計算機基礎理論性課程混合式教學效果提升策略的研究與實踐

劉毅文， 姚敦紅， 楊玉軍， 彭小寧， 張 顯*

（懷化學院1.計算機科學與工程學院；2.武陵山片區健康大數據智能處理與應用湖南省高等學校重點實驗室，湖南懷化418008）

2020 年春季因新冠肺炎疫情影響，教育部提出“停課不停學”要求，在各類在線教育平臺技術加持下，全國各地高校開啟網課模式，教師們紛紛化身“主播”開啟直播教學，越來越多的教育工作者開始接觸混合式教學，這深刻影響了我們的教育方式，推動我國教育迅速進入“線上教學”時代[1].

然而，在混合式教學運行過程中存在諸多問題，如學生自律性差、課前預習不充分、知識內化缺乏、課中翻轉課程形式重于內容、課后作業完成質量不佳、相似度高，學生整體表現出學習主觀能動性差的疲態[2].以計算機基礎理論性課程為例，課程知識點本身較為抽象枯燥，線上測驗題手段單一，學生在完全不看學習資源的情況下通過上網搜索答案依然能快速通過測試，這嚴重影響線下教學效果，教師無法得知學生真實狀態和知識水平，導致后續“教”的開展效果不佳.

現有的混合式教學研究大多集中在教學模式、教學方式等方面，覺得學生應該怎么學，教學方式和教學設計就應該怎么設計，而鮮有學者站在教學評價的角度思考如何有效測驗學生掌握知識的真實水平[3].因此，本文主要針對應用型地方本科院校的計算機基礎理論性課程混合式教學，探討基于Bloom模型的知識分層評測策略以及實踐心得，在試點的計算機組成原理課程教學中經過一年多的實踐取得了較好成效.

1 混合式教學內涵及目的

混合式教學是線上網絡與線下課堂教學的融合，也是教學時間、空間、方式、評價四個方面的混合，最終目的是使每個學生得到充分的發展[4-6].混合式教學將學習者的“學”放在課前，要求學習者在認真觀看優秀的慕課資源后內化知識，再通過課堂上教師的“教”和“導”，指引學習者學會完善、調整自我認知體系，能靈活應用和分析知識間的聯系，在研究中敢于質疑、決策、創新.教學設計是教師改進混合式教學方式提升效果的最直接的核心環節，其關鍵點在于以學生為本，持續有效評價學生知識水平，精準觸及學生知識盲區去造“惑”，推動學生主動學習教學資源去解“惑”，幫助學生在應用實踐中頓悟去除“惑”.

2 基于Bloom模型的課程教學內容層次劃分

美國教育心理學家布魯姆（B.J.Bloom）將教育目標劃分為認知領域、情感領域和操作領域三個領域，共同構成教育目標體系[7].其中，認知學習領域中把教學目標細分成八大層次，從低到高依次為：識記、理解、應用、分析、綜合、評價、設計、創新.淺層學習的認知水平停留在前四層，而深層學習的認知水平對應著后四層，從淺層到深層知識數量構成金字塔型.表1以《計算機組成原理》課程為例，基于Bloom模型對主要教學內容進行分解.

表1 《計算機組成原理》課程主要教學內容分解

在數據共享和人工智能時代，學生通過網絡搜索答案的能力大大提高，似乎都懂卻都不懂，因此教師設置測驗評價方式要盡量體現個性化、多元化、離散化等特征，以便教師有效區分和掌握學生個人的知識能力層次，保證課堂上能有的放矢地提出學生分歧大的知識點來高效組織課堂翻轉教學活動，鼓勵學生多思考、多質疑、多評價.

3 基于Bloom模型的課程知識點分層測驗的改革研究

3.1 識記、理解層次的知識測驗方式更新

長期以來，教師在講解的過程中或者課后會布置一些單選題、填空題、判斷題來強化學生對知識的記憶，以題促學.受題目篇幅限制，這類題型往往考查單一知識點細節，要求學生填寫應用知識的結果或者定義名稱，缺少了中間過程推導等，因此這些題型可作為識記和理解層次的一般難度使用.若要鞏固記憶、加深理解，在課后測驗中可加入大型不定項選擇和分步填空題.

3.1.1大型不定項選擇題

將“十幾項選N”的大型不定項選擇題替代“四選一”的傳統單選題，更適合考查學習者對概念定義類知識點的理解程度.課后測驗與考試測驗不同，學生考慮時間更充裕，但知識的掌握程度還游離于似懂非懂之間，換一種與教材上描述不同的說法極大可能引起學生錯判.因此設置該題型一是刺激學生在多輪“學習-思考-推導-討論”過程中遞進迭代，二是讓教師去引導學生從“四面八方”擴大知識面，三是設計更多可選和模棱兩可的組合（例如15個選項，能組合出32 767種選擇），鼓勵學生間互相討論交流，有思考才有分歧，有分歧才有爭論，爭論不服輸會激發學生去挖掘知識點上更多的細節，最后期待課堂上老師給出滿意的答案，或是提出自己找到的觀點和推導過程去質疑老師答案.例1以《計算機組成原理》課程中馮·諾依曼模型知識點示例說明.

