基于层次认知模型的大学计算机课程多元混合教学模式设计与实施

安向明,屈成亮

(1.吉林化工学院 教务处，吉林 吉林 132022；2.吉林化工学院 石油化工学院，吉林 吉林 132022)

2020年初爆发的新冠状肺炎极大程度影响了全球各级学校的正常教学，为应对疫情危机，各地出现不同程度的停课停学，随之陆续开展大规模的在线教学[1-3]。疫情过后，传统课堂与在线课堂将长期共存并深度融合[4]。教育部吴岩司长提出了混合式课程教学的建设应遵循“四性”，即内容的前沿性、互动的高效性、方法技术的创新性及知识能力素质相结合的有效性，以达到“五度”，即培养目标达成度、社会需求适应度、技术条件支撑度、质量保障有效度、学生学习满意度。

大学计算机基础课程是面向高等学校非计算机专业的核心通识课程[5]，非计算机专业的大学生通过本课程学习,掌握计算机科学的基本概念、基本原理和基本方法，以及利用计算思维来解决本专业实际问题的能力，该课程基本决定了现代大学生未来的基本信息素养。因此，增强该课程的教学效果，对提高学生运用信息技术分析解决实际问题的能力有重要意义。本文在“四性五度”指导下，以大学计算机课程为例，构建了层次认知模型，应用到“SPOC+翻转课堂”的混合教学中，凝练出“资源整合、内容融合、环境混合、活动混合、评价混合”的多元混合教学思路，最终达到教学目标。

一、大学计算机课程现状

大学计算机基础课程偏重于培养学生利用信息手段开展专业技术学习的能力，增强学生运用计算思维分析问题以及启发学生应用计算机软硬件解决本专业实际问题的能力。随着混合式课堂教学的广泛开展，综合考虑课程特征、学时限制、知识时新性、共享名校师资等因素，很多高校大学计算机基础课程采用混合式教学模式授课[6-8]。

通过混合式学习，学生初步掌握了使用计算机获取信息、处理信息、传递信息的基本能力，当前的课程教学在学生掌握计算机基础知识、基本操作技能方面有着良好的表现，但是缺乏应用计算机解决综合问题的能力以及使用现代信息技术手段进行自主学习与协作学习的能力。课程教学过程中也体现了诸多问题：首先，仍然存在“狭义工具论”的倾向，认为计算机基础教学就是让学生学会计算机工具的使用，教学内容与学生的专业学习相脱离，培养技术技能型人才的课程目标难以落实；其次，教学内容“常规化”，未能充分挖掘网络平台等新理念、新知识和新技术资源的内在价值，适合学生个性化学习的优质资源匮乏；最后，教学评价形式化，对多元评价中自主学习、合作学习、表达交流和同伴互评等过程性评价落实不到位，难以发挥教学评价的反馈、激励、调节和导向功能。

综上，探索建立知识和技能并重，与“四性五度”需求相适应的课程体系，使学生通过教师讲授、协作学习、自学习等手段更好地掌握信息处理技术，达到应用计算思维解决本专业相关应用问题的目的，进而提高课程教学质量，是本课程改革需要重点解决的问题。

二、基于层次认知模型的课程设计

参考WING[9]的计算思维理论，根据从知识到能力转变的递进过程，本文创建了认知层、应用层、设计层三层次认知模型应用于教学，以此加强深度学习，达到教学目标。见图1。

图1 大学计算机层次认知模型

教学设计从课程设计、资源设计和教学方法设计三方面进行阐述。

(一) 课程设计

课程设计包括前期分析、课程标准、总体方案、教学大纲、教学内容、考核评价方案设计。

1.前期分析

包括学生特征研究、学习基础调查、课程目标制定、混合式学习环境分析和职业岗位需求定位，最终得到课程开展深度学习视域下混合式教学的可行性报告。

2.课程标准制定

对课程标准编写原则、教学大纲进行研究，形成课程的总体方案报告。

3.教学内容制定

为达到深度学习目的，根据大学计算机课程的授课大纲，对各个知识点的授课内容特征进行总结、理论学时和实验学时进行细化分配；然后将各个知识点分别归类到层次模型的认知层、应用层和设计层中；最后，按照各层次模型所对应的知识点的学时分配总和，来确定各认知层次的理论授课学时和实验授课学时。各章节知识点、学时与层次认知模型的对应关系如表1所示。

