专业导论课教学模式及学习效果评估与分析

杜海清，朱新宁，汪弈

(北京邮电大学 信息与通信工程学院，北京 100876)

一、引 言

北京市为进一步深化高等学校教育教学改革和提高高等学校人才培养质量，自2015年起，制订了《北京高等学校高水平人才交叉培养计划》，组织实施了“双培计划”“外培计划”和“实培计划”。其中，“双培计划”是由北京市属高校与在京中央部属高校共同培养高等学校人才的教育教学改革举措，即市属高校每年将输送2 000名左右优秀学生到20余所中央高校的110个优势专业中，按照“3+1”“1+2+1”式等培养机制，进行为期2—3年的中长期访学。

2015以来，北京邮电大学(以下简称北邮)每年接收来自北京信息科技大学、北京工商大学、北京物资学院和北京联合大学等院校近200名市属高校学生，在多媒体通信、5G通信技术、大数据、云计算、互联网商务、互联网物流、电信工程及管理、电子商务及法律8个专业方向协同开展“双培计划”人才培养。该项目为市属高校优秀学生提供进一步深造机会的同时，也给北邮特色专业培养工作带来了机遇和挑战。

多媒体通信导论是“双培计划”通信工程专业多媒体通信方向的核心课程之一。该课程旨在帮助学生认识就读的学科与专业，加深对所学专业的感情，激发学习本专业的兴趣和学习动力，掌握正确的学习方法，为后续课程做铺垫。同时引导学生做好学业规划，选择适合自己的发展方向，真正实现多媒体通信导论作为专业启蒙课程的目标。

北邮信息与通信工程学院(以下简称信通院)自2016年开始面向大一新生进行了专业导论课的改革[1-3]，“双培计划”学生的多媒体通信导论作为其中的一部分也实施了相应的教学改革。本文以北邮2015级和2016级“双培计划”通信工程专业多媒体通信方向专业导论课具身学习教学法和反思教学法两种教学模式的实施和学习效果评价为基础，分析了两级大一学生的学习情况，对两级大二大三学生其他课程的学习情况进行跟踪了研究。通过对比总结相关经验，以期为专业导论课教学质量学生的提高提供借鉴。

二、创新教学法在专业导论课中应用的研究现状

当今世界，如何利用技术来促进教学创新已成为各国关注的焦点。2012—2017年英国开放大学《创新教学法报告》涉及56种创新教学法，涵盖了教学方法、教学媒介、教学内容和教学评价等多个方面，并分类对每一种创新教学法的潜在影响程度和影响时间跨度进行了预测[4]。鉴于本文仅针对专业导论课的教学模式和学习效果进行研究，因此本文探讨对未来教学产生影响的具身学习(Embodied Learning，EL)教学法[4]65和促进学习的反思(Reflection)教学法[5]在北邮“双培计划”专业导论课中的应用。

(一)具身学习教学法

传统在校学习和在线学习都强调抽象理论知识的首要地位。然而，具身学习强调参与和体验，可以通过具体的实践活动(如探索、创造)来进行学习[6]。目前对该类教学法研究较热的有创客文化[5]103。创客教育所倡导的提出问题并利用自己的创造力解决问题的过程，对学生能力的培养至关重要[7]，这与通信工程类、电子信息类专业导论课应注重学生工程能力培养的需求[8]完全吻合。

在创客空间创始人Mitch Altman的推动下，美国斯坦福大学等60多所高校已经陆续在校园里开设了创客空间[9]。麻省理工等美国著名高校电气工程(Electronic Engineering，EE)专业导论课都是以一个具体的实际项目为背景进行相关知识学习，使学生在一年后就能对本专业基本知识构成和应用有较深刻的认识，较早参与并体验实际工程的项目设计、开发和实现的全过程[10]。在国内，清华大学的i.Center、北京大学的科技创新与创业课程、杭州师范大学的阿里巴巴学院及北邮信通院自2016年开始的基于创客教育的专业导论课改革均是对创客教育的践行[1-3,11]。

在专业导论课中引入创客教育，不仅能够引导学生的兴趣培养、能力养成、知识体系和学习方法，而且可以在一定程度上培养学生的工程能力，从而改变传统导论课分专题以科普的方式讲解让学生很难对理论知识有深刻理解的问题。

