《群智能計(jì)算及應(yīng)用》線上線下混合教學(xué)模式探索

朱子強(qiáng)，閆文君，付宇鵬，王萌

（海軍航空大學(xué)， 山東 煙臺(tái)）

一 引言

《群智能計(jì)算及應(yīng)用》課程是碩士研究生的一門學(xué)科專業(yè)課。課程適用的教學(xué)對(duì)象為信息與通信工程和電子信息專業(yè)的學(xué)員。其支撐的研究方向?yàn)闊o人機(jī)集群控制、通信信號(hào)處理、故障診斷和作業(yè)調(diào)度等。課程特點(diǎn)是知識(shí)概念多、覆蓋領(lǐng)域廣和實(shí)踐要求高。

在當(dāng)前高等教育教學(xué)改革的大背景下，越來越多的高校教師開始嘗試著將教學(xué)模式由線下轉(zhuǎn)向線上教學(xué)。尤其是自2020年新冠肺炎疫情爆發(fā)以來，利用互聯(lián)網(wǎng)中的在線教學(xué)工具，比如“騰訊會(huì)議”“釘釘”等進(jìn)行教學(xué)，已經(jīng)成為了一種相對(duì)常用的教學(xué)方式[1]。雖然網(wǎng)上也存在著很多的教學(xué)資源，但是對(duì)于大多數(shù)學(xué)生來說線下傳統(tǒng)課堂的學(xué)習(xí)仍然是必不可少的，因此，我們結(jié)合《群智能計(jì)算及應(yīng)用》課程自身特點(diǎn)，探索線上線下混合式教學(xué)方法，為學(xué)生提供更高效、更優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)環(huán)境。

二 研究背景

傳統(tǒng)的教學(xué)過程以教師為中心，強(qiáng)調(diào)教師的主體作用。這種教學(xué)方式相對(duì)來說簡(jiǎn)單容易，新教師在從教之后很容易執(zhí)行，只需要對(duì)所學(xué)內(nèi)容掌握比較好，就可以按部就班的將相關(guān)知識(shí)交給學(xué)生。但是缺點(diǎn)也很明顯，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程會(huì)過度依賴?yán)蠋煟荒軌虺浞终{(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中缺乏發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的動(dòng)力，缺乏自主學(xué)習(xí)和自主探究的意識(shí)[2]，同時(shí)傳統(tǒng)教學(xué)方式也沒用充分利用現(xiàn)代科技發(fā)展所帶來的便利來提高教學(xué)的效率。

傳統(tǒng)的課堂中，一節(jié)課只有45分鐘時(shí)間，受課程學(xué)時(shí)的影響，教師在有限的授課時(shí)間內(nèi)只能講授相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，像在人工智能相關(guān)的課程中，技術(shù)的發(fā)展日新月異，如果僅僅依靠課堂中的時(shí)間，教師無法將相關(guān)的先進(jìn)技術(shù)全都教授給學(xué)生，同時(shí)，教師可能對(duì)于行業(yè)最新、最前沿的技術(shù)也并不掌握，因此學(xué)生所學(xué)內(nèi)容跟不上行業(yè)發(fā)展的速度。

與本科生相比，研究生已掌握了一定的基礎(chǔ)理論、 專門知識(shí)和基本技能，具備了從事科學(xué)研究或?qū)ｉT技術(shù)工作的初步能力[3]。同時(shí)我們對(duì)于研究生的培養(yǎng)要求不同，研究生的培養(yǎng)方式以自主學(xué)習(xí)、自主研究為主，培養(yǎng)鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和自主科研能力。我們希望研究生對(duì)學(xué)習(xí)的內(nèi)容更加的深入、要能夠有發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。因此在網(wǎng)絡(luò)資源的自主學(xué)習(xí)方面，相對(duì)于本科生研究生會(huì)更有針對(duì)性，搜索資源的手段更加豐富，能夠判斷出網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源對(duì)于自己的適用程度，提高學(xué)習(xí)的效率。從理論上將，研究生更適合于網(wǎng)絡(luò)資源的自主學(xué)習(xí)。

當(dāng)前雖然有很多教師開始嘗試在線上線下混合教學(xué)模式，但是普遍還是存在一些問題，在線上教學(xué)的過程中，有些教師只注重了氣氛和學(xué)生的意愿[4]，而忽略了教學(xué)的核心目標(biāo)。另一方面，有些教師只知道一味地模仿、復(fù)制，不對(duì)課程進(jìn)行創(chuàng)新，脫離學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)需求，無法給學(xué)生帶來具有現(xiàn)實(shí)意義的學(xué)習(xí)內(nèi)容，不利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)外語的積極性[5]。

