计算机基础理论性课程混合式教学效果提升策略的研究与实践

刘毅文， 姚敦红， 杨玉军， 彭小宁， 张 显*

（怀化学院1.计算机科学与工程学院；2.武陵山片区健康大数据智能处理与应用湖南省高等学校重点实验室，湖南怀化418008）

2020 年春季因新冠肺炎疫情影响，教育部提出“停课不停学”要求，在各类在线教育平台技术加持下，全国各地高校开启网课模式，教师们纷纷化身“主播”开启直播教学，越来越多的教育工作者开始接触混合式教学，这深刻影响了我们的教育方式，推动我国教育迅速进入“线上教学”时代[1].

然而，在混合式教学运行过程中存在诸多问题，如学生自律性差、课前预习不充分、知识内化缺乏、课中翻转课程形式重于内容、课后作业完成质量不佳、相似度高，学生整体表现出学习主观能动性差的疲态[2].以计算机基础理论性课程为例，课程知识点本身较为抽象枯燥，线上测验题手段单一，学生在完全不看学习资源的情况下通过上网搜索答案依然能快速通过测试，这严重影响线下教学效果，教师无法得知学生真实状态和知识水平，导致后续“教”的开展效果不佳.

现有的混合式教学研究大多集中在教学模式、教学方式等方面，觉得学生应该怎么学，教学方式和教学设计就应该怎么设计，而鲜有学者站在教学评价的角度思考如何有效测验学生掌握知识的真实水平[3].因此，本文主要针对应用型地方本科院校的计算机基础理论性课程混合式教学，探讨基于Bloom模型的知识分层评测策略以及实践心得，在试点的计算机组成原理课程教学中经过一年多的实践取得了较好成效.

1 混合式教学内涵及目的

混合式教学是线上网络与线下课堂教学的融合，也是教学时间、空间、方式、评价四个方面的混合，最终目的是使每个学生得到充分的发展[4-6].混合式教学将学习者的“学”放在课前，要求学习者在认真观看优秀的慕课资源后内化知识，再通过课堂上教师的“教”和“导”，指引学习者学会完善、调整自我认知体系，能灵活应用和分析知识间的联系，在研究中敢于质疑、决策、创新.教学设计是教师改进混合式教学方式提升效果的最直接的核心环节，其关键点在于以学生为本，持续有效评价学生知识水平，精准触及学生知识盲区去造“惑”，推动学生主动学习教学资源去解“惑”，帮助学生在应用实践中顿悟去除“惑”.

2 基于Bloom模型的课程教学内容层次划分

美国教育心理学家布鲁姆（B.J.Bloom）将教育目标划分为认知领域、情感领域和操作领域三个领域，共同构成教育目标体系[7].其中，认知学习领域中把教学目标细分成八大层次，从低到高依次为：识记、理解、应用、分析、综合、评价、设计、创新.浅层学习的认知水平停留在前四层，而深层学习的认知水平对应着后四层，从浅层到深层知识数量构成金字塔型.表1以《计算机组成原理》课程为例，基于Bloom模型对主要教学内容进行分解.

表1 《计算机组成原理》课程主要教学内容分解

在数据共享和人工智能时代，学生通过网络搜索答案的能力大大提高，似乎都懂却都不懂，因此教师设置测验评价方式要尽量体现个性化、多元化、离散化等特征，以便教师有效区分和掌握学生个人的知识能力层次，保证课堂上能有的放矢地提出学生分歧大的知识点来高效组织课堂翻转教学活动，鼓励学生多思考、多质疑、多评价.

3 基于Bloom模型的课程知识点分层测验的改革研究

3.1 识记、理解层次的知识测验方式更新

长期以来，教师在讲解的过程中或者课后会布置一些单选题、填空题、判断题来强化学生对知识的记忆，以题促学.受题目篇幅限制，这类题型往往考查单一知识点细节，要求学生填写应用知识的结果或者定义名称，缺少了中间过程推导等，因此这些题型可作为识记和理解层次的一般难度使用.若要巩固记忆、加深理解，在课后测验中可加入大型不定项选择和分步填空题.

3.1.1大型不定项选择题

将“十几项选N”的大型不定项选择题替代“四选一”的传统单选题，更适合考查学习者对概念定义类知识点的理解程度.课后测验与考试测验不同，学生考虑时间更充裕，但知识的掌握程度还游离于似懂非懂之间，换一种与教材上描述不同的说法极大可能引起学生错判.因此设置该题型一是刺激学生在多轮“学习-思考-推导-讨论”过程中递进迭代，二是让教师去引导学生从“四面八方”扩大知识面，三是设计更多可选和模棱两可的组合（例如15个选项，能组合出32 767种选择），鼓励学生间互相讨论交流，有思考才有分歧，有分歧才有争论，争论不服输会激发学生去挖掘知识点上更多的细节，最后期待课堂上老师给出满意的答案，或是提出自己找到的观点和推导过程去质疑老师答案.例1以《计算机组成原理》课程中冯·诺依曼模型知识点示例说明.

