智能機器人技術及其仿真課程混合式教學實踐與效果評估

王旭仁，馮安然，熊子晗

（首都師范大學 信息工程學院，北京100048）

0 引 言

互聯(lián)網技術的發(fā)展給教育帶來了全新的挑戰(zhàn)。“互聯(lián)網+教育”實質就是利用以MOOC為代表的教育信息技術，實現(xiàn)以學生為中心的教學改革[1]?；旌鲜浇虒W、翻轉課堂教學為教師提供了全新的教學模式。

1 開展混合式教學的目標

智能機器人技術及其仿真課程是面向計算機專業(yè)大三學生的專業(yè)選修課，授課內容量大、具有一定理論深度，再加上授課時間有限，不利于學生上課消化吸收。

混合式學習是隨著對網絡學習的反思和傳統(tǒng)課堂學習的回歸而逐漸被關注的一種學習策略和學習理念?；旌鲜綄W習是指以教學目標為導向，在多種學習理論指導下，根據學習內容、學習者及教師自身條件，混合“面對面教學”“網絡學習”混合式教學“實踐”3種方式來實施教學的一種策略。混合式教學是將面對面教學和網絡學習進行了有效整合的一種教學方式。

對智能機器人技術及其仿真進行混合教學，強調以學為主；方式上采用探究學習、自主學習、合作學習等多種方式。課程采用混合式教學的教學目標是：①知識目標，通過網絡學習，學生系統(tǒng)地學習和掌握機器人基本理論和概念。強調以學生為中心，以自主學習為主要方式[2]。②能力目標，通過課堂講授和實踐環(huán)節(jié)，使學生系統(tǒng)地學習和掌握機器人基礎技能，例如使用傳感器及其處理電路、使用機器人的計算機硬件、對機器人進行驅動控制、機器人的編程等，提高分析問題和解決問題的能力。強調合作學習、探究學習。③情感目標，通過網絡學習和課堂教學實踐，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、觀察力，增強學生的動手能力、小組協(xié)作的精神以及競爭的意識。

2 混合式教學總體思路

2.1 課程基本信息

智能機器人技術及其仿真課程主要包括機器人發(fā)展歷史、機器人運動學、機器人靜力學和動力學分析、機器人軌跡規(guī)劃、機器人本體基本結構、機器人的控制系統(tǒng)、機器人的編程語言、工業(yè)機器人、操縱型機器人、智能機器人的發(fā)展、機器人仿真等內容，每學期共計48學時/3學分，選課人數20～60人。

2.2 支撐平臺

中國大學MOOC平臺是網易聯(lián)手高教社推出的云端在線教育平臺，平臺提供了多種功能。教師可以在課程首頁發(fā)布微視頻、課件、單元測驗與作業(yè)，可以通過查看每節(jié)課程的瀏覽量、討論區(qū)的發(fā)帖情況、測驗與作業(yè)的完成情況等課程信息來了解學生的整體學習情況，也可以通過批改學生的測驗與作業(yè)來了解學生的學習進度。其中，微視頻中可以穿插一些小測驗來加深學生對知識點的記憶，也可以提出一個話題來供學生討論。

2.3 混合模式

混合學習模式是線上學習與線下學習的混合，但其更深層次是優(yōu)化、選擇和組合教學環(huán)境、教學資源等[3]，有利于學習者開展學習。同時，混合學習模式既發(fā)揮教師引導、啟發(fā)的主導作用，又充分體現(xiàn)學生學習過程的主體作用。

翻轉課堂的實施連接了課前學習與課堂學習，整合了豐富的技術環(huán)境，改變了師生角色，體現(xiàn)了混合學習策略[4]。翻轉課堂的本質是教學流程的轉變，由傳統(tǒng)的先教后學轉變?yōu)橄葘W后教，將知識傳遞的任務放在課前，學生通過自主觀看微視頻來獲取基礎知識，而課堂上則由教師指導學生克服疑難點，完成知識的內化與吸收。