三 教學(xué)設(shè)計(jì)

《群智能計(jì)算及應(yīng)用》課程的教學(xué)目標(biāo)包含四個(gè)層次，一是使學(xué)員掌握群智能技術(shù)的基本知識(shí)和理論的知識(shí)目標(biāo)；二是使學(xué)員具備實(shí)戰(zhàn)化和生活化的案例解決能力的應(yīng)用目標(biāo)；三是培養(yǎng)學(xué)員自主參與課程、主動(dòng)學(xué)習(xí)、樂于探索的自我目標(biāo)；四是培養(yǎng)學(xué)員對(duì)課程熱愛、對(duì)事業(yè)忠誠(chéng)的思政目標(biāo)。根據(jù)以上教學(xué)目標(biāo)以及學(xué)情特點(diǎn)，我們按照線上線下教學(xué)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的原則，將教學(xué)環(huán)節(jié)分為混合教學(xué)設(shè)計(jì)、線上教學(xué)實(shí)施和線下教學(xué)實(shí)施三個(gè)部分，并在每一個(gè)部分更進(jìn)一步將實(shí)施環(huán)節(jié)細(xì)化，其中線上環(huán)節(jié)側(cè)重于學(xué)生對(duì)于基本理論的自我學(xué)習(xí)，線下環(huán)節(jié)側(cè)重于教員對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)、學(xué)生之間進(jìn)行研討以及教員最后進(jìn)行總結(jié)，形成了線上線下一體化的教學(xué)環(huán)境。本門課程的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 《群智能計(jì)算及應(yīng)用》“線上線下”混合式教學(xué)模式結(jié)構(gòu)圖

（一） 資源建設(shè)

根據(jù)我們對(duì)于人才培養(yǎng)的要求，我們希望在課程資源建設(shè)實(shí)施中能夠?qū)崿F(xiàn)軍地資源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的目標(biāo)，這也是我們進(jìn)行“線上線下”課程改革的原則。一方面，這樣可以充分利用國(guó)內(nèi)外優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，另一方面，通過這種方法也可以充分發(fā)揮課程組教員對(duì)于軍事應(yīng)用理解的作用，在課堂上加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于智能算法的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在教材選擇上，我們分別選用自編的《群智能及其軍事應(yīng)用》和北京大學(xué)譚營(yíng)主編的《Swarm Intelligence》作為主講和輔助教材，使用自編教材的優(yōu)勢(shì)在于教材中有著豐富的軍事應(yīng)用案例，貼合我們對(duì)于學(xué)生培養(yǎng)的最終要求，同時(shí)結(jié)合輔助教材可以滿足不同的學(xué)員是否要對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)一步學(xué)習(xí)的要求。

我們采用了自建課程+在線SPOC的的形式[6]，錄制了《群智能的Matlab實(shí)現(xiàn)方法》《群智能算法的軍事應(yīng)用》等4個(gè)視頻資源； 引入了包括上海交通大學(xué)許志欽的《最優(yōu)化方法》、清華大學(xué)袁博的《進(jìn)化計(jì)算》在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀的5個(gè)視頻資源。此外，本課程擁有59個(gè)案例的算法程序庫(kù)，代碼總數(shù)超過10萬行，共同構(gòu)成了本課程的在線資源體系。課程資源建設(shè)情況如圖2所示：

圖2 《群智能計(jì)算及應(yīng)用》課程資源建設(shè)情況圖

（二） 教學(xué)流程

在實(shí)施過程中，我們充分利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，把學(xué)生對(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)任務(wù)轉(zhuǎn)移到課外，把練習(xí)討論、知識(shí)消化轉(zhuǎn)移到課內(nèi)，將討論交流作為課堂的主要形式，并通過案例式實(shí)驗(yàn)課的形式幫助學(xué)員鞏固提高對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的理解。根據(jù)PDCA戴明環(huán)理論（圖3），將授課過程分為計(jì)劃、實(shí)施、檢驗(yàn)和總結(jié)四個(gè)步驟[7]，具體為：

圖3 PDCA戴明環(huán)理論

Plan，在課前環(huán)節(jié)，提出問題，及時(shí)發(fā)布公告和資源，學(xué)員自主學(xué)習(xí)課程。

Do，在課上環(huán)節(jié)，采取教師講解、互動(dòng)研討、隨堂測(cè)試和翻轉(zhuǎn)課堂的方式分析問題。

Check，在實(shí)驗(yàn)課中，解決問題，并針對(duì)難點(diǎn)問題線上線下持續(xù)性討論。

Act，在課后，發(fā)布教學(xué)視頻，便于學(xué)員隨時(shí)學(xué)習(xí)；對(duì)問題的解決方式進(jìn)行檢驗(yàn)；并采用實(shí)踐考核+論文考核的多元評(píng)價(jià)方式對(duì)學(xué)員學(xué)習(xí)成果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

