基于学习成效金字塔理论的远程混合式教学设计与实践

徐国艳

（北京航空航天大学 交通学院，北京 100191）

0 引 言

2017 年12 月工业和信息化部印发了《促进新一代人工智能产业发展三年行动计划（2018—2020 年）》的通知，指出要以信息技术与制造技术深度融合为主线，以新一代人工智能技术的产业化和集成应用为重点，推进人工智能和制造业深度融合，加快制造强国和网络强国建设，要重点培育和发展智能网联汽车、智能服务机器人等产业，鼓励新一代人工智能技术在工业领域各环节的探索应用，人工智能的应用需要具有较强的计算思维能力。

笔者曾主讲过11 年的C 语言课程，深刻感受到一些非计算机专业学生在学习C 语言中存在的问题，往往纠结在C 语言繁杂的语法中，而不能达到培养计算思维的教学目的。Python 编程与智能车技术课程在学习Python 基础语法和基本编程思路基础上，利用Python 语言简洁、高效和强大的生态三大特点培养学生计算思维以及利用计算思维解决问题的能力[1]。

近年来MOOC、SPOC、混合式教学方法等基于网络的学习方法在高等教育领域引起了广大老师们的关注，有认可的，也有排斥的，但国内很多教育学家普遍认为混合式教学可以加深对“学教并重”教学设计的认识。混合式学习被认为比单纯的面对面教学或者单纯的在线学习要高效得多[2]。此次利用新冠肺炎疫情契机，基于学习成效金字塔理论，针对Python 编程与智能车技术这门课进行远程混合式在线教学尝试。

1 学习成效金字塔理论

学习成效金字塔是美国缅因州的国家训练实验室的研究成果，由美国著名的学习专家爱德加· 戴尔1946 年首先发现并提出的，如图1 所示。它用数字形式说明采用不同的学习方式，学习者在两周以后还能记住多少内容（平均学习保持率）。在金字塔的塔尖，是第一种学习方式是“听讲”模式，学习效率最低，两周以后学习者只能记住5%的内容。第二种是“阅读”方式，两周之后只能记住10%的内容。第三种是“声音+图片结合视听”方式，两周之后能记住20%的内容。第四种是用“示范/演示”的方法，两周之后可以记住30%的内容。第五种是“参与讨论”，两周之后可以记住50%的内容。第六种是“做中学”或“实际演练”方式，两周之后可以记住75%的内容。处于金字塔最底层方法的是“马上应用”或“教别人”，两周后可以记住90%的内容。可以看出，学习方法不同，学习效率差别很大。学习效果在30%以下的几种传统方式，都是个人学习或被动学习；而学习效果在50%以上的，都是团队学习、主动学习和参与式学习[3]。

图1 学习成效金字塔理论

2 基于学习成效金字塔理论的教学设计

2.1 课程简介

Python 编程与智能车技术课程主要包含5 部分内容，如图2 所示。绪论部分讲解计算机和程序之间的关系、CPU 是如何执行程序的，以及Python 语言的特点及开发环境；让学生从熟悉的计算机出发，了解计算机执行指令和程序的过程，展示Python 语言的特点。第2 部分通过简单的例子，利用Python 接近自然语言的特点，让学生快速对Python 语言有一个较全面初步的认识，达到能仿写、改写Python 小程序的目的。第3 部分内容主要是Python 语言的基本数据类型、程序控制结构、函数及代码复用、组合数据类型、文件和数据格式化，使学生对Pyhton 有全面深入的认识，达到会读、会写Pyhton 程序的目的。第4 部分内容是Pyhton 的计算生态，重点介绍机器学习概念和Python 机器学习库，使学生树立应用计算思维来解决工程问题的意识。第5 部分讲解智能车技术及Python 在智能车方面的应用案例，通过引入教师在智能车和无人驾驶方面的科研实例，如车道线识别、车辆检测等，让学生了解人工智能的具体应用，并知晓人工智能所需要的数学知识体系和专业知识体系。

2.2 课程教学设计

在课程教学设计中，综合应用问题驱动教学法和开放性大作业，如图3 所示，引导学生在解决问题中学、讨论中学、做中学、应用中学，充分挖掘学生的学习主动性和积极性，达到学习成效金字塔理论下面3 层的教学效果。