智能機器人技術及其仿真課程的線上部分是在中國大學MOOC平臺的支撐下創(chuàng)建的學習資源充足、呈現(xiàn)形式豐富的網絡課程。開課前，利用平臺構建自主學習環(huán)境并根據課程特點進行教學設計和課程開發(fā)；開課后，同時開展課堂教學和網上自主學習、協(xié)作學習，及時進行混合式教學評價，根據教學評價結果來修改課程的教學設計和學習活動安排。

3 在線教學環(huán)節(jié)設計

智能機器人技術及其仿真課程使用中國大學MOOC平臺搭建在線課程。課程設計思想如圖1所示，突出以學生學習為中心，以自主學習、探究學習為目標進行教學設計。

圖1 MOOC課程設計路線

在設計學習模塊時從時間上加以把握, 每個學習模塊視頻錄制時間控制在15分鐘以內；教學呈現(xiàn)形式要豐富，要利用視覺和聽覺的雙通道, 用圖形、動畫、視頻配合文字內容來呈現(xiàn)知識內容；利用思維導圖建構學習路線。

課程共分成14個教學單元，每單元又分為3～5個模塊。以模塊為單位錄制了43個教學視頻，每個視頻5～15分鐘，充分體現(xiàn)了短小精干、主題突出的特點，適合學生碎片化時間學習，集中精力突破1～2個知識點。

在視頻播放過程中設置提問斷點，既能對學生學習過程進行干預控制，也能保持學生注意學習視頻配套提供的教學PPT，便于學生結合視頻講解，利用PPT進行研學；每節(jié)視頻都提供對應的小測驗以檢驗學習者對知識點的掌握情況；通過提供富文本對知識點內容進行擴展，滿足學有余力的學生進行拓展學習；通過討論模塊對知識進行廣泛的探討，加強學習者對知識點理解的交流和探討；通過每個教學單元設計了單元測驗和單元作業(yè)，對該單元的內容進行總體測試和鞏固練習。

為了加強學生的協(xié)作能力，提高學生的學習積極性，將全班同學進行分組，每組設立1名組長。組長可根據小組成員意見統(tǒng)一安排大家的課前預習或安排小組成員自主預習，由組長總結大家在課前學習中遇到的問題以便在線上或課上向教師提問。

在線課程除任課教師外，還配備多名研究生助教，通過微信、郵件、討論區(qū)等多種途徑，隨時回答學生的提問，并鼓勵學生之間交流互動。

線上課程的考核內容分為4個部分：單元測試、單元作業(yè)、考試以及討論區(qū)發(fā)言，單元測試占比為30%，單元作業(yè)占比為36%，考試占比為20%，討論區(qū)發(fā)言情況占比為14%。單元測試、作業(yè)與考試的客觀題目均為系統(tǒng)自動判分，減輕了教師的判卷壓力；討論區(qū)的發(fā)言次數以及發(fā)言獲贊情況均由系統(tǒng)進行統(tǒng)計并呈現(xiàn)給教師，使教師能夠及時了解學生的疑點、難點并在線上或線下進行講解。

4 線下教學環(huán)節(jié)設計

4.1 總體設計

線下教學的重點在于課上教學活動的設計。教師在課前發(fā)布學習任務，學生根據任務觀看微視頻、完成微視頻中的小測驗，并在討論區(qū)參與該小節(jié)課程的主題討論。教師在MOOC平臺上查看課前任務的完成情況，了解學生的學習進度以及疑難點，以便在課上進行講解。

教師根據課下收集、整理的問題性質決定是組織“以實踐活動任務為主線的探究式課堂”，還是組織“以問題研討為主體的討論式課堂”[5]。如果問題是操作性的、過程性的或通過教師講解即可解決的，則按照探究式課堂組織；如果教師所搜集的問題是爭議性的、理論性較強的問題，教師通過5～10 分鐘的講解很難說清楚，則組織討論式課堂活動。

4.2 課前任務單設計

根據教學任務和學生的學習進度，教師在每次課后向學生發(fā)布一個課前任務單，其中內容包括這次課后需要完成的作業(yè)，下一次課前需要觀看的視頻和完成的練習等。課前任務單如表1所示。

