基于五星教學原理的算法導論混合式教學設計

權麗君 吳劍

摘要：《算法導論》作為計算機專業(yè)一門重要的專業(yè)必修課，具有多學科性、強理論性和高概括性。在高校教學中，線上教學可以輔助傳統(tǒng)的線下教學。這樣的混合式教學不僅發(fā)揮了教學者的主導性，也提高了學習者的主觀能動性。目前，現(xiàn)有的研究大多只局限于線上本身的特點，缺乏重要的教學原理指導，從而影響了混合式教學的實際教學效能。因此，嘗試使用五星教學原理指導算法導論的混合式教學模式構建，用以提高教學效果，豐富學科教學理論。

關鍵詞：算法導論;混合式教學;五星教學原理;高校教學;新型教學環(huán)境

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）18-0139-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

算法導論課程是高校計算機科學的基礎核心課程，其中算法設計部分是軟件技術的一個重要方向，也是培養(yǎng)學生成為未來軟件工程師所不可或缺的一門專業(yè)知識。與該課程最緊密的學科分別是數(shù)據(jù)結構、高等數(shù)學、組合數(shù)學、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、離散數(shù)學等，因此算法導論有著很強的邏輯推理性和高度概括的抽象性，是實踐和理論高度融合的范例。在該學科教學過程中，通過將高級語言程序、數(shù)據(jù)結構和計算方法等內容緊密地結合在一起，全面培養(yǎng)了學生分析問題、解決問題的能力，對學生的專業(yè)發(fā)展具有極其重要的意義。

目前算法導論課程主要有線下教學和線上教學兩種授課方式。線上教學普遍采用傳統(tǒng)教學環(huán)境，對時間和空間具有嚴格的限制?；ヂ?lián)網的快速發(fā)展推動了網絡技術在教育中的應用，如MOOC和SPOC等線上教學在社會上開始流行并取得了較大的成功。在課程改革的背景下，線下課堂教學也發(fā)生著變化，其中結合線上教學與線下教學的混合式教學模式最為突出，因此我們將此模式引入算法導論的傳統(tǒng)教學環(huán)境。然而，近些年的研究大多只局限于線上本身的特點，缺乏重要的教學原理的指導，從而影響了混合式教學的實際教學效能[1]。要提高課堂教學的有效性，就要借助現(xiàn)代教學理論的指導。只有在現(xiàn)代教學理論的指導下，教學設計才會符合教學規(guī)律，符合課程的教學理念，最終才能真正發(fā)揮教學者的主導性，并體現(xiàn)學習者的主體性，使課堂教學更有效[2]。因此，嘗試使用五星教學原理指導算法導論的混合式教學模式構建，不僅可以將理論很好融人課堂教學，豐富算法學科教學理論，還可以指導教學細節(jié)處理，提高教學效果。本文將分別從教學模式和課程實施方法這兩個方面介紹算法導論課程的具體設計方案。

2 教學模式

2.1 教學環(huán)境特點

教學環(huán)境是開展教學和學習活動的場所或載體。目前，算法導論教學環(huán)境主要分為傳統(tǒng)教學環(huán)境、開放式教學環(huán)境和新型教學環(huán)境。在不同教學環(huán)境下會產生不同的教學效果[3]：

傳統(tǒng)教學環(huán)境，是指師生之間面對面交流的課堂教學環(huán)境。盡管傳統(tǒng)教學環(huán)境已有幾千年的歷史，但它利于教師主導作用的發(fā)揮與師生之間的直接互動，因此仍然是校園教學的主流;這種傳統(tǒng)教學環(huán)境屬于線下課堂教學模式，其對時間和空間上具有嚴格的限制。

隨著網絡信息化時代的到來，產生了線上課堂教學模式，因此帶來了新的教學環(huán)境。如開放式教學環(huán)境，是指以開放式信息系統(tǒng)為主的教學環(huán)境。與傳統(tǒng)教學環(huán)境相比，它將教學時間、空間拓展到了任意時間、任意空間，并提供給老師管理和記錄學習情況。目前開放式教學理念已經得到社會認可，并成為社會化的主要學習形式。

近幾年來，在大數(shù)據(jù)時代的背景下涌現(xiàn)出了許多新型教學場所或載體，包括基于游戲、社交網絡、智能移動設備和MOOC等教學形態(tài)，這些統(tǒng)稱為新型教學環(huán)境。新型教學環(huán)境憑借其優(yōu)越的物理特性和豐富的應用為學生帶來了新的學習體驗，并幫助教學者改善教學效果。

在高校學習環(huán)境中，線上課堂教學模式還不能完全的取代線下的傳統(tǒng)教學模式。由于很多學生在眾多的線上學習資料源中往往沒有目標，也不能很好的構建課程體系[4]，因此線上線下課堂相融合的混合式教學模式是提升高校教學效果的重要手段。

