导师式线上线下混合教学模式的探索与实践

2021-06-15刘刚肖嵩郭漪

高教学刊 2021年7期

刘刚　肖嵩　郭漪

摘要：“互联网+”与教育的深度融合为传统的高等教育带来了新的机遇和挑战。文章以《信息论基础》课程中的最佳不等长编码章节为例，介绍了课程实施的以学生为中心的“导师式”线上线下混合教学新模式以及获得的教学成效。课程通过课堂中创建学习场景，进行互动环节的导演设计、引导启发学生进行思考、通过课程思政进行思想引领和疏导，通过先进的教学内容和多样化的教学手段激发学生学习的兴趣和能动性，培养学生的主动学习能力、实践能力、合作能力和分析问题解决问题的能力和在情感、价值观等方面的综合素质。

关键词：混合式教学;自主学习;合作学习;高阶思维

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2021）07-0065-05

Abstract： The deep integration of "Internet +" and education has brought new opportunities and challenges to traditional higher education. This paper uses the best unequal-length coding chapter in the "Elements of Information Theory" as an example to introduce the new student-centered "tutor-style" new online and offline mixed teaching model and the teaching results achieved. The course creates learning scenarios in the classroom， directs the design of interactive sessions to inspires students to think， and guides the thinking through ideological and political courses. Advanced teaching content and diverse teaching methods stimulate students' interest and initiative， and cultivate students' active learning ability， practical ability， cooperation ability， the ability to analyze and solve concrete problems， and comprehensive qualities such as emotions and values.

Keywords： mixed teaching; self-learning; cooperative learning; higher-order thinking

隨着互联网、信息技术、人工智能快速发展，线上线下混合式教学成为新型教学形态，它需要综合运用学习理论、技术手段和应用方式，对教学资源建设、教学设计和教学管理提出了更高的要求。其中，教学设计是线上线下混合式教学是否成功有效的关键，如何充分发挥线上线下优势，平衡二者关系，达到线上教学与线下教学功能效益最大化，是混合式教学亟待解决的难点问题。本文以《信息论基础》最佳不等编码章节为例，探索导师式混合教学模式。

一、背景介绍

《信息论基础》是信息与通信工程学科的基础骨干课程，面向本科三年级学生开设。完成课程学习后，学生能够理解并掌握信息的提取、传输和处理的基本理论和基本方法，建立最优化信息传输系统设计的整体概念;能够将信息论与编码理论用于工程应用中的信息表示、信号传输、信号处理等问题;能够结合数学，将信息论与编码理论用于表达、分析、处理本专业相关的工程问题;能够从数学的角度对工程问题的解决方案进行分析与改进。进一步通过融入课程思政，培养学生热爱祖国、热爱科学的精神与核心素养。

以教学内容改革创新为核心，对课程知识体系进行了重构与优化，构建了“以实践与创新为导向”的“导师式”混合教学模式，如图1所示，下文以以《最佳不等长编码》为例说明混合式教学设计。

作为《信息论基础》的重要章节，最佳不等长编码要求通过寻找最佳不等长编码的方法的过程，启发学生如何分析问题和解决问题;通过证明Huffman编码的最佳性，锻炼学生应用数学工具分析工程问题的能力;通过Huffman编码的实际应用，锻炼学生应用专业知识解决实际问题的能力。

（一）传统教学的局限

1. 传统教学课堂以教师传授知识为主，师生互动讨论为辅。由于学生欠缺学习的主动性，在课堂学习中遇到的问题未能及时反馈给教师，从而无法得到教师及时地有效地个性化指导，课堂教学质量无法保证。

2. 学生的学习能力参差不齐，学习能力强的学生觉着进度太慢，学习能力弱的学生觉着进度太快，班级整体的学习效率低下。

3. 由于课时限制，教师将重点放在三种编码方法以及Huffman编码的最佳性证明，没有时间将理论知识与实践相结合、没有时间引入扩展性问题和应用性问题，更谈不上综合能力锻炼。

