以應用設計為核心的課堂教學模式研究與實踐

黃東軍 夏佳志 王磊

摘要：本文以計算機專業《多媒體原理與系統設計》課程為依托，落實學校“開放精品課堂計劃項目”要求，提出以應用設計實踐為核心的交互式課堂教學模式。該模式貫徹理論密切聯系實際的基本原則，充分發揮案例、項目、群組、示范、啟發、引導和綜合評價等教學要素的作用，通過精心選擇和設計教學內容，采用講練結合的課堂教學方法、實施項目驅動引導和綜合學習評價等措施，教學效率顯著提高，學生學習積極性、主動性明顯增強，批判思維和創新實踐能力得到提升。

關鍵詞：課堂教學模式；應用設計實踐；積極性；創新實踐能力

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）16-0146-03

一、研究背景

作者在高等學校講授多媒體技術、程序設計、圖像處理等專業課程有十多年了。在長期教學實踐中，我們深切體會到，高校的專業課程教學（也包括很多理論課程教學）一直受到理論與實踐脫節的困擾。從教學內容來看，大部分教科書是從國外著作翻譯或轉述過來的，過于偏向理論描述。客觀地講，這些教材在教學中發揮了積極作用，然而，由于不提供系統的程序和應用設計方面的指導，對原理的解釋大多停留在抽象層面，使得學生雖然接觸了很多概念和技術，但工程實踐能力并沒有得到提高，嚴重妨礙了優秀人才的培養。從教學方法來看，傳統課堂教學給人的印象是，教師在講臺上演講（可以非常有激情），學生聽（可以很認真地聆聽），當然，可以有互動，例如，教師提問，然后請學生回答，或者把學生請上講臺來代替教師講課，或談談他們的學習體會等。我們并不否認這些教學方法或模式的合理性。但是，使人感到困惑的是這種教學模式似乎走到了極限，無論我們想出什么招數，在這樣一個以教師為中心的教學模式下，我們無法實現真正的師生融合。這樣的教學模式，我們重復了一遍又一遍，我們也培養了大量學生，而且他們中間不乏優秀者。但是，我們無法忽視，從統計意義上看，學生的動手能力、工程實踐能力、工程組織能力、項目交流能力總是處于一種不盡如人意的狀態，學生抱怨，教師責備，社會也有反映。例如，計算機專業的學生程序設計能力總是難以提高，大量學生不得不到社會上的教育機構進行培訓。當然，學校層面還通過其他一些渠道做了很大努力，例如，設立各類創新創業項目，促進了學生實踐能力的培養。我們必須承認，高校課堂教學的主體作用并沒有充分發揮出來。這也正是當前“新工科”關注的問題之一。隨著信息與互聯網技術的發展，高等教育正經歷一場變革。就課堂教學而言，傳統的以傳授專業知識為主的教學模式，正被以培養創新創業能力為核心的互動式、啟發式教學所取代[1]。本文所提倡的以核心原理為主線，融合知識、技術、標準、平臺與應用設計于一體的新型多媒體技術闡述框架，是迎合這一趨勢的積極嘗試。

二、教學理念

實際上，廣大教師一直在探索新的更有效的教學設計。例如，加強實踐性教學，主要辦法是增加實踐性學分，我們看到，實踐的深度和廣度，仍然無法適應數字媒體技術本身的發展。究其原因，主要還是教學與應用系統設計脫節，這是一個根本性弊端[2]。一方面，一些教師試圖在比較偏向原理的教學中，通過增加實踐性內容來改善教學設計，例如，提供專門的實驗課就是普遍的做法，或者增加課程設計。我們必須認識到，這些做法并沒有從根本上改變傳統教學以原理為核心的特點（缺點就是以口頭講述為主，課后進行一些實驗，根深蒂固地把實驗和實踐看成是輔助性的）。另一些長期從事多媒體技術專業教學的老師意識到第一種教學模式的弊端，因此推出了以培養實踐能力為主要目標的教學設計，如《多媒體技術實驗教程》、《多媒體案例教程》等。這些教學設計試圖大力培養學生的實踐動手能力，這是值得稱道的。由于學時等條件限制，這些教學設計又一定程度上忽視了原理與關鍵技術的闡述，而且大都以傳授多媒體工具軟件（如Photoshop）的使用方法為主。使得計算機專業類的多媒體技術教學演變成了技能教育。我們認為，如果一所大學是以培養高級專業技術人才（如卓越工程師）為目標，就不能偏執于單純的理論，也不能以工具性技能教育為主體，而應當構建一種融合核心原理和關鍵技術于一體的教學設計架構。原理應當深入到核心，而關鍵技術則是核心原理的直接體現，這不同于以傳授專業知識為核心的傳統教學，也不同于以工具軟件使用為主的技能教育。總之，我們希望建立一個以核心原理為主線，融合知識、技術、標準、平臺與應用設計于一體的新型多媒體技術教學框架。要實現這樣的教學設計，關鍵是開發教學內容和改革教學方法。