2.2 混合教學模式

根據(jù)算法導論多樣化的教學環(huán)境特點以及大綱要求，本研究采用以教師為主導的混合式教學模式[5]，以達到對線上和線下教學的優(yōu)勢結合。目前，線上資源海量，如在全球范圍內取得巨大成功的大規(guī)模在線開放課程（Massive Open OnlineCourse.MOOC）就是一種線上優(yōu)質資源的選擇。我們以“算法”為關鍵字在中國大學MOOC（ https：//www.icourse163.org）進行搜索，與算法相關的課程有467個，其中90個為國家精品課程。這么多的課程需要合理有效地利用，不能全盤照搬。

在大數(shù)據(jù)的前提下，線下教師的作用不可忽略，具體的結合教學模式進行如下：（1）以算法教學大綱為切人點，選擇合適的候選線上資源。（2）開課之初，教師給出線上資源與對應紙質教材，讓學生做好預習。（3）課前，教師針對本次課程講授的重難點，明確線上課程，細化到具體章節(jié)。（4）課中將課程放置于新型教學環(huán)境，如使用慕課堂智慧教學工具（ http：//www.icourses.cn/），用于課堂互動，測試等工作。（5）課后教師總結出課堂上學生掌握較差內容，布置作業(yè)，并線上發(fā)布公告，便于學生復習、鞏固知識。（6）提供課程拓展內容，學生可以在教師指導下進行其他相關知識學習，拓展學生的眼界。

總的來說，在以教師為活動主導的前提下，將線上教學融人線下課程的各項工作中的教學模式，加強了學生學習空間的立體化，提高了學生學習的主動性。

2.3 五星教學原理

目前的實踐和研究很多集中在關于線上教學方面，并取得了很多的成績。然而，這些研究大多只局限于線上本身的特點，缺乏重要的教學原理的指導，從而影響了混合式教學的實際教學效能[1]。因此，嘗試使用五星教學原理指導混合式教學模式的構建，以期提高教學設計的教學性和效能性。

通過對不同教學設計模式、教學策略的比較分析，梅里爾提出了五星教學原理，它是各種教學設計理論和模式基本上均贊同的一種處方性的教學設計原理[1，6]。五星教學原理以問題解決為根本目標，其核心思想是：當學習者介入解決實際生活中的問題時，當激活學習者的原有知識并將其作為新學知識的基礎時，當向學習者展示新的知識時，當學習者把新學的知識進行具體應用時，當學習者把所學知識融人真實生活當中時，以上這些才能促進學習[7]。教學結構以問題解決為目標和中心，包括兩層互相聯(lián)系的循環(huán)過程。內層循環(huán)是在聚焦解決問題的教學宗旨下，不斷重復四階段循環(huán)圈：激活舊知、示證新知、應用新知和融會貫通。外層循環(huán)是符合學習過程，由結構——指導——輔導——反思構成的四個階段。內層循環(huán)在外層循環(huán)的指導下完成教學任務。從五星教學原理的核心思想和教學結構可以看出，該原理不僅關注教師的教學過程，更關注學生的學習過程，強調整個教學活動要從學生的認知角度出發(fā)，滿足學習需求。

3 課程實施方法

3.1 課程資源的收集與整理

課程資源是為輔助課程內容達到教學目標而用于學生學習的擴展資源。所涉及的內容一般是呈現(xiàn)講解型內容，并與實際教學內容組成具有一定邏輯組織結構和交互方式。課程資源類型多樣化，包含視頻、音頻、動畫、圖像、文本和復合型的多媒體教學微課件。這些課程資源既可以是內容呈現(xiàn)和講解型的教育資源，如中國大學MOOC課程中的北京大學屈婉玲教授為主講授的《算法設計與分析》;也可以是用于教學評價的試題、試卷資源，甚至教學實踐，如算法的技術成長平臺LeetCode（ https：//leetcode.com/）.

3.2 教學設計

教學設計是根據(jù)課程標準的要求和教學對象的特點，將教學各要素有序安排，確定合適的教學方案的設定和計劃。算法問題根據(jù)解題的方法不同分為遞歸與分治算法、動態(tài)規(guī)劃算法、貪心算法、寬度和深度搜索和分治限界法五個專題[8]。而算法作為一種技術，最重要的是對這五個專題問題進行求解。而問題求解的關鍵步驟主要涉及三個關鍵點：建模、設計算法和分析算法。其中，建模是對輸人參數(shù)和解給出形式化或半形式化的描述;設計算法是選擇采用什么樣的算法設計技術，并保證其正確性;分析算法即評價采用算法的運行效率。這里，我們根據(jù)五星教學原理的指導，圍繞如何理清如上三個關鍵點進行教學設計。

1）聚焦問題：算法的選題范圍涵蓋基礎知識（算法的定義、表示方式、復雜度分析）和一系列的算法策略。首先要確定將要講解內容使用混合教學方式的可行性，在此基礎上以問題為中心，盡可能使用與學習者生活工作相關的案例進行問題描述，讓學習者感興趣的參與其中。這個環(huán)節(jié)對學習者進行算法建模理解極為重要。此外，教學者可以通過線上發(fā)布公告和郵件的方式交代學習任務、安排具體的完整任務以及形成任務序列，這不僅促進學習者的學習，而且方便課后的反復復習。

