五星教學(xué)原理的算法導(dǎo)論混合式教學(xué)設(shè)計(jì)
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摘要：《算法導(dǎo)論》作為計(jì)算機(jī)專業(yè)一門重要的專業(yè)必修課，具有多學(xué)科性、強(qiáng)理論性和高概括性。在高校教學(xué)中，線上教學(xué)可以輔助傳統(tǒng)的線下教學(xué)。這樣的混合式教學(xué)不僅發(fā)揮了教學(xué)者的主導(dǎo)性，也提高了學(xué)習(xí)者的主觀能動(dòng)性。目前，現(xiàn)有的研究大多只局限于線上本身的特點(diǎn)，缺乏重要的教學(xué)原理指導(dǎo)，從而影響了混合式教學(xué)的實(shí)際教學(xué)效能。因此，嘗試使用五星教學(xué)原理指導(dǎo)算法導(dǎo)論的混合式教學(xué)模式構(gòu)建，用以提高教學(xué)效果，豐富學(xué)科教學(xué)理論。
關(guān)鍵詞：算法導(dǎo)論；混合式教學(xué)；五星教學(xué)原理；高校教學(xué)；新型教學(xué)環(huán)境
1引言
算法導(dǎo)論課程是高校計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)核心課程，其中算法設(shè)計(jì)部分是軟件技術(shù)的一個(gè)重要方向，也是培養(yǎng)學(xué)生成為未來軟件工程師所不可或缺的一門專業(yè)知識(shí)。與該課程最緊密的學(xué)科分別是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、高等數(shù)學(xué)、組合數(shù)學(xué)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、離散數(shù)學(xué)等，因此算法導(dǎo)論有著很強(qiáng)的邏輯推理性和高度概括的抽象性，是實(shí)踐和理論高度融合的范例。在該學(xué)科教學(xué)過程中，通過將高級(jí)語言程序、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和計(jì)算方法等內(nèi)容緊密地結(jié)合在一起，全面培養(yǎng)了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，對(duì)學(xué)生的專業(yè)發(fā)展具有極其重要的意義。目前算法導(dǎo)論課程主要有線下教學(xué)和線上教學(xué)兩種授課方式。線上教學(xué)普遍采用傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境，對(duì)時(shí)間和空間具有嚴(yán)格的限制?；ヂ?lián)網(wǎng)的快速發(fā)展推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在教育中的應(yīng)用，如MOOC和SPOC等線上教學(xué)在社會(huì)上開始流行并取得了較大的成功。在課程改革的背景下，線下課堂教學(xué)也發(fā)生著變化，其中結(jié)合線上教學(xué)與線下教學(xué)的混合式教學(xué)模式最為突出，因此我們將此模式引入算法導(dǎo)論的傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境。然而，近些年的研究大多只局限于線上本身的特點(diǎn)，缺乏重要的教學(xué)原理的指導(dǎo)，從而影響了混合式教學(xué)的實(shí)際教學(xué)效能[1]。要提高課堂教學(xué)的有效性，就要借助現(xiàn)代教學(xué)理論的指導(dǎo)。只有在現(xiàn)代教學(xué)理論的指導(dǎo)下，教學(xué)設(shè)計(jì)才會(huì)符合教學(xué)規(guī)律，符合課程的教學(xué)理念，最終才能真正發(fā)揮教學(xué)者的主導(dǎo)性，并體現(xiàn)學(xué)習(xí)者的主體性，使課堂教學(xué)更有效[2]。因此，嘗試使用五星教學(xué)原理指導(dǎo)算法導(dǎo)論的混合式教學(xué)模式構(gòu)建，不僅可以將理論很好融入課堂教學(xué)，豐富算法學(xué)科教學(xué)理論，還可以指導(dǎo)教學(xué)細(xì)節(jié)處理，提高教學(xué)效果。本文將分別從教學(xué)模式和課程實(shí)施方法這兩個(gè)方面介紹算法導(dǎo)論課程的具體設(shè)計(jì)方案。
2教學(xué)模式
2.1教學(xué)環(huán)境特點(diǎn)