图2 Python 编程与智能车技术课程内容

图3 重在知识应用的课程教学设计

对于Python 基础知识部分，选用嵩天老师的《Python 程序设计基础》教材。教学过程中，对于每一个知识点，使知识问题化，引导学生在思考解决问题过程中完成知识点的学习，比如想引出Python 基本数据类型知识点时，借用教材天天向上的例子，先请学生思考每天努力1%，7天后能力值能增加多少？30 天以后能力值能增加到多少？365 天后能力值又能增加到多少？从简单的例子入手，引导学生从数学思维到计算思维的转变，并思考用计算思维来求解这个问题。要用计算思维编程来求解这个问题，首先在程序中要有数据表达方式，也就是数据类型，继而开始基本数据类型的讲解，让学生在需要应用的基础上去构建新知识体系。在课后作业中，进一步强化实践，驱动学生去应用知识。

对于Python 丰富的计算生态，不可能在有限的课时内讲解大量的第三方库，通过布置开放性大作业，让学生自由探索、分组合作、自主选择感兴趣的第三方库完成作业。从三轮教学实践来看，学生积极性很高，主动去查阅资料，互相探讨。有同学的大作业结合专业需求完成，如北航生物医学院3 位大二学生合作完成了细胞计数程序设计；有同学结合学习需求完成，如宇航学院2 位同学利用爬虫和wordcloud 库生成了出国介绍网站的词云图；还有同学针对学校热门的博雅讲堂和基础物理实验设计了选课程序。对于每位同学的大作业，给予课堂展示机会，让学生有学习获得感，并锻炼学生的表达能力，另外通过同学之间作业互评和交流分享，让学生体会学科交叉。

3 远程在线混合式课程教学

3.1 远程在线混合式课程教学方案

国内著名教育学家何克抗教授解释混合式教学是把传统学习方式的优势和E-Learning 的优势结合起来的一种方法，体现教师的主导作用和学生的主体作用，也就是既要发挥教师引导、启发、监控教学过程的作用,又要充分体现学生的主动性、积极性与创造性。将二者结合起来优势互补，获得最佳的学习效果[4]。

由于突如其来的新型冠状病毒肺炎疫情，2020 年春季学期教师和学生们不得不改变传统面授课堂的形式，采用远程在线学习模式进行课程的学习，这对于全体师生们来讲，既是一次挑战，也是一次机遇。

本课程是一门实践性很强的课程，在线下课堂授课时，感受到的最大问题是难于在教学过程中做到因材施教，学生基础和能力有差别，课堂上有限的时间不能兼顾到所有学生。如果进度放慢，能兼顾到基础差的同学，就会浪费优秀学生的时间；如加快讲课进度和提升难度，基础差的同学跟不上。学生的个性化特点得不到充分发挥，从而导致部分学生对学习失去兴趣[5]。

由于有嵩天老师的国家精品在线MOOC“Python 语言程序设计”，收到新冠肺炎疫情远程在线授课的通知后，本课程决定确定采用MOOC+Python123 在线作业平台+在线讨论展开远程混合式课程学习。优质的MOOC，在教学内容方面可以节省教师不少精力，教师可以把主要工作集中在引导学生高效率学习上。

绪论课程采用直播方式，对课程主要内容和考核标准进行介绍，让学生对课程有一个总体清晰的认识，并且也让学生感受到虽然远程学习，但是大家学习课程收获不会少，树立学生对课程的信心和兴趣。学生在第一次课后大都感觉良好，评价第一次课程说：“课程很有趣，学到了很多计算机知识，第一次清楚地明白了计算机和程序之间的关系，对后续的课程内容很期待。”从第二次课开始，基于MOOC 进行远程混合式教学，嵩天老师的MOOC 讲得非常细致，需要的时间就显得长一些，对于本课程来讲，如果MOOC内容全部用课堂学时完成，就没有课堂讨论和交流的时间了，而如果只是选取部分章节学习，缺少知识的连贯性。为此，设计了课堂学习、课后延伸学习、拓展学习相结合的学习方式，如图4所示。

