五星教学原理的算法导论混合式教学设计
摘要：《算法导论》作为计算机专业一门重要的专业必修课，具有多学科性、强理论性和高概括性。在高校教学中，线上教学可以辅助传统的线下教学。这样的混合式教学不仅发挥了教学者的主导性，也提高了学习者的主观能动性。目前，现有的研究大多只局限于线上本身的特点，缺乏重要的教学原理指导，从而影响了混合式教学的实际教学效能。因此，尝试使用五星教学原理指导算法导论的混合式教学模式构建，用以提高教学效果，丰富学科教学理论。
关键词：算法导论；混合式教学；五星教学原理；高校教学；新型教学环境
1引言
算法导论课程是高校计算机科学的基础核心课程，其中算法设计部分是软件技术的一个重要方向，也是培养学生成为未来软件工程师所不可或缺的一门专业知识。与该课程最紧密的学科分别是数据结构、高等数学、组合数学、概率论与数理统计、离散数学等，因此算法导论有着很强的逻辑推理性和高度概括的抽象性，是实践和理论高度融合的范例。在该学科教学过程中，通过将高级语言程序、数据结构和计算方法等内容紧密地结合在一起，全面培养了学生分析问题、解决问题的能力，对学生的专业发展具有极其重要的意义。目前算法导论课程主要有线下教学和线上教学两种授课方式。线上教学普遍采用传统教学环境，对时间和空间具有严格的限制。互联网的快速发展推动了网络技术在教育中的应用，如MOOC和SPOC等线上教学在社会上开始流行并取得了较大的成功。在课程改革的背景下，线下课堂教学也发生着变化，其中结合线上教学与线下教学的混合式教学模式最为突出，因此我们将此模式引入算法导论的传统教学环境。然而，近些年的研究大多只局限于线上本身的特点，缺乏重要的教学原理的指导，从而影响了混合式教学的实际教学效能[1]。要提高课堂教学的有效性，就要借助现代教学理论的指导。只有在现代教学理论的指导下，教学设计才会符合教学规律，符合课程的教学理念，最终才能真正发挥教学者的主导性，并体现学习者的主体性，使课堂教学更有效[2]。因此，尝试使用五星教学原理指导算法导论的混合式教学模式构建，不仅可以将理论很好融入课堂教学，丰富算法学科教学理论，还可以指导教学细节处理，提高教学效果。本文将分别从教学模式和课程实施方法这两个方面介绍算法导论课程的具体设计方案。
2教学模式
2.1教学环境特点
教学环境是开展教学和学习活动的场所或载体。目前，算法导论教学环境主要分为传统教学环境、开放式教学环境和新型教学环境。在不同教学环境下会产生不同的教学效果[3]：传统教学环境，是指师生之间面对面交流的课堂教学环境。尽管传统教学环境已有几千年的历史，但它利于教师主导作用的发挥与师生之间的直接互动，因此仍然是校园教学的主流；这种传统教学环境属于线下课堂教学模式，其对时间和空间上具有严格的限制。随着网络信息化时代的到来，产生了线上课堂教学模式，因此带来了新的教学环境。如开放式教学环境，是指以开放式信息系统为主的教学环境。与传统教学环境相比，它将教学时间、空间拓展到了任意时间、任意空间，并提供给老师管理和记录学习情况。目前开放式教学理念已经得到社会认可，并成为社会化的主要学习形式。近几年来，在大数据时代的背景下涌现出了许多新型教学场所或载体，包括基于游戏、社交网络、智能移动设备和MOOC等教学形态，这些统称为新型教学环境。新型教学环境凭借其优越的物理特性和丰富的应用为学生带来了新的学习体验，并帮助教学者改善教学效果。在高校学习环境中，线上课堂教学模式还不能完全的取代线下的传统教学模式。由于很多学生在众多的线上学习资料源中往往没有目标，也不能很好的构建课程体系[4]，因此线上线下课堂相融合的混合式教学模式是提升高校教学效果的重要手段。
2.2混合教学模式