表1 知识点及其所属模型层次分类

根据知识点所属模型层次的划分，总结出不同认知层次的教学内容与教学目标，见表2。

表2 不同认知层次的教学内容与教学目标

在各层次的课程内容组织上，一是对层次内课程教学内容进行构建、选取和确定，形成适合计算机通识教育的最小课程教学内容集合；二是拓展与之相关的其他教学内容模块，充分利用信息技术手段和丰富的网络教学资源，让学生在课外进行自主学习、协作学习；三是依据认知层、应用层和设计层的教学目标的不同，在具体的教学活动设计不同的教学方法，并采用不同的评价方式进行考核。

4.考核评价方案

第一，分层分类考核。根据层次认知模型的每一层中各类知识点的特性，采用不同的评价方法；第二，创新评价方式。鼓励采取分组合作、面试答辩、同伴互评、实践操作、作业展示等多种灵活评价方式，完善“自评-生评-师评-机评”四层结合评议机制。具体实现方法见表3。

表3 分层分类考核方式

(二) 课程资源设计

遵循“面向应用、突出实践”特性，以学习活动为中心，设计、开发、整合形成立体化优质的教学资源。课程资源建设中，既要注重概念、事实等陈述性知识的呈现，又要以适合岗位需求的真实任务为导向，通过模拟现场、合作学习、真实案例分析来提高解决问题能力。从资源的类型、内容和形式上进行设计和组合，达到“认知—应用—设计”三层次联结的目标要求。

(1)内容设计：包括知识点的呈现、技能操作步骤、实践案例指导和工具类，使其与教学路径保持一致，让学生在不同阶段根据自身需求选择使用。

(2)资源分类：分为教材资源、PPT课件类、音视频资源和动画类，适合学生独立进行自主学习和小组开展探究协作活动。

(3)资源形式：将教材资源、PPT课件、音视频资源和动画等网络资源融为一体，多角度展现事物的各方面，形成“课堂教学资源-实验实践资源-网络学习资源”三位一体的立体化教学资源，见图2。

图2 “三位一体”立体化教学资源设计思想

(三) 层次化混合式教学方法

为了提高不同层次上的课程内容的教学质量，满足不同基础学生的学习需求，拟通过“教师讲授”“案例探究”“平台学习”“实时讨论”“论坛交流”“个别辅导”“调研分享”等多种教学手段，“搞活”混合课堂教学，探索“在线自学+师讲生听+以练促学+生讲生评”教学评价方式[10]并运用到课程教学中。本文根据各层次的教学内容特点，设计了相应的混合式教学方法。

1.内涵认知混合教学

内涵认知混合机教学应用于认知层，主要通过“在线自学+师讲生听”教学策略，介绍计算理论、计算机系统、计算机语言等知识的历史演进过程，重点讲解计算机系统如何支持计算、程序执行以及所有软硬件资源的协同管理，从而揭示计算机内涵。教学过程中，充分利用学校SPOC优质在线教学资源拓展相关知识，弥补学生个性化差异，教学重点在于培养学生的认知与兴趣。

2.案例应用混合教学

案例应用混合教学主要在应用层使用，是指基于案例讲解逻辑演算、基本电路原理、软硬件使用、编程及算法的相关操作和相关概念。教学策略是“以练促学”。通过模拟和验证，培养学生深入思考和广泛联系的思维习惯，更进一步提高人才培养的知识学习与能力提升。

3.演化设计混合教学

演化设计混合教学应用于设计层，主要在课堂上通过案例的演化来介绍软件综合应用、程序设计，适当引入翻转式课堂，利用SPOC教学资源对相关问题进行扩展研究。教学策略是“以练促学+生讲生评”。利用这种探索式的学习方式，提高学生分析问题、解决问题的能力，更深层次地启发思维方式与创新意识。

三、教学实施及教学效果

(一) 教学实施

对于层次认知模型中所有知识点，均采用“课前-课中-课后-反思”四段模式开展教学；同时根据知识点所属认知层、应用层和设计层的层次特征，酌情调整课前、课中、课后和反思四段式教学阶段的侧重点。在教学过程中，灵活创设教学交互环境，设计多样化教学活动，改变传统课堂教学以“教师-教材-案例”为中心的知识传授模式，形成以“学生-问题-活动-资源”为中心的应用能力培养模式，见图3。

