論實(shí)踐創(chuàng)新力，通過(guò)混合式教學(xué)效果評(píng)價(jià)大閉環(huán)的反饋培養(yǎng)訓(xùn)練機(jī)制，提高學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)理論知識(shí)的能力以及獨(dú)立進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力，使學(xué)生掌握課程內(nèi)容，完成課程考核。研究方案的總體框架如圖1所示，混合式教學(xué)包括線上教學(xué)與線下教學(xué)相混合、理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相混合和學(xué)生主體與教師主體相混合三大類。首先，構(gòu)建理論教學(xué)單元數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)驗(yàn)單元數(shù)據(jù)庫(kù)，確定用以學(xué)習(xí)訓(xùn)練的教學(xué)單元和實(shí)驗(yàn)單元；然后，確定混合式教學(xué)效果構(gòu)成要素，利用CNN培養(yǎng)訓(xùn)練學(xué)生的理論實(shí)踐創(chuàng)新力；最后，研究混合式教學(xué)效果評(píng)價(jià)方法，從而得到被訓(xùn)練學(xué)生的混合式教學(xué)效果總評(píng)分?？傇u(píng)分低于閾值要求時(shí)，結(jié)合教師指導(dǎo)和網(wǎng)絡(luò)反饋，更新教學(xué)單元和實(shí)驗(yàn)單元，重新訓(xùn)練學(xué)生的理論實(shí)踐創(chuàng)新力，直至學(xué)生能夠參加課程考核。

圖1 研究方案總體框架

2 混合式教學(xué)研究方案的關(guān)鍵步驟

基于深度學(xué)習(xí)的混合式教學(xué)方案流程如圖2所示，流程主要包括以下3個(gè)步驟：①混合式教學(xué)課程數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建?；旌鲜浇虒W(xué)課程數(shù)據(jù)庫(kù)包含結(jié)合線上與線下資源和理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源?；诖耍瑯?gòu)建理論教學(xué)單元數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)驗(yàn)單元數(shù)據(jù)庫(kù)，確定用以學(xué)習(xí)訓(xùn)練的m個(gè)教學(xué)單元和n個(gè)實(shí)驗(yàn)單元。②深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。首先分析評(píng)價(jià)混合式教學(xué)效果的構(gòu)成要素，將構(gòu)成要素作為CNN的卷積層；然后確定CNN的池化層和激活層，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練到反饋再到學(xué)習(xí)的循環(huán)過(guò)程，得到被訓(xùn)練學(xué)生的混合式教學(xué)效果各構(gòu)成要素的評(píng)分。③混合式教學(xué)效果評(píng)價(jià)方案設(shè)計(jì)。根據(jù)基于深度學(xué)習(xí)的混合式教學(xué)各構(gòu)成要素評(píng)分結(jié)果，研究混合式教學(xué)效果評(píng)價(jià)方法，從而得到被訓(xùn)練學(xué)生的混合式教學(xué)效果總評(píng)分。

圖2 基于深度學(xué)習(xí)的混合式教學(xué)方案流程圖

如果混合式教學(xué)效果總評(píng)分不滿足要求，則更新教學(xué)單元和實(shí)驗(yàn)單元，將其輸入到CNN中，在大閉環(huán)中，對(duì)該學(xué)生進(jìn)行再次學(xué)習(xí)訓(xùn)練，直到該學(xué)生的混合式教學(xué)效果總評(píng)分滿足要求為止。當(dāng)該學(xué)生能夠獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)時(shí)，讓他參加課程考核，從而完成對(duì)該學(xué)生的課程培養(yǎng)，提高其理論實(shí)踐創(chuàng)新力。

2.1 構(gòu)建混合式教學(xué)課程數(shù)據(jù)庫(kù)