4. 由于课时限制，没有足够时间以小组为单位进行合作学习，培养团队合作意识，锻炼学生分析问题和解决问题的能力，以达到课程能力要求。

（二）本方案预期到达的效果

本方案预期达到的效果如下，均与课程的教学目标相呼应。

首先，达到传统教学的基本目标。即掌握几种不等长编码方法（包括Shannon编码、Fano编码、Huffman编码）;掌握Huffman编码最佳性证明;理解信源编码Shannon限。

其次，通过引导启发，与学生一起分析讨论，寻找解决方案，使得学生在课堂能够积极有效表达自己的想法，并对所阐述的问题积极思考，有效地激发学生的学习能动性，培养学生的批判性思维。

第三，通过证明Huffman编码的最佳性，锻炼学生应用数学工具分析工程问题的能力;通过Huffman编码的应用，锻炼学生应用专业知识解决复杂问题的能力。

第四，通过引入美国科学家Huffman的名人轶事，鼓励学生勇于探索与挑战，面对学术难题应坚持到底。通过融入思政元素，将专业课程内容与思政教育有机结合。

最后，有效鼓励合作学习中的互帮互学，优等生带动中差等生，实现共同发展。

二、教学资源和设计

（一）教学资源

课程教材是“十一五”国家级规划教材和教指委推荐教材，获陕西省优秀教材一等奖，被国内众多高校采用。

课程在中国大学MOOC平台上线4期，选课人数约19000人，来自300余所国内外高校、研究所和企业单位，课程评价4.6分。线上资源包括知识点视频、PPT、进阶式章节测验、开放性实验、专题讨论辅助资料、前沿信息科技资料、名师名家讲坛资料等，以供学生的个性化、泛在学习。课程通过教学设计将上述资源有机融合，形成具备高阶性、创新性和挑战度的立体化教材。

具体本节课参考资源如下：

1. 教材3.4.1节（对应教材60-63页）

2. MOOC平台：Shannon编码、Fano編码、Huffman编码、扩展资源

3. 课前练习（课前雨课堂推送）

4. 进阶式测试（课后推送）

（二）教学设计

1. 课前

主要要求学生根据导学清单，通过课前练习、MOOC和扩展资料等方式，在课前能够掌握以下几点：

（1）最佳码的定义及评价指标。

（2）Shannon编码、Fano编码和Huffman编码等常用的几种不等长编码方法。

（3）对如下信源进行不等长编码，并根据自己的理解，判断哪一种是最佳编码，并说明原因。每一小组需要对自己得到的结论在雨课堂进行投票，并准备进行立论陈述的PPT，以备课堂上发言。

（4）根据课前反馈，对指定小组提出扩展性思考问题。在教师引导和鼓励下，准备PPT做小翻转课堂，与大家分享（根据课前反馈，可选）。

2. 课中

课堂分为10个环节，具体环节如图2所示。

前两个环节共计17分钟，教师首先公布课前投票结果，并抛出探究式问题，引导学生进行小组间讨论，即根据Shannon第一定理，从Shannon码，Fano码和Huffman码寻找最佳码，讨论结束后进行第二次投票。随后学生在教师的引导下，从实例出发，得出确定性的结论。由此教师向学生讲述Huffman编码的由来，并通过PPT和板书结合的形式向学生证明最佳唯一可译码的必要条件证明和最佳性定理证明，此过程将花费大约20分钟。

接下来给学生15分钟的时间小组讨论，思考最佳性结论是否适用于多元编码，请学生从实例出发判断是否为最佳，并给出理由。抽选学生给出明确的数学分析方法及步骤，以解决多元Huffman编码问题，最后老师对学生的回答进行评价与点评。在得到Huffman编码为最佳码后，课堂进入扩展环节，教师举出一些通信实例，让学生思考Huffman编码是否唯一，判断不同规则下的编码结果是否都是最佳，哪种更实用？对于上述问题，学生进行小组讨论并实施小翻转课堂，由学生上台表达自己的观点同时给出证明。最后老师总结点评，给出Huffman编码在通信传输应用中考虑的问题及其解决办法。

