自適應(yīng)學(xué)習(xí)在計算機(jī)專業(yè)課程教學(xué)實踐淺析

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【摘要】自適應(yīng)學(xué)習(xí)是一種教育科技手段，它通過自適應(yīng)學(xué)習(xí)工具為每位學(xué)生單獨(dú)提供相應(yīng)的幫助，在現(xiàn)實中與學(xué)生產(chǎn)生實時互動。但是在實際教學(xué)過程中，要借助現(xiàn)有的自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)實施個性化教學(xué)往往面臨經(jīng)費(fèi)不足、教學(xué)設(shè)計困難、教學(xué)過程復(fù)雜等一系列問題。鑒于此，本文借助現(xiàn)有的在線學(xué)習(xí)工具，將自適應(yīng)學(xué)習(xí)的教學(xué)理念應(yīng)用于微機(jī)原理與接口技術(shù)課程，搜集學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，調(diào)整課程設(shè)計，提升課程教學(xué)的針對性和教學(xué)效果，改善學(xué)生學(xué)習(xí)過程與體驗，為計算機(jī)專業(yè)課程教學(xué)提供新的教學(xué)思路與方法。

【關(guān)鍵詞】自適應(yīng)學(xué)習(xí)；專業(yè)課程教學(xué)；個性化教學(xué)；在線學(xué)習(xí)工具

一、概述

自適應(yīng)學(xué)習(xí)，是一種運(yùn)用計算機(jī)作為互動教學(xué)設(shè)備，通過學(xué)生對題目、任務(wù)和經(jīng)驗的反饋數(shù)據(jù)分析并獲知其學(xué)習(xí)需求，據(jù)此推送相應(yīng)的學(xué)習(xí)資源，以改善教材和教學(xué)方式，推進(jìn)教師個性化教學(xué)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)體驗。它涉及計算機(jī)科學(xué)、教育、心理學(xué)及腦科學(xué)等多個研究領(lǐng)域。國外自適應(yīng)學(xué)習(xí)行業(yè)，規(guī)模最大的企業(yè)是總部位于紐約的Knewton，該公司研制的自適應(yīng)教學(xué)平臺早在2011年就投入使用。倍生Person、麥格爾-希爾利McGrawHill等教育出版集團(tuán)也不斷研發(fā)自適應(yīng)學(xué)習(xí)軟件。國內(nèi)新東方也在2014年引入了K-12自適應(yīng)學(xué)習(xí)。自適應(yīng)學(xué)習(xí)在國外發(fā)展迅速，而在國內(nèi)由于受教育觀念的限制，目前仍處于發(fā)展階段。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能進(jìn)一步發(fā)展，現(xiàn)有的基于自適應(yīng)學(xué)習(xí)的教學(xué)主要具備如下特征。

1.以個體化、人性化為核心特征。對個別學(xué)生來說，他的學(xué)習(xí)過程完全是個性化，包含學(xué)習(xí)的進(jìn)程，探索知識空間的路徑，學(xué)習(xí)過程中所得到的反饋信息等。自適應(yīng)學(xué)程中，學(xué)生對學(xué)習(xí)環(huán)境中的提示和反饋進(jìn)行自我評估和自主選擇，而不是由學(xué)習(xí)環(huán)境來控制學(xué)習(xí)過程。

2.基于知識資源（包含文本、圖像、聲音、視頻等）的學(xué)習(xí)。自適應(yīng)學(xué)習(xí)根據(jù)個體學(xué)習(xí)者的需求和情況進(jìn)行學(xué)習(xí)資源的不同組合，學(xué)習(xí)材料不是固定不變的。

3.教師輔助學(xué)習(xí)為主要過程。教師可以借助自適應(yīng)學(xué)習(xí)組織、制訂學(xué)習(xí)計劃，并且督促學(xué)生整個學(xué)習(xí)過程。教師只是學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者、建議者，而不是學(xué)習(xí)過程的主宰者，其主要工作是規(guī)劃教學(xué)目標(biāo)、指導(dǎo)教學(xué)以及創(chuàng)設(shè)維護(hù)學(xué)習(xí)環(huán)境。

4.學(xué)生自主學(xué)習(xí)為重要環(huán)節(jié)。學(xué)生主要通過在自適應(yīng)學(xué)習(xí)環(huán)境中的主動探索和交互來形成自己的學(xué)習(xí)方案，而不是僅僅通過教師的講授進(jìn)行被動學(xué)習(xí)。學(xué)生自主學(xué)習(xí)，不僅要學(xué)會所學(xué)的知識，而且要掌握學(xué)習(xí)的方法，強(qiáng)調(diào)知識的使用能力及與他人協(xié)作的能力。