教學(xué)環(huán)境是開展教學(xué)和學(xué)習(xí)活動(dòng)的場(chǎng)所或載體。目前，算法導(dǎo)論教學(xué)環(huán)境主要分為傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境、開放式教學(xué)環(huán)境和新型教學(xué)環(huán)境。在不同教學(xué)環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生不同的教學(xué)效果[3]：傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境，是指師生之間面對(duì)面交流的課堂教學(xué)環(huán)境。盡管傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境已有幾千年的歷史，但它利于教師主導(dǎo)作用的發(fā)揮與師生之間的直接互動(dòng)，因此仍然是校園教學(xué)的主流；這種傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境屬于線下課堂教學(xué)模式，其對(duì)時(shí)間和空間上具有嚴(yán)格的限制。隨著網(wǎng)絡(luò)信息化時(shí)代的到來，產(chǎn)生了線上課堂教學(xué)模式，因此帶來了新的教學(xué)環(huán)境。如開放式教學(xué)環(huán)境，是指以開放式信息系統(tǒng)為主的教學(xué)環(huán)境。與傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境相比，它將教學(xué)時(shí)間、空間拓展到了任意時(shí)間、任意空間，并提供給老師管理和記錄學(xué)習(xí)情況。目前開放式教學(xué)理念已經(jīng)得到社會(huì)認(rèn)可，并成為社會(huì)化的主要學(xué)習(xí)形式。近幾年來，在大數(shù)據(jù)時(shí)代的背景下涌現(xiàn)出了許多新型教學(xué)場(chǎng)所或載體，包括基于游戲、社交網(wǎng)絡(luò)、智能移動(dòng)設(shè)備和MOOC等教學(xué)形態(tài)，這些統(tǒng)稱為新型教學(xué)環(huán)境。新型教學(xué)環(huán)境憑借其優(yōu)越的物理特性和豐富的應(yīng)用為學(xué)生帶來了新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，并幫助教學(xué)者改善教學(xué)效果。在高校學(xué)習(xí)環(huán)境中，線上課堂教學(xué)模式還不能完全的取代線下的傳統(tǒng)教學(xué)模式。由于很多學(xué)生在眾多的線上學(xué)習(xí)資料源中往往沒有目標(biāo)，也不能很好的構(gòu)建課程體系[4]，因此線上線下課堂相融合的混合式教學(xué)模式是提升高校教學(xué)效果的重要手段。
2.2混合教學(xué)模式
根據(jù)算法導(dǎo)論多樣化的教學(xué)環(huán)境特點(diǎn)以及大綱要求，本研究采用以教師為主導(dǎo)的混合式教學(xué)模式[5]，以達(dá)到對(duì)線上和線下教學(xué)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合。目前，線上資源海量，如在全球范圍內(nèi)取得巨大成功的大規(guī)模在線開放課程（MassiveOpenOnlineCourse,MOOC）就是一種線上優(yōu)質(zhì)資源的選擇。我們以“算法”為關(guān)鍵字在中國大學(xué)MOOC進(jìn)行搜索，與算法相關(guān)的課程有467個(gè)，其中90個(gè)為國家精品課程。這么多的課程需要合理有效地利用，不能全盤照搬。在大數(shù)據(jù)的前提下，線下教師的作用不可忽略，具體的結(jié)合教學(xué)模式進(jìn)行如下：（1）以算法教學(xué)大綱為切入點(diǎn)，選擇合適的候選線上資源。（2）開課之初，教師給出線上資源與對(duì)應(yīng)紙質(zhì)教材，讓學(xué)生做好預(yù)習(xí)。（3）課前，教師針對(duì)本次課程講授的重難點(diǎn)，明確線上課程，細(xì)化到具體章節(jié)。（4）課中將課程放置于新型教學(xué)環(huán)境，如使用慕課堂智慧教學(xué)工具,用于課堂互動(dòng)，測(cè)試等工作。（5）課后教師總結(jié)出課堂上學(xué)生掌握較差內(nèi)容，布置作業(yè)，并線上公告，便于學(xué)生復(fù)習(xí)、鞏固知識(shí)。（6）提供課程拓展內(nèi)容，學(xué)生可以在教師指導(dǎo)下進(jìn)行其他相關(guān)知識(shí)學(xué)習(xí)，拓展學(xué)生的眼界?？偟膩碚f，在以教師為活動(dòng)主導(dǎo)的前提下，將線上教學(xué)融入線下課程的各項(xiàng)工作中的教學(xué)模式，加強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)空間的立體化，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。
