“五星教学法”在算法设计与分析课程教学中的研究与实践

董萍，郭伟，张浩，张慧，李飞涛

（河南农业大学 信息与管理科学学院，河南 郑州）

针对现有在线教学中只过于重视知识呈现而忽略教学导向的问题，国际著名教育理论家和教育心理学家梅瑞尔（M. David Merrill）教授提出了五星教学法，该理论认为教学任务应当是聚焦解决实际问题的，并且是以一种循序渐进的方式进行，即首先抛出问题，然后针对问题分解任务展开教学，接着尝试将学到的知识有效运用到解决问题中去，并在不断的反思过程中形成一种四阶段循环模式，即“激活原有知识”“展示论证新知”“尝试应用练习”和“融会贯通掌握”。当然，实施这一方法还应配合启发式教学、增强互动、团队合作等多种教学手段。五星教学法近些年来在中小学教学及高等院校已有较多的应用。周云虹在高职院校公共英语课堂教学中加入了五星教学法的理念，创建了有用、有趣、有效的英语课堂[1]。刘羽佳基于五星教学原理为小学五年级设计了“车轮跳绳”的微课教学，授课效果表明该教学有效地增进了学生解决实际问题的能力和灵活应用能力[2]。刘艳等将五星教学思想应用到大学物理课程的微课教学过程中，也达到了较好的教学效果[3]。这些课程实践都为五星教学理念在教学中的应用提供了良好的借鉴。

一 问题的提出

《算法设计与分析》课程是大学计算机科学技术类本科课程体系中一门非常重要的专业基础课程。通过该课程的系统学习，不但可以有效培养学生的逻辑思维能力和建模能力，还为后续学习其他专业课程打下扎实的专业基础，同时也为学生参与程序设计类竞赛提供了理论支持。课程中涉及到的算法本身有高度抽象性，不仅注重理论分析，又需要强化实践操作，对学生有很高的要求。该课程在长期的教学实施过程中总结出一些问题[4-5]，比如学生普遍认为课程内容抽象，理解和应用难度都大；对一些经典算法的应用价值不明确，不能够学以致用，主动探索新知的能力较弱。

五星教学法正是解决这些问题的最佳方案。从具体问题切入，通过学习和领会经典算法来解决实际问题，并在不断的应用练习中总结提炼如何运用已学知识来解决实际问题，从而达到融会贯通的掌握。近些年来诸多学者通过混合式教学模式进行了大量探索与实践，在诸多课程中均取得了较好的效果[6-8]。将传统教学与在线教学的优势结合起来，可以更好地提升学生的学习深度。“后疫情时代”的教学模式更是迎来了前所未有的挑战，如何将五星教学法在实施过程中融入混合式教学理念，切实做到协同合作、多向互动的教学模式是课程建设的重点。

二 算法设计与分析课程建设

针对《算法设计与分析》课程相关教学案例，通过探索性研究，设计基于“五星教学法”的混合式教学模式，教学方案的整体设计如下。

（一） 教学设计

1.采用启发式教学。引用平时日常生活较为常见的问题，既可以提高学生的学习兴趣，又充分引导了学生以积极、主动的方式进行探索。比如“最短路径”问题是图论中的一个经典问题，该问题可以应用于智慧交通的建设、旅游线路的选择，这些都是同学们生活中可以用到的算法。又比如同学们每天都在使用的搜索引擎的排序优先级、电商直播间的Top榜单热销产品、手机应用程序内置的排序功能及推荐机制等，这些都使用了排序算法。引导学生在不同的应用场景下选择最优的排序算法，不仅能更为深刻地理解算法，也能从原理上了解平时使用的各种应用和程序。通过解决实际问题引入课程算法的学习，正对应了五星教学法“聚焦解决问题”的教学宗旨。

2.介绍与新兴技术结合的算法应用。比如机器学习和深度学习的快速发展，使得诸多领域的算法性能都实现了质的飞跃。虽然说人工智能算法不是本课程的教学重点，但是作为课后拓展和教学延伸环节，让学生了解前沿科技的进展，引导学生探索发现新的技术领域，提高专业素养，可以推动“产学研”一体化教学的快速发展，为强化国家战略科技力量储备人才。

3.依托算法在不同领域的应用案例，融入课程思政教育。比如结合新型冠状病毒肺炎疫情的治疗和防控，从新型冠状病毒基因序列比对的过程引出教学内容“最长公共子序列”问题，教导学生“联系实际，学以致用”。中国在抗击新冠肺炎疫情的过程当中，坚定信心、同舟共济、科学防治、精准施策，为全球的防疫工作提供了宝贵的防控和救治经验。比如结合中国地图绘制方法引出教学内容“图的m着色问题”，将开展爱国主义教育和理想信念教育融入教学过程，实现“教书”与“育人”的融合。

（二） 教学方法

在《算法设计与分析》课程中开展基于“五星教学法”的混合式教学实践，充分利用互联网、多媒体技术开展教学。课程采用课堂教学与在线开放课程双结合的方式进行授课，并配合在线OJ测评平台对课程内容进行实战演练。学生课下可以观看教学视频进行预习、复习和知识扩展，课堂上由教师对重难点知识进行强化解读，帮助学生深入理解。上机实践环节结合在线OJ测评平台上对应教学内容的题目实测对课程内容的掌握程度。