根据算法导论多样化的教学环境特点以及大纲要求，本研究采用以教师为主导的混合式教学模式[5]，以达到对线上和线下教学的优势结合。目前，线上资源海量，如在全球范围内取得巨大成功的大规模在线开放课程（MassiveOpenOnlineCourse,MOOC）就是一种线上优质资源的选择。我们以“算法”为关键字在中国大学MOOC进行搜索，与算法相关的课程有467个，其中90个为国家精品课程。这么多的课程需要合理有效地利用，不能全盘照搬。在大数据的前提下，线下教师的作用不可忽略，具体的结合教学模式进行如下：（1）以算法教学大纲为切入点，选择合适的候选线上资源。（2）开课之初，教师给出线上资源与对应纸质教材，让学生做好预习。（3）课前，教师针对本次课程讲授的重难点，明确线上课程，细化到具体章节。（4）课中将课程放置于新型教学环境，如使用慕课堂智慧教学工具,用于课堂互动，测试等工作。（5）课后教师总结出课堂上学生掌握较差内容，布置作业，并线上公告，便于学生复习、巩固知识。（6）提供课程拓展内容，学生可以在教师指导下进行其他相关知识学习，拓展学生的眼界。总的来说，在以教师为活动主导的前提下，将线上教学融入线下课程的各项工作中的教学模式，加强了学生学习空间的立体化，提高了学生学习的主动性。
2.3五星教学原理
目前的实践和研究很多集中在关于线上教学方面，并取得了很多的成绩。然而，这些研究大多只局限于线上本身的特点，缺乏重要的教学原理的指导，从而影响了混合式教学的实际教学效能[1]。因此，尝试使用五星教学原理指导混合式教学模式的构建，以期提高教学设计的教学性和效能性。通过对不同教学设计模式、教学策略的比较分析，梅里尔提出了五星教学原理，它是各种教学设计理论和模式基本上均赞同的一种处方性的教学设计原理[1,6]。五星教学原理以问题解决为根本目标，其核心思想是:当学习者介入解决实际生活中的问题时，当激活学习者的原有知识并将其作为新学知识的基础时，当向学习者展示新的知识时，当学习者把新学的知识进行具体应用时，当学习者把所学知识融入真实生活当中时，以上这些才能促进学习[7]。教学结构以问题解决为目标和中心，包括两层互相联系的循环过程。内层循环是在聚焦解决问题的教学宗旨下，不断重复四阶段循环圈：激活旧知、示证新知、应用新知和融会贯通。外层循环是符合学习过程，由结构――指导――辅导――反思构成的四个阶段。内层循环在外层循环的指导下完成教学任务。从五星教学原理的核心思想和教学结构可以看出，该原理不仅关注教师的教学过程，更关注学生的学习过程，强调整个教学活动要从学生的认知角度出发，满足学习需求。
3课程实施方法
3.1课程资源的收集与整理
课程资源是为辅助课程内容达到教学目标而用于学生学习的扩展资源。所涉及的内容一般是呈现讲解型内容，并与实际教学内容组成具有一定逻辑组织结构和交互方式。课程资源类型多样化，包含视频、音频、动画、图像、文本和复合型的多媒体教学微课件。这些课程资源既可以是内容呈现和讲解型的教育资源，如中国大学MOOC课程中的北京大学屈婉玲教授为主讲授的《算法设计与分析》；也可以是用于教学评价的试题、试卷资源，甚至教学实践，如算法的技术成长平台LeetCode（https://leetcode.com/）。
3.2教学设计
教学设计是根据课程标准的要求和教学对象的特点，将教学各要素有序安排，确定合适的教学方案的设定和计划。算法问题根据解题的方法不同分为递归与分治算法、动态规划算法、贪心算法、宽度和深度搜索和分治限界法五个专题[8]。而算法作为一种技术，最重要的是对这五个专题问题进行求解。而问题求解的关键步骤主要涉及三个关键点：建模、设计算法和分析算法。其中，建模是对输入参数和解给出形式化或半形式化的描述；设计算法是选择采用什么样的算法设计技术，并保证其正确性；分析算法即评价采用算法的运行效率。这里，我们根据五星教学原理的指导，围绕如何理清如上三个关键点进行教学设计。1）聚焦问题：算法的选题范围涵盖基础知识（算法的定义、表示方式、复杂度分析）和一系列的算法策略。首先要确定将要讲解内容使用混合教学方式的可行性，在此基础上以问题为中心，尽可能使用与学习者生活工作相关的案例进行问题描述，让学习者感兴趣的参与其中。这个环节对学习者进行算法建模理解极为重要。此外，教学者可以通过线上公告和邮件的方式交代学习任务、安排具体的完整任务以及形成任务序列，这不仅促进学习者的学习，而且方便课后的反复复习。2）激活旧知：激活旧知可以从两个阶段进行。