例1：馮·諾伊曼型計算機工作方式的基本特點主要有（ ）.

（14.52%）A、指令由操作碼和地址碼組成.操作碼表示操作數在存儲器中的位置，地址碼表示操作的性質；

（79.84%）B*、按地址訪問，通常情況下按順序執行指令；

（2.42%）C、堆棧操作；

（2.42%）D、存儲器按內容選擇地址；

（99.19%）E*、指令和數據都是采用二進制方式編碼；

（3.23%）F、數據和指令必須分別放在兩個存儲器中；

（94.35%）G*、指令在存儲器中按順序存放；

（65.32%）H*、存儲器的任何位置既可以存放數據也可以存放指令；

（19.35%）I、按地址訪問，并且一定是按順序執行指令；

（96.77%）J*、指令和數據的地位是同等的；

（20.97%）K、必須具備運算器、存儲器、適配器、輸入設備、輸出設備五大基本組成部件，缺一不可.

注：括號中的百分比表示學生選擇統計，選項后帶*表示正確答案，下同.

本題設置為不定項選擇題，一共提供了A—K共11個選項，所有選項內容均摘自課程教材，5個選項設置為正確，學生不得不逐一閱讀思考每個選項.每個選項經過課程組精心加工后，強調了知識重難點，蘊含了易錯點，其中A、D、K選項都是半對半錯，將概念順序顛倒，旨在讓學生真正明白這些概念的區別；B和I選項相悖，旨在引導學生理解教材中所說“存儲程序并按地址順序執行”的含義，類似的還有F、H、J選項.另外，本題設置有完全正確才得分的嚴苛要求，鼓勵學生課后相互討論自己的所選答案.有不少學生在某些選項中難以抉擇，在線上線下都展開了激烈的討論，課后多次求助教師.如此，學生通過做題、討論、聆聽的過程自主全面地學習理解知識點，其間教師也既造了“惑”又解了“惑”，教學效果和教學目標達成度得到了明顯提升.

3.1.2 分步填空題

分步填空題是傳統填空題的升級版，主要適用于推理、算法、計算等有多步過程的知識點.在算法類知識點上使用圖文或偽代碼描述比較多，學生通常多次實踐后才能真正理解其過程.該題型以具體案例做引導，將整個計算過程拆解成若干步，每步設有填空來考查學生是否弄懂了每步的計算過程.該題型更像白盒測試會盡量覆蓋分支，而非黑盒測試僅注重輸出結果.例2以《計算機組成原理》課程中CRC校驗碼的知識點示例說明.

例2：某一數據傳輸采用CRC校驗方式，傳輸的數據為（11 1101），生成多項式G（x）=x4+x2+1，那么回答下列問題：

（76.34%）（1）CRC校驗碼中的校驗信息位r至少要有4位，這里選擇r=rmin.

（66.34%）（2）將數據信息（有效信息）向左邏輯移位rmin位，組成被除數；而根據G（x），除數=10101（用二進制數表示）.

（60.17%）（3）將被除數與除數做模2除運算，對于每一位上的運算來說，實際就是 異或 運算，即加不進位，減不借位.

（42.94%）（4）根據上商原則，當部分余數小于除數的位數時，該余數最后即為最后余數.通過計算，最后余數為1010，那么上的6位商為110010（用二進制數表示）.

（35.68%）（5）因此，要傳輸出去的十六進制CRC校驗編碼應為3DA H（用十六進制表示）.

（34.87%）（6）若目標結點接收到的二進制比特序列為

（101101 1011），在目標結點處進行計算，得到余數=0101（用二進制數表示且位數與rmin一致），因此余數不為零，被檢測出傳輸過程出現了差錯.

本題詳細展現了CRC校驗碼產生的中間過程，每一個步驟設有一空.教師根據每一步的正確率可了解學生對知識點掌握的整體程度.在有人力和系統支持的條件下，分步填空題的題干可以設置為學生個人學號的后幾位，或者分為幾組，保證題目答案不全一樣，防止學生抄襲.如果出題和判題都交給人工，那么工作量很大，因此要借助相應的題目結題程序去完成，這個程序設計的任務可布置給學生完成，作為下一層次能力的測驗內容.

