計算機理論性課程設(shè)計淺談

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摘要：針對傳統(tǒng)課堂授課方式下計算機理論性課程與實際應(yīng)用聯(lián)系不夠密切，導致部分學生學習積極性不高、學習動力不足、課程教學實際效果并不理想的狀況，提出基于混合式學習的三階段互動模式教學方法，以計算理論導論課為例，分別從課前、課中和課后3個階段闡述如何融合多種教學方式。

關(guān)鍵詞：混合式學習；計算理論導論；師生互動

0引言

隨著新一波人工智能浪潮的到來以及工業(yè)界和學術(shù)界對計算機人才的強烈需求，越來越多的學生選擇計算機相關(guān)學科作為自己的專業(yè)和興趣，而國家也基于經(jīng)濟發(fā)展和戰(zhàn)略需求對計算機人才的培養(yǎng)和儲備高度重視，因此對計算機課程教學中存在的部分問題進行改革，使之適應(yīng)時代的發(fā)展和社會的需求十分必要。計算機專業(yè)教學的課程規(guī)劃一般既包括應(yīng)用性課程，又包括理論性課程，這兩類課程對培養(yǎng)學生優(yōu)秀的計算機專業(yè)技能都具有不可或缺的重要作用。應(yīng)用性課程能夠讓學生迅速掌握計算機重要技術(shù)，用于解決實際問題，提高學生的就業(yè)競爭力；理論性課程是一門學科的核心組成部分，能夠讓學生對所學學科有更加深入的了解，提高學生對學科體系的整體性認識。然而，在實際教學過程中，計算機理論性課程的教學面臨著如下問題：理論性課程與應(yīng)用性課程相比，與實際應(yīng)用聯(lián)系不夠密切，導致部分學生學習積極性不高、學習動力不足，課程教學的實際效果并不理想，學生并不能很好地掌握課程知識體系，從而影響學生部分后續(xù)課程的學習。

1混合式學習

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，在線課程的教學方式因其開展的便捷性和資源的豐富性逐漸受到廣大學習者的追捧。從最開始較為簡單的教學視頻錄制到如今風靡全球的大型開放式網(wǎng)絡(luò)課程（MassiveOpenOnlineCourses，MOOC），在線課程已經(jīng)成為一種重要的學習方式[1]。然而，實踐表明純粹的在線學習并不能完全取代傳統(tǒng)課堂面對面的學習方式。在一些課程中，傳統(tǒng)課堂學習仍然具有在線學習不可替代的優(yōu)勢，如傳統(tǒng)課堂所營造出來的學習氛圍、學生之間面對面討論的機會、得到授課教師及時答疑解惑的機會、具有一定的學習約束力等。在線課程和傳統(tǒng)課堂教學具有其各自的優(yōu)點，并不能完全互相替代，因此教育界提出一種將在線學習和傳統(tǒng)課堂教學“混合”起來、互相配合的教學形式，即混合式學習（BlendingLearning/BlendedLearning）[2]。文獻[3]中提出，“所謂BlendingLearning就是要把傳統(tǒng)的學習方式的優(yōu)勢和E-learning（即數(shù)字化或網(wǎng)絡(luò)化學習）的優(yōu)勢結(jié)合起來，也就是說，既要發(fā)揮教師引導、啟發(fā)和監(jiān)控教學過程的主導作用，又要充分體現(xiàn)學生作為學習過程主體的主動性、積極性與創(chuàng)造性。目前，國際教育技術(shù)界的共識是只有將這二者結(jié)合起來，優(yōu)勢互補，才能獲得最佳的學習效果”。相關(guān)實驗證明，混合式學習與純粹的在線學習和傳統(tǒng)的課堂學習相比，能夠更加有助于提高大學生群體的學習效果[4-5]。具體而言，混合式學習包括學習理論的混合、學習資源的混合、學習環(huán)境的混合和學習方式的混合?；旌鲜綄W習需要針對不同的學習者、不同的學習目標和不同的學習環(huán)境采用相適應(yīng)的學習理論，需要將豐富的在線學習資源與線下資源進行有機結(jié)合，在傳統(tǒng)的課堂環(huán)境或在線的虛擬課堂、學習討論區(qū)等環(huán)境下實現(xiàn)師生之間的交互。學習方式的混合也是多種多樣的，如線上學習、線下輔導、案例談判、學習論壇、課后測試和評論等?；旌鲜綄W習通過不同方面和不同層次之間的整合，試圖增強學習趣味，調(diào)動學生主動性，提高教師引導監(jiān)督作用，最終改善教學效果。