2.3五星教學(xué)原理
目前的實(shí)踐和研究很多集中在關(guān)于線上教學(xué)方面，并取得了很多的成績(jī)。然而，這些研究大多只局限于線上本身的特點(diǎn)，缺乏重要的教學(xué)原理的指導(dǎo)，從而影響了混合式教學(xué)的實(shí)際教學(xué)效能[1]。因此，嘗試使用五星教學(xué)原理指導(dǎo)混合式教學(xué)模式的構(gòu)建，以期提高教學(xué)設(shè)計(jì)的教學(xué)性和效能性。通過對(duì)不同教學(xué)設(shè)計(jì)模式、教學(xué)策略的比較分析，梅里爾提出了五星教學(xué)原理，它是各種教學(xué)設(shè)計(jì)理論和模式基本上均贊同的一種處方性的教學(xué)設(shè)計(jì)原理[1,6]。五星教學(xué)原理以問題解決為根本目標(biāo)，其核心思想是:當(dāng)學(xué)習(xí)者介入解決實(shí)際生活中的問題時(shí)，當(dāng)激活學(xué)習(xí)者的原有知識(shí)并將其作為新學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)時(shí)，當(dāng)向?qū)W習(xí)者展示新的知識(shí)時(shí)，當(dāng)學(xué)習(xí)者把新學(xué)的知識(shí)進(jìn)行具體應(yīng)用時(shí)，當(dāng)學(xué)習(xí)者把所學(xué)知識(shí)融入真實(shí)生活當(dāng)中時(shí)，以上這些才能促進(jìn)學(xué)習(xí)[7]。教學(xué)結(jié)構(gòu)以問題解決為目標(biāo)和中心，包括兩層互相聯(lián)系的循環(huán)過程。內(nèi)層循環(huán)是在聚焦解決問題的教學(xué)宗旨下，不斷重復(fù)四階段循環(huán)圈：激活舊知、示證新知、應(yīng)用新知和融會(huì)貫通。外層循環(huán)是符合學(xué)習(xí)過程，由結(jié)構(gòu)——指導(dǎo)——輔導(dǎo)——反思構(gòu)成的四個(gè)階段。內(nèi)層循環(huán)在外層循環(huán)的指導(dǎo)下完成教學(xué)任務(wù)。從五星教學(xué)原理的核心思想和教學(xué)結(jié)構(gòu)可以看出，該原理不僅關(guān)注教師的教學(xué)過程，更關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，強(qiáng)調(diào)整個(gè)教學(xué)活動(dòng)要從學(xué)生的認(rèn)知角度出發(fā)，滿足學(xué)習(xí)需求。
3課程實(shí)施方法
3.1課程資源的收集與整理
課程資源是為輔助課程內(nèi)容達(dá)到教學(xué)目標(biāo)而用于學(xué)生學(xué)習(xí)的擴(kuò)展資源。所涉及的內(nèi)容一般是呈現(xiàn)講解型內(nèi)容，并與實(shí)際教學(xué)內(nèi)容組成具有一定邏輯組織結(jié)構(gòu)和交互方式。課程資源類型多樣化，包含視頻、音頻、動(dòng)畫、圖像、文本和復(fù)合型的多媒體教學(xué)微課件。這些課程資源既可以是內(nèi)容呈現(xiàn)和講解型的教育資源，如中國大學(xué)MOOC課程中的北京大學(xué)屈婉玲教授為主講授的《算法設(shè)計(jì)與分析》；也可以是用于教學(xué)評(píng)價(jià)的試題、試卷資源，甚至教學(xué)實(shí)踐，如算法的技術(shù)成長(zhǎng)平臺(tái)LeetCode（https://leetcode.com/）。
3.2教學(xué)設(shè)計(jì)
教學(xué)設(shè)計(jì)是根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求和教學(xué)對(duì)象的特點(diǎn)，將教學(xué)各要素有序安排，確定合適的教學(xué)方案的設(shè)定和計(jì)劃。算法問題根據(jù)解題的方法不同分為遞歸與分治算法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法、貪心算法、寬度和深度搜索和分治限界法五個(gè)專題[8]。而算法作為一種技術(shù)，最重要的是對(duì)這五個(gè)專題問題進(jìn)行求解。而問題求解的關(guān)鍵步驟主要涉及三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：建模、設(shè)計(jì)算法和分析算法。