然后是应用问题环节，教师将给出具体的应用型问题，请学生思考品尝坏酒的方案，在小组讨论后请学生上台分别分享本组的设计方案，引发学生思考方案是否唯一，若不唯一，哪种更好？最后对其总结与点评，引出进一步的扩展思考问题，留给学生作课后作业。最后三个环节主要为由学生主导的对本课的经验分享和教师布置课后作业以及对本堂的总结。

3. 课后

学生在课后要完成三个任务。首先学生要在QQ群或网络平台上传自行录制的本堂课经验总结分享视频，其他学生和教师在观看过后要对其进行评价。其次，学生要完成课后进阶测试，如未达标，教师会推送知识点学习指南和练习题用于重新测试。基于测试结果，教师推送分类扩展资源，以便进一步扩展学习。最后学生要在课下给出品尝坏酒扩展思考问题的解决方案。

（三）信息技术应用与学习支持

本次设计使用的信息技术主要包含雨课堂、智慧教室和小工具应用。其中雨课堂承担着课前布置作业，课中对最佳码投票、课堂提问、抽取小组成员进行论述和课后组间评价的任务。根据其中得到的反馈信息，老师能够对课堂教学进行迅速调整。智慧教室则能为混合式教学设计提供极大便利，比如在合作学习中，每1～2组对应一个屏幕，组员可将自己的验算手稿或者分析结果进行拍照，同时上传到屏幕上与大家进行讨论与分享，也可将小组讨论结果上传到主屏，与全班同学进行分享;而且，教师可获得智慧教室提供的课堂学情数据，及时了解学生的课堂表现情况。小工具应用体现在学生在辩论环节采用的倒计时工具和在小翻转课堂和讨论分享时的点赞、鼓掌等互动工具，达到活跃课堂气氛的目的。

三、教学评价与学生反馈

（一）学习评价

本课程以“厚基础、强能力、促创新”为目标，构建了全过程、多元化、多形式、差异化的课程考核评价体系，总评成绩结构如图3所示。图中，总评成绩由平时成绩与期末成绩两部分构成，各占总评成绩的50%。平时成绩包括线上评价、线下评价、探究式评价和项目式评价。这里的探究式/项目式评价是多次探究式/项目式课堂评价成绩的均值。组内评价和组间评价，需要严格参考教师给出的评分细则，为了削弱“特殊因素”，这里去掉一个最高分，去掉一个最低分，再求平均;评价均采用匿名;并且每次课堂评价结果学生均可见，可申辩。

图3 总评成绩结构

本章节采用探究式教学方式。课堂结束后，每个小组需要整理总结学习成果，并在课堂上或课下进行汇报与分享。这里的总结不只注重学习结果，还应注重在学习过程中的收获和进步、小组成员的合作程度以及创新等方面。学习评价过程依次是小组自评、组间互评、教师评价和助教评价。教师和助教，通过观察小组合作学习的过程，结合小组合作学习的任务完成情况对小组合作学习做出整体的评价，对学生做到立即指导。组间评价是各学习小组针对其他小组的学习成果、态度、合作情况等进行的相互评价，该方法有助于培养学生合作式学习和批判性思维，引导学生互相学习，取长补短，从而更好的掌握課堂所学的知识。具体评价细则表1所示：

本次课堂评价成绩为B2=F*（B21*50%+B22*30%+B23*20%），其中B21为主讲教师评价（占50%），B22为助教评价（占30%），B23为组间评价（占20%），取值为多组给出成绩的均值，F为调节因子。为了鼓励互帮互学，优等生带动中差等生共同发展，F由小组发言人在班内的线上平时测验成绩排名决定，如表2所示。

（二）课堂教学反馈

教师在课堂上设问是用来检验学生学习情况的重要反馈方式之一。本节课堂设计中，总共有10余次提问，而且环环相扣。通过学生课堂上的反应和回答，教师可随时掌握学生在课堂上对相关知识的理解程度，从而及时调整讲课节奏和讲课内容。

雨课堂和智慧教室提供了学生的到课率、课堂抬头率和合作学习参与度等数据，这些数据表明学生在课堂中的参与度和学习热情度，都可作为参考数据，提醒教师是否需要通过适当提问或者使用课堂小工具来调节课堂气氛;是否需要引导小组中未发言的同学进行思考和分享。