三、教學內容設計

我們的基本理念是，大力開發和傳授理論與實踐密切結合的教學內容，切實做到理論講授必有工程實踐依托，拒絕空洞，而工程實踐也有堅實的理論指導和觀念培育。為此，我們在近幾年的教學探索中，積極把原理知識的闡述與更加底層化的核心技術應用設計緊密結合在一起。通過精心設計和內容選材，基本上做到了每一個核心原理介紹都會有相關的關鍵技術應用設計與之配套。具體而言，在介紹音頻編碼原理過程中，會展示PCM樣本合成、音頻轉碼、語音識別等音頻數據處理的深度應用設計方法；在介紹和分析無損數據壓縮原理和技術之后，會給出詳盡的實用代碼分析和應用指導；在介紹數字圖像原理、圖像數據格式的過程中，會展示圖像的底層顯示應用、高斯濾波（卷積運算）、透明融合、基于圖像的自然現象模擬（水波紋、火焰等）像素級操作（注意，是像素級別的操作，不是簡單調用封裝好的函數），這些設計都融合了巧妙的算法原理和技術；在介紹視頻編碼原理與數據格式過程中，會展示視頻播放、視頻特效（字幕、淡入淡出、多視頻融合等）、視頻捕獲、YUV視頻轉碼、視頻對象檢測與跟蹤等特色與底層內容；在介紹網絡多媒體原理和技術過程中，會展示流媒體應用系統搭建、基于套節字的遠程桌面圖像傳輸等應用設計。

站在專業的立場上看，本文所設計的這些教學內容和實踐訓練，不僅充分展現了現代數字媒體技術的核心原理，而且深入觸及關鍵技術（在計算機領域，高層的組件與封裝技術，總是掩蓋著大量真正核心的東西，這是公認的事實），這樣的教學設計體現了綜合性、啟發性和創新性，具有較高的學習價值，對科學研究也有一定的訓練意義。只有這樣，才能實現培養高級專業技術人才的目標。

四、改革課堂教學方法

要實現上述融核心原理和關鍵技術于一體的教學設計架構，不僅要有切實體現該教學設計理念的內容，更要有合適的教學方法，在教學實踐中不斷總結和探索，并力求取得真正的成效。

本文采用的課程教學方法是：堅持用實踐來統領教學，實施以應用設計為基本依托的互動式課堂教學模式。具體做法是，直接在課堂上，以程序設計實踐為核心，通過案例和任務驅動，把原理和技術融合在一起，積極推行“干中學”的教學方式，課堂教學看上去是一個講練結合的過程，并且始終把實踐放在第一位，理論原理圍繞實踐闡述，教師不斷地引導學生理解原理，并通過啟發式示范推進教學的展開，同時要求學生主動完成和落實教師提出的實踐任務，還原理論，并利用群組進行互動促進。上述教學過程既不同于傳統的以講授為中心的教學，也不同于單純的實驗課。它是一種以實踐為依托、理論與實踐密切結合、在引導和啟發中推進的融合式深度長程教學。它已經很大程度上改變了課堂教學的面貌。在我們的課堂上，學生把筆記本電腦帶到教室是常態，教師邊講理論知識，邊進行程序案例演示；學生要在教師引導下開展關鍵技術應用實踐；并且，我們會有計劃、有目的地組織協同應用設計、課堂小組討論和交流等（這吸收了傳統互動教學的優勢）。而對于有些理論性較強的內容，如無損數據壓縮算法、數字視頻編碼原理與標準、網絡多媒體基礎等，可能講授占用較多時間，但也需要結合實際應用加以理解和掌握。實際上，在課堂上進行多媒體應用設計是一個挑戰，技術性很強。首先，教師需要做好充分的上課準備，對于計劃解決的問題及其編程方案，自己都要事先做一遍，確保無誤。因為一旦在課堂上陷入某種困局，不僅會讓教師難堪，而且也浪費時間。當然，對于有些探索性課題（例如，學生在課堂上突然提出的問題），在恰當控制時間的前提下，教師可以嘗試當堂編寫程序，或者組織學生試探解決，并說明允許失敗。其次，還要注意把時間和精力用在核心技術上。就是說，對于一些比較復雜的應用系統設計，可以采取組裝程序的辦法，快速搭建應用系統框架（我們主要采用Visual Studio 2015平臺和Win 32 API程序模式），然后在關鍵部分采取現場編碼的方式展開。以典型圖像處理算法為例，我們在課堂演示、組織學生編程實踐的時候，先把除關鍵代碼以外的輔助性源代碼通過text文件發給學生，然后引導學生從text文件中復制各個模塊的基本代碼（如打開圖像文件操作）以便搭建可運行的程序框架，最后與學生一起集中力量編寫核心算法實現代碼。實踐證明，這種方式能夠有效平衡課堂時間限制與編程實踐需要之間的矛盾。必須指出，除課堂上的講練結合教學以外，整個教學過程還包括課后消化吸收、自學、以小組為單位的課后深入研究等。

