面向“双一流”建设的后疫情时代基于深度学习的混合式教学研究＊

2022-09-26闫钧华康玉凤

科技与创新 2022年19期

闫钧华，颜灏，张寅，康玉凤

（1.南京航空航天大学航天学院，江苏南京 211106；2.教师发展与教学评估中心/高等教育研究所，江苏南京 210016）

受全球新冠疫情影响，社会生产和生活进入了后疫情时代，高等教育进入“后疫情时代的高等教育”[1]。在“双一流”高校建设的后疫情时代大环境下，对中国高等教育教学改革和高等教育人才培养模式提出了新的要求。培养学生的理论实践创新力以及重视学生主体和教师主体间的融合，是发展高等教育教学道路和提升人才培养质量的关键举措[2]。

国内外学者们迎难而上、积极探索，身体力行地开展研究与实践。张新营[3]认为，“后疫情时代”应科学处理线上授课与传统授课的衔接融合，以培养学生的理论实践能力，提出线下授课与线上课程资源整合的“混合式”教学模式。李政涛等[4-6]认为混合式教学不只是简单的面授与在线的结合，同时也是多种教学工具或方法的混合，或是各种教学理念的混合。HAVARD等[7-8]提出了在线教育的深度学习分析框架，分析了学生与知识之间的关联。从国内外研究得出，基于深度学习的混合式教学模式有利于培养学生的理论实践创新力，但有关基于深度学习的混合式教学模式通过哪种途径来影响学生的理论实践创新力却亟待研究。

在后疫情时代的创新教学理念下，本文提出通过构建深度学习网络（CNN），实现混合式教学的研究方案，实现教学工具、教学理念和师生主体的混合，培养训练学生理论实践创新力。

1 基于深度学习的混合式教学研究方案

本文提出的基于深度学习的混合式教学研究方案核心是培养训练学生的理论实践创新力，通过混合式教学效果评价大闭环的反馈培养训练机制，提高学生独立学习理论知识的能力以及独立进行科学实验的能力，使学生掌握课程内容，完成课程考核。研究方案的总体框架如图1所示，混合式教学包括线上教学与线下教学相混合、理论教学与实验教学相混合和学生主体与教师主体相混合三大类。首先，构建理论教学单元数据库和实验单元数据库，确定用以学习训练的教学单元和实验单元；然后，确定混合式教学效果构成要素，利用CNN培养训练学生的理论实践创新力；最后，研究混合式教学效果评价方法，从而得到被训练学生的混合式教学效果总评分。总评分低于阈值要求时，结合教师指导和网络反馈，更新教学单元和实验单元，重新训练学生的理论实践创新力，直至学生能够参加课程考核。

图1 研究方案总体框架

2 混合式教学研究方案的关键步骤

基于深度学习的混合式教学方案流程如图2所示，流程主要包括以下3个步骤：①混合式教学课程数据库构建。混合式教学课程数据库包含结合线上与线下资源和理论教学与实验教学资源。基于此，构建理论教学单元数据库和实验单元数据库，确定用以学习训练的m个教学单元和n个实验单元。②深度学习网络构建。首先分析评价混合式教学效果的构成要素，将构成要素作为CNN的卷积层；然后确定CNN的池化层和激活层，实现训练到反馈再到学习的循环过程，得到被训练学生的混合式教学效果各构成要素的评分。③混合式教学效果评价方案设计。根据基于深度学习的混合式教学各构成要素评分结果，研究混合式教学效果评价方法，从而得到被训练学生的混合式教学效果总评分。

图2 基于深度学习的混合式教学方案流程图

如果混合式教学效果总评分不满足要求，则更新教学单元和实验单元，将其输入到CNN中，在大闭环中，对该学生进行再次学习训练，直到该学生的混合式教学效果总评分满足要求为止。当该学生能够独立完成课程设计时，让他参加课程考核，从而完成对该学生的课程培养，提高其理论实践创新力。