(二)反思教学法

反思是对自己的思维过程、思维结果进行再认识的检验过程，是学习中不可缺少的重要环节[5]102。反思教学既是一种教学理论，也是教学主体借助行动研究不断探究与解决自身和教学目的以及教学工具等问题，通过将“学会教学”与“学会学习”统一起来，促进师生共同发展的教学方法。在探索中提升教学实践合理性是其主要特征[12]。此观点最早由西方国家提出，随后引入我国，其实施途径包括教学理念的应用、教学过程的实施和教学完成后的回顾与反思[13]。《创新教学法报告》中提及的反思教学法范畴较广，强调持续地参与和反思，是以数据分析和挖掘技术为基础的创新教学法[14]。例如，基于分析的学习设计和学生主导的分析是面向学生的反思，要求学习者对学习过程进行主动反思和调整[4]66。形成性评价则是在教学过程中通过各种大小测验，分享学习期望、提问、讨论、反馈、自我评价、同伴评价等策略，即时、动态、多次对学生实施的评价，其注重及时反馈，用以强化和改进教学[4]70,[15]。美国专门发布了《通过教育数据挖掘和学习分析促进教与学》报告，介绍美国国内大数据教育应用领域和案例，以及应用实施所面临的挑战[16]。我国亦有学者分析了教育数据挖掘2013年以来的研究成果[17]。目前已有将形成性评价应用于大学英语[18]、通信电子电路[19]和护理学导论[20]等课程的案例，部分学者还开展了基于改进的聚类和关联规则挖掘方法对高校一个专业所有学生成绩进行分析的研究[21]，但尚未有应用于通信及电子信息类专业导论课的研究。考虑到传统授课模式和考核方式不利于自主性学习和合作性能力培养，且北邮“双培计划”的专业导论课从2015年才开设，多是单独开班授课，没有充足的教学反馈可以借鉴，因此为了及时掌握学生学习效果并改进教学，本研究不仅通过分析和评估上一级学生的学习效果，从中获取经验回馈改善下一级教学，还将形成性评价贯穿于教学全过程，以期提升授课效果。

三、北邮“双培计划”专业导论课两种教学模式的实施

本研究是北邮2016年高水平人才交叉培养计划教育教学研究与改革专项的一部分，主要针对2016级多媒体通信导论课进行创新改革。为了分析该课程的教改效果，以2015级和2016级多媒体方向双培班的学生为研究对象。假设这两级学生能力无明显差异，将15名2016级学生作为实验组，33名2015级作为对照组，采用分组对比法进行研究。

(一)2015级传统教学模式的反思

“双培计划”通信工程专业多媒体通信方向的首批招生学生为2015级学生。考虑到他们的高考成绩比较低，可能会跟不上北邮通信工程专业其他学生的学习进度，因此单独为他们开班讲授多媒体通信导论课。采用以课堂讲授为主的传统教学模式，共16学时，分专业入学教育、通信的起源、从度量衡到信息熵、光通信与无线通信、互联网及移动互联网、初识多媒体、多媒体通信相关技术和多媒体通信系统8个专题，以学生期末提交的1份报告作为考评成绩。在结课报告中，学生阐述了对所学专业的认识和收获，个别学生还大胆创想了未来多媒体通信技术应用于生活的情境，反映出双培生对本专业具有很强的求知欲。但2015级学生在第一学年结束后，除多媒体通信导论外，与专业学习关系较为密切的其他主干课成绩分布却不甚理想(如表1所示)，特别是电路分析基础和大学计算机基础这两门课的不及格比例过高，暴露了双培生基础较弱，对新知识的接受和实践能力较差的潜在问题。同时也表明，采用报告这种终结性评价作为多媒体通信导论的结课方式，无法及时准确地反映学生在专业导论课学习过程中存在的问题。

表1 2015级学生2015-2016学年主干课成绩统计表

因此，解决下一级双培生对新知识的接受和实践能力较差的问题是多媒体通信导论课教改的主要方向，应该尽可能让他们提前接触程序设计、电子电路基础等专业知识，并以他们有兴趣参与的方式培养和提高自学能力。此外，应该避免终结性评价，尽可能通过形成性评价调动学生的热情和积极性，以便及时反馈教师教学和学生学习中的不足。

(二)2016级采用基于反思和创客教学模式

针对大一新生所面临的从高中到大学教学模式和学习方式的全新转变，以及对所学专业知识体系的认知需求，特别是在反思上一级双培班学生所暴露的薄弱之处的基础上，2016级多媒体方向双培生的专业导论课作为北邮信通院推行的专业导论课教学改革的一部分[3]92，采用了以开源智能硬件为基础，以创新创客教育实践为导向，“做中学”为手段，结合部分专业知识讲授，辅以形成性评价的全新的教学模式。

