PBL联合情境模拟教学法的运用——以“信息安全数学基础”课程为例

秦艳琳，陈 云，杨智超

（海军工程大学 信息安全系，湖北 武汉 430033）

引言

“信息安全数学基础”是信息安全本科专业的基础课之一，对网络空间安全理论与技术的深入学习具有重要的意义。但在长期的课程教学过程中，逐步形成了偏重基础理论知识，以教员课堂讲授为主的静态、单一化教学模式，难以调动学生的学习主动性。PBL联合情境模拟教学法通过设置实际情境，不断以问题为线索，确保学生在情境模拟的学习体验中进行沉浸式思考探究，得到解决问题的思路与方案，主动构建蕴含在问题中的专业知识体系［1］。在“信息安全数学基础”教学中引入PBL联合情境模拟教学法，搭建“情境—问题—探究”教学模式基本框架，将学生放在教学活动的主体地位，激发学生的学习热情，鼓励学生积极主动地思考，把传统被动式的学习转变为主动性的学习［2］。

一、“信息安全数学基础”课程“情境—问题—探究”教学模式实施方案

下面以课程中离散对数这一知识单元为例介绍具体的教学实施方案。

（一）设置实际应用情境

设置兼具吸引力和有效性的应用情境是“情境—问题—探究”教学模式的关键。吸引力是指这个情境设置对于绝大多数学生来说都是引人入胜且充满活力的。该情境可以使学生深入主题，激发他们的欲望、探秘或挑战等本能需求，使之积极地参与到课堂活动中。创设的学习情境必须源自实际，让学生身临其境，避免枯燥的学术内容，而是有趣生动的素材，可选择故事、新闻报道、视频、图片等多种形式。

有效性是指情境设置能帮助学生在完成围绕学习情境开展的问题探究、讨论等活动后，能够获得核心概念的成功构建，培养更高层次的综合素养和专业意识［3］。例如在介绍离散对数难题时可以设置以下故事情境：一次柏斌在外地某城市出差，得知该市要搞一个土地竞拍会。机不可失，柏斌马上向老总汇报了这个消息，老总立即安排艾丽准备标书，艾丽想用电子邮件把标书发给柏斌，但担心被竞争对手截获。打算用密码算法对标书进行加密，这种密码算法加解密双方使用同一个密钥参数。艾丽把加密后的标书发给柏斌。柏斌由于没有艾丽用的密钥参数，无法解密。但艾丽说在电话上告诉柏斌密钥不安全。艾丽很苦恼，不知如何是好。

学生通过查阅课外有关Diffie-Hellman密钥协商协议的相关资料，分组自行设计能解决上述双方密钥参数产生的具体方案，给出算法参数产生及详细的加解密过程，并制作PPT汇报材料。

（二）提出关键问题

教学实施的第二个环节是结合具体情境，提出关键问题。问题是学习探究的航标，能够指向和突出学习单元中的核心知识点，它们像一条通道，通过它们，学习者可以探索教学内容中或许仍未被理解的关键概念、主题、理论等，可以为学生主动探究活动的持续开展提供充足的动力，能够激发更多关联问题的深度思考、热烈讨论和新的理解［4］。在具体的教学实践中，教师可以选择层层递进、一环套一环的“串联”问题模式，也可采取多维度、不同视角的“并联”问题模式，或者采用同时兼顾深度与广度的“串并联”模式。例如，在离散对数问题的教学过程中，结合上述情境，教师可以设计以下问题：如何利用Diffie-Hellman密钥协商协议解决故事情境中艾丽和柏斌遇到的困境？什么是离散对数？离散对数与我们学过的对数有何区别？它具有哪些类同于对数的基本性质？离散对数的概念中涉及的哪些知识点是我们之前学过的？什么是离散对数困难问题？你是通过怎样的探究发现离散对数问题的困难性的？

（三）引导深入探究

教师设置故事情境，结合具体情境提出问题，进而需要围绕情境问题为学生提供合理的学习体验机会，如开展翻转课堂、角色扮演、分组研讨等，同时应充分考虑学生先前经验的不足，教师可以通过精心设计详细的问题探究指南，为学生的主动探究搭建“脚手架”，引导学生积极参与到对大概念和基本问题的探索中，在故事情境与相关数学原理之间建立联系，通过问题探究的全过程体验逐步加深对核心问题和知识的理解。针对离散对数这一知识单元，可设置如图1所示的探索和体验过程。在教学探究过程中，教师的角色为多重角色：一是教学的组织者，起到组织教学活动，营造学习氛围，监督和评估学生学习效果的作用；二是引导者，在学生的自主学习探究过程中指引学习的方向，在允许学生自由探索的前提下避免部分学生过远地“偏离航线”；三是感染者，教师应融会贯通学科知识，不仅讲授学科知识，而且要与学生交流自己对学科的认识过程、体验和感悟，以自身的知识储备和个人修养感染学生，让学生站在教师的肩上认知世界。

图1 问题探究指南

（四）研讨质疑

在学生分组完成自主探究之后，可以通过请学生绘制思维导图、组织小组汇报、开展计算竞赛等方式为学生提供机会来对探究的过程和结果进行分享、回溯、检验，提出不同见解，教师要起到很好的引领作用，及时对学生的观点进行质疑和点评，并且穿插部分知识点讲授，引导学生对关键的知识点进行重新思考，对自己的探究过程进行适时的修订。针对本次课程的学习内容，教师可以采取下列方式：请学生按组交流展示课堂问题探究报告，互相质疑评价，对课堂探究报告进行重新思考、修订完善，教师在交流展示中进行点评。