五、改革考試考核辦法

毫無疑問，當我們推行一項完整的教學改革設計時候，必然包含考核方式的相應改革。第一，試卷考試僅占30%—40%。第二，實施以群組（3—5人）為單位的工程實踐展示、匯報、交流和考核評價，占30%。第三，讀書學習報告考核，占20%，規定必須閱讀主體教科書，并鼓勵批判性獨立思考。第四，實驗報告，占10%。我們的課程也包含了實驗室的大型實驗（主要是流媒體系統、視頻會議系統）。上述綜合性考核，不僅激發了學生的熱情，而且更加客觀準確地評價了學生的表現。

六、成效與評價

經過兩年多的改革實踐與探索，我們的教學受到學生的熱烈歡迎，取得了顯著的成效。第一，學習成績普遍得到提高。我們多次用內容相同的試卷進行對比測試，結果顯示，通過上述教學訓練后的學生成績，要明顯好于采用傳統教學方法的效果，學生對知識的理解更加準確、更加深入。第二，激發了學習積極性和主動性。我們的課程吸引了大批學生選修，已經成為最受歡迎的課程之一，每次選課系統開放前5分鐘，學位就一搶而空；一些沒有選到課的學生還打報告，請示學院增加學位。學生表示這門課給予他們的是貨真價實的知識和技術。第三，動手能力、創新能力顯著增強。由于整個教學始終緊扣能力的培養，通過示范、模仿、嘗試、拓展性實踐、以小組為單位的綜合應用設計等，學生的實踐能力逐步得到提升，獲得感很強。在作品展示階段，學生踴躍上臺演示和介紹自己的作品，對同學和老師都是很好的教育。

我們有理由相信，本文所提出的理念和教學模式有積極的推廣價值和示范意義。至少，在計算機科學與技術領域，類似的《程序設計》、《操作系統》、《數據庫》、《大數據應用》、《軟件工程》、《數據可視化技術》、《機器學習》等，這樣一些以實踐和原理緊密結合為特征的課程，應當完全擺脫傳統的以講授為核心和主體的教學設計，轉而采用以學生實踐為基本依托的、理論與實踐密切融合的教學模式，充分發揮案例、項目、群組、示范、啟發、引導、綜合評價等教學要素的作用，從而有望取得突破性教學改革成效。當然，事情不會很簡單，師生的付出是免不了的，但在一種富有成效的愉快體驗中，事情會好辦得多。還必須指出，學校開創性推進“開放精品課堂計劃項目”，為我們反思傳統教學方法，大膽創新提供了支持。

七、結論

第一，本文提出了融核心原理和關鍵技術于一體的教學設計架構。該模式既不同于傳統的以講授為中心的教學，也不同于單純的實驗課。它是一種以實踐為依托、理論與實踐密切結合、在引導和啟發中推進、融合式深度長程教學（整個教學體現該特征）。第二，關鍵是改革傳統課堂教學方式，實施以應用設計為基本依托的互動式課堂教學模式，通過案例和任務驅動，把原理和技術融合在一起，理論原理圍繞實踐闡述，引導學生理解原理，主動完成和落實教師提出的實踐任務。第三，需要切實開發服務于上述教學理念和模式的教學資源，為學生提供一個全方位、優質、高效的學習環境與實踐平臺，包括基于新的教學理念編寫的教科書、應用設計的范例和代碼、網絡教學資源，以及學生自己不斷積累起來的作品。第四，需要采取更加有效、客觀、公正、有利于激發學生學習積極性的課程考核辦法。

參考文獻：

[1]陳殿兵，楊新曉.指向核心素養發展的課堂教學模式研究[J].黑龍江高教研究，2017，（6）：169-173.

[2]陳佑，清吳瓊.課堂教學中如何指導學生進行探究——大學研究性課堂教學模式的分層構建[J].中國大學教學，2012，（11）：59-62.