其中，建模是對(duì)輸入?yún)?shù)和解給出形式化或半形式化的描述；設(shè)計(jì)算法是選擇采用什么樣的算法設(shè)計(jì)技術(shù)，并保證其正確性；分析算法即評(píng)價(jià)采用算法的運(yùn)行效率。這里，我們根據(jù)五星教學(xué)原理的指導(dǎo)，圍繞如何理清如上三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。1）聚焦問題：算法的選題范圍涵蓋基礎(chǔ)知識(shí)（算法的定義、表示方式、復(fù)雜度分析）和一系列的算法策略。首先要確定將要講解內(nèi)容使用混合教學(xué)方式的可行性，在此基礎(chǔ)上以問題為中心，盡可能使用與學(xué)習(xí)者生活工作相關(guān)的案例進(jìn)行問題描述，讓學(xué)習(xí)者感興趣的參與其中。這個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行算法建模理解極為重要。此外，教學(xué)者可以通過線上公告和郵件的方式交代學(xué)習(xí)任務(wù)、安排具體的完整任務(wù)以及形成任務(wù)序列，這不僅促進(jìn)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)，而且方便課后的反復(fù)復(fù)習(xí)。2）激活舊知：激活舊知可以從兩個(gè)階段進(jìn)行。課前，教師為學(xué)生精心挑選線上學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)任務(wù)，用于激活學(xué)生的原有知識(shí)，理清知識(shí)結(jié)構(gòu)，以便更好地把新舊知識(shí)聯(lián)系起來。課中，教師在示證新知的過程中引導(dǎo)學(xué)生回憶、聯(lián)想、描繪先驗(yàn)知識(shí)作為學(xué)習(xí)新知識(shí)的基礎(chǔ)。但是在教學(xué)過程中，學(xué)習(xí)者往往對(duì)原有經(jīng)驗(yàn)相對(duì)缺乏，如算法設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，因此需提供相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)作為學(xué)習(xí)新知識(shí)的基礎(chǔ)促進(jìn)學(xué)習(xí)。3）示證新知：示證新知是課中講授算法內(nèi)容的主題，也是整個(gè)教學(xué)過程的主要環(huán)節(jié)，肩負(fù)著新舊知識(shí)聯(lián)系的任務(wù)。由于算法求解問題的過程具有很強(qiáng)的邏輯性，教師可以模式化進(jìn)行教授。首先，教師根據(jù)聚焦問題引導(dǎo)學(xué)生思考求解方法，這不僅是算法的一個(gè)實(shí)例化應(yīng)用，也是實(shí)現(xiàn)新舊知識(shí)結(jié)構(gòu)整合的方式。然后，進(jìn)行任務(wù)驅(qū)動(dòng)，對(duì)新知識(shí)做簡(jiǎn)要說明，并用偽代碼進(jìn)行算法描述，進(jìn)而使學(xué)生了解算法的特點(diǎn)和適用性、掌握算法的實(shí)際步驟。其間可以恰當(dāng)使用類似于中國大學(xué)MOOC平臺(tái)的慕課堂等智慧教學(xué)工具進(jìn)行課中的線上互動(dòng)，使課堂形式豐富多樣化。此外，教師可以引導(dǎo)學(xué)生畫出新知識(shí)結(jié)構(gòu)圖，通過比較新舊知識(shí)結(jié)構(gòu)圖，理順二者之間的關(guān)系，加深理解。4）應(yīng)用新知：課中的最后進(jìn)入實(shí)踐動(dòng)手環(huán)節(jié)，教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生選取1~2個(gè)難度適中的案例任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者以小組為單位參與實(shí)踐活動(dòng)。通過在學(xué)習(xí)者熟悉的環(huán)境中模擬應(yīng)用算法求解案例問題的過程，加深對(duì)算法的理解。該環(huán)境可以使用線上平臺(tái)如LeetCode，不僅可以直接判斷對(duì)錯(cuò)，還提供對(duì)算法運(yùn)行時(shí)間的排名，方便學(xué)習(xí)者通過對(duì)算法復(fù)雜度的分析反復(fù)修改代碼。此外，學(xué)生之間可以面對(duì)面地討論互助，彼此取長(zhǎng)補(bǔ)短，加深對(duì)知識(shí)的進(jìn)一步掌握和理解。5）融會(huì)貫通：融會(huì)貫通階段的主要任務(wù)是進(jìn)一步深化對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和熟練運(yùn)行，甚至可以遷移到日常生活中去，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。