2.1 构建混合式教学课程数据库

为了给每个学生提供理论实践创新的机会，需要构建丰富的教学单元数据库和实验单元数据库，从数据库中为每个学生确定用以训练理论实践创新力且难易程度不同的m个教学单元和n个实验单元。能够进入教学单元数据库和实验单元数据库中的单元都是来自经过教学实践的单元，从具有丰富教学经验教师的教学实践中遴选而来。

教学单元包括线下教师讲解和线上网络资源，这两者互相补充和完善。每个课程单元都具备完备的数据资料，包括课程的相关书籍、课程的课后作业、课程的教师讲解视频、课程笔记、课程的学习报告、课程的单元考核等。

实验单元包括实际操作实验、虚拟仿真实验、网络演示实验，这三者互相补充和完善。每一个实验单元也都具备完备的数据资料，包括课程的相关实验器材资料、课程的相关软件和硬件、课程实验的操作视频、课程实验过程中遇到问题的解决方法、课程的测试报告和实验报告等。

2.2 构建深度学习网络

通过CNN的闭环反馈培养训练机制，能够培养训练研究生的科研实践创新能力[9]。在混合式教学工作中，本文利用CNN反馈调节思想，构建学生理论实践创新力小闭环，培养训练学生的理论学习和实验创新能力。本文的CNN包含4个小闭环模块，分别是课程资源库检索学习模块、发现问题模块、浸入式学习模块和工程型实验模块。通过上述4个模块，分别培养训练学生对应的理论实践创新力。学生的理论实践创新力主要包括调研能力、质疑能力、逻辑思维能力、自由想象能力、自主判断能力、试错能力和纠错能力7种能力[9]。各模块培养训练学生对应的理论实践创新力如图3所示。

图3 各模块培养训练学生对应的理论实践创新力

CNN包含卷积层、池化层和激活层，通过CNN培养训练学生的理论实践创新力小闭环流程，如图4所示。将某一个教学单元i或某一个实验单元j输入到CNN的卷积层，根据学生的学习情况和混合式教学课程数据库资料，评价学生的理论实践创新力。在池化层，对学生的各种能力进行归一化，使评分结果不被卷积层对各理论实践创新力的衡量标准不同而影响，得到具有统一标准的评分结果。在激活层，衡量各理论实践创新力是否达到阈值，若某理论实践创新力低于阈值，则混合教师指导和学生自我扩展，返回到CNN卷积层重新进行学习训练，直到评分达到阈值要求。

图4 CNN培养训练学生理论实践创新力小闭环流程图

在课程资源库检索学习模块，让被训练学生学习教学单元i或实验单元j，撰写学习报告。对比混合式教学课程数据库中的学习报告与该学生撰写的学习报告，评价该学生的调研能力。

在发现问题模块，让被训练学生确定教学单元i或实验单元j中需要解决的科学问题。对比混合式教学课程数据库中需要解决的关键科学问题与该学生确定的关键科学问题，评价该学生的质疑能力。

在浸入式学习模块，让被训练学生根据教学单元i或实验单元j中需要解决的科学问题，提出自己的解决方法。对比混合式教学课程数据库中针对需要解决关键科学问题的解决方法与该学生提出的解决方法，评价该学生的逻辑思维能力、自由想象能力和自主判断能力。

在工程型实验模块，当被训练学生针对教学单元i或实验单元j中需要解决的关键科学问题，所提的解决方法不够完善或不能正确解决问题时，依据该学生在这种情况下的行为表现，评价该学生的试错能力和纠错能力。

2.3 混合式教学效果评价

对于教学单元i或实验单元j，混合式教学效果评分器的输入为通过CNN得到的被训练学生的各理论实践创新力评分。学生的各理论实践创新力是混合式教学效果的构成要素，通过这些要素可以评判混合式教学效果。对于教学单元i和实验单元j，这些要素在学生理论实践创新力评分中的占比不一。因此，混合式教学效果评分器中赋予各理论实践创新力不同的权重。基于此，得到该学生对于教学单元i的混合式教学效果评分为：