針對(duì)一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，我們要求學(xué)員在課前帶著案例進(jìn)行理論學(xué)習(xí)，這部分學(xué)習(xí)在線上。在課上，我們給學(xué)員一個(gè)問題，讓學(xué)員運(yùn)用基本理論解決實(shí)際問題，并根據(jù)知識(shí)點(diǎn)難易程度分配課時(shí)。課上部分包括三個(gè)階段：第一階段基礎(chǔ)知識(shí)鞏固，大約15~20分鐘，主要是幫助學(xué)員加深對(duì)課前自學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解；第二階段翻轉(zhuǎn)課堂和研討，大約10~30分鐘，過程中讓學(xué)生互相討論對(duì)于所學(xué)知識(shí)的一些理解，相互交流、學(xué)習(xí)；第三部分案例式教學(xué)實(shí)踐，大約20~90分鐘，給學(xué)生一個(gè)具體要解決的問題，讓學(xué)生能夠運(yùn)用自學(xué)的知識(shí)，相互合作、配合來解決問題。課后部分包括線上復(fù)習(xí)、線上線下討論和作業(yè)完成三個(gè)環(huán)節(jié)，讓學(xué)員能夠?qū)φn程進(jìn)行理論的學(xué)習(xí)得到進(jìn)一步鞏固。

（三） 教學(xué)方法

在授課過程中，我們使用了翻轉(zhuǎn)課堂、研討式教學(xué)法、案例驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法來提升授課質(zhì)量。

在翻轉(zhuǎn)課堂中，要求學(xué)員課前帶著問題學(xué)習(xí)基本理論，在課上相互交流、學(xué)習(xí)，傳授學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，并且能夠利用基本理論解決問題，也可以讓學(xué)生成為“老師”來講授此次課的內(nèi)容[8]。這種角色變換方式不僅能夠提升學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，還能加深學(xué)員對(duì)知識(shí)點(diǎn)以及整門課程的理解。

在研討式教學(xué)法中，我們針對(duì)課程中容易混淆的概念和重難點(diǎn)問題進(jìn)行討論，讓學(xué)員在頭腦風(fēng)暴中使得思想得到碰撞。通過這種方式可以很大程度上避免了學(xué)員在學(xué)習(xí)過程中對(duì)某一部分內(nèi)容可能存在認(rèn)知上的偏差，并且對(duì)于不理解的問題在互相討論中也可以得到解決，減少了因?yàn)閷W(xué)員對(duì)于不理解的問題越攢越多，導(dǎo)致最后出現(xiàn)厭學(xué)的情況。

在案例式教學(xué)中，我們將實(shí)戰(zhàn)化和生活化案例引入教學(xué)中，這樣一方面提高了學(xué)員學(xué)習(xí)興趣，另一方面加強(qiáng)了學(xué)員對(duì)部隊(duì)的了解，讓學(xué)員我們?yōu)槭裁匆獙W(xué)習(xí)這些，我們學(xué)習(xí)這些內(nèi)容將來有什么樣的用途，以及怎樣將所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際問題中去，同時(shí)將理論與實(shí)踐相結(jié)合，一舉三得。

（四） 創(chuàng)新與特色

1. 興趣指引，聚焦“引導(dǎo)式自主學(xué)習(xí)”。針對(duì)線上教學(xué)缺乏對(duì)學(xué)員的監(jiān)督的問題，我們?cè)诰€下組織課程時(shí)，將重點(diǎn)放在提高學(xué)員學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力和持續(xù)學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)上。不僅強(qiáng)調(diào)“以學(xué)員為中心”，更加強(qiáng)調(diào)“以學(xué)習(xí)為中心”，變被動(dòng)接收知識(shí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，弱化教員在理論講授中的作用，更加強(qiáng)調(diào)教員的引導(dǎo)作用，實(shí)現(xiàn)從“教學(xué)”到“學(xué)教”的教學(xué)模式翻轉(zhuǎn)。