2計算理論導論課程教學

計算理論導論一般面向計算機學科高年級本科生或計算機理論方向的低年級研究生開課，要求選課學生具備良好的數(shù)學基礎(chǔ)和基本的計算機理論基礎(chǔ)。相對于其他計算機科學的課程，計算理論導論的課程內(nèi)容更加接近于數(shù)學，涉及大量計算理論的數(shù)學敘述和定理證明，因此部分學生對這門課程沒有太多的興趣，也沒有動力投入更多的時間學習。著名教材IntroductiontotheTheoryofComputation的作者MichaelSipser教授也在書中前言直言不諱地說道：“部分學生或許認為理論比較神秘、難學且用處不大”[6]。然而，這門課程的開設(shè)卻具有深遠的意義。首先，從理論和實踐的關(guān)系上看，理論是實踐的指南。計算機技術(shù)更新?lián)Q代速度很快，專門的技術(shù)可能在當今的市場上很受青睞，但可能短短數(shù)年之后就會被淘汰。過去幾十年計算機科學這門學科的經(jīng)驗也驗證了這一點。如果能夠把握計算機理論知識體系，則可以更好地培養(yǎng)計算思維，提高學習者表達問題和解決問題的能力，這是對一名計算機學習者來說更加重要的能力。其次，從這門課程和計算機科學其他課程的關(guān)系上看，計算理論導論的學習也有助于學生了解計算機科學領(lǐng)域的其他方向，如現(xiàn)代密碼學、隨機計算、程序語言理論等。因此，計算理論導論的學習可以為學習者提供了解其他方向課程的理論工具，讓學習者能夠更加深刻地認識和把握相關(guān)學科方向。計算理論導論課程以“計算”作為研究對象，主要探討的是計算機的基本能力和局限性是什么的問題，包括3個部分的內(nèi)容：自動機、可計算性理論和復雜性理論。

3基于混合式學習的課程設(shè)計

混合式學習授課方式的核心在于合理地融合多樣的授課方法，因地制宜，因材施教，最大限度地發(fā)揮教師的引導作用和學生的反饋作用，而這個過程的關(guān)鍵就在于教師和學生之間的互動。傳統(tǒng)的課堂教學中，教師和學生的互動僅僅局限于課堂上教師的授課、課間教師的答疑解惑以及課后作業(yè)的布置和批改。這樣傳統(tǒng)的方式一方面使得學生處于被動的狀態(tài)，對課程的把握往往受限于教師對課程內(nèi)容的理解；另一方面，教師往往無法及時了解學生對課程內(nèi)容的掌握程度，難以站在學生的角度看待授課內(nèi)容，對難點的定位不清晰。因此，有必要在傳統(tǒng)的課堂授課基礎(chǔ)上融入混合式學習的概念，統(tǒng)籌多種教學方式，從不同的層面增強師生之間的互動。為了解決上述傳統(tǒng)課堂中出現(xiàn)的問題，我們提出基于混合式學習的三階段互動模式：課前互動、課中互動以及課后互動。

3.1課前互動階段

課前互動是三階段互動模式在傳統(tǒng)的課堂授課環(huán)境下最缺失的，而這一環(huán)節(jié)的缺失使得學生無法及時了解授課內(nèi)容，教師也無法了解學生在學習過程中困惑的地方，這樣就導致在授課的過程中，教師雖然占據(jù)授課的主導地位，但是不能因材施教，不能根據(jù)學生學習的難點有的放矢，使得授課的質(zhì)量大大減弱。因此，在課前互動階段，教師應(yīng)讓學生主動了解學習內(nèi)容，反饋知識難點，帶著問題學習，協(xié)助導師有針對性地改進課程設(shè)計，使其符合學生群體的需求。具體而言，這一階段的互動形式包括以下幾個步驟：首先，在上課之前，教師提前將準備好的課程教學內(nèi)容和教學大綱告知學生，使學生對即將學習的內(nèi)容有所了解，并且提出與接下來的課程內(nèi)容相關(guān)的若干問題，讓學生自己搜索答案；其次，提供給學生相關(guān)的網(wǎng)上教學資源，包括教材章節(jié)、知名教師的課件、知名MOOC平臺上的相關(guān)課程章節(jié)等，讓學生帶著準備的問題進行觀看并尋找答案；第三，構(gòu)建該課程的網(wǎng)上論壇，收集學生在自學習階段中遇到的問題；最后，教師根據(jù)網(wǎng)站的討論和收集到的信息，更新授課課件，有的放矢，抓住學生興趣點的同時兼顧重難點知識的講授。以計算理論導論第一節(jié)課緒論為例，這節(jié)課的主要內(nèi)容包括講解自動機、可計算性和復雜性的概念；課程相關(guān)的數(shù)學概念和術(shù)語介紹；定義、定理、證明和證明類型的介紹等。在講授這節(jié)課之前，教師需要將授課內(nèi)容和大綱以及相關(guān)問題發(fā)送給學生，提出的問題可以是學生比較感興趣的問題，如“列舉出與計算理論導論中關(guān)鍵概念相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域”等，然后提供與自動機、復雜性理論等相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)資源給學生，同時鼓勵學生尋找更多的資源解決上述問題；接著教師構(gòu)建用于收集學生問題的網(wǎng)上論壇，根據(jù)學生的網(wǎng)上討論和留言改進授課內(nèi)容，如當大部分學生表示對復雜性理論在密碼學中的應(yīng)用感興趣時，則應(yīng)該適度增加這一部分的內(nèi)容，從而提高學生對本門課程的興趣。