5.學(xué)習(xí)過程需要多方面快速的反饋。雖然自適應(yīng)學(xué)習(xí)是一種自主的、個性化的學(xué)習(xí)，但它不是一種完全隔離孤立的學(xué)習(xí)，它需要學(xué)習(xí)環(huán)境中有組織良好的反饋系統(tǒng)，以幫助學(xué)生自主決策。除了自身的測試練習(xí)的反饋，還包含指導(dǎo)教師和學(xué)習(xí)同伴之間的反饋。此外，學(xué)生之間的交流與討論是必不可少的，這能夠讓學(xué)生從不同角度認(rèn)識所學(xué)的知識，豐富自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，并且相互之間的協(xié)作，對學(xué)習(xí)的情感、態(tài)度等方面也有良好的促進(jìn)作用。

6.數(shù)字化科技以及智能科技的支持。自適應(yīng)學(xué)習(xí)對學(xué)習(xí)環(huán)境的要求可歸納為：豐富的媒體表現(xiàn)形式、良好的適應(yīng)性、高效的反饋系統(tǒng)、便捷快速的通信，這必然要求在學(xué)習(xí)環(huán)境中廣泛應(yīng)用多媒體、人工智能、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)手段。自適應(yīng)學(xué)習(xí)支持教師設(shè)計自適應(yīng)課程，每門課程都由若干個任務(wù)組件構(gòu)成，每個任務(wù)組件類包含一定數(shù)量的題目，并且以不同方式為學(xué)生提供不同的學(xué)習(xí)路徑。自適應(yīng)學(xué)習(xí)的教學(xué)通常包括四種不同的方法。（1）宏觀水平上改變教學(xué)。允許不同的教學(xué)目標(biāo)、課程內(nèi)容難度和傳遞系統(tǒng)等等。（2）動態(tài)調(diào)整具體的教學(xué)過程和策略。這種方法要求確定與學(xué)生最相關(guān)的學(xué)生特征（或者能力傾向），并且為具備此特征的學(xué)生選擇最能促進(jìn)其學(xué)習(xí)過程的教學(xué)策略。（3）微觀水平上改進(jìn)教學(xué)。在教學(xué)過程中動態(tài)診斷學(xué)生特定的學(xué)習(xí)需要，為不同需要的學(xué)生提供不同的學(xué)習(xí)過程。（4）基于特定教學(xué)法開發(fā)的可適應(yīng)系統(tǒng)。應(yīng)用這些系統(tǒng)中自帶的教學(xué)方法包括建構(gòu)主義、動機(jī)理論、社會學(xué)習(xí)理論和元認(rèn)知等。

二、自適應(yīng)學(xué)習(xí)的教學(xué)應(yīng)用于計算機(jī)專業(yè)課程的優(yōu)勢與不足

目前，自適應(yīng)學(xué)習(xí)的教學(xué)已經(jīng)逐步在大學(xué)課程中應(yīng)用，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在如下三方面。

1.提升教學(xué)的針對性和效率。計算機(jī)專業(yè)課程的傳統(tǒng)教學(xué)模式，是對學(xué)習(xí)同一課堂的學(xué)生按照統(tǒng)一的內(nèi)容和進(jìn)度授課。而每個學(xué)生的基礎(chǔ)水平、理解能力、接受能力等各不相同，學(xué)生對授課內(nèi)容的感受也不盡相同，傳統(tǒng)的教學(xué)過程往往缺乏針對性。自適應(yīng)學(xué)習(xí)的引入可以很好地解決這一問題，它通過數(shù)據(jù)分析技術(shù)清楚地掌握每個學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，并隨著學(xué)生的學(xué)習(xí)掌握情況向?qū)W生提供相應(yīng)水平的學(xué)習(xí)材料，同時給出較為科學(xué)的學(xué)習(xí)指導(dǎo)策略。特別地，當(dāng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)學(xué)生對提供的學(xué)習(xí)資源難以掌握時，會及時調(diào)整教學(xué)策略調(diào)整并提供針對性的指導(dǎo)，幫助學(xué)生更好地掌握知識，從而保證學(xué)習(xí)質(zhì)量和效率。