创新导论课共16学时，包含8学时的专业知识讲授部分和8学时基于Arduino开源硬件的实践部分。前者分初识通信工程、光通信与无线通信、大数据时代的互联网和多媒体通信4个专题，采用传统导论课授课模式进行小班教学，以学生提交报告的方式进行考核。在课前、课中和课后，教师会通过提问、课堂讨论、答疑、作业等形式了解学生对每次教学内容的掌握程度，从而根据实际情况进行调整。后者分开源硬件及程序设计基础、电子电路基础、微机原理基础和计算机网络基础4个专题，按照讲授、实验和验收三个环节进行。

讲授环节主要讲解本专题所涉及的技术及软硬件模块的基础知识和实验中涉及的关键技术问题。

实验环节以学生宿舍为单位发放基于Arduino的课程学习套件。以学生自学为主，为保证学生自学顺利进行，北邮信通院专门为导论课设计了火花空间[3]92学习平台，以Wiki方式组织学习词条，为学生提供实验相关的知识介绍、实验要求、实验步骤及软硬件配置要求和实验程序代码。基于Wiki的平台也便于引导学生在学习的过程中做知识的输出者，将学到的知识添加到平台中，从而使火花空间平台成为一个本专业知识的协作学习平台。

验收环节是学生在指定时间集中完成实验，老师随机检验学生对该专业所有实验的掌握情况，并将此成绩作为期末成绩的一部分。学生保证验收成绩的前提就是要完成所有要实验，并尽可能了解实验中各步骤的含义。这一手段有效地促进了学生的学习。

为了进一步提升学生的学习能力和软硬件基础开发能力，激发学生学习热情，培养学生创新精神和能力，创新导论课还在四个专题实验的基础上，开展创客马拉松活动和创新成果展。该班学生踊跃参加，以2～4人为一个项目组，通过Arduino智能硬件完成创意。他们分别开发了光控小风扇、“Boom”小车和“贴心温度计”等作品，在火花空间平台上进行线上展示及创新成果展进行现场展示。其中，“贴心温度计”获得了北邮信通院第一届专业导论创新成果展三等奖，与北邮信通学院学生同等竞争并取得了这样的成绩，对于双培生实属不易。

(三)两种教学模式的对比

表2从教与学两个维度多个方面比较了上述两种教学模式本质上的差异。反思和创客教学模式注重学生对知识的应用和升华，并有过程性的反馈激励，更符合学生接受能力和认知规律，更适合作为长期性的引导课程。

表2 两种教学模式的比较

四、学生主观评价与分析

为了获取最直接的教学效果反馈，课题组于2018年底以微信小程序的方式对2015级和2016级学生进行了问卷调查。问卷回收比例分别为59%和80%，前者因为已经离开北邮且有4名学生提前退出双培计划，导致问卷回收比例较低，但仍然超过半数，视为有效。

问卷主要从《多媒体通信导论》相关课程对学生的学习、能力和专业兴趣的提升是否有帮助，以及教学内容、教学方式和期望的考核方式等方面进行设计，以期跟踪收集专业导论课对既定教学目标达成程度的第一手资料。问卷调查结果统计如表3所示。其中前三个问题是考量本课程对后续专业学习的支撑作用，后三个问题则是对课程本身教学效果的反馈。

表3 问卷调查结果统计

续 表

从表3可以看出,首先，相较于2015级，2016级双培生认为创新导论课对计算机基础课和学科基础课的学习帮助更大，占比分别从2015级的12%和18%，提升到2016级的42%和33%。这首先是因为创客教育设置了开源硬件及程序设计基础、电子电路基础和微机原理基础三个专业，为大一下学期和大二开设的C++程序设计、电子电路等相关课程提前做了铺垫，提升了学生对专业的理解和认知。其次，2016级的实践动手、团队协作和解决问题能力也得到了提升，占比分别从2015级的24%、35%和35%，提升到2016级的58%、42%和42%。“做中学”对学生的自学能力和动手能力提出了与高中阶段完全不同的要求，促使他们尽快适应大学阶段的学习方式。且在小组合作的学习中，学生们能通过组内的分工协作了解到不同岗位的职责与能力要求，增强未来对职业的适应能力。再次，2015级有6%的学生认为导论课对专业兴趣没有帮助，而2016级所有学生均认为导论课对专业兴趣有不同程度的帮助，这说明面对一个新的专业领域，老师直接讲授固然可以为学生建立一些专业知识的基本概念，但实际操作和实验可以让学生了解电气元件及它们在系统中的应用。这样的教学方式既能通过分析和设计提高学生解决问题的技能，又能激发学生对专业学习的兴趣，使学生对专业抱有持续的好奇心。另外，2015级绝大多数学生都对专业相关科普知识感兴趣，且期待实地参观考察，但关注该专业培养计划的人数只占到35%。而2016级学生感兴趣的教学内容和教学方式相对均衡，有75%的学生关注该专业培养计划，表明2016级学生对学业规划更为重视，对专业的总体认知程度也比2015级高。从考核方式的问卷调查结果也可以看出，2016级学生更倾向于结合平时表现进行综合评价，即学习的过程评价，而非采用学习感想或学业规划这种终结性评价。

