案例驱动线上线下混合教学设计与优化

安 康， 王李冬， 张慧熙

(杭州师范大学 钱江学院， 杭州 310036)

面对2020年初新冠病毒疫情爆发，教育部提出“停课不停教、不停学”的方针，这既是战疫情应急之举，也是“互联网+教育”的重要成果展示。如何有效利用在线学习平台开展在线教学，成为疫情期间课程教学的重中之重。当前在线教育发展迅速，涌现了丰富的在线课程，以教学微视频、学习类APP、学习类微信公众号、网络在线课、SOPC、MOOC等不同载体出现，把课程教学带入各种数字化学习环境中。

Alelaiwi强调在智慧环境中使用3G 和4G技术，指出信息化技术可以为传递和获取知识的方法带来巨大推力，探讨其在工程教育的建设中如何实施[1]；乔纳森提出的建构主义学习环境设计模型更适合解释技术支撑的学习环境，他提出“用技术学习”，而不是“从技术学习”，“用技术学习”思想是把技术作为学生学习的工具、学习的智能伙伴，促使和帮助学生思考[2-3]，如何做好“用技术学习”的重点在于学生主动学习和深度学习的投入。美国新媒体联盟在2014-2017年连续四年推出的《地平线报告(全球)》中将深度学习作为驱动学校教育技术应用的一个关键，对深度学习研究的关注是人们对终身教育、全新教育理念和学习方式变革的回应[4]。目前，国内学习环境设计的相关研究多是提出一些原则性和指导性观点，实践操作性比较弱，现有的例如“大学MOOC、爱课网”等一般要求学生看视频、完成在线练习，学生的操作空间较小，既使有互动也是预设的。如何激发学生内在学习动机，引导学生在认知上投入更多需要认真对待。基于此，本研究依托多元化技术学习环境，以信息专业“单片机技术”课程为例进行线上线下混合式教学，通过实践探究疫情期间教师如何在新形式下进行高效在线教学设计、更好地组织在线教学活动进而保证教学进度和教学质量，深入挖掘学生自主学习和深度学习能力。

1 线上线下混合式教学设计架构

乔纳森在文献[2]中指出：建构主义学习理论强调学习者对知识的主动探索、主动发现和对所学知识的意义建构，教师不再是知识的传播者和灌溉者，而是意义建构的帮助者、促进者。建构主义环境下的学习重视利用资源、立足基于问题的学习、提倡合作和自主探究的学习、致力于培养学习者的创新思维。本文提出的在“单片机技术”教学中基于多元化 线上线下混合式教学，把“在线课MOOC平台+钉钉直播平台+智慧教具A+课堂派”作为建构主义环境下学习者可利用的学习资源；基于问题的学习以CDIO工程教育理念为指导，以产品研发到产品运行生命周期为载体，以工程案例需求为问题导向，通过对工程案例构思、设计、实现和运作，对案例知识点以“基础+综合+创新”分层次设计构建递进式教学；让学生在动手操作中获取知识[5]。课堂教学设计以动态翻转课堂形式，通过对课前(引入六步训练学习法)、课中(引入“教师主导-学生主体”、线上线下同步翻转、对分课堂和思政元素融入的混合式教学理念)、课后(引入作品创作、线上话题交流、课程线上笔记)三阶段运作，不断激发学生自主学习能力，深度挖掘学生知识技术创造力[6-8]。借助线上技术环境获取学习行为数据，辨别学习者认知特征和偏好，了解学生知识点、技能点、素质点掌握，对学习平台留存的源头数据进行分析，检验学生学习成果，及时对课程存在问题号脉与改进，完善下一次课的教学(线上线下混合式教学设计架构见图1)。

图1 线上线下混合式教学设计架构

2 线上线下混合式教学平台建设

线上课程教学以钉钉平台作为课程在线直播，借助课程在线MOOC平台和智慧教具A+课堂派共同完成线上线下混合教学。

2.1 钉钉直播平台搭建

钉钉由在线教学圈提供，完成在线视频教学、在线作业、在线学业指导等功能。师生安装钉钉，电脑端适合播放PPT、微课视频等，通过教师端笔记本摄像头配合教师讲解实现教学互动。直播时选择直播模式与保存回放，打开连麦功能方便教学互动；点击露脸设置，开启后可实现画中画功能，让学生在看课件同时能看到教师，让学生感受真实授课情境(见图2)。钉钉直播平台由于社交基因没有融入更多的教学工具(举手问答、推题测试、作业互评等)，通过在线MOOC平台和智慧教具A+课堂派作为教学互动辅助补充。