式（1）中：Pi为对于教学单元i被训练学生的混合式教学效果评分；M为理论实践创新力个数，本文重点考虑的理论实践创新力为7种；αis为各理论实践创新力评分的权重；xis为对于教学单元i被训练学生的某项理论实践创新力评分。

实验单元j的混合式教学效果评分表达式可写为：

式（2）中：Pj为对于实验单元j被训练学生的混合式教学效果评分；αjs为各理论实践创新力评分的权重；xjs为对于实验单元j被训练学生的某项理论实践创新力评分。

在融合教师指导和学生自我扩展下，被训练学生完成了m个教学单元和n个实验单元，得到了m+n个混合式教学效果评分。由于这m个教学单元和n个实验单元难易程度不同，对m+n个评分加权求和，计算该学生的混合式教学效果总评分P为：

式（3）中：βi为第i个教学单元的混合式教学效果评分的权重；γj为第j个实验单元的混合式教学效果评分的权重。

3 混合式教学下的实践成果

本文所述基于深度学习的混合式教学研究已成功应用于本文作者所教授的“光电检测信息系统理论与技术”课程教学工作之中。从具有丰富经验教师对该课程的教学实践中选择3种难度的5个教学单元以及5个实验单元，作为混合式教学数据库。包含低等难度的教学单元A、教学单元B、实验单元A和实验单元B，中等难度的教学单元C、教学单元D、实验单元C和实验单元D，高等难度教学单元E和实验单元E，表1给出了各教学单元和实验单元的权重。

表1 各教学单元和实验单元的权重

每个学生都要选择一个教学单元进行学习并完成一个实验单元。根据对学生能力的评分结果，确定学生是否掌握课程内容。学生在顺利完成课程设计后，才能参加课程考核。评估学生的7种能力在课程学习和实验操作过程中的重要性各有侧重。在课程学习与理解过程中，调研能力和逻辑思维能力更能帮助学生选择合适的学习资料并顺利开展浸入式学习。在实验实操中，试错能力和纠错能力更为重要。因此，设置各项创新力在教学单元和实验单元的权重如图5所示。设置CNN中激活层各创新力分数阈值为60，独立课程单元学习的分数阈值为63，混合式教学效果总评分阈值为65。

图5 各创新力在教学单元和实验单元中的权重

为验证本文所提基于深度学习的混合式教学研究效果，记录了2名学生的课程学习情况。表2给出了学生甲和学生乙的各创新力评分以及独立课程单元学习总评分结果。在课程教授期间，学生甲选择教学单元D和实验单元C进行训练。对比混合式教学数据资料，对学生甲的课程理论学习和实验操作情况进行评分。表2中表明学生甲的各创新力得分均等于或高于65分。通过混合式教学效果评分器，评得其教学单元D得分78.35分，实验单元C得分为72.15分。根据式（3），得到学生甲的课程学习总评分为83.085分，达到阈值要求。学生甲顺利完成了课程设计，对课程相关知识掌握较牢，能将所学知识灵活应用于工程实践中，满足课程考核要求。

表2 学生的各创新力评分和课程单元学习总评分

学生乙选择了教学单元B和实验单元D进行训练，在理论学习中，学生乙的质疑能力分数为55分，未达到创新力培养的阈值要求；在实验操作中，通过混合式教学效果评分器，得出学生乙的实验操作分数为62.8分，未达到课程学习要求。通过网络得出学生的课程总评分为63.52分，未达到独立进行课程设计的阈值要求。根据网络训练结果，教师增强对学生乙的指导，对于教学单元B的学习，学生乙进行创新力再训练，质疑能力通过网络再次评分均高于60分，经网络对其教学单元学习情况进行评分，达到94.3分。根据学生乙的学习情况和能力水平，教师指导其更换实验单元，选择实验单元A进行创新力再训练。其各创新力得分均高于阈值要求，独立实验单元A学习评分为93.15分。经网络评分，他的课程学习总得分为65.67分，可以参加课程考核。