图3 四段式教学活动

1.课前在线学习阶段

首先，准备课程材料，发布PPT、微课视频、实验指导书、学习案例及其他参考资料，同时完成在线学习系统的初始化。见图4。

图4 吉林化工学院SPOC平台

然后，组织学生采用“SPOC+微课”的方式，对教学案例进行自主学习。为了增加授课的趣味性和实用性，安排了贴近学生专业、岗位任职的相关案例布置任务。比如，本人授课专业是电子信息工程专业，因此设计了与或非电路原理、硬件接口、电路设计等教学案例。学生线下自学的时候，通过抛出问题引导他们由浅入深思考问题。例如讲解可计算理论，先从计算发展史的角度，选取比较有代表性的算盘引出手工计算方法，再从机械计算、电子计算引出自动计算方法，最后通过图灵模型引出可计算理论。从头到尾，知识点环环相扣，学生学习了计算方法的演进及可计算理论一系列知识点。

最后，学生在线实时讨论、反馈学习结果，随时解决预习中碰到的问题，教师也适时调整了课堂教学内容、按需备课，师生同时做好课堂学习准备。

2.课堂教学

教师在课堂引入知识点，学生回忆课前线下自学内容，教师抛出问题组织学生进行交流互动，完成新知识的深度精细加工。举例如下：课前，学生自主学习了手工计算、自动计算的演进和图灵机模型；课上，教师由计算方法的演变引出自动化计算的原理，即把现实问题抽象并用0、1表达，然后对0、1进行逻辑运算，最终用电路实现；通过图灵机模型，重点讲解可计算理论的核心概念、难点以及判断问题的可计算方法。

教学过程中，灵活运用小组讨论、协作学习、交流互动、过程性评价等多种方式，带动学生课上积极参与互动。最后知识点穿线，引入思维导图总结课堂知识，完成课上任务。

3.课后知识应用与创新

课后，引入平台测试以及平台资源进一步丰富和拓展学习内容，进行知识的迁移应用，培养学生学习兴趣，启发知识创新思维。例如，在讲完0和1与电子技术实现之后，拓展学习如何用电子原件实现基本逻辑运算？如何用已实现的基本逻辑运算来实现更复杂的运算?

4.反思评价

该阶段主要通过学生自评价、组内评价、组间互评、教师评价等学习效果评价的结果，结合教师在授课过程中意识到的问题进行教学反思，修正或改进教学案例、翻转课堂、学生分组、课程内容分配、资源组织等，应用到下一个教学周期。

(二) 教学效果

为验证本文提出的教学方法的可行性及有效性，对2020级电子信息工程专业实施了本文提出的分层混合式教学方法。课程完成后，针对授课内容组织、讲解效果、学习兴趣、专业结合度、满意度等情况对2020级和2019级本专业学生以及课程组教师开展问卷调查，并对翻转课堂参与度、线上测试达成度、期末考核结果进行统计，结果见图5。

图5 教学调查及考核结果

从图5中可以看出，2020级利用本文提出的教学方法比2019级传统教学方法的教学效果好，学生对大学计算机课程更感兴趣，课堂学习气氛比较活跃，与老师互动较多，期末考核结果测评优于2019级专业，课程目标达成度较高，见图6。更重要的，2020级学生渗透了专业教学案例，学生利用计算机思维解决本专业问题的综合能力更强，在以后的工作过程中的表现更会让人满意。综上，说明分层混合式教学方法是可行的，并且具有良好的教学效果。

图6 课程目标达成度散点图

四、结 语

在“四性五度”指导下，重新梳理了课程方案、课程内容和课程资源，构建了层次化认知模型并应用于多元化混合式教学，最后以调查问卷的方式进行了教学效果的评估，得出以下结论：第一，将层次认知模型应用到大学计算机课程的混合式教学中去，一方面教师在课程内容、教学方法应用上更加清晰明了，另一方面，符合学生的认知逻辑，加上与专业、岗位和场景相结合的案例教学，更有效的调动了学习积极性和学习兴趣；第二，教学中以“学生-问题-活动-资源”为中心，突出学生主体地位，以解决问题为导向，灵活应用拓展资源，随时开展自主学习，做到学以致用，更加重视对学生应用能力的培养，为将来开展信息技术相关工作打下良好基础。