3.2課中互動階段

相對于課前互動和課后互動，課中互動是傳統(tǒng)課程教學中最能夠兼顧到的，可以從混合式學習的角度嘗試在這個階段融入更多的師生交互方式。具體而言，這一階段的互動包括3種形式：匿名提問、網(wǎng)上答題競賽和動手設(shè)計。傳統(tǒng)的課堂授課中，部分學生在教師講授課程內(nèi)容的過程中有疑惑卻不勇于提出，因此可以在該環(huán)節(jié)中設(shè)計匿名提問方式，在授課的過程中令學生通過掃描二維碼或者其他方式進入匿名提問系統(tǒng)；然后在課堂的問答環(huán)節(jié)中，教師對學生匿名的提問進行一一解答或者選擇提問次數(shù)較多的問題進行有針對性的解答。類似地，在傳統(tǒng)的課堂中，教師經(jīng)常隨堂布置一些題目并邀請部分學生上臺講解，但有些學生比較羞怯不敢參與，因此同樣可以借助移動互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，讓學生通過手機端對課堂上提出的問題進行作答，這種方式既能增加課堂趣味性，又可以提高學生的課堂參與度。由于計算機理論導論課的內(nèi)容包含大量的數(shù)學描述和證明過程，缺少實際的動手編程操作，因此可以試圖在課程教學過程中適當增加動手設(shè)計的環(huán)節(jié)，讓學生不至于乏味。例如，在講授圖靈機一節(jié)時，可以鼓勵學生通過已經(jīng)學習的編程語言，設(shè)計圖靈機的程序并且進行展示。通過類似的動手設(shè)計環(huán)節(jié)，學生在理論性課程中也可以進行實操訓練，同時增強對理論的了解?？偠灾?，在課中互動階段，應(yīng)倡導學習的趣味性，通過融合多種教學手段消除學生的膽怯心理，提高學生的課程參與度，從而提升學習效果。

3.3課后互動階段

傳統(tǒng)的課后互動階段基本只是建立在布置作業(yè)和批改作業(yè)這一層面上。一方面，部分課程由于授課時間比較緊張，導致后續(xù)的作業(yè)講解環(huán)節(jié)不能面面俱到；另一方面，教師在課堂上講解的重難點無法多次重復，導致學生在復習階段難以完全還原課堂講解內(nèi)容。因此，在課后互動階段，我們圍繞傳統(tǒng)課堂授課情況下出現(xiàn)的這兩個問題，提出三階段互動模式的教學流程。首先，教師要進行課后評價和效果的收集，主要包括學生自身對重難點把握程度的匯報，也包括教師在課后作業(yè)批改過程中對學生已掌握內(nèi)容程度的把握。其次，教師將收集到的信息錄制成若干長度為10min左右的短視頻，主要內(nèi)容包括兩部分：①部分易錯題的解題過程；②課程內(nèi)容中部分學生還未能掌握的重難點。這兩部分的視頻內(nèi)容可以讓學生在課余時間自主復習。最后，教師應(yīng)該固定開放一定時長的提問時間，使學生在自主復習無法解決疑惑的情況下，可以通過直接提問的方式得到教師的解答。例如，在計算理論導論這門課程中有大量的證明題，通過短視頻的方式逐步講解證明，可以更加清晰地展示推導過程，便于學生理解。

4結(jié)語

混合式學習的重點在于混合不同的學習方式，改進傳統(tǒng)課堂教學和在線課程教學，發(fā)揮兩者各自的優(yōu)點。基于混合式學習的三階段互動模式教學方法，旨在提高教師和學生之間的互動頻率和互動深度，從而提高計算機理論性課程的趣味性和可接受度，提高課堂授課效率和學生學習效果。在未來的工作中，我們需要更加關(guān)注學生對教學方式的反饋，記錄在三階段互動模式下學生的反映和實際的授課效果，并總結(jié)經(jīng)驗改進對應(yīng)的教學方式。

作者：詹捷宇 蔣運承 馬文俊 單位：華南師范大學計算機學院