2）激活舊知：激活舊知可以從兩個階段進行。課前，教師為學生精心挑選線上學習資源和學習任務，用于激活學生的原有知識，理清知識結構，以便更好地把新舊知識聯(lián)系起來。課中，教師在示證新知的過程中引導學生回憶、聯(lián)想、描繪先驗知識作為學習新知識的基礎。但是在教學過程中，學習者往往對原有經驗相對缺乏，如算法設計的基礎知識，因此需提供相關的經驗作為學習新知識的基礎促進學習。

3）示證新知：示證新知是課中講授算法內容的主題，也是整個教學過程的主要環(huán)節(jié)，肩負著新舊知識聯(lián)系的任務。由于算法求解問題的過程具有很強的邏輯性，教師可以模式化進行教授。首先，教師根據(jù)聚焦問題引導學生思考求解方法，這不僅是算法的一個實例化應用，也是實現(xiàn)新舊知識結構整合的方式。然后，進行任務驅動，對新知識做簡要說明，并用偽代碼進行算法描述，進而使學生了解算法的特點和適用性、掌握算法的實際步驟。其間可以恰當使用類似于中國大學MOOC平臺的慕課堂等智慧教學工具進行課中的線上互動，使課堂形式豐富多樣化。此外，教師可以引導學生畫出新知識結構圖，通過比較新舊知識結構圖，理順二者之間的關系，加深理解。

4）應用新知：課中的最后進入實踐動手環(huán)節(jié)，教師根據(jù)教學內容，為學生選取1-2個難度適中的案例任務，引導學習者以小組為單位參與實踐活動。通過在學習者熟悉的環(huán)境中模擬應用算法求解案例問題的過程，加深對算法的理解。該環(huán)境可以使用線上平臺如LeetCode，不僅可以直接判斷對錯，還提供對算法運行時間的排名，方便學習者通過對算法復雜度的分析反復修改代碼。此外，學生之間可以面對面地討論互助，彼此取長補短，加深對知識的進一步掌握和理解。

5）融會貫通：融會貫通階段的主要任務是進一步深化對所學知識的理解和熟練運行，甚至可以遷移到日常生活中去，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。首先，教學者根據(jù)學習者掌握知識的程度，可以推薦線上算法教學視頻的某些章節(jié)給學習者，進而提供了可重復性的精準教學。然后通過線上公告方式布置較為復雜的課后作業(yè)或思考題，激發(fā)學習者的探究意識，并在動手做的過程中感悟、理解、掌握非結構化的知識，進一步實現(xiàn)知識的遷移。最后，對于學有余力的學生提供拓展資料，從而開拓學生的眼界。

3.3 教學評價

五星教學原理重視對學習效果的評價，這有助于及時反饋學習效果.以便改進[9]。教學評價主要在線上平臺進行，按照教學活動中的作用可分為定位評價、形成性評價、診斷性評價和總結性評價[10]。

1）定位評價主要是在課前判斷學生準備情況，教學者可以借助線上平臺隨機提問檢驗預習情況及所需知識技能掌握狀況，并納入平時成績。此階段涉及的評價主體有個體自我評價與教師評價。

2）形成性評價主要是在課中反饋學習成敗信息，教學者可以采用多種教學方法調動學生主觀能動性，引導學習者闡述接受新知識遇到的問題。教學者根據(jù)學生的反饋信息調整教學難點的教授方式與課后精準輔導的方向。此階段涉及的評價主體有個體自我評價與小組評價。

3）診斷性評價主要是課后教學者對作業(yè)或是單元測試進行審閱，給予學習者的學習情況進行量化評分。而學習者根據(jù)教師的評分與評語，復診學習錯誤，調查屢次犯錯深的層原因。此階段涉及的評價主體有個體自我評價與教師評價。

4）總結評價主要是教學者與學習者對教學和學習效果進行反思。學習者通過溫習重難點，理清自身的掌握情況，并反饋到線上平臺。教學者通過評閱學習者的反饋信息，判斷達到教學目標程度，得到教學目標適當性與教學策略性。此階段涉及的評價主體有個體自我評價與教師評價。

4 結束語

當今信息化充斥著整個教學環(huán)境，缺乏理論指導的課程設計是孤立的、零散的或不成體系的。在追求教學效率和效果的同時，本研究提出的基于五星教學原理的算法導論混合式教學在符合掌握學習理論的情況下，通過結合傳統(tǒng)線下學習方式和電子信息線上學習方式，最大限度地發(fā)揮了教學者的主導性與學習者的主觀能動性。希望此研究能起到拋磚引玉的效果，并為提高算法導論教學設計的教學性和效能性提供有價值的借鑒。

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[10]孫雨生，程亞南，朱禮軍.基于MOOC的高校教學模式構建研究[J].遠程教育雜志.2015（3）：65-71.

【通聯(lián)編輯：王力】

基金項目：本文承國家自然科學基金（31801108）;江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目資助

作者簡介：權麗君（1987-），女，江蘇徐州人，講師，博士，主要研究方向為啟發(fā)式算法、并行運算和生物信息學;吳劍（1988-），男，江蘇蘇州人，碩士，工程師，主要研究方向為云計算。