為了給每個(gè)學(xué)生提供理論實(shí)踐創(chuàng)新的機(jī)會(huì)，需要構(gòu)建豐富的教學(xué)單元數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)驗(yàn)單元數(shù)據(jù)庫(kù)，從數(shù)據(jù)庫(kù)中為每個(gè)學(xué)生確定用以訓(xùn)練理論實(shí)踐創(chuàng)新力且難易程度不同的m個(gè)教學(xué)單元和n個(gè)實(shí)驗(yàn)單元。能夠進(jìn)入教學(xué)單元數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)驗(yàn)單元數(shù)據(jù)庫(kù)中的單元都是來(lái)自經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐的單元，從具有豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)教師的教學(xué)實(shí)踐中遴選而來(lái)。

教學(xué)單元包括線下教師講解和線上網(wǎng)絡(luò)資源，這兩者互相補(bǔ)充和完善。每個(gè)課程單元都具備完備的數(shù)據(jù)資料，包括課程的相關(guān)書籍、課程的課后作業(yè)、課程的教師講解視頻、課程筆記、課程的學(xué)習(xí)報(bào)告、課程的單元考核等。

實(shí)驗(yàn)單元包括實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)演示實(shí)驗(yàn)，這三者互相補(bǔ)充和完善。每一個(gè)實(shí)驗(yàn)單元也都具備完備的數(shù)據(jù)資料，包括課程的相關(guān)實(shí)驗(yàn)器材資料、課程的相關(guān)軟件和硬件、課程實(shí)驗(yàn)的操作視頻、課程實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到問(wèn)題的解決方法、課程的測(cè)試報(bào)告和實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。

2.2 構(gòu)建深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)

通過(guò)CNN的閉環(huán)反饋培養(yǎng)訓(xùn)練機(jī)制，能夠培養(yǎng)訓(xùn)練研究生的科研實(shí)踐創(chuàng)新能力[9]。在混合式教學(xué)工作中，本文利用CNN反饋調(diào)節(jié)思想，構(gòu)建學(xué)生理論實(shí)踐創(chuàng)新力小閉環(huán)，培養(yǎng)訓(xùn)練學(xué)生的理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力。本文的CNN包含4個(gè)小閉環(huán)模塊，分別是課程資源庫(kù)檢索學(xué)習(xí)模塊、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題模塊、浸入式學(xué)習(xí)模塊和工程型實(shí)驗(yàn)?zāi)K。通過(guò)上述4個(gè)模塊，分別培養(yǎng)訓(xùn)練學(xué)生對(duì)應(yīng)的理論實(shí)踐創(chuàng)新力。學(xué)生的理論實(shí)踐創(chuàng)新力主要包括調(diào)研能力、質(zhì)疑能力、邏輯思維能力、自由想象能力、自主判斷能力、試錯(cuò)能力和糾錯(cuò)能力7種能力[9]。各模塊培養(yǎng)訓(xùn)練學(xué)生對(duì)應(yīng)的理論實(shí)踐創(chuàng)新力如圖3所示。

圖3 各模塊培養(yǎng)訓(xùn)練學(xué)生對(duì)應(yīng)的理論實(shí)踐創(chuàng)新力

CNN包含卷積層、池化層和激活層，通過(guò)CNN培養(yǎng)訓(xùn)練學(xué)生的理論實(shí)踐創(chuàng)新力小閉環(huán)流程，如圖4所示。將某一個(gè)教學(xué)單元i或某一個(gè)實(shí)驗(yàn)單元j輸入到CNN的卷積層，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和混合式教學(xué)課程數(shù)據(jù)庫(kù)資料，評(píng)價(jià)學(xué)生的理論實(shí)踐創(chuàng)新力。在池化層，對(duì)學(xué)生的各種能力進(jìn)行歸一化，使評(píng)分結(jié)果不被卷積層對(duì)各理論實(shí)踐創(chuàng)新力的衡量標(biāo)準(zhǔn)不同而影響，得到具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)分結(jié)果。在激活層，衡量各理論實(shí)踐創(chuàng)新力是否達(dá)到閾值，若某理論實(shí)踐創(chuàng)新力低于閾值，則混合教師指導(dǎo)和學(xué)生自我擴(kuò)展，返回到CNN卷積層重新進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，直到評(píng)分達(dá)到閾值要求。

