“五星教學法”在算法設計與分析課程教學中的研究與實踐

董萍，郭偉，張浩，張慧，李飛濤

（河南農業大學 信息與管理科學學院，河南 鄭州）

針對現有在線教學中只過于重視知識呈現而忽略教學導向的問題，國際著名教育理論家和教育心理學家梅瑞爾（M. David Merrill）教授提出了五星教學法，該理論認為教學任務應當是聚焦解決實際問題的，并且是以一種循序漸進的方式進行，即首先拋出問題，然后針對問題分解任務展開教學，接著嘗試將學到的知識有效運用到解決問題中去，并在不斷的反思過程中形成一種四階段循環模式，即“激活原有知識”“展示論證新知”“嘗試應用練習”和“融會貫通掌握”。當然，實施這一方法還應配合啟發式教學、增強互動、團隊合作等多種教學手段。五星教學法近些年來在中小學教學及高等院校已有較多的應用。周云虹在高職院校公共英語課堂教學中加入了五星教學法的理念，創建了有用、有趣、有效的英語課堂[1]。劉羽佳基于五星教學原理為小學五年級設計了“車輪跳繩”的微課教學，授課效果表明該教學有效地增進了學生解決實際問題的能力和靈活應用能力[2]。劉艷等將五星教學思想應用到大學物理課程的微課教學過程中，也達到了較好的教學效果[3]。這些課程實踐都為五星教學理念在教學中的應用提供了良好的借鑒。

一 問題的提出

《算法設計與分析》課程是大學計算機科學技術類本科課程體系中一門非常重要的專業基礎課程。通過該課程的系統學習，不但可以有效培養學生的邏輯思維能力和建模能力，還為后續學習其他專業課程打下扎實的專業基礎，同時也為學生參與程序設計類競賽提供了理論支持。課程中涉及到的算法本身有高度抽象性，不僅注重理論分析，又需要強化實踐操作，對學生有很高的要求。該課程在長期的教學實施過程中總結出一些問題[4-5]，比如學生普遍認為課程內容抽象，理解和應用難度都大；對一些經典算法的應用價值不明確，不能夠學以致用，主動探索新知的能力較弱。

五星教學法正是解決這些問題的最佳方案。從具體問題切入，通過學習和領會經典算法來解決實際問題，并在不斷的應用練習中總結提煉如何運用已學知識來解決實際問題，從而達到融會貫通的掌握。近些年來諸多學者通過混合式教學模式進行了大量探索與實踐，在諸多課程中均取得了較好的效果[6-8]。將傳統教學與在線教學的優勢結合起來，可以更好地提升學生的學習深度。“后疫情時代”的教學模式更是迎來了前所未有的挑戰，如何將五星教學法在實施過程中融入混合式教學理念，切實做到協同合作、多向互動的教學模式是課程建設的重點。

二 算法設計與分析課程建設

針對《算法設計與分析》課程相關教學案例，通過探索性研究，設計基于“五星教學法”的混合式教學模式，教學方案的整體設計如下。

（一） 教學設計

1.采用啟發式教學。引用平時日常生活較為常見的問題，既可以提高學生的學習興趣，又充分引導了學生以積極、主動的方式進行探索。比如“最短路徑”問題是圖論中的一個經典問題，該問題可以應用于智慧交通的建設、旅游線路的選擇，這些都是同學們生活中可以用到的算法。又比如同學們每天都在使用的搜索引擎的排序優先級、電商直播間的Top榜單熱銷產品、手機應用程序內置的排序功能及推薦機制等，這些都使用了排序算法。引導學生在不同的應用場景下選擇最優的排序算法，不僅能更為深刻地理解算法，也能從原理上了解平時使用的各種應用和程序。通過解決實際問題引入課程算法的學習，正對應了五星教學法“聚焦解決問題”的教學宗旨。

2.介紹與新興技術結合的算法應用。比如機器學習和深度學習的快速發展，使得諸多領域的算法性能都實現了質的飛躍。雖然說人工智能算法不是本課程的教學重點，但是作為課后拓展和教學延伸環節，讓學生了解前沿科技的進展，引導學生探索發現新的技術領域，提高專業素養，可以推動“產學研”一體化教學的快速發展，為強化國家戰略科技力量儲備人才。

3.依托算法在不同領域的應用案例，融入課程思政教育。比如結合新型冠狀病毒肺炎疫情的治療和防控，從新型冠狀病毒基因序列比對的過程引出教學內容“最長公共子序列”問題，教導學生“聯系實際，學以致用”。中國在抗擊新冠肺炎疫情的過程當中，堅定信心、同舟共濟、科學防治、精準施策，為全球的防疫工作提供了寶貴的防控和救治經驗。比如結合中國地圖繪制方法引出教學內容“圖的m著色問題”，將開展愛國主義教育和理想信念教育融入教學過程，實現“教書”與“育人”的融合。

（二） 教學方法

在《算法設計與分析》課程中開展基于“五星教學法”的混合式教學實踐，充分利用互聯網、多媒體技術開展教學。課程采用課堂教學與在線開放課程雙結合的方式進行授課，并配合在線OJ測評平臺對課程內容進行實戰演練。學生課下可以觀看教學視頻進行預習、復習和知識擴展，課堂上由教師對重難點知識進行強化解讀，幫助學生深入理解。上機實踐環節結合在線OJ測評平臺上對應教學內容的題目實測對課程內容的掌握程度。