综上所述，由于专业导论课的教改更符合工程应用型人才培养的要求，其不仅得到了学生认可，达到了提升实践动手能力和专业兴趣目的，而且帮助学生构建了对专业的认知地图，激发学生对专业学习的热情。

五、专业导论课对后续课程学习的相关性分析

学生成绩是评估教学质量的重要依据，也是学生是否掌握所学知识的重要标志。为了解读上述问卷调查的反馈结果，并分析学生取得这些成绩的真正原因，本研究首先利用盒图直观呈现2016级和2015级学生近三年所学的计算机基础课程、学科基础课程、专业基础课程和专业课的成绩分布。再采用皮尔森相关系数从成绩的角度分析专业导论课与其他课程之间的关联程度。最后应用基于关联规则挖掘的方法，分析创新导论课成绩优异的学生在后续学业中的表现。之所以选创新导论课成绩优异的学生进行分析，主要因为此类学生的学习目标明确，且这种方法严格执行了创新导论课的培养计划安排的前提假设。

(一)学生成绩的统计分析

首先对北邮2015级和2016级学生在校期间的计算机基础课程、学科基础课程、专业基础课程和专业课成绩进行数据预处理。部分学生由于缺考、退学等特殊情况导致课程成绩缺失，需要将其成绩数据置为0占位，在图中以异常值的方式体现。

图1为2015级和2016 级学生计算机基础课程成绩盒图。

图1 2015级和2016级学生计算机基础课程成绩盒图

由图1可以看出，2016级学生的计算机基础、数据结构和微处理器与接口技术成绩明显高于2015级学生，这两级学生的C++程序设计成绩相当。由于这四门课程均为他们首次接触的计算机基础课程，且对动手实践的要求较高，上述统计结果在一定程度上说明开展创新导论课能够帮助学生理解新知识，且有助于提升学生的实践能力。

图2为2015级和2016 级学生学科基础课程成绩盒图。

图2 2015级和2016 级学生学科基础课程成绩盒图

由图2可以看出，2016级学生的电路分析基础、信号与系统、电子电路实验和数字电路实验成绩明显高于2015级学生，进一步说明开展创新导论课能够帮助学生理解新知识，提升学生的实践能力。两级学生的数字电路和随机信号分析成绩中位值相当，但离散程度不同，说明开展创新导论课对部分学生有效。需要关注的是，电子电路实验成绩较高，但电子电路基础成绩并不理想，原因可能是创新导论课中包含了电子电路基础专业，提高学生的动手能力，但他们的理论基础仍有待加强。

图3为2015级和2016 级学生专业基础课程成绩盒图。

图3 2015级和2016 级学生专业基础课程成绩盒图

由图3可以看出，2016级学生除多媒体通信导论和数字音视频原理成绩整体高于2015级学生且更为集中外，通信电子电路、数字信号处理、信息论基础、通信原理和电磁场与电磁波的成绩并没有明显改善。究其原因，可能由于这些课程开设较晚，离导论课时间较长，导致对这些课程成绩的直接作用不明显。也可能是导论课中对这几部分的内容涉及较少，对计算机相关内容涉及较多。从表3调查结果看，2016级学生普遍认为多媒体通信导论对专业基础课的作用要弱于计算机基础课。

图4为2015级和2016 级学生专业课成绩盒图。

图4 2015级和2016 级学生专业课成绩盒图

由图4可以看出，2016级学生的脚本语言设计、计算机通信与网络和数字媒体制作技术的成绩明显高于2015级学生，且数据库技术成绩相当，并相对集中，再一次证明开展创新导论课有助于提升学生动手实践能力。表3结果显示，学生普遍认为多媒体通信导论对专业课有作用，这与调查结果相吻合。