圖4 CNN培養(yǎng)訓(xùn)練學(xué)生理論實(shí)踐創(chuàng)新力小閉環(huán)流程圖

在課程資源庫(kù)檢索學(xué)習(xí)模塊，讓被訓(xùn)練學(xué)生學(xué)習(xí)教學(xué)單元i或?qū)嶒?yàn)單元j，撰寫學(xué)習(xí)報(bào)告。對(duì)比混合式教學(xué)課程數(shù)據(jù)庫(kù)中的學(xué)習(xí)報(bào)告與該學(xué)生撰寫的學(xué)習(xí)報(bào)告，評(píng)價(jià)該學(xué)生的調(diào)研能力。

在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題模塊，讓被訓(xùn)練學(xué)生確定教學(xué)單元i或?qū)嶒?yàn)單元j中需要解決的科學(xué)問(wèn)題。對(duì)比混合式教學(xué)課程數(shù)據(jù)庫(kù)中需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題與該學(xué)生確定的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，評(píng)價(jià)該學(xué)生的質(zhì)疑能力。

在浸入式學(xué)習(xí)模塊，讓被訓(xùn)練學(xué)生根據(jù)教學(xué)單元i或?qū)嶒?yàn)單元j中需要解決的科學(xué)問(wèn)題，提出自己的解決方法。對(duì)比混合式教學(xué)課程數(shù)據(jù)庫(kù)中針對(duì)需要解決關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的解決方法與該學(xué)生提出的解決方法，評(píng)價(jià)該學(xué)生的邏輯思維能力、自由想象能力和自主判斷能力。

在工程型實(shí)驗(yàn)?zāi)K，當(dāng)被訓(xùn)練學(xué)生針對(duì)教學(xué)單元i或?qū)嶒?yàn)單元j中需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，所提的解決方法不夠完善或不能正確解決問(wèn)題時(shí)，依據(jù)該學(xué)生在這種情況下的行為表現(xiàn)，評(píng)價(jià)該學(xué)生的試錯(cuò)能力和糾錯(cuò)能力。

2.3 混合式教學(xué)效果評(píng)價(jià)

對(duì)于教學(xué)單元i或?qū)嶒?yàn)單元j，混合式教學(xué)效果評(píng)分器的輸入為通過(guò)CNN得到的被訓(xùn)練學(xué)生的各理論實(shí)踐創(chuàng)新力評(píng)分。學(xué)生的各理論實(shí)踐創(chuàng)新力是混合式教學(xué)效果的構(gòu)成要素，通過(guò)這些要素可以評(píng)判混合式教學(xué)效果。對(duì)于教學(xué)單元i和實(shí)驗(yàn)單元j，這些要素在學(xué)生理論實(shí)踐創(chuàng)新力評(píng)分中的占比不一。因此，混合式教學(xué)效果評(píng)分器中賦予各理論實(shí)踐創(chuàng)新力不同的權(quán)重。基于此，得到該學(xué)生對(duì)于教學(xué)單元i的混合式教學(xué)效果評(píng)分為：

式（1）中：Pi為對(duì)于教學(xué)單元i被訓(xùn)練學(xué)生的混合式教學(xué)效果評(píng)分；M為理論實(shí)踐創(chuàng)新力個(gè)數(shù)，本文重點(diǎn)考慮的理論實(shí)踐創(chuàng)新力為7種；αis為各理論實(shí)踐創(chuàng)新力評(píng)分的權(quán)重；xis為對(duì)于教學(xué)單元i被訓(xùn)練學(xué)生的某項(xiàng)理論實(shí)踐創(chuàng)新力評(píng)分。