2.改善學(xué)生學(xué)習(xí)的感受和體驗。計算機(jī)專業(yè)學(xué)生長期處在先進(jìn)思想和技術(shù)應(yīng)用的前沿，思想活躍并喜愛新鮮事物，但是傳統(tǒng)的教學(xué)模式過于刻板枯燥，無法滿足學(xué)生的個性化需求，學(xué)生的學(xué)習(xí)感受和體驗不佳，甚至對學(xué)習(xí)喪失興趣。自適應(yīng)學(xué)習(xí)的教學(xué)以提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、改善學(xué)習(xí)體驗為目標(biāo)，依托先進(jìn)的信息技術(shù)，通過數(shù)據(jù)分析挖掘?qū)W生的興趣點和薄弱點，有針對性地提供教學(xué)內(nèi)容和方法，形成每個大學(xué)生獨(dú)一無二的教育體系。大學(xué)生完成既定學(xué)習(xí)內(nèi)容后，還可通過自適應(yīng)學(xué)習(xí)的教學(xué)的隨學(xué)隨檢功能，清晰地看到自己的成績和進(jìn)步，對自己已經(jīng)完成的學(xué)習(xí)任務(wù)一目了然，并確定接下來學(xué)習(xí)的新內(nèi)容。整個學(xué)習(xí)過程，學(xué)生能夠獲得極大的滿足感和自信心，從而提升學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性。

3.為可持續(xù)改進(jìn)的專業(yè)課程教育提供支持。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展以及對學(xué)生學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)的充分挖掘，由此根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況更新教學(xué)目標(biāo)，形成更加完善專業(yè)課程教學(xué)體系。進(jìn)一步地，通過對多門專業(yè)課程的相關(guān)性和連續(xù)性信息的挖掘，還可以進(jìn)一步構(gòu)建更為完整的專業(yè)課程自適應(yīng)教學(xué)平臺，提供相應(yīng)的學(xué)習(xí)資源和指導(dǎo)服務(wù)，滿足學(xué)生的多元化學(xué)習(xí)目標(biāo)，突破傳統(tǒng)的固定步調(diào)的集體教學(xué)，開發(fā)的適應(yīng)性教學(xué)為今后專業(yè)課程教育可持續(xù)改進(jìn)提供支持。盡管自適應(yīng)學(xué)習(xí)的教學(xué)優(yōu)勢明顯，但是課程教學(xué)要購買已開發(fā)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)實施個性化教學(xué)仍然面臨經(jīng)費(fèi)不足、教學(xué)操作困難、教學(xué)過程復(fù)雜等一系列問題。而自行開發(fā)自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，耗費(fèi)時間和精力，一旦課程教學(xué)目標(biāo)變化，必須進(jìn)行再開發(fā)。故本研究提出針對課程特點融入自適應(yīng)教學(xué)的精髓，借助現(xiàn)有的在線教學(xué)軟件，例如學(xué)習(xí)通、雨課堂等，合理利用其提供的多媒體、人工智能、網(wǎng)絡(luò)通信等功能支持，設(shè)計自適應(yīng)學(xué)習(xí)的教學(xué)方案。這既節(jié)省了自行購買和研發(fā)自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的高額成本，又能結(jié)合專業(yè)課程特點和更新變化趨勢，在保證傳統(tǒng)課程教學(xué)課程目標(biāo)和課程有限時間的約束下，為專業(yè)課程教師提供更有針對性，更為實際可行，易于操作且可持續(xù)改進(jìn)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計方案。

三、自適應(yīng)學(xué)習(xí)的教學(xué)在微機(jī)與接口技術(shù)課程中的應(yīng)用

微機(jī)原理與接口技術(shù)是計算機(jī)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，本研究以此課程作為實踐對象，從課程目標(biāo)和課程內(nèi)容出發(fā)進(jìn)行自適應(yīng)學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)當(dāng)達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)包括：（1）完成本課程所有實驗，掌握一種軟硬件緊密結(jié)合的實驗性微機(jī)應(yīng)用開發(fā)平臺及開發(fā)方法。在驗證和完善實驗項目的過程中，通過匯編程序的編輯、調(diào)試、運(yùn)行以及電路的設(shè)計和連接，理解實驗平臺、開發(fā)環(huán)境和編程工具的適用性。（2）通過驗證類和提高類實驗獲得微機(jī)與接口技術(shù)理論課中原理性內(nèi)容的感性體驗，進(jìn)一步掌握微機(jī)系統(tǒng)內(nèi)主要接口電路的類型、作用、內(nèi)部編程結(jié)構(gòu)及外部引腳功能，能夠理解和掌握基本功能要求下微機(jī)硬件核與典型接口單元的簡單電路連接方法和編程要點。通過設(shè)計類實驗，能夠針對特定功能要求，選擇適當(dāng)?shù)慕涌谄骷⒃O(shè)計微機(jī)硬件核與多個接口單元的應(yīng)用電路和應(yīng)用程序，完成相關(guān)的軟/硬件調(diào)試。（3）能夠理解微機(jī)系統(tǒng)最底層軟件對硬件的操控原理，計算機(jī)硬件與軟件交匯點的具體構(gòu)成形態(tài)及交互方式方法。了解微機(jī)系統(tǒng)中存在的沖突和制約因素，在分析和比較不同的實驗方案后，能夠采用適當(dāng)?shù)能浻布O(shè)計解決一般的沖突。面向微機(jī)與接口技術(shù)課程的自適應(yīng)學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計思路是依據(jù)課程目標(biāo)，通過豐富的媒體表現(xiàn)形式、良好的個人適應(yīng)性、敏感的反饋系統(tǒng)、便捷快速的通信等技術(shù)手段，幫助學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)過程中動態(tài)及時地完成自我評價，同時教師根據(jù)評價結(jié)果制訂有針對性的學(xué)習(xí)計劃，并且?guī)椭鷮W(xué)習(xí)者完成整個學(xué)習(xí)過程。具體的設(shè)計過程包括面向知識的自適應(yīng)內(nèi)容和面向?qū)W生的自適應(yīng)序列兩個方面。