（三） 教学平台

利用超星泛雅学习平台作为主要网络教学平台。在网络平台上上传课程教材配套的完整PPT资料，并按课程知识点录制教学视频讲解经典的算法案例，供学生随时预习、复习和反复揣摩。每单元进行线上的单元测试，检验学生对基本知识点的掌握情况。学生还可以通过平台进行线上讨论、研讨重难点、和老师同学进行互动。

利用在线OJ测评平台对课程内容进行实战演练，考察学生对算法的掌握程度和运用所学知识解决实际问题的能力。OJ测评平台是河南农业大学信息与管理科学学院学生自主研发的一套在线测评系统，供专业课老师进行教学与学生竞赛练习使用。目前，平台已支撑《程序设计语言》（CC++，Python，Java）、《数据结构》《算法设计与分析》《面向对象程序设计》等课程，以及大学生程序设计类竞赛题目。平台上的大多数题目是依据教材选用的经典案例的延伸变化题，以及竞赛积累的题目类型，并且题目的数量每年会持续增加，以扩充不同应用领域的需求。在师生共建OJ平台教学案例的过程中，学生对教学内容的分类和层次有了更深的理解，在不同学科中的应用和实践也有了更为深刻的认识。同时，OJ平台可以实时评测代码运行是否正确，并对学生提交问题个数和使用时间做出统计，利于激发学生们互相比赛的拼搏精神。

（四） 教学评价

课程设置多元、丰富的过程性考核评价办法，主要包括课程在线视频的任务点完成情况、单元测试、课后作业、实践环节（在线OJ测评平台）以及期末考试等多元考核环节，将考核结果与学习过程紧密结合。同时由于增加了过程性考核环节，最终成绩的计算方式也将平时成绩的比例提高到50%，其中课堂考勤、在线视频的任务点完成情况、单元测试、课后作业和OJ测评平台的成绩各占10%。平时成绩比例的提高有利于学生更加注重平时的积累，而不仅仅是期末的考前突击复习。多元的过程性考核评价也为五星教学法的四阶段循环圈提供了评价支撑。综合教学设计、教学方法、教学平台和教学评价四个环节，《算法设计与分析》课程建设体系结构图如图1所示。

图1 算法设计与分析课程建设体系结构图

三 教学实践结果

经过两届学生（2018级、2019级）的教学实践结果表明，学生的学习积极性有了很大提高，教学成果也有了很大进步。

首先，学生期末成绩80分以上的比例可达70%，且试卷最后的算法分析题较往年相比分数有了很大的提高。试卷最后一道算法分析题考查的是学生的综合能力，既要能读懂题目、找出合适的解决算法，又要在分析算法复杂度的同时想办法优化改进算法。得分的提升说明同学们经过不断的应用练习，解决实际问题的能力有所提高，并不局限于理解教材上的算法。

其次，同学们参与程序设计类竞赛的热情逐渐高涨，团队合作与协作能力也提升很多。课程团队中的老师指导的学生在2021年获得CCPC中国大学生程序设计竞赛河南省金奖，中国高校计算机大赛-团体程序设计天梯赛全国总决赛团队二等奖、河南省团队一等奖、高校二等奖等。

最后，同学们参与大学生创新创业大赛的热情也被激发出来，同学们已经不满足于学会课本上的知识，而是迫切地想要把所学的知识投入到实际生产过程当中。近两年老师带领学生参赛的数量有了大幅度提升，内容也从简单的算法复现过渡到解决复杂的工程问题。这样的教学成果与工程教育认证要求的课程目标高度吻合，同时也满足“新工科”的建设理念。

四 五星教学法在课程教学中的应用经验推广

《算法设计与分析》课程借助混合式教学模式实现“五星教学法”的四阶段循环圈。“激活原有知识”通过学生线上观看视频自行学习实施，“展示论证新知”通过课堂老师现场讲解实施，“尝试应用练习”通过在线OJ测评平台对课程内容进行实战演练，“融会贯通掌握”通过学生预习、复习、在线测试、在线答疑、小组讨论等多种方式实施。

总结和积累《算法设计与分析》课程应用五星教学法的过程和实践经验，可提炼出一套针对程序设计类及算法分析类课程的混合式教学模式建设体系，如图2所示，该体系经过适当的调整和完善，可推广并应用于其他专业课程。

图2 基于“五星教学法”的混合式教学模式建设体系

五 结语

基于“五星教学法”的混合式教学模式从课程教学设计、教学方法、教学平台和教学评价等四个方面在《算法设计与分析》课程中进行了改革实践。五星教学法“聚焦解决问题”的教学宗旨与《算法设计与分析》课程特色非常契合，既能结合具体问题导向学习和领会经典算法，又能在不断的应用练习中总结提炼如何运用已学知识来解决实际问题，从而达到融会贯通的掌握。

教学实践达到了良好的效果，总结出的五星教学法在课程教学中的应用经验可以推广于其他专业课程。在后续工作中，我们将从“五星教学法”与教学内容融合的精细化、教学案例与课程素材管理的智能化等多方面继续开展更为深入的教学研究。