2. 優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，構(gòu)建線上線下新生態(tài)。通過自建課程+在線SPOC結(jié)合的形式，整合了豐富的在線教學(xué)資源，并持續(xù)更新。同時(shí)，將線上教學(xué)資源與團(tuán)隊(duì)教學(xué)特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。一是發(fā)揮課程組教員對(duì)學(xué)情和軍事應(yīng)用的把握；二是充分利用國(guó)內(nèi)外高校精品課程和網(wǎng)絡(luò)資源，構(gòu)建了圍繞群智能技術(shù)的線上線下新生態(tài)。

3. 教研相長(zhǎng)，創(chuàng)新了教學(xué)手段。在教學(xué)手段上，充分利用釘釘在線直播、雨課堂等手段開展線上線下教學(xué)，讓技術(shù)與教學(xué)融合起來。在教學(xué)方法上，廣泛采用了研討式、案例式和翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方法，改善了傳統(tǒng)教學(xué)法研討和鞏固時(shí)間不足的問題。在教學(xué)內(nèi)容上，多項(xiàng)科研成果在課程教學(xué)上得到了轉(zhuǎn)化。

4. 案例驅(qū)動(dòng)，促進(jìn)學(xué)員個(gè)性化發(fā)展。針對(duì)研究生專業(yè)分散、研究方向多的特點(diǎn)，在分析學(xué)情的基礎(chǔ)上，個(gè)性化定制教學(xué)內(nèi)容。課程結(jié)合課程思政、實(shí)戰(zhàn)化主題和前沿科技，形成了豐富的案例庫(kù)，學(xué)員在實(shí)驗(yàn)課程中根據(jù)研究方向和自身基礎(chǔ)個(gè)性化選擇實(shí)驗(yàn)案例。同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)員參加國(guó)際群智能會(huì)議和地方高校高水平培訓(xùn)，以及發(fā)表高水平論文。

四 教學(xué)效果與評(píng)價(jià)

（一） 學(xué)員反饋方面

學(xué)員提出的問題數(shù)量大幅增加，這得益于線上更加開放的環(huán)境。在問卷調(diào)查中，學(xué)員普遍反饋通過線上線下混合式教學(xué)的轉(zhuǎn)變，在課程中收獲很大，課程組對(duì)于課程的改革是“理論與實(shí)踐的完美結(jié)合”。

（二） 案例實(shí)現(xiàn)情況方面

混合式教學(xué)之前的實(shí)驗(yàn)由于時(shí)間不充分，一般是求取函數(shù)極值或者背包問題等簡(jiǎn)單問題實(shí)現(xiàn)，混合教學(xué)后，一般要求學(xué)員對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行分析、多級(jí)協(xié)同任務(wù)分配等高階問題，難度加大。實(shí)驗(yàn)問題變化情況如表1所示：

表1 混合式教學(xué)前后實(shí)驗(yàn)問題對(duì)比

以基于遺傳算法的排課問題為例，學(xué)員針對(duì)學(xué)院2020年春季學(xué)期課程的排課問題，從染色體選取、適應(yīng)度函數(shù)建立、交叉、變異等環(huán)節(jié)進(jìn)行建模，從結(jié)果上看，能夠較好地實(shí)現(xiàn)排課算法，單個(gè)排課算法代碼超過1000行，10秒的程序運(yùn)行約相當(dāng)于人工4個(gè)小時(shí)的工作量，成效顯著。

（三） 作業(yè)以及知識(shí)理解方面

學(xué)員對(duì)于問題的思考更加深刻，完成的實(shí)驗(yàn)和作業(yè)質(zhì)量大幅提高。通過混合式教學(xué)，學(xué)員學(xué)習(xí)興趣和理論聯(lián)系實(shí)際能力均得到較大提高。課程緊貼前沿，學(xué)員在各自研究領(lǐng)域均有較大收獲，課程在線上線下混合式教學(xué)中得到升華。

五 結(jié)語

針對(duì)《群智能計(jì)算及應(yīng)用》研究生課程，以提高學(xué)員學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力和持續(xù)學(xué)習(xí)能力為目標(biāo)，對(duì)課程進(jìn)行線上線下混合式的的教學(xué)設(shè)計(jì)，在學(xué)員能夠進(jìn)行基本理論自主學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，對(duì)學(xué)員進(jìn)行引導(dǎo)，幫助學(xué)員構(gòu)建專業(yè)知識(shí)和技能體系。根據(jù)已取得的教學(xué)效果發(fā)現(xiàn)，通過線上線下混合式的教學(xué)方式，很大程度上提高了學(xué)員對(duì)于知識(shí)的理解，實(shí)驗(yàn)和作業(yè)的質(zhì)量得到大幅度提高，對(duì)學(xué)員提高學(xué)習(xí)興趣、加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際的能力方面都有非常積極的作用。