对于每个章节的核心知识，在课堂上完成，教师事先设计知识点相关的讨论题和作业题，提前在微信群和作业平台公布，让学生知晓并思考解决问题的方法，带着解决问题的目的进行学习，学习完以后，让学生小组讨论，各自完成作业，并轮流在小组内选择学生在网络会议中讲题，使得学生在全课堂学习保持高度紧张和投入的状态，学生在组织讲题的过程中，可以及时发现自己知识点理解不到位的地方，或者其他同学和老师指出其知识点理解错误的地方，完成知识内化和巩固的过程。在核心知识学习过程中，会牵出非核心知识，非核心知识并非不重要的，它往往是进一步完善核心知识的必备知识点。布置学生课后延伸学习非核心知识，并设计作业巩固非核心知识的消化。鼓励学生在微信群提问和回答其他同学提出的问题，营造同学互教互学的良好氛围，教师也时刻关注微信群学生的互问互答，如果没有错误，教师不介入，如果有错误，教师通过提示性问题，引导学生去思考，直至找到正确的答案。

图4 基于学习成效金字塔理论的混合式教学方案

把非核心知识设计到课外学习，给课堂学时争取到了讨论时间，每次安排MOOC 学习进度的时候，不要求所有学生完全统一进度，而给予适当的时间裕度，让学生根据个人需要，跟着MOOC 进度同步编写、调试程序，每次课留20分钟的空余时间不学习MOOC 新内容，设计有针对性的讨论题和作业题，通过学生讲题和讨论方式引导学生深入思考，强化重点、难点和易错知识点。如对于基本数据类型的讲解，字符串的索引和切片是学生容易混淆的地方，在学习完知识点MOOC 后，设置微信群讨论题：“如何索引到字符串“I love China”中的字符‘C’”？有同学微信群中写出“I love China”[7]，也有同学写出“I love China”[-5]，当有同学写出也可以“I love China”[7:-4]时，有同学表示惊讶和怀疑，趁此群里的讨论就热烈了，字符串的索引和切片，同学们的掌握也就比较牢固了。

对于Python 丰富的第三方库内容学习，引导并鼓励学生自由探索Python 第三方库，把知识拓展应用于实践，用知识来解决学习和生活中的问题。

3.2 远程在线混合式课程教学思考

从已进行的几次远程授课来看，当代学生已经具备了在线学习能力，对学生而言，MOOC 给了他们一种新的不同于传统线下课堂的学习方式，他们可以在一定时间范围内自由掌控自己的学习进度，对于不明白的地方，可以反复观看，而不像课堂上，一开小差就跟不上老师的进度了，他们相当于每次课都坐在第一排，不存在听不见老师讲课或看不清屏幕的问题，他们随时可以提问，而不用担心打扰老师的上课进度，在某种程度上，他们可能更喜欢这种学习方式和交流方式。这显示基于MOOC 的混合式教学难于大面积推广的原因并非来源于需求侧，而是来源于高校教学改革的滞后性[6]。

这次疫情推动的远程教学，毫无疑问将推进混合式教学的改革，这种新的学习方式必然也要求教师改变自己的教学方式来适应变化。混合式教学给教师教学带来的挑战主要将体现在以下两点[7]。

1）教学关注点的变化。

传统授课方式，教师的教学关注点是讲什么和怎么讲，主要时间投入在教学内容和教学方法上，采用MOOC 进行混合式教学后，教师的关注点将转变为引导学生怎么学和控制学生学习效果上。教师需要针对知识点设计讨论的问题并控制课堂的进度，教师的时间主要投入在设计学生的学习过程，以让学生达到最佳的学习效果。可以说，这种教学关注点的变化可以真正地做到以学生发展为中心来设计课程教学。

2）教师角色的变化。

混合式教学方法将促使教师把自己从单纯的知识传授者转变为引导和助力学生成长的导师，其主要任务不是监督和评判学生的学习结果，不是给学生一个课程分数，而是帮助学生获得更好的学习体验和学习效果，培养学生自主学习的能力，培养学生的科学思维和创新精神。

4 结 语

教学是一个复杂的过程，金字塔学习成效理论表明，传统的说课等授课形式，学习方式是被动的，学习效率是偏低的。由于新冠肺炎疫情的推动，结合高质量的MOOC 展开的混合式教学模式，教师的教学关注点和教师角色都发生了转变，在教师有目的的引导下，基于MOOC 的混合式教学模式使得学生的自主学习能力得到极大的释放和提高，真正做到了以学生发展为中心、以学生为主体的课程教学过程，有利于学生综合素质的提升，这也为将来疫情结束后的线上线下混合式教学模式改革提供参考依据。