例1：冯·诺伊曼型计算机工作方式的基本特点主要有（ ）.

（14.52%）A、指令由操作码和地址码组成.操作码表示操作数在存储器中的位置，地址码表示操作的性质；

（79.84%）B*、按地址访问，通常情况下按顺序执行指令；

（2.42%）C、堆栈操作；

（2.42%）D、存储器按内容选择地址；

（99.19%）E*、指令和数据都是采用二进制方式编码；

（3.23%）F、数据和指令必须分别放在两个存储器中；

（94.35%）G*、指令在存储器中按顺序存放；

（65.32%）H*、存储器的任何位置既可以存放数据也可以存放指令；

（19.35%）I、按地址访问，并且一定是按顺序执行指令；

（96.77%）J*、指令和数据的地位是同等的；

（20.97%）K、必须具备运算器、存储器、适配器、输入设备、输出设备五大基本组成部件，缺一不可.

注：括号中的百分比表示学生选择统计，选项后带*表示正确答案，下同.

本题设置为不定项选择题，一共提供了A—K共11个选项，所有选项内容均摘自课程教材，5个选项设置为正确，学生不得不逐一阅读思考每个选项.每个选项经过课程组精心加工后，强调了知识重难点，蕴含了易错点，其中A、D、K选项都是半对半错，将概念顺序颠倒，旨在让学生真正明白这些概念的区别；B和I选项相悖，旨在引导学生理解教材中所说“存储程序并按地址顺序执行”的含义，类似的还有F、H、J选项.另外，本题设置有完全正确才得分的严苛要求，鼓励学生课后相互讨论自己的所选答案.有不少学生在某些选项中难以抉择，在线上线下都展开了激烈的讨论，课后多次求助教师.如此，学生通过做题、讨论、聆听的过程自主全面地学习理解知识点，其间教师也既造了“惑”又解了“惑”，教学效果和教学目标达成度得到了明显提升.

3.1.2 分步填空题

分步填空题是传统填空题的升级版，主要适用于推理、算法、计算等有多步过程的知识点.在算法类知识点上使用图文或伪代码描述比较多，学生通常多次实践后才能真正理解其过程.该题型以具体案例做引导，将整个计算过程拆解成若干步，每步设有填空来考查学生是否弄懂了每步的计算过程.该题型更像白盒测试会尽量覆盖分支，而非黑盒测试仅注重输出结果.例2以《计算机组成原理》课程中CRC校验码的知识点示例说明.

例2：某一数据传输采用CRC校验方式，传输的数据为（11 1101），生成多项式G（x）=x4+x2+1，那么回答下列问题：

（76.34%）（1）CRC校验码中的校验信息位r至少要有4位，这里选择r=rmin.

（66.34%）（2）将数据信息（有效信息）向左逻辑移位rmin位，组成被除数；而根据G（x），除数=10101（用二进制数表示）.

（60.17%）（3）将被除数与除数做模2除运算，对于每一位上的运算来说，实际就是 异或 运算，即加不进位，减不借位.

（42.94%）（4）根据上商原则，当部分余数小于除数的位数时，该余数最后即为最后余数.通过计算，最后余数为1010，那么上的6位商为110010（用二进制数表示）.

（35.68%）（5）因此，要传输出去的十六进制CRC校验编码应为3DA H（用十六进制表示）.

（34.87%）（6）若目标结点接收到的二进制比特序列为

（101101 1011），在目标结点处进行计算，得到余数=0101（用二进制数表示且位数与rmin一致），因此余数不为零，被检测出传输过程出现了差错.

本题详细展现了CRC校验码产生的中间过程，每一个步骤设有一空.教师根据每一步的正确率可了解学生对知识点掌握的整体程度.在有人力和系统支持的条件下，分步填空题的题干可以设置为学生个人学号的后几位，或者分为几组，保证题目答案不全一样，防止学生抄袭.如果出题和判题都交给人工，那么工作量很大，因此要借助相应的题目结题程序去完成，这个程序设计的任务可布置给学生完成，作为下一层次能力的测验内容.