(二)导论课与其他课程的相关性分析

目前，北邮2015级“双培计划”通信工程专业多媒体通信方向的学生已经完成了3年的学习任务，按计划返回北京信息科技大学。2016级学生正在进行最后半年专业课的学习。本文采用皮尔森相关系数对2015级和2016级多媒体通信导论课程成绩与其他课程(2016级不包括最后半年的专业课)成绩的相关关系进行了研究，结果如表4所示。

表4 2015级和2016级学生多媒体通信导论成绩与其他课程成绩的相关系数

注：“—”表示本门课目前还没有开或已开但还未结课，无数据。

由表4可以看出，2015级与多媒体通信导论成绩相关系数普遍不高。相关系数大于0.2的计算机基础课程有数据结构，学科基础课程有电子电路基础、信号与系统和数字电路，专业基础课有数字音视频原理，专业课有数据库技术与应用、计算机通信与网络、通信网理论基础、多媒体通信和模式识别及应用，说明这些课程与多媒体通信导论有一定的相关性，表明多媒体通信导论对这些课程有一定的促进作用。但到了2016级，引入新的教学法后，除个别课程相关系数有所下降外，绝大部分课程的相关系数都得到了大幅提升，表明教改后多媒体通信导论教学效果的提升不仅提高了这些课程的成绩(这与前文盒图分析结果基本一致)，而且也激发了与多媒体通信相关的专业课程的学生学习兴趣，多媒体通信专业导论课的定位得到了真正体现。专业导论课一方面起到承上启下的作用，是从公共基础课和大类平台课到专业课程学习的过渡，另一方面起到统领所有信息与通信工程专业课程的作用，所有课程的设计思路和教学安排等都体现在本课程之中。若导论课为后续开设的所有专业课程做了充分导入和铺垫，会加深学生对专业的理解和认同。同时，创客教育模式也明显促进了学生计算机与网络能力的提升，其后续课程学习能力也不断提高。

但个别课程如数据结构、通信电子电路、电磁场与电磁波、信号与系统、脚本语言设计等，其相关系数不高或有所下降，说明这几门课程可能还受其他因素影响。由于这些课程多偏重于理论或过多依赖个人逻辑思维模式，这些课程成绩可能还与学生自身资质禀赋有关，而非单纯的教学等外加因素。

(三)基于关联规则挖掘的成绩分析

利用关联规则挖掘算法[21]92研究创新导论课成绩优异的学生在后续学业中的表现。由于各科考核的方式、试卷和评分标准不同，将2015级和2016级学生三年所学的各科成绩分别划分为 A、B、C三个分数等级，即成绩排名在前1/3的学生为 A 等，依此类推，排名在最后 1/3的学生为C等。表5显示的是以多媒体通信导论课为前项的A等学生的关联规则。

表5 以多媒体通信导论课为前项的A等学生的关联规则

续 表

注：“—”表示本门课目前还没有开或已开但还未结课，无数据。

强关联规则中的前项和后项之间具有指向性关系，即前项的发生有一定概率能够导致后项的发生[21]92。由表5可以看出，多媒体通信导论的A等成绩与绝大多数课程的A等成绩呈现出较强的一致性，且2016级比2015级的关联规则更强，说明导论课成绩好的学生在其他课程的学习中也表现不错，这在一定程度上反映了专业导论课对后续课程具有较好的支撑作用。多媒体通信导论是学生入学以来最先接触的专业基础课程，课程中的知识脉络与后续许多专业课相关，其成绩有很大可能会影响后续专业课成绩。而且，多方面的教学反馈为2016级学生提供了学习重点和难点的直接引导，从而使成绩好的学生以更加积极的心态去面对后续专业课程的学习，这一良性循环机制使这部分学生的其他课程成绩也较为理想。

六、总结与展望

多媒体通信导论是北邮“双培计划”通信工程专业多媒体通信方向的核心课程之一。本文分析了反思教学法和具身学习教学法的创客教学模式应用于北邮2016级“双培计划”专业导论课的学习效果，并通过与未采用该模式的2015级大一至大三学生的学业成绩进行了对比。结果表明，相比于2015级学生，应用了反思和创客教学模式的2016级学生主观反馈结果更好，不仅多媒体通信导论成绩整体高于2015级学生，且后续相关课程成绩也整体有所提高，验证了本文所采用教学方法的有效性。然而，由于没有相关经验可以借鉴，多媒体通信创新导论课在授课方式把握、理论深度以及系统性设计方面仍存在不足，部分课程成绩与多媒体导论课关联程度不高，后续还需结合双培生特点改进教学方式，通过加强与其他相关高校的学习交流等形式，促进多媒体通信导论课程教学效果的持续提升。