（三） 教學平臺

利用超星泛雅學習平臺作為主要網絡教學平臺。在網絡平臺上上傳課程教材配套的完整PPT資料，并按課程知識點錄制教學視頻講解經典的算法案例，供學生隨時預習、復習和反復揣摩。每單元進行線上的單元測試，檢驗學生對基本知識點的掌握情況。學生還可以通過平臺進行線上討論、研討重難點、和老師同學進行互動。

利用在線OJ測評平臺對課程內容進行實戰演練，考察學生對算法的掌握程度和運用所學知識解決實際問題的能力。OJ測評平臺是河南農業大學信息與管理科學學院學生自主研發的一套在線測評系統，供專業課老師進行教學與學生競賽練習使用。目前，平臺已支撐《程序設計語言》（CC++，Python，Java）、《數據結構》《算法設計與分析》《面向對象程序設計》等課程，以及大學生程序設計類競賽題目。平臺上的大多數題目是依據教材選用的經典案例的延伸變化題，以及競賽積累的題目類型，并且題目的數量每年會持續增加，以擴充不同應用領域的需求。在師生共建OJ平臺教學案例的過程中，學生對教學內容的分類和層次有了更深的理解，在不同學科中的應用和實踐也有了更為深刻的認識。同時，OJ平臺可以實時評測代碼運行是否正確，并對學生提交問題個數和使用時間做出統計，利于激發學生們互相比賽的拼搏精神。

（四） 教學評價

課程設置多元、豐富的過程性考核評價辦法，主要包括課程在線視頻的任務點完成情況、單元測試、課后作業、實踐環節（在線OJ測評平臺）以及期末考試等多元考核環節，將考核結果與學習過程緊密結合。同時由于增加了過程性考核環節，最終成績的計算方式也將平時成績的比例提高到50%，其中課堂考勤、在線視頻的任務點完成情況、單元測試、課后作業和OJ測評平臺的成績各占10%。平時成績比例的提高有利于學生更加注重平時的積累，而不僅僅是期末的考前突擊復習。多元的過程性考核評價也為五星教學法的四階段循環圈提供了評價支撐。綜合教學設計、教學方法、教學平臺和教學評價四個環節，《算法設計與分析》課程建設體系結構圖如圖1所示。

圖1 算法設計與分析課程建設體系結構圖

三 教學實踐結果

經過兩屆學生（2018級、2019級）的教學實踐結果表明，學生的學習積極性有了很大提高，教學成果也有了很大進步。

首先，學生期末成績80分以上的比例可達70%，且試卷最后的算法分析題較往年相比分數有了很大的提高。試卷最后一道算法分析題考查的是學生的綜合能力，既要能讀懂題目、找出合適的解決算法，又要在分析算法復雜度的同時想辦法優化改進算法。得分的提升說明同學們經過不斷的應用練習，解決實際問題的能力有所提高，并不局限于理解教材上的算法。

其次，同學們參與程序設計類競賽的熱情逐漸高漲，團隊合作與協作能力也提升很多。課程團隊中的老師指導的學生在2021年獲得CCPC中國大學生程序設計競賽河南省金獎，中國高校計算機大賽-團體程序設計天梯賽全國總決賽團隊二等獎、河南省團隊一等獎、高校二等獎等。

最后，同學們參與大學生創新創業大賽的熱情也被激發出來，同學們已經不滿足于學會課本上的知識，而是迫切地想要把所學的知識投入到實際生產過程當中。近兩年老師帶領學生參賽的數量有了大幅度提升，內容也從簡單的算法復現過渡到解決復雜的工程問題。這樣的教學成果與工程教育認證要求的課程目標高度吻合，同時也滿足“新工科”的建設理念。

四 五星教學法在課程教學中的應用經驗推廣

《算法設計與分析》課程借助混合式教學模式實現“五星教學法”的四階段循環圈。“激活原有知識”通過學生線上觀看視頻自行學習實施，“展示論證新知”通過課堂老師現場講解實施，“嘗試應用練習”通過在線OJ測評平臺對課程內容進行實戰演練，“融會貫通掌握”通過學生預習、復習、在線測試、在線答疑、小組討論等多種方式實施。

總結和積累《算法設計與分析》課程應用五星教學法的過程和實踐經驗，可提煉出一套針對程序設計類及算法分析類課程的混合式教學模式建設體系，如圖2所示，該體系經過適當的調整和完善，可推廣并應用于其他專業課程。

圖2 基于“五星教學法”的混合式教學模式建設體系

五 結語

基于“五星教學法”的混合式教學模式從課程教學設計、教學方法、教學平臺和教學評價等四個方面在《算法設計與分析》課程中進行了改革實踐。五星教學法“聚焦解決問題”的教學宗旨與《算法設計與分析》課程特色非常契合，既能結合具體問題導向學習和領會經典算法，又能在不斷的應用練習中總結提煉如何運用已學知識來解決實際問題，從而達到融會貫通的掌握。

教學實踐達到了良好的效果，總結出的五星教學法在課程教學中的應用經驗可以推廣于其他專業課程。在后續工作中，我們將從“五星教學法”與教學內容融合的精細化、教學案例與課程素材管理的智能化等多方面繼續開展更為深入的教學研究。