（五）考核评估

为最大限度地激发学生围绕问题情境开展自主探究的积极性，教学过程中及时地进行形成性评估十分关键。形成性评估包括教师对学生的评估和学生的自我评估。教师对学生的评估贯穿于整个教学过程中，并延伸至课前预习、课后复习及自主学习阶段，采取的形式多种多样，可通过记录学生答题、讨论情况，课堂练习、随堂测验、课程论文、课堂报告、思维导图、文献综述、实践/调研报告、期中/期末考试等；学生的自评是指随着教学的进展，教师要积极帮助学生结合自身学习情况不断地进行自我监控、自我评估和适时的自我调整，从而建立自己对已理解和尚未理解的内容、已完成的和尚未完成任务的逐步清晰的认识，引导学生积极思考自己在探究过程中采用的哪些方法有效，哪些无效，哪些可能做得更好。例如可以采取以下方式让学生进行自我评估：（1）要求学生给出的每一个正式的成果或表现都附带有自我评估，自我评估的准确性在学生的成绩中会占有小部分权重；（2）在一节课结束时进行一分钟总结随笔，让学生总结两到三个自己仍未解决的关键要点和问题，也可提出需要继续探讨的新问题。

二、教学效果分析

我们通过对学生开展问卷调查，邀请教学督导听课评价，对学生课程考核成绩进行对比分析等方式对PBL联合情境模拟在“信息安全数学基础”教学中的应用效果进行评价，与“师讲生听”传统讲授式课堂相比，新的课程教学模式体现出以下优越性。

（一）扭转沉闷死板的课堂氛围，调动学生的学习积极性

“信息安全数学基础”课程内容包含抽象的数学基础理论，传统的“灌输式”教学模式是以教师单向的讲授为主，学生处于被动接受的状态，未能充分激发学生主动参与课堂学习的兴趣，课堂氛围比较沉闷。PBL联合情境模拟教学模式将课程知识单元与信息安全领域内的经典事件、新颖理论、特殊的谜题及实际安全问题建立联系，设置主题学习情境，激发学生的好奇心和探究欲望，在具体的情境中，再由若干个问题进行穿插引导，做到问题与情境的相互呼应，由浅入深、循序渐进，兼顾理论和实践，让学生带着问题走进情境，在情境中思考问题，体会自主探究、解决问题的乐趣。

（二）转变教师中心模式，树立学生中心理念

在“信息安全数学基础”中引入PBL联合情境模拟教学模式，突破了“以教师为主体”的传统教学方式，摒弃原有的“教案加讲稿”的单纯讲授式教学设计，精心制订兼具有效性和吸引力的教学设计方案，设置具有挑战性的问题＋情境作为切入点，将实际的网络安全需求与学习情境通过问题的形式融为一体，激发潜藏在每一位学生身上的责任感，树立学生课堂上的中心地位，引导学生进行自我鼓励、设置自我完成目标，为学生提供自由表达、质疑和讨论的机会，促使学生深入思考、讨论，积极参与到对基本概念及理论的挖掘和探索过程中，并尝试在应用层面进行实践。在整个教学过程中，充分调动了学生的学习积极性和主观能动性，始终体现学生的主体性。

（三）改变单一的知识传授，突出学生综合能力培养

在现有“信息安全数学基础”课程的教学中引入PBL联合情境模拟教学理念，改变传统教学模式下单一的知识传授模式，树立能力教学理念，强调学生实践参与和亲身体验，着眼于学生综合素质培养与提高，重视课堂情境模拟、问题探究与研讨等环节，实施高效的课堂管理，开展更加科学精准的课程全过程考核，密切关注学生好奇心、求知欲望和创新意识；训练学生开展文献检阅、口头表达、撰写报告和团队攻关等多方面素质，培养学生质疑、开放的学习精神和创新意识，让学生感受综合运用专业知识开展专业研究的过程，提高自主学习能力、独立探究能力和理论联系实际的能力。

在PBL联合情境模拟教学模式的具体实施过程中也发现存在一些问题：一是教师对新教学模式的还在实践摸索阶段，积累的教学经验还不够丰富，储备的课程学习资源无法充分满足实际的教学需求，导致问题情境设置对学生的吸引力不够，学生主动学习探究的热情不高，动力不足，同时针对新模式下灵活多变的课堂节奏把控能力不足，难以实现课堂形式的多变性与教学目标既定性的协调统一，等等；二是少数基础较为薄弱的学生主动学习能力不足，课外任务执行率低，课上参与度不高，直接影响课程学习效果。基于以上问题，教师应首先从提高自身教学水平和科研实践能力出发，积累课程资源，学习先进经验，优化教学设计，改进教学手段，调整考核方式。同时对学生特别是后进生投入更多的精力和关注度，开展一对一的交流疏导，帮助他们克服在课程学习中的心理障碍，查找问题症结所在，并因人而异，对症下药，挖掘他们的内在潜力，使这部分学生尽早融入课程学习中来，并获得“乐在其中”的学习体验。

结语

在信息安全基础教学中引入“以学为中心”的PBL联合情境模拟教学法，教师为学生创设生动具体的实际情境，以问题为导向，营造“情境—问题—探究”沉浸式课堂体验环境，设计更全面多元的考核方式，充分调动学员的学习积极性和主观能动性，将学员的独立思考能力、创新能力、沟通协作精神等综合能力培养渗透于日常教学活动的细节中，以达到令人满意的教学效果。