實(shí)驗(yàn)單元j的混合式教學(xué)效果評(píng)分表達(dá)式可寫為：

式（2）中：Pj為對(duì)于實(shí)驗(yàn)單元j被訓(xùn)練學(xué)生的混合式教學(xué)效果評(píng)分；αjs為各理論實(shí)踐創(chuàng)新力評(píng)分的權(quán)重；xjs為對(duì)于實(shí)驗(yàn)單元j被訓(xùn)練學(xué)生的某項(xiàng)理論實(shí)踐創(chuàng)新力評(píng)分。

在融合教師指導(dǎo)和學(xué)生自我擴(kuò)展下，被訓(xùn)練學(xué)生完成了m個(gè)教學(xué)單元和n個(gè)實(shí)驗(yàn)單元，得到了m+n個(gè)混合式教學(xué)效果評(píng)分。由于這m個(gè)教學(xué)單元和n個(gè)實(shí)驗(yàn)單元難易程度不同，對(duì)m+n個(gè)評(píng)分加權(quán)求和，計(jì)算該學(xué)生的混合式教學(xué)效果總評(píng)分P為：

式（3）中：βi為第i個(gè)教學(xué)單元的混合式教學(xué)效果評(píng)分的權(quán)重；γj為第j個(gè)實(shí)驗(yàn)單元的混合式教學(xué)效果評(píng)分的權(quán)重。

3 混合式教學(xué)下的實(shí)踐成果

本文所述基于深度學(xué)習(xí)的混合式教學(xué)研究已成功應(yīng)用于本文作者所教授的“光電檢測(cè)信息系統(tǒng)理論與技術(shù)”課程教學(xué)工作之中。從具有豐富經(jīng)驗(yàn)教師對(duì)該課程的教學(xué)實(shí)踐中選擇3種難度的5個(gè)教學(xué)單元以及5個(gè)實(shí)驗(yàn)單元，作為混合式教學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)。包含低等難度的教學(xué)單元A、教學(xué)單元B、實(shí)驗(yàn)單元A和實(shí)驗(yàn)單元B，中等難度的教學(xué)單元C、教學(xué)單元D、實(shí)驗(yàn)單元C和實(shí)驗(yàn)單元D，高等難度教學(xué)單元E和實(shí)驗(yàn)單元E，表1給出了各教學(xué)單元和實(shí)驗(yàn)單元的權(quán)重。

表1 各教學(xué)單元和實(shí)驗(yàn)單元的權(quán)重

每個(gè)學(xué)生都要選擇一個(gè)教學(xué)單元進(jìn)行學(xué)習(xí)并完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)單元。根據(jù)對(duì)學(xué)生能力的評(píng)分結(jié)果，確定學(xué)生是否掌握課程內(nèi)容。學(xué)生在順利完成課程設(shè)計(jì)后，才能參加課程考核。評(píng)估學(xué)生的7種能力在課程學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中的重要性各有側(cè)重。在課程學(xué)習(xí)與理解過(guò)程中，調(diào)研能力和邏輯思維能力更能幫助學(xué)生選擇合適的學(xué)習(xí)資料并順利開(kāi)展浸入式學(xué)習(xí)。在實(shí)驗(yàn)實(shí)操中，試錯(cuò)能力和糾錯(cuò)能力更為重要。因此，設(shè)置各項(xiàng)創(chuàng)新力在教學(xué)單元和實(shí)驗(yàn)單元的權(quán)重如圖5所示。設(shè)置CNN中激活層各創(chuàng)新力分?jǐn)?shù)閾值為60，獨(dú)立課程單元學(xué)習(xí)的分?jǐn)?shù)閾值為63，混合式教學(xué)效果總評(píng)分閾值為65。