3.2 應用、分析層次的知識測驗方式更新

應用、分析層次的測驗題可以適當新增編程、程序填空、改錯等的題型.在理解的基礎上培養學生的應用能力，促使學生能從理解一個點提升到理解一個面，從人算一道題擴展到機算一類題，從解決個別問題到解決通用問題[8].在應用的過程中思考感受人機計算的差異，總結知識點的易錯點和難點，調整自我知識建構體系.

3.2.1 軟件仿真類編程題

編程題可在上述提到的分步填空題基礎上再升級，運用高級語言中的語法、數據類型等構建程序，模擬硬件工作過程，從機器運行的角度再次重塑知識點產生的過程與人類的想法[9].編程能力也是每位計算機專業學生應具有的基本素質，在理論性課程中再次強調編程要求，將原理思想編寫成代碼，在人才培養過程中“讓程序不掉線”.

因此，《操作系統原理》《離散數學》《編譯原理》《數據結構》[10]等課程教材上有許多實驗都要求學生編碼，《形式語言與自動機》也要求學生畫出有窮狀態自動機，對實際問題進行應用編程，比如編譯預處理中的刪除注釋、實現某類正則表達式的判斷等等.目前，筆者主要使用杭州百騰公司研發的PTA平臺自主命題、布置作業和代碼查重.一些學生的優秀程序也被筆者用來生成分步填空題的答案，降低教師出題的難度和錯題的幾率.例3是《計算機組成原理》原碼兩位乘的應用編程題，學生乍看題時毫無頭緒，但反復觀看慕課和教材相關內容、整理思路算法后基本能獨立完成任務，甚至能在課堂上講解代碼邏輯.

例3：分別輸入純整數X和純整數Y，要求：

（1）帶符號輸入：正數用+表示，負數用-表示，沒有寫符號默認表示為正數.

（2）計算過程應體現原碼兩位乘的思想，代碼中不能含有乘法運算符號“*”.

輸入格式：輸入純整數X、純整數Y.

輸出格式：輸出X*Y的結果，結果不帶有小數點.

輸入樣例：

（1）45，41（2）+45，-41（3）-45，+41（4）45，0

輸出樣例：

（1）1845（2）-1845（3）-1845（4）0

3.2.2 案例式改錯題

案例式改錯題多應用于計算機專業實驗步驟多、線路設計圖較復雜或需要編程等題的重要知識點，要求學生把實驗操作中常見的錯誤找出來.改錯題聚焦學生常見的代表性錯誤，反向點撥知識易錯點.在復雜知識點的實訓中，微小錯誤往往能成為“攔路虎”，影響后續操作.缺少獨立思考力的學生會習慣性地求助提問，問前“如臨大敵”，問后“不以為然”，依賴他人、不擅長自我分析與總結.因此，教師要有意識地收集學生犯錯頻率高的問題，考查易被遺忘的微小處，“悄然無聲”地將學生求助的角色置換成糾錯者，既培養學生描述與發現問題的能力，又培養學生分析與解決問題的能力.

3.3 綜合、評價層次的知識測驗方式更新

本層測驗方式的總體思想是努力做到“四有”——問題有深度，學生有思考，討論有收獲，能力有提高.教師允許一部分學生扮演教師角色，圍繞知識點發揮自我主觀能動性，翻轉角色做好微課、命題、講題、架構講解的工作，雖經學生精心設計但還要認真講解知識點；鼓勵另一部分學生帶著批判質疑的眼光去評價以上同學的工作，給出肯定或否定的理由.教師引導并告訴他們這不是在吹毛求疵，而是站在評價者的角度幫助他人共同進步.

3.3.1 學生自微課設計

自微課指教師引導或者規定學生自己去設計制作某知識點的微課[12].目前混合式學習中學生始終處于被動接受狀態，學生看懂和真懂是有一段距離的.因此，自微課需要沖破原有微課或教材的知識體系束縛，讓學生自己去吃透、理解、梳理、重現舊的知識，由“學生”扮演“老師”，從“接受”轉為“探索”，“新瓶裝舊酒”地將自己理解的知識通過微課的形式反串講給他人聽.微課的編排、設計、制作過程都展現學生全方位綜合素質和創新能力.

在自微課創作過程中，學生往往會去慕課平臺尋找更多名師的微課資源來模仿，這一點可以鼓勵且不用太過在意，講微課就像講故事，哪怕同樣的故事讓不同的人講，故事內容和效果還是不盡相同，究竟是東施效顰還是擇善而從主要還是取決于學生的用心和理解程度.優秀的微課作品形式優美，通俗、巧妙地表達這個知識點，能震撼他人心靈.課程中制作的微課作品不僅完成課程任務，還能被推薦參加微課類制作的學科競賽（如中國大學生計算機設計大賽），其終版也被收錄于教師的教學資源庫作為優秀示例，一舉三得.