表1 課前任務單

4.3 課上教學設計

教師根據課下收集的各組總結的問題，來決定課堂的組織形式。

探究式課堂由教師主導，對所提出的問題進行講解并演示，隨后向學生提出實踐任務。在學生分組進行實踐時，教師指導學生及時解決新問題，完成課堂的知識內化任務。探究式課堂有利于提高學生的動手實踐能力，增強學生對知識的運用能力，深化學生對知識的理解。

討論式課堂同樣也由教師先對收集的問題進行講解，隨后提出一個經過設計加工的新問題供學生討論。學生分組討論之后由各組組長進行發(fā)言，有不同意見的學生也可以自由發(fā)言。在討論過程中，教師要注意引導討論的方向，以免偏離討論主題。在討論的最后，教師對討論的主題進行總結和點評。討論形式的課堂有利于提高學生的學習積極性，提高學生的協(xié)作交流能力，有利于活躍課堂氣氛、提高教學質量。

5 教學效果評估

對混合式教學模式的效果評估主要從學生的考試成績和學生對課程的認可度兩方面。將混合教學模式下的學生成績與傳統(tǒng)教學模式下的歷史數據作比較。

如圖2所示，翻轉班的期末考核成績普遍比上學期的普通班高，平均分高出24.82分，最高分比普通班高出16分。在圖3中，經過翻轉的課堂不及格率大大降低，67%的學生處于良好的分段，比未經過翻轉的課堂提高了42%。由此可見，混合式教學能夠提高學生的成績，并且對成績的提高較為明顯。這表明，在概念原理類知識的教學中，結合MOOC平臺的混合式教學相對于傳統(tǒng)課堂有一定的優(yōu)勢。

圖2 平行班比較

圖3 兩種課堂分段成績比較

為了調查學生對混合式學習方式的認可度以及除了成績之外其他能力的提升，在學期結束時向全班25名學生發(fā)放調查問卷，回收有效問卷25份，問卷有效率為100%。

在調查問卷中，學生對混合式學習模式的滿意度用分數來體現(xiàn)，0分表示“不滿意”，5分表示“非常滿意”。對回收的問卷結果進行統(tǒng)計分析，如圖4所示，80%以上的學生認為混合式教學模式能夠增強他們挖掘知識點的能力和自我表現(xiàn)能力，20%的學生認為混合模式對自己該方面的能力提升有限；85%的學生認為混合式教學提高了他們的知識歸納總結能力和知識運用能力，15%的學生則認為混合式學習并沒有明顯提高自己對知識的總結與運用能力；92%的學生認為混合模式下的課堂教學形式提高了他們的表達能力和團隊合作意識，8%的學生認為并沒有在混合模式中提升自己的表達能力和團隊意識，主要原因是有些學生由于害羞或原有習慣而在實際學習過程中交流、合作較少。

6 結 語

混合式教學將教師與學生的角色重新定位，教師成為學生的導學者、助學者，而學生則是學習的核心，是主動學習者。這體現(xiàn)了以學生為本的教學思想，是混合式教學的本質。

智能機器人技術及其仿真課程的混合式教學模式將傳統(tǒng)課程與MOOC課程平臺相結合；在課前教師發(fā)布學習任務，學生根據任務在MOOC平臺上觀看視頻，完成相應的練習；在課上，教師對課程的重點以及學生在討論區(qū)發(fā)布的疑難點進行講解；在課后，學生可以在MOOC平臺上根據自己的情況溫習前面的知識并完成課后作業(yè)。

圖4 調查問卷分析

通過本次教學評估可以看出，混合式教學模式能夠提高學生的學習積極性，增強他們的團隊協(xié)作意識和自我表達能力，提升他們對知識的總結歸納和運用能力。同時，由于混合式教學在概念原理類的教學形式上與傳統(tǒng)教學相比有一定優(yōu)勢，學生對于這類的知識掌握能力也有一定的提升?；旌鲜浇虒W模式對教師提出了更高的要求，教師要勇于創(chuàng)新，挖掘混合式教學模式的優(yōu)勢，提出更多的課堂教學形式。此外，教師也要傾聽學生的意見，鼓勵學生參與討論，共同營造良好的教學環(huán)境。