课后的进阶式章节测试也能反映学生的学习效果。尤其是一次通过率可以反应学生在课堂中对知识点的理解程度。我们通过在雨课堂上设计课后反馈问卷，进一步完善教学反馈，以助教师进行教学反思，进一步提高课堂教学质量。

（三）混合式教学效果分析

1. 学生满意度高

学生评教成绩、到课率、抬头率、课堂活跃度等方面均表明，教学模式得到了学生的认可，并有效地激发了学生的学习能动性。

2. “抓两头促中间”的教学效果显著

横向比较混合式班级与传统班级的期末成绩、纵向比较近三年期末试卷中综合题与提高题的回答正确率，看出教学模式显著提高了教学质量，有效促进了互帮互学，结果如图4所示。

3. 学生创新、实践能力显著提高

对比课程实施不同阶段的问卷结果，看出课程有效地锻炼、提高了学生的合作学习能力和演讲能力。从参与信息传输理论相关竞赛的学生比例（约30%）和成绩来看，学生的实践能力和创新能力显著提高。

四、教学创新点

本次教学设计的创新有以下四点：

（一）采用“导师式”的混合教学模式

通过创设问题情境（实践性问题、实用性问题的引入）引发学生的参与心理;通过适当引导和练习尝试启发思维（最佳性辩论中启发尝试换信源重新评判，并进行再次投票）;通过以旧引新，促进迁移，温故而知新（学生辩论后，对三种编码方法进行总结，并对探究思路进行梳理，从而得到确定性结论）。Huffman名人轶事鼓励了学生要勇于探索与挑战，并且面对学术难题应坚持到底，从而达到专业课程内容与思政教育（疏导）的有机结合。

（二）注重以实践与创新为导向的教学内容

通过引入依托科研成果的扩展问题、实践性问题的分析与讨论，实现教学科研一体化，赋予课程多层次的挑战度。通过提出问题、讨论问题、分析问题到解决问题，加深了学生对信息论基本理论的理解，锻炼了学生的批判性思维和创新性思维，增强了学生分析问题和解决问题的能力。

（三）注重个性化、差异化教学

根据学前反馈，对学有余力的同学提出扩展性问题，引导他们思考，鼓励在课堂上参与小翻转课堂分享，从而培养学生获取知识的能力和探索精神。通过进阶式章节测试，对未达标的学生推送知识点学习指南和练习题，随后需要他们重新测试，直至达标;基于测试结果，教师分类推送扩展资源，以供进一步扩展学习;教学评价引入调节因子，有效地鼓励合作学习中的互帮互学。

（四）注重数学理念培养

信息论又称通信的数学理论。利用数学工具分析通信问题是课程的精髓。课堂教学强调数学模型的建立、求解、分析与应用，强调板书示范，使同学在课堂上与教师一起思考，不仅加强了学生对基本公式和基本方法的理解和掌握，而且启发了学生的数学思维，锻炼了学生利用数学工具解决工程问题的能力。

五、结束语

混合式教学设计则能充分利用学生的课上与课下时间，对不同学生因材施教，通过实际例子使学生充分理解所学知识，做到学以致用。本文基于学情分析，精心设计教学实施方案，有效地激发了学生的学习主动性和积极性，使得学生在课堂能够积极有效表达自己的思路，并对他们阐述的问题积极思考，进行批判性思维，不仅增强了学生分析问题和解决问题的能力，而且锻炼了学生的实际动手操作能力，培养了学生自主学习的能力和团队合作的意识。混合式教学设计仍处于探索阶段，因此在以后的教学过程中，将会不断探索，继续创新，积累经验，使得混合式教学设计方法变得愈加成熟。

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基金项目：2019年陕西省教育教学改革研究项目重点攻关项目“双一流背景下的电子信息类金课建设探索与实践”（编号：19BG007）;2018

年校级高等教育教学改革研究项目“电子信息类金课教学模式改革研究与实践”（编号：A18008）、“基于慕课资源的专题探究式教学研究——信息论基础”（编号：B18004）;2020年西安电子科技大学应急类示范课程项目“基于MOOC+直播的‘三促三导式混合教学新模式的探索与实践”（编号：SF2001）