首先，教學(xué)者根據(jù)學(xué)習(xí)者掌握知識(shí)的程度，可以推薦線上算法教學(xué)視頻的某些章節(jié)給學(xué)習(xí)者，進(jìn)而提供了可重復(fù)性的精準(zhǔn)教學(xué)。然后通過線上公告方式布置較為復(fù)雜的課后作業(yè)或思考題，激發(fā)學(xué)習(xí)者的探究意識(shí)，并在動(dòng)手做的過程中感悟、理解、掌握非結(jié)構(gòu)化的知識(shí)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移。最后，對(duì)于學(xué)有余力的學(xué)生提供拓展資料，從而開拓學(xué)生的眼界。
3.3教學(xué)評(píng)
五星教學(xué)原理重視對(duì)學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)，這有助于及時(shí)反饋學(xué)習(xí)效果，以便改進(jìn)[9]。教學(xué)評(píng)價(jià)主要在線上平臺(tái)進(jìn)行，按照教學(xué)活動(dòng)中的作用可分為定位評(píng)價(jià)、形成性評(píng)價(jià)、診斷性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)[10]。1）定位評(píng)價(jià)主要是在課前判斷學(xué)生準(zhǔn)備情況，教學(xué)者可以借助線上平臺(tái)隨機(jī)提問檢驗(yàn)預(yù)習(xí)情況及所需知識(shí)技能掌握狀況，并納入平時(shí)成績(jī)。此階段涉及的評(píng)價(jià)主體有個(gè)體自我評(píng)價(jià)與教師評(píng)價(jià)。2）形成性評(píng)價(jià)主要是在課中反饋學(xué)習(xí)成敗信息，教學(xué)者可以采用多種教學(xué)方法調(diào)動(dòng)學(xué)生主觀能動(dòng)性，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者闡述接受新知識(shí)遇到的問題。教學(xué)者根據(jù)學(xué)生的反饋信息調(diào)整教學(xué)難點(diǎn)的教授方式與課后精準(zhǔn)輔導(dǎo)的方向。此階段涉及的評(píng)價(jià)主體有個(gè)體自我評(píng)價(jià)與小組評(píng)價(jià)。3）診斷性評(píng)價(jià)主要是課后教學(xué)者對(duì)作業(yè)或是單元測(cè)試進(jìn)行審閱，給予學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行量化評(píng)分。而學(xué)習(xí)者根據(jù)教師的評(píng)分與評(píng)語，復(fù)診學(xué)習(xí)錯(cuò)誤，調(diào)查屢次犯錯(cuò)深的層原因。此階段涉及的評(píng)價(jià)主體有個(gè)體自我評(píng)價(jià)與教師評(píng)價(jià)。4）總結(jié)評(píng)價(jià)主要是教學(xué)者與學(xué)習(xí)者對(duì)教學(xué)和學(xué)習(xí)效果進(jìn)行反思。學(xué)習(xí)者通過溫習(xí)重難點(diǎn)，理清自身的掌握情況，并反饋到線上平臺(tái)。教學(xué)者通過評(píng)閱學(xué)習(xí)者的反饋信息，判斷達(dá)到教學(xué)目標(biāo)程度，得到教學(xué)目標(biāo)適當(dāng)性與教學(xué)策略性。此階段涉及的評(píng)價(jià)主體有個(gè)體自我評(píng)價(jià)與教師評(píng)價(jià)。
4結(jié)束語
當(dāng)今信息化充斥著整個(gè)教學(xué)環(huán)境，缺乏理論指導(dǎo)的課程設(shè)計(jì)是孤立的、零散的或不成體系的。在追求教學(xué)效率和效果的同時(shí)，本研究提出的基于五星教學(xué)原理的算法導(dǎo)論混合式教學(xué)在符合掌握學(xué)習(xí)理論的情況下，通過結(jié)合傳統(tǒng)線下學(xué)習(xí)方式和電子信息線上學(xué)習(xí)方式，最大限度地發(fā)揮了教學(xué)者的主導(dǎo)性與學(xué)習(xí)者的主觀能動(dòng)性。希望此研究能起到拋磚引玉的效果，并為提高算法導(dǎo)論教學(xué)設(shè)計(jì)的教學(xué)性和效能性提供有價(jià)值的借鑒。
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作者：權(quán)麗君 吳劍 單位：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院