基于混合式学习的计算机理论性课程设计

詹捷宇，蒋运承，马文俊

（华南师范大学 计算机学院，广东 广州 510631）

0 引 言

随着新一波人工智能浪潮的到来以及工业界和学术界对计算机人才的强烈需求，越来越多的学生选择计算机相关学科作为自己的专业和兴趣，而国家也基于经济发展和战略需求对计算机人才的培养和储备高度重视，因此对计算机课程教学中存在的部分问题进行改革，使之适应时代的发展和社会的需求十分必要。

计算机专业教学的课程规划一般既包括应用性课程，又包括理论性课程，这两类课程对培养学生优秀的计算机专业技能都具有不可或缺的重要作用。应用性课程能够让学生迅速掌握计算机重要技术，用于解决实际问题，提高学生的就业竞争力；理论性课程是一门学科的核心组成部分，能够让学生对所学学科有更加深入的了解，提高学生对学科体系的整体性认识。然而，在实际教学过程中，计算机理论性课程的教学面临着如下问题：理论性课程与应用性课程相比，与实际应用联系不够密切，导致部分学生学习积极性不高、学习动力不足，课程教学的实际效果并不理想，学生并不能很好地掌握课程知识体系，从而影响学生部分后续课程的学习。

1 混合式学习

随着互联网技术的发展，在线课程的教学方式因其开展的便捷性和资源的丰富性逐渐受到广大学习者的追捧。从最开始较为简单的教学视频录制到如今风靡全球的大型开放式网络课程（Massive Open Online Courses，MOOC），在线课程已经成为一种重要的学习方式[1]。然而，实践表明纯粹的在线学习并不能完全取代传统课堂面对面的学习方式。在一些课程中，传统课堂学习仍然具有在线学习不可替代的优势，如传统课堂所营造出来的学习氛围、学生之间面对面讨论的机会、得到授课教师及时答疑解惑的机会、具有一定的学习约束力等。在线课程和传统课堂教学具有其各自的优点，并不能完全互相替代，因此教育界提出一种将在线学习和传统课堂教学“混合”起来、互相配合的教学形式，即混合式学习（Blending Learning/Blended Learning）[2]。文献 [3]中提出，“所谓Blending Learning就是要把传统的学习方式的优势和E-learning（即数字化或网络化学习）的优势结合起来，也就是说，既要发挥教师引导、启发和监控教学过程的主导作用，又要充分体现学生作为学习过程主体的主动性、积极性与创造性。目前，国际教育技术界的共识是只有将这二者结合起来，优势互补，才能获得最佳的学习效果”。相关实验证明，混合式学习与纯粹的在线学习和传统的课堂学习相比，能够更加有助于提高大学生群体的学习效果[4-5]。

具体而言，混合式学习包括学习理论的混合、学习资源的混合、学习环境的混合和学习方式的混合。混合式学习需要针对不同的学习者、不同的学习目标和不同的学习环境采用相适应的学习理论，需要将丰富的在线学习资源与线下资源进行有机结合，在传统的课堂环境或在线的虚拟课堂、学习讨论区等环境下实现师生之间的交互。学习方式的混合也是多种多样的，如线上学习、线下辅导、案例谈判、学习论坛、课后测试和评论等。混合式学习通过不同方面和不同层次之间的整合，试图增强学习趣味，调动学生主动性，提高教师引导监督作用，最终改善教学效果。

2 计算理论导论课程教学

计算理论导论一般面向计算机学科高年级本科生或计算机理论方向的低年级研究生开课，要求选课学生具备良好的数学基础和基本的计算机理论基础。相对于其他计算机科学的课程，计算理论导论的课程内容更加接近于数学，涉及大量计算理论的数学叙述和定理证明，因此部分学生对这门课程没有太多的兴趣，也没有动力投入更多的时间学习。著名教材Introduction to the Theory of Computation的作者Michael Sipser 教授也在书中前言直言不讳地说道：“部分学生或许认为理论比较神秘、难学且用处不大”[6]。 然而，这门课程的开设却具有深远的意义。

首先，从理论和实践的关系上看，理论是实践的指南。计算机技术更新换代速度很快，专门的技术可能在当今的市场上很受青睐，但可能短短数年之后就会被淘汰。过去几十年计算机科学这门学科的经验也验证了这一点。如果能够把握计算机理论知识体系，则可以更好地培养计算思维，提高学习者表达问题和解决问题的能力，这是对一名计算机学习者来说更加重要的能力。其次，从这门课程和计算机科学其他课程的关系上看，计算理论导论的学习也有助于学生了解计算机科学领域的其他方向，如现代密码学、随机计算、程序语言理论等。因此，计算理论导论的学习可以为学习者提供了解其他方向课程的理论工具，让学习者能够更加深刻地认识和把握相关学科方向。

计算理论导论课程以“计算”作为研究对象，主要探讨的是计算机的基本能力和局限性是什么的问题，包括3个部分的内容：自动机、可计算性理论和复杂性理论。表1为对这门课程主要内容的概括。

表1 计算理论课程主要内容

3 基于混合式学习的课程设计

混合式学习授课方式的核心在于合理地融合多样的授课方法，因地制宜，因材施教，最大限度地发挥教师的引导作用和学生的反馈作用，而这个过程的关键就在于教师和学生之间的互动。传统的课堂教学中，教师和学生的互动仅仅局限于课堂上教师的授课、课间教师的答疑解惑以及课后作业的布置和批改。这样传统的方式一方面使得学生处于被动的状态，对课程的把握往往受限于教师对课程内容的理解；另一方面，教师往往无法及时了解学生对课程内容的掌握程度，难以站在学生的角度看待授课内容，对难点的定位不清晰。因此，有必要在传统的课堂授课基础上融入混合式学习的概念，统筹多种教学方式，从不同的层面增强师生之间的互动。为了解决上述传统课堂中出现的问题，我们提出基于混合式学习的三阶段互动模式：课前互动、课中互动以及课后互动。