图2 课程钉钉直播画面

2.2 在线MOOC平台建设

建设在线MOOC平台，学生通过学号登录即可学习(见图3)。MOOC平台主要提供学生课前和课后学习的有益补充，平台通过7个子模块实现在线学习。课程信息包括单片机课程简介、课程大纲、授课形态、教学团队与教学设置；班级管理涵盖学员管理、课程考核标准、学习过程成绩记录；教学计划主要发布课件、微视频、学习任务；练习考试主要针对题库的建立、知识点评测、作业的发布、线上考试；统计分析是包括课程、班级、学生三类学习行为数据的记录，成绩自动管理，教学全过程数据化，可留存，可追溯；讨论区是专门用于搭建师生互动讨论社区，师生解答、生生解答，良性循环；公告区主要由教师发布课程通知。其中讨论区维护至关重要，利用课下时间进行课外沟通，教师引导学生去思考，学生积极参与话题讨论，学生学习习惯养成后，讨论区从师生互动带动生生互动，效果非常显著。

图3 单片机在线课MOOC平台

2.3 智慧教具“A+课堂派”平台搭建

基于微信社区A+课堂派搭建单片机直播互动学习平台，关注课堂派微信公众号，添加课程加课码，即可学习使用(见图4)。作为MOOC课学习的互补工具，该平台主要配合钉钉直播实现直播教学过程中的教学互动，涉及数字考勤，直播时在原生课件中进行讲解、标记疑问、评论、抢答、提问、讨论、弹幕、随时奖励学生表现；让直播的在线课堂“活”起来、“动”起来，让直播在线课堂更精彩。

图4 单片机A+课堂派学习社区

3 线上线下混合教学优化策略

“单片机技术”课程线上线下混合教学着眼于“实用、适用”“举一反三”。以理论与实践相结合为主线，通过案例驱动使学生在动手实践过程中学习理论知识，在学习过程中通过反复理解和操作，能够独立完成技术案例，培养学生技术创新能力。

3.1 工程案例为导向的六步训练法

课程教学以工程案例为导向基于“递进式”教学法：“基础+综合+创新”分层次教学，基础包括基本理论知识与基本案例学习；综合即综合案例学习，包括外部中断、定时/计数、串行通信等；创新指的是将学生的创新理念融入到课程学习中，并进行作品创作。递进式分层次教学帮助学生循序渐进完成单片机学习，培养学生发现、分析、解决问题的高阶能力。

课程线上直播教学专注点在于学生自主学习能力的提升和深度学习的挖掘，而教学互动设计则在于教师用心思考教学目标与教学活动的关系。鉴于在线直播课特点，教师应适当改变教学设计思路，让学生课前进行知识学习，课中(直播)时更多训练学生的技术能力。

课前教学活动采用六步训练法，以案例项目为主线，以任务为干线，基于“任务-需求-方案-设计-调试-评估”六步训练教学，促进学生获得理论知识学习的同时更大空间提升学生自主学习能力[9]。将每节内容以任务的方式予以分解，设定完成该任务需要达到的能力评估，通过对项目进行分析，获得项目的任务需求，学生以小组的形式线下组队对任务进行方案设计，组内队员进行分工，完成系统的硬件电路设计和软件设计以及合作开展项目制作。当项目设计环节完成后，组内成员对项目软件和硬件进行联合调试，通过调试过程存在的问题的分析和解决，提升了学生在项目分析中主动思考、探索的能力，并在团队学习中形成集体智慧。学生在分享过程中体会进步，反省过失，培养自身的通用素质和专业核心能力；教师依照自己的教学经验，对预期的结果进行评估，在教学中依据评估结果动态调整授课方法，评估注重任务考核内容以及给出该项任务的考核等级，通过对每个任务的考核结果，最终给出学生参与全课程的最终成绩。

3.2 混合式教学元素融入

课中环节教学基于何克抗教授提出的“主导-主体”教学模式，教学过程中充分发挥教师主导作用,尊重学生主体地位。教师每节直播的教学内容依据3.1节提出的六步训练法，分为“发现问题、解决问题、评价方案”三个环节。依据三个环节学生组队完成课中汇报，汇报内容分为(发现问题-PPT、解决问题-PPT、评价方案-PPT)。教师作为直播课的主持人，开场之后通过钉钉平台连麦的方式将话筒交给每组负责人汇报，小组成员补充，汇报之后教师和其他小组再进行评价或互评，积极带动直播课堂的互动效果。