3.2 应用、分析层次的知识测验方式更新

应用、分析层次的测验题可以适当新增编程、程序填空、改错等的题型.在理解的基础上培养学生的应用能力，促使学生能从理解一个点提升到理解一个面，从人算一道题扩展到机算一类题，从解决个别问题到解决通用问题[8].在应用的过程中思考感受人机计算的差异，总结知识点的易错点和难点，调整自我知识建构体系.

3.2.1 软件仿真类编程题

编程题可在上述提到的分步填空题基础上再升级，运用高级语言中的语法、数据类型等构建程序，模拟硬件工作过程，从机器运行的角度再次重塑知识点产生的过程与人类的想法[9].编程能力也是每位计算机专业学生应具有的基本素质，在理论性课程中再次强调编程要求，将原理思想编写成代码，在人才培养过程中“让程序不掉线”.

因此，《操作系统原理》《离散数学》《编译原理》《数据结构》[10]等课程教材上有许多实验都要求学生编码，《形式语言与自动机》也要求学生画出有穷状态自动机，对实际问题进行应用编程，比如编译预处理中的删除注释、实现某类正则表达式的判断等等.目前，笔者主要使用杭州百腾公司研发的PTA平台自主命题、布置作业和代码查重.一些学生的优秀程序也被笔者用来生成分步填空题的答案，降低教师出题的难度和错题的几率.例3是《计算机组成原理》原码两位乘的应用编程题，学生乍看题时毫无头绪，但反复观看慕课和教材相关内容、整理思路算法后基本能独立完成任务，甚至能在课堂上讲解代码逻辑.

例3：分别输入纯整数X和纯整数Y，要求：

（1）带符号输入：正数用+表示，负数用-表示，没有写符号默认表示为正数.

（2）计算过程应体现原码两位乘的思想，代码中不能含有乘法运算符号“*”.

输入格式：输入纯整数X、纯整数Y.

输出格式：输出X*Y的结果，结果不带有小数点.

输入样例：

（1）45，41（2）+45，-41（3）-45，+41（4）45，0

输出样例：

（1）1845（2）-1845（3）-1845（4）0

3.2.2 案例式改错题

案例式改错题多应用于计算机专业实验步骤多、线路设计图较复杂或需要编程等题的重要知识点，要求学生把实验操作中常见的错误找出来.改错题聚焦学生常见的代表性错误，反向点拨知识易错点.在复杂知识点的实训中，微小错误往往能成为“拦路虎”，影响后续操作.缺少独立思考力的学生会习惯性地求助提问，问前“如临大敌”，问后“不以为然”，依赖他人、不擅长自我分析与总结.因此，教师要有意识地收集学生犯错频率高的问题，考查易被遗忘的微小处，“悄然无声”地将学生求助的角色置换成纠错者，既培养学生描述与发现问题的能力，又培养学生分析与解决问题的能力.

3.3 综合、评价层次的知识测验方式更新

本层测验方式的总体思想是努力做到“四有”——问题有深度，学生有思考，讨论有收获，能力有提高.教师允许一部分学生扮演教师角色，围绕知识点发挥自我主观能动性，翻转角色做好微课、命题、讲题、架构讲解的工作，虽经学生精心设计但还要认真讲解知识点；鼓励另一部分学生带着批判质疑的眼光去评价以上同学的工作，给出肯定或否定的理由.教师引导并告诉他们这不是在吹毛求疵，而是站在评价者的角度帮助他人共同进步.

3.3.1 学生自微课设计

自微课指教师引导或者规定学生自己去设计制作某知识点的微课[12].目前混合式学习中学生始终处于被动接受状态，学生看懂和真懂是有一段距离的.因此，自微课需要冲破原有微课或教材的知识体系束缚，让学生自己去吃透、理解、梳理、重现旧的知识，由“学生”扮演“老师”，从“接受”转为“探索”，“新瓶装旧酒”地将自己理解的知识通过微课的形式反串讲给他人听.微课的编排、设计、制作过程都展现学生全方位综合素质和创新能力.

在自微课创作过程中，学生往往会去慕课平台寻找更多名师的微课资源来模仿，这一点可以鼓励且不用太过在意，讲微课就像讲故事，哪怕同样的故事让不同的人讲，故事内容和效果还是不尽相同，究竟是东施效颦还是择善而从主要还是取决于学生的用心和理解程度.优秀的微课作品形式优美，通俗、巧妙地表达这个知识点，能震撼他人心灵.课程中制作的微课作品不仅完成课程任务，还能被推荐参加微课类制作的学科竞赛（如中国大学生计算机设计大赛），其终版也被收录于教师的教学资源库作为优秀示例，一举三得.