圖5 各創(chuàng)新力在教學(xué)單元和實(shí)驗(yàn)單元中的權(quán)重

為驗(yàn)證本文所提基于深度學(xué)習(xí)的混合式教學(xué)研究效果，記錄了2名學(xué)生的課程學(xué)習(xí)情況。表2給出了學(xué)生甲和學(xué)生乙的各創(chuàng)新力評(píng)分以及獨(dú)立課程單元學(xué)習(xí)總評(píng)分結(jié)果。在課程教授期間，學(xué)生甲選擇教學(xué)單元D和實(shí)驗(yàn)單元C進(jìn)行訓(xùn)練。對(duì)比混合式教學(xué)數(shù)據(jù)資料，對(duì)學(xué)生甲的課程理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作情況進(jìn)行評(píng)分。表2中表明學(xué)生甲的各創(chuàng)新力得分均等于或高于65分。通過(guò)混合式教學(xué)效果評(píng)分器，評(píng)得其教學(xué)單元D得分78.35分，實(shí)驗(yàn)單元C得分為72.15分。根據(jù)式（3），得到學(xué)生甲的課程學(xué)習(xí)總評(píng)分為83.085分，達(dá)到閾值要求。學(xué)生甲順利完成了課程設(shè)計(jì)，對(duì)課程相關(guān)知識(shí)掌握較牢，能將所學(xué)知識(shí)靈活應(yīng)用于工程實(shí)踐中，滿足課程考核要求。

表2 學(xué)生的各創(chuàng)新力評(píng)分和課程單元學(xué)習(xí)總評(píng)分

學(xué)生乙選擇了教學(xué)單元B和實(shí)驗(yàn)單元D進(jìn)行訓(xùn)練，在理論學(xué)習(xí)中，學(xué)生乙的質(zhì)疑能力分?jǐn)?shù)為55分，未達(dá)到創(chuàng)新力培養(yǎng)的閾值要求；在實(shí)驗(yàn)操作中，通過(guò)混合式教學(xué)效果評(píng)分器，得出學(xué)生乙的實(shí)驗(yàn)操作分?jǐn)?shù)為62.8分，未達(dá)到課程學(xué)習(xí)要求。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)得出學(xué)生的課程總評(píng)分為63.52分，未達(dá)到獨(dú)立進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的閾值要求。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果，教師增強(qiáng)對(duì)學(xué)生乙的指導(dǎo)，對(duì)于教學(xué)單元B的學(xué)習(xí)，學(xué)生乙進(jìn)行創(chuàng)新力再訓(xùn)練，質(zhì)疑能力通過(guò)網(wǎng)絡(luò)再次評(píng)分均高于60分，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其教學(xué)單元學(xué)習(xí)情況進(jìn)行評(píng)分，達(dá)到94.3分。根據(jù)學(xué)生乙的學(xué)習(xí)情況和能力水平，教師指導(dǎo)其更換實(shí)驗(yàn)單元，選擇實(shí)驗(yàn)單元A進(jìn)行創(chuàng)新力再訓(xùn)練。其各創(chuàng)新力得分均高于閾值要求，獨(dú)立實(shí)驗(yàn)單元A學(xué)習(xí)評(píng)分為93.15分。經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)分，他的課程學(xué)習(xí)總得分為65.67分，可以參加課程考核。

4 結(jié)語(yǔ)

在后疫情時(shí)代教學(xué)模式的新發(fā)展格局下，本文提出了基于深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的混合式教學(xué)研究方案。利用CNN的閉環(huán)反饋培養(yǎng)訓(xùn)練機(jī)制優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)線上教學(xué)與線下教學(xué)相混合、理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相混合和學(xué)生主體與教師主體相混合，培養(yǎng)訓(xùn)練學(xué)生理論實(shí)踐創(chuàng)新力，提高學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)基本理論的能力，使學(xué)生具備獨(dú)立進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力。

本文提出的教學(xué)方案能夠定量評(píng)估混合式教學(xué)模式下學(xué)生的培養(yǎng)效果，為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量人才培養(yǎng)的相關(guān)研究提供參考。