教师在组织直播课的翻转教学过程中充分融合对分课堂[10]。一半授课时间教师为主持人，引入教学案例，将案例穿插在知识点学习全过程，特别是在设置问题、解决问题和评价方案三个环节中注重融合课程思政元素，如设计中的精益求精、动手实践出真知、引导学生树立诚实守信、严谨负责的职业道德观，深化知识点的同时发挥育人功能；另一半授课时间学生为“主角”，学生自主学习、独立思考，按小组开展讨论，分享学习体会。

3.3 线上直播教学互动插入

直播时建议学生准备好手机和笔记本两台设备。手机用于互动，笔记本用于观看直播课。鉴于钉钉直播平台的社交能力约束，选择更懂“教学”的智慧教具微信A+课堂派进行直播课互动应用。至于学生在线考勤监测，则利用二维码、数字口令数字化考勤，杜绝代签，一键导出考勤记录实现精准签到。针对直播时抽查学生的问题，可以利用随机点名或者抢答小程序进行操作，该方式可以让在线的学生集中精力听课。课堂派用于师生互动最大特点是对原生课件进行编辑，根据不同教学阶段内容，设置互动试题，试题包含投票题、判断题、单选题、拍照题、简单题等，互动答题发布后学生实时提交答题，一键即可提取学生有效观点，及时检验教学效果。特别针对学生完成的电子设计作品可通过拍照的形式完成互动答题，精准了解到每一位学生作品完成的进度，同时根据每位同学提交完成的程度给予课程表现奖励星星，并依据学生完成效果排序生成学霸排行榜供教师参考。另外教师直播过程中的师生实时问答互动信息可以通过弹幕效果完成，弹幕显示发言学生姓名和发言简要，方便教师下载弹幕统计数据信息。

3.4 线下教学活动延续

线下教学活动基于在线MOOC平台给予技术支持，每节课后要求学生在平台笔记区提交当节课的线上笔记，对本节课进行总结与回顾。教师在平台讨论区对每节直播课的知识点发起一个话题讨论，学生积极参与互动，通过查阅资料在讨论区持续进行交流，帮助学生巩固所学知识。学生通过在线平台完成课后作业，作业设置部分客观题进行自动批阅，主观题需要教师自主批阅，部分主观题目采用学生互评，学生在互评的时候一定要根据教师提供的评价标准认真批阅，因为在批阅的过程中也可以学习或巩固知识。另外作业的反馈需要及时，根据批阅的情况进行反思和总结，查漏补缺。为了给予学生线下更多的思考，每次课结束通过平台考试版块发布知识点测试题目，要求在下一次上课前按时完成测试，平台自动评阅学生测试结束后，其结果可实时查阅，及时纠正。

4 实践应用

CDIO工程教育理念是近年来国际工程教育改革最新成果。该理念通过完整生命周期项目训练，提升学生获取(自学)、运用(解决)、共享(合作)、发现(创新)和传播(交流)知识五大能力。笔者在“单片机技术”课程教学中采用基于CDIO工程案例驱动的动态翻转课堂教学多年，取得了一些经验和成果[7][9][11]。课程教学目标要求学生掌握单片机硬件系统、体系结构及C语言编程方法，能够对单片机中断、定时器/计时器、串行通信以及基于单片机扩展项目进行设计与开发，锻炼学生自主学习和团队合作能力，培养学生解决复杂问题综合能力和高阶思维[11]。将工程案例驱动的动态翻转教学引入到线上线下混合式课程教学过程，以单片机课程第九章“单片机数码动态显示技术”为例实施应用[11]。授课4学时。对授课内容进行优化设计，分别为项目需求、项目工作原理分析、项目硬件电路设计、项目软件程序设计、系统调试结果总结(见表1)。每一个模块学生都可以利用线上课堂学习完成。

表1 知识点任务需求分解表

课前：教师通过建设的课程教学平台同步发布公告，布置学习任务，学生在线课堂进行学习。教师通过在线课堂学习数据统计每个学生课件、视频、预习报告完成情况，系统生成学习数据报表，教师可以掌握学生是否有疑问，是否真正在学习，未完成学习的同学单独辅导、交流、督促学习，做到课前学习信息的师生反馈。

课中：教师通过课前反馈初步获得学生对该节课学习的水平，通过数字签到掌握学生当节课出勤率。教师正式授课前利用在线MOOC平台发布当节课评测题目共4组小题，评测时间8分钟，系统实时生成成绩，获得评测结果区间正确率80%，依据课中评测区间预判授课方式(表2)，选择对分课堂授课。