3.3.2 学生自主命题与讲题

除自微课外，教师还可在课程各阶段的教学活动完成后，要求学生按照例题内容进行自主原创命题，严禁抄袭网上或题库的原题，并要求学生提供题目答卷与解析.在自命题过程中，学生由“被动”变为“主动”，扮演教师角色努力回顾本阶段老师讲了什么，吃透基础点，认真研究重难点.在命题过程中，学生会进一步巩固所学的知识点，温故而知新，对课程知识点的掌握必将更上一层楼.

对于学生出的质量较高的题目，教师可将其改造规范，按知识点汇总归类，继而丰富自己的教学题库.将来把这些好题发下去给其他学生做，集学生之智去验学生之识.对于学生出的难题，可以要求出题人制作图解或录制视频做更详尽的叙述.同时鼓励学生对题目提出疑问发现问题，由出题人去解答.在这个过程中，教师要扮演好引导者和监督者的角色，提供学生“为人师表，授业解惑”的翻转机会，要避免学生双方过激，促成学生间达成一致，形成“要题-出题-验题-考题-辩题-收题”的良性循环，最终充分调动学生双方的主观能动性.

3.4 设计、创新层次的知识测验方式更新

在本层测验的设计上教师可以结合科研成果，整理成一道道论述题供学生思考讨论回答，并带领学生了解某个科技领域的前沿研究.此外，在课外为他们提供实践创新平台，引导学生“在学习中做研究，在研究中创新知识”，引领学生思考理论创新和实践创新.

对于理论基础扎实的学生，教师要强调做学问应有科学严谨的态度，鼓励他们阅读与课本知识相关的文献和最新论文，了解最新动态，参与前沿理论的探讨，申报大学生创新创业训练计划项目，有条件的同学可以根据自己的想法设计实验验证，发表科研论文，做到理论创新；对于实践能力强的学生，教师可指导他们参加一些竞赛和项目开发，强调工程项目的构造观、系统观、工程观，有条件的同学可以参与服务地方经济项目，申请软件著作权和专利，做到实践创新.

4 教学改革效果分析

2020 年以《计算机组成原理》专业基础核心课程为试点进行了混合式教学的改革实践.通过采集中国大学生慕课平台以及学院自主研发的无纸化考试平台上的学习数据，对学生综合考试成绩从卷面成绩、知识点、学习积极性、设计创新成果等多个维度进行了比较分析.

2020 学年在同一年级试行了以混合式教学为基础的传统教学班和教学改革班两种风格，两类班级学生平均基础、平均实力相似，期末卷面成绩如分布图图1所示.传统班学生卷面成绩的不及格率是24.8%，而教改班仅3.5%；传统班的人数峰值集中在60—69分数段，教改班的人数峰值集中在70—79段偏上；80分以上的教改班明显占优.

图1 期末卷面成绩对比

根据《计算机组成原理》教材前八章的知识点统计学生的得分合格率，结果如图2所示，实施教学改革后学生对知识点的掌握明显好于传统教学班的学生.

图2 知识点得分合格率对比

参照中国大学生慕课平台和浙大PTA系统的在线监测数据，将两类实验班级的五项在线学习数据——SPOC作业分数、视频观看个数、视频观看时长、主题讨论条数、PTA作业分数等进行对比，以传统班数据为分母、教改班数据为分子相除求得比值，结果如图3所示，实施教学改革后关于各数据点的学习率都有所提升.

图3 在线学习数据对比

在设计、创新方面，2020年教改班学生以“补码”“海明校验码”等知识点制作微课作品获得2020年中国大学生计算机设计大赛微课类国家三等奖2项，设计“物联网背包”“物联网眼镜”“计算机散热装置”等以第一作者获得实用新型专利3项，在省级学术期刊上发表与存储相关的论文1篇，获得国家软件著作权3项，取得了较丰硕的成果.因对传统班未作过多要求，参与学生数量少、积极性不高，导致成果明显缺乏.

5 结语

本文探索了计算机专业基础理论性课程的混合式教学改革方法，使用Bloom的知识点分层模型，积极尝试更新了各层知识独特的测验方式，有效帮助了教师更好地翻转教学和评价学生知识水平，帮助学生有针对性地在线学习、提问，真正弄懂个人知识盲点，取得了良好的教学效果.此项研究也受到湖南省怀化学院双一流应用特色学科“控制科学与工程”的资助.

当然，在一年的教学实践中也发现了一些问题.例如，第一轮教学改革后班级存在两个极端，个别知识点的掌握不够理想；差异化评价学生和个性化题目设置会极大消耗教师精力和时间等.如何在混合式教学差异和统一上找到一个平衡点依然是新一轮教学中值得研究和改进之处.