3.1 课前互动阶段

课前互动是三阶段互动模式在传统的课堂授课环境下最缺失的，而这一环节的缺失使得学生无法及时了解授课内容，教师也无法了解学生在学习过程中困惑的地方，这样就导致在授课的过程中，教师虽然占据授课的主导地位，但是不能因材施教，不能根据学生学习的难点有的放矢，使得授课的质量大大减弱。因此，在课前互动阶段，教师应让学生主动了解学习内容，反馈知识难点，带着问题学习，协助导师有针对性地改进课程设计，使其符合学生群体的需求。

具体而言，这一阶段的互动形式包括以下几个步骤：首先，在上课之前，教师提前将准备好的课程教学内容和教学大纲告知学生，使学生对即将学习的内容有所了解，并且提出与接下来的课程内容相关的若干问题，让学生自己搜索答案；其次，提供给学生相关的网上教学资源，包括教材章节、知名教师的课件、知名MOOC平台上的相关课程章节等，让学生带着准备的问题进行观看并寻找答案；第三，构建该课程的网上论坛，收集学生在自学习阶段中遇到的问题；最后，教师根据网站的讨论和收集到的信息，更新授课课件，有的放矢，抓住学生兴趣点的同时兼顾重难点知识的讲授。

以计算理论导论第一节课绪论为例，这节课的主要内容包括讲解自动机、可计算性和复杂性的概念；课程相关的数学概念和术语介绍；定义、定理、证明和证明类型的介绍等。在讲授这节课之前，教师需要将授课内容和大纲以及相关问题发送给学生，提出的问题可以是学生比较感兴趣的问题，如“列举出与计算理论导论中关键概念相关的应用领域”等，然后提供与自动机、复杂性理论等相关的网络资源给学生，同时鼓励学生寻找更多的资源解决上述问题；接着教师构建用于收集学生问题的网上论坛，根据学生的网上讨论和留言改进授课内容，如当大部分学生表示对复杂性理论在密码学中的应用感兴趣时，则应该适度增加这一部分的内容，从而提高学生对本门课程的兴趣。

3.2 课中互动阶段

相对于课前互动和课后互动，课中互动是传统课程教学中最能够兼顾到的，可以从混合式学习的角度尝试在这个阶段融入更多的师生交互方式。具体而言，这一阶段的互动包括3种形式：匿名提问、网上答题竞赛和动手设计。

传统的课堂授课中，部分学生在教师讲授课程内容的过程中有疑惑却不勇于提出，因此可以在该环节中设计匿名提问方式，在授课的过程中令学生通过扫描二维码或者其他方式进入匿名提问系统；然后在课堂的问答环节中，教师对学生匿名的提问进行一一解答或者选择提问次数较多的问题进行有针对性的解答。类似地，在传统的课堂中，教师经常随堂布置一些题目并邀请部分学生上台讲解，但有些学生比较羞怯不敢参与，因此同样可以借助移动互联网的优势，让学生通过手机端对课堂上提出的问题进行作答，这种方式既能增加课堂趣味性，又可以提高学生的课堂参与度。由于计算机理论导论课的内容包含大量的数学描述和证明过程，缺少实际的动手编程操作，因此可以试图在课程教学过程中适当增加动手设计的环节，让学生不至于乏味。例如，在讲授图灵机一节时，可以鼓励学生通过已经学习的编程语言，设计图灵机的程序并且进行展示。通过类似的动手设计环节，学生在理论性课程中也可以进行实操训练，同时增强对理论的了解。总而言之，在课中互动阶段，应倡导学习的趣味性，通过融合多种教学手段消除学生的胆怯心理，提高学生的课程参与度，从而提升学习效果。

3.3 课后互动阶段

传统的课后互动阶段基本只是建立在布置作业和批改作业这一层面上。一方面，部分课程由于授课时间比较紧张，导致后续的作业讲解环节不能面面俱到；另一方面，教师在课堂上讲解的重难点无法多次重复，导致学生在复习阶段难以完全还原课堂讲解内容。因此，在课后互动阶段，我们围绕传统课堂授课情况下出现的这两个问题，提出三阶段互动模式的教学流程，如图1所示。

图1 三阶段互动模式的教学流程

首先，教师要进行课后评价和效果的收集，主要包括学生自身对重难点把握程度的汇报，也包括教师在课后作业批改过程中对学生已掌握内容程度的把握。其次，教师将收集到的信息录制成若干长度为10 min左右的短视频，主要内容包括两部分：①部分易错题的解题过程；②课程内容中部分学生还未能掌握的重难点。这两部分的视频内容可以让学生在课余时间自主复习。最后，教师应该固定开放一定时长的提问时间，使学生在自主复习无法解决疑惑的情况下，可以通过直接提问的方式得到教师的解答。例如，在计算理论导论这门课程中有大量的证明题，通过短视频的方式逐步讲解证明，可以更加清晰地展示推导过程，便于学生理解。

4 结 语

混合式学习的重点在于混合不同的学习方式，改进传统课堂教学和在线课程教学，发挥两者各自的优点。基于混合式学习的三阶段互动模式教学方法，旨在提高教师和学生之间的互动频率和互动深度，从而提高计算机理论性课程的趣味性和可接受度，提高课堂授课效率和学生学习效果。在未来的工作中，我们需要更加关注学生对教学方式的反馈，记录在三阶段互动模式下学生的反映和实际的授课效果，并总结经验改进对应的教学方式。