表2 课中评测区间预判机制

对分课堂上，一半的授课时间教师为主角，教师引入数码动态显示案例，将案例穿插在知识点学习全过程，教师对学生知识引导的内容参见表1，讲解“数码动态显示电路设计电路图纸”时、要求学生设计时注重细节，一丝不苟，做到精益求精；讲解“动态显示技术软件编程”时，阐述实践的重要性，教导学生从动手实践中寻找答案；讲解“系统软件和硬件联合调试方法”时，引导学生树立诚实守信、严谨负责的职业道德观；将思政元素巧妙地融入到教学内容中，既深化知识学习，同时注重育人功能发挥。另一半授课时间学生为“主角”，学生自主学习、交流讨论，重点在电路硬件设计和软件程序设计，我们把学生分组，每2-3人一组，按小组开展讨论，分享学习体会、互相解答难点，继续师生互动讨论，解答学生疑难问题，最后对学生学习成效以小组为单位展示汇报和交流(见图5)。针对部分学生创作的优秀案例，鼓励他们拍摄视频微课，作为课程案例库建设的有益补充。

图5 学生完成本项目部分成果

课后：教师通过课程学习平台发起作业、当节课知识点线上笔记提交、话题讨论等形式，进一步促进学生对当节课知识的内化和吸收，师生线上线下多元化互动交流，帮助学生巩固所学知识。

本次教学完成后教师依据课程学习平台对当节课学生学习数据小结，教学班级电子1801和1802共计65位同学，对学生课前预习报告、课中评测、课后作业、线上笔记、视频学习完成率、课中数字签到等进行数据统计，学习数据反馈结果形成小结，为下一轮教学活动积累经验。

5 学生学习数据统计与分析

因突发疫情前10周学生无法返校，固2020年春学期全面开展在线直播教学，授课班级面向电子专业2个班、共65位学生，后面5周开展线上线下混合式教学，依托“在线MOOC+钉钉+课堂派”多元化学习平台对学生学习行为数据分析(见表3)，课程混合式教学进行的15周时间学生平均出勤率99%，未能全勤的同学均已完成课前请假，学生即使直播授课依然能够约束自己坐到电脑或者手机面前按时进行在线听课；针对课程翻转教学中课前布置的预习作业项目平均完成率84%，大部分学生能够积极完成课前预习任务，因部分项目开发需要借助PC机进行仿真与调试，个别学生缺乏硬件设备导致无法按时提交。直播环节当节课知识点测评平均完成率84%，可以看到大部分学生通过课前的知识学习充分应用到课上的知识点理解和掌握，但个别学生动手能力还需要一对一引导与强化；课后持续的话题讨论学生平均参与度74%、课后对当节课知识点总结的线上笔记提交完成率86%。从表3数据分析结果显示:学生能够积极参与线上线下混合教学各阶段学习活动，一个学期的学习，学生形成课程知识点做笔记的习惯，能够较好地完成课前预习作业以及当节课知识点测评工作，相对线上话题讨论，部分学生因为话题的知识面窄参与率相对偏低,教师对于学生线上话题讨论交流还需要进一步引导。

表3 电子1801(34人)+ 1802(31人)学习行为数据统计

(续表3)

表4通过在线学习平台统计15周线上线下混合式教学课程资源与学习信息汇总数据：(选课学生65人)，学生平台访问次数达到86711次，教师制作的微课视频时长617.27小时，学生已观看累计673.91小时，完成14次知识点测验，测验题数总计135题，测验提交的次数达到807次，互动交流中课程发布公告17次，发帖数104个，回帖数767个，线上话题互动参与人数48人，占比74%。学生学习的全过程从知识和情感层面实现了师生的实时沟通和分享，学生都能够在教师的引导下积极参与线上互动式学习，教师根据学生学习行为数据进行追溯，对学生进行差异化辅导，进而提升班级整体学习水平。

表4 15周线上线下混合式教学课程资源与学习信息汇总

6 结语

在这个疫情防控特殊时期，线上线下混合教学成为主要教学模式，笔者在2020年春学期针对“单片机技术”课程教学以CDIO工程案例为知识学习驱动力，设计动态调节的线上线下翻转课堂，将建构主义学习理论应用于课程教学实践，基于课程技术学习平台获得的学生学习行为数据可以有效指导教师精准教学，教师利用更合理的教学策略帮助学生掌握学习内容、提升学生课程学习后的知识获得感、树立课程自信，从而达到最优的学习效果。