3.3.2 學生自主命題與講題

除自微課外，教師還可在課程各階段的教學活動完成后，要求學生按照例題內容進行自主原創命題，嚴禁抄襲網上或題庫的原題，并要求學生提供題目答卷與解析.在自命題過程中，學生由“被動”變為“主動”，扮演教師角色努力回顧本階段老師講了什么，吃透基礎點，認真研究重難點.在命題過程中，學生會進一步鞏固所學的知識點，溫故而知新，對課程知識點的掌握必將更上一層樓.

對于學生出的質量較高的題目，教師可將其改造規范，按知識點匯總歸類，繼而豐富自己的教學題庫.將來把這些好題發下去給其他學生做，集學生之智去驗學生之識.對于學生出的難題，可以要求出題人制作圖解或錄制視頻做更詳盡的敘述.同時鼓勵學生對題目提出疑問發現問題，由出題人去解答.在這個過程中，教師要扮演好引導者和監督者的角色，提供學生“為人師表，授業解惑”的翻轉機會，要避免學生雙方過激，促成學生間達成一致，形成“要題-出題-驗題-考題-辯題-收題”的良性循環，最終充分調動學生雙方的主觀能動性.

3.4 設計、創新層次的知識測驗方式更新

在本層測驗的設計上教師可以結合科研成果，整理成一道道論述題供學生思考討論回答，并帶領學生了解某個科技領域的前沿研究.此外，在課外為他們提供實踐創新平臺，引導學生“在學習中做研究，在研究中創新知識”，引領學生思考理論創新和實踐創新.

對于理論基礎扎實的學生，教師要強調做學問應有科學嚴謹的態度，鼓勵他們閱讀與課本知識相關的文獻和最新論文，了解最新動態，參與前沿理論的探討，申報大學生創新創業訓練計劃項目，有條件的同學可以根據自己的想法設計實驗驗證，發表科研論文，做到理論創新；對于實踐能力強的學生，教師可指導他們參加一些競賽和項目開發，強調工程項目的構造觀、系統觀、工程觀，有條件的同學可以參與服務地方經濟項目，申請軟件著作權和專利，做到實踐創新.

4 教學改革效果分析

2020 年以《計算機組成原理》專業基礎核心課程為試點進行了混合式教學的改革實踐.通過采集中國大學生慕課平臺以及學院自主研發的無紙化考試平臺上的學習數據，對學生綜合考試成績從卷面成績、知識點、學習積極性、設計創新成果等多個維度進行了比較分析.

2020 學年在同一年級試行了以混合式教學為基礎的傳統教學班和教學改革班兩種風格，兩類班級學生平均基礎、平均實力相似，期末卷面成績如分布圖圖1所示.傳統班學生卷面成績的不及格率是24.8%，而教改班僅3.5%；傳統班的人數峰值集中在60—69分數段，教改班的人數峰值集中在70—79段偏上；80分以上的教改班明顯占優.

圖1 期末卷面成績對比

根據《計算機組成原理》教材前八章的知識點統計學生的得分合格率，結果如圖2所示，實施教學改革后學生對知識點的掌握明顯好于傳統教學班的學生.

圖2 知識點得分合格率對比

參照中國大學生慕課平臺和浙大PTA系統的在線監測數據，將兩類實驗班級的五項在線學習數據——SPOC作業分數、視頻觀看個數、視頻觀看時長、主題討論條數、PTA作業分數等進行對比，以傳統班數據為分母、教改班數據為分子相除求得比值，結果如圖3所示，實施教學改革后關于各數據點的學習率都有所提升.

圖3 在線學習數據對比

在設計、創新方面，2020年教改班學生以“補碼”“海明校驗碼”等知識點制作微課作品獲得2020年中國大學生計算機設計大賽微課類國家三等獎2項，設計“物聯網背包”“物聯網眼鏡”“計算機散熱裝置”等以第一作者獲得實用新型專利3項，在省級學術期刊上發表與存儲相關的論文1篇，獲得國家軟件著作權3項，取得了較豐碩的成果.因對傳統班未作過多要求，參與學生數量少、積極性不高，導致成果明顯缺乏.

5 結語

本文探索了計算機專業基礎理論性課程的混合式教學改革方法，使用Bloom的知識點分層模型，積極嘗試更新了各層知識獨特的測驗方式，有效幫助了教師更好地翻轉教學和評價學生知識水平，幫助學生有針對性地在線學習、提問，真正弄懂個人知識盲點，取得了良好的教學效果.此項研究也受到湖南省懷化學院雙一流應用特色學科“控制科學與工程”的資助.

當然，在一年的教學實踐中也發現了一些問題.例如，第一輪教學改革后班級存在兩個極端，個別知識點的掌握不夠理想；差異化評價學生和個性化題目設置會極大消耗教師精力和時間等.如何在混合式教學差異和統一上找到一個平衡點依然是新一輪教學中值得研究和改進之處.