课前，教师为学生精心挑选线上学习资源和学习任务，用于激活学生的原有知识，理清知识结构，以便更好地把新旧知识联系起来。课中，教师在示证新知的过程中引导学生回忆、联想、描绘先验知识作为学习新知识的基础。但是在教学过程中，学习者往往对原有经验相对缺乏，如算法设计的基础知识，因此需提供相关的经验作为学习新知识的基础促进学习。3）示证新知：示证新知是课中讲授算法内容的主题，也是整个教学过程的主要环节，肩负着新旧知识联系的任务。由于算法求解问题的过程具有很强的逻辑性，教师可以模式化进行教授。首先，教师根据聚焦问题引导学生思考求解方法，这不仅是算法的一个实例化应用，也是实现新旧知识结构整合的方式。然后，进行任务驱动，对新知识做简要说明，并用伪代码进行算法描述，进而使学生了解算法的特点和适用性、掌握算法的实际步骤。其间可以恰当使用类似于中国大学MOOC平台的慕课堂等智慧教学工具进行课中的线上互动，使课堂形式丰富多样化。此外，教师可以引导学生画出新知识结构图，通过比较新旧知识结构图，理顺二者之间的关系，加深理解。4）应用新知：课中的最后进入实践动手环节，教师根据教学内容，为学生选取1~2个难度适中的案例任务，引导学习者以小组为单位参与实践活动。通过在学习者熟悉的环境中模拟应用算法求解案例问题的过程，加深对算法的理解。该环境可以使用线上平台如LeetCode，不仅可以直接判断对错，还提供对算法运行时间的排名，方便学习者通过对算法复杂度的分析反复修改代码。此外，学生之间可以面对面地讨论互助，彼此取长补短，加深对知识的进一步掌握和理解。5）融会贯通：融会贯通阶段的主要任务是进一步深化对所学知识的理解和熟练运行，甚至可以迁移到日常生活中去，从而培养学生的创新意识。首先，教学者根据学习者掌握知识的程度，可以推荐线上算法教学视频的某些章节给学习者，进而提供了可重复性的精准教学。然后通过线上公告方式布置较为复杂的课后作业或思考题，激发学习者的探究意识，并在动手做的过程中感悟、理解、掌握非结构化的知识，进一步实现知识的迁移。最后，对于学有余力的学生提供拓展资料，从而开拓学生的眼界。
3.3教学评
五星教学原理重视对学习效果的评价，这有助于及时反馈学习效果，以便改进[9]。教学评价主要在线上平台进行，按照教学活动中的作用可分为定位评价、形成性评价、诊断性评价和总结性评价[10]。1）定位评价主要是在课前判断学生准备情况，教学者可以借助线上平台随机提问检验预习情况及所需知识技能掌握状况，并纳入平时成绩。此阶段涉及的评价主体有个体自我评价与教师评价。2）形成性评价主要是在课中反馈学习成败信息，教学者可以采用多种教学方法调动学生主观能动性，引导学习者阐述接受新知识遇到的问题。教学者根据学生的反馈信息调整教学难点的教授方式与课后精准辅导的方向。此阶段涉及的评价主体有个体自我评价与小组评价。3）诊断性评价主要是课后教学者对作业或是单元测试进行审阅，给予学习者的学习情况进行量化评分。而学习者根据教师的评分与评语，复诊学习错误，调查屡次犯错深的层原因。此阶段涉及的评价主体有个体自我评价与教师评价。4）总结评价主要是教学者与学习者对教学和学习效果进行反思。学习者通过温习重难点，理清自身的掌握情况，并反馈到线上平台。教学者通过评阅学习者的反馈信息，判断达到教学目标程度，得到教学目标适当性与教学策略性。此阶段涉及的评价主体有个体自我评价与教师评价。
4结束语
当今信息化充斥着整个教学环境，缺乏理论指导的课程设计是孤立的、零散的或不成体系的。在追求教学效率和效果的同时，本研究提出的基于五星教学原理的算法导论混合式教学在符合掌握学习理论的情况下，通过结合传统线下学习方式和电子信息线上学习方式，最大限度地发挥了教学者的主导性与学习者的主观能动性。希望此研究能起到抛砖引玉的效果，并为提高算法导论教学设计的教学性和效能性提供有价值的借鉴。
参考文献：
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作者：权丽君 吴剑 单位：计算机科学与技术学院
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