1.面向知識的自適應(yīng)教學(xué)內(nèi)容。自適應(yīng)教學(xué)內(nèi)容通過對應(yīng)現(xiàn)行的課程大綱和標(biāo)準(zhǔn)將學(xué)習(xí)材料顆?；瑢鹘y(tǒng)學(xué)習(xí)內(nèi)容重新設(shè)計制成顆粒度較小的具體知識能力要求，設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)和互動學(xué)習(xí)材料，將測評題目嵌入學(xué)習(xí)材料中，以提供階段性支持與評測，并且依據(jù)對學(xué)生評測的具體反饋信息，為每個學(xué)生持續(xù)提供獨(dú)有的學(xué)習(xí)內(nèi)容。表1是依據(jù)課程目標(biāo)進(jìn)一步劃分的具體知識能力要求，進(jìn)而設(shè)計采用的自適應(yīng)學(xué)習(xí)的教學(xué)環(huán)節(jié)，每位教師依據(jù)收集的數(shù)據(jù)評測結(jié)果規(guī)劃學(xué)習(xí)過程。以定時器和計數(shù)器實驗為例，教學(xué)內(nèi)容包括學(xué)習(xí)實踐8254的工作方式及典型應(yīng)用電路的連接方法和編程方法，掌握8254實現(xiàn)計數(shù)器、定時器、電子發(fā)聲、鍵盤發(fā)聲功能的軟/硬件設(shè)計方法。為了支持階段性評測，設(shè)計了4個基本實驗（包括計數(shù)器實驗、定時器實驗、電子發(fā)聲實驗、鍵盤發(fā)聲實驗）、2個綜合實驗和2個創(chuàng)新實驗。學(xué)生在4個基本實驗完成之后，再進(jìn)入綜合實驗與創(chuàng)新實驗環(huán)節(jié)，每個實驗均設(shè)置預(yù)習(xí)和測試題。

2.面向?qū)W生的自適應(yīng)序列。自適應(yīng)序列通常有三個步驟，首先使用在線教學(xué)軟件收集學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，然后分析學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，最后調(diào)整學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容。收集數(shù)據(jù)需要考慮：收集和使用什么類型的數(shù)據(jù)，捕獲什么級別難度和粒度的知識，是否考慮了學(xué)生以前的表現(xiàn)。本課程按照教學(xué)內(nèi)容，收集學(xué)生課前、課中以及課后學(xué)習(xí)情況數(shù)據(jù)。表2是為每位學(xué)生上機(jī)實驗階段“定時器和計算器應(yīng)用實驗”設(shè)計的表格，涉及課前表現(xiàn)“預(yù)習(xí)”，課中表現(xiàn)“實驗態(tài)度”“實驗操作”“設(shè)備使用”，以及課后表現(xiàn)“實驗總結(jié)”。其中，預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)收集示例如表3所示。分析數(shù)據(jù)需要考慮：如何分析學(xué)生的績效數(shù)據(jù)？衡量下一步學(xué)習(xí)可以選擇哪些指標(biāo)？如何選擇學(xué)生接下來將使用的特定內(nèi)容？本課程參照計算機(jī)專業(yè)認(rèn)證要求，引入知識點達(dá)成度進(jìn)行計算與分析，如式（1-1）所示，由課前、課中以及課后三個環(huán)節(jié)成績加權(quán)求和得到。表4是某位學(xué)生某項知識點達(dá)成度分析樣例。(1-1)其中，Wi.j,k為支撐權(quán)重，F(xiàn)i.j,k,m各考核項占知識點達(dá)成度的比例，Sk,m樣本學(xué)生的得分率。利用在線學(xué)習(xí)軟件收集并分析信息后，教師會調(diào)整學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容，主要考慮如下問題：內(nèi)容提供形式，內(nèi)容提供數(shù)量，內(nèi)容之間的設(shè)計關(guān)系。一般來說，有兩種方式：必做內(nèi)容與可選內(nèi)容，如表4中“繼續(xù)學(xué)習(xí)途徑”是必做內(nèi)容，“其他可用的協(xié)助持續(xù)改進(jìn)的資源”是可選內(nèi)容。微機(jī)原理與接口技術(shù)課程引入“自適應(yīng)學(xué)習(xí)”后，教師根據(jù)在線學(xué)習(xí)工具提供的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)繼續(xù)分析每個學(xué)生的知識薄弱環(huán)節(jié)，并即時調(diào)整學(xué)習(xí)進(jìn)度與學(xué)習(xí)內(nèi)容，為每位學(xué)生提供個性化教學(xué)。同時，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入最適合的下一步學(xué)習(xí)內(nèi)容和活動，自動調(diào)整學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容的難易程度?？偟膩碚f，自適應(yīng)學(xué)習(xí)在微機(jī)原理與接口技術(shù)課程的應(yīng)用主要解決了如下三方面問題：（1）全面評估知識點掌握情況，實時進(jìn)行查漏補(bǔ)缺。全方位收錄課程相關(guān)學(xué)習(xí)資料，根據(jù)考綱要求進(jìn)行知識點切片，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，精細(xì)化自動推送知識點相關(guān)學(xué)習(xí)任務(wù)。（2）基于學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，綜合分析錯誤原因。利用在線學(xué)習(xí)工具實時采集學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，除了測試分?jǐn)?shù)，還包括錯誤的分析、診斷與學(xué)習(xí)建議。當(dāng)學(xué)生出現(xiàn)錯誤時，直接追根到對應(yīng)知識點，讓學(xué)生清楚地知道自己的錯誤原因和知識盲區(qū)，建議相關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容，直至學(xué)生掌握。（3）個性化推送相關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容，實時調(diào)整教學(xué)策略。根據(jù)學(xué)生知識測試的結(jié)果會自動推送匹配的學(xué)習(xí)內(nèi)容，在線學(xué)習(xí)工具實時記錄的學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，有助于實時調(diào)整教學(xué)策略，加快教學(xué)進(jìn)度或者降低教學(xué)難度，推薦不同類型的教學(xué)內(nèi)容。

四、總結(jié)

在傳統(tǒng)的計算機(jī)專業(yè)課程教學(xué)中，學(xué)生通常是以一種被動執(zhí)行的方式完成學(xué)習(xí)過程，學(xué)生在完成教師布置的全部任務(wù)后就潛意識地認(rèn)為學(xué)習(xí)進(jìn)程已結(jié)束?？墒沁@個過程并沒有體現(xiàn)出學(xué)生的自我能動性和對自我的評價與守善。本研究提出自適應(yīng)學(xué)習(xí)的教學(xué)應(yīng)用于微機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)，教師借助在線學(xué)習(xí)軟件幫助學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)過程中動態(tài)及時地完成自我評價，同時根據(jù)評價結(jié)果制訂有針對性的學(xué)習(xí)計劃，并且?guī)椭鷮W(xué)生完成整個學(xué)習(xí)過程。實踐發(fā)現(xiàn)，既推進(jìn)了學(xué)生個性化學(xué)習(xí)，改善了教學(xué)質(zhì)量，又提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)感受和體驗。這是自適應(yīng)學(xué)習(xí)的教學(xué)在計算機(jī)專業(yè)課程的初步實踐，還需要基于人工智能模型與算法進(jìn)一步完善，結(jié)合課程特點，開發(fā)更完善的教學(xué)方案進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與預(yù)測，編排教學(xué)內(nèi)容與設(shè)計教學(xué)任務(wù)，真正實現(xiàn)大學(xué)教育的目的，幫助學(xué)生在大學(xué)專業(yè)課程學(xué)習(xí)過程中體驗和發(fā)展“生而為人”最重要的品質(zhì)和才能：創(chuàng)造能力、解決問題的能力、溝通協(xié)作能力。

作者:李可 梁慧穎 李穎 葉佳 何蓉 楊燕 單位:西南交通大學(xué)