閆鈞華，顏 灝，張 寅，康玉鳳

（1.南京航空航天大學航天學院，江蘇 南京 211106；2.教師發(fā)展與教學評估中心/高等教育研究所，江蘇 南京 210016）

受全球新冠疫情影響，社會生產(chǎn)和生活進入了后疫情時代，高等教育進入“后疫情時代的高等教育”[1]。在“雙一流”高校建設的后疫情時代大環(huán)境下，對中國高等教育教學改革和高等教育人才培養(yǎng)模式提出了新的要求。培養(yǎng)學生的理論實踐創(chuàng)新力以及重視學生主體和教師主體間的融合，是發(fā)展高等教育教學道路和提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的關鍵舉措[2]。

國內(nèi)外學者們迎難而上、積極探索，身體力行地開展研究與實踐。張新營[3]認為，“后疫情時代”應科學處理線上授課與傳統(tǒng)授課的銜接融合，以培養(yǎng)學生的理論實踐能力，提出線下授課與線上課程資源整合的“混合式”教學模式。李政濤等[4-6]認為混合式教學不只是簡單的面授與在線的結合，同時也是多種教學工具或方法的混合，或是各種教學理念的混合。HAVARD等[7-8]提出了在線教育的深度學習分析框架，分析了學生與知識之間的關聯(lián)。從國內(nèi)外研究得出，基于深度學習的混合式教學模式有利于培養(yǎng)學生的理論實踐創(chuàng)新力，但有關基于深度學習的混合式教學模式通過哪種途徑來影響學生的理論實踐創(chuàng)新力卻亟待研究。

在后疫情時代的創(chuàng)新教學理念下，本文提出通過構建深度學習網(wǎng)絡（CNN），實現(xiàn)混合式教學的研究方案，實現(xiàn)教學工具、教學理念和師生主體的混合，培養(yǎng)訓練學生理論實踐創(chuàng)新力。

1 基于深度學習的混合式教學研究方案

本文提出的基于深度學習的混合式教學研究方案核心是培養(yǎng)訓練學生的理論實踐創(chuàng)新力，通過混合式教學效果評價大閉環(huán)的反饋培養(yǎng)訓練機制，提高學生獨立學習理論知識的能力以及獨立進行科學實驗的能力，使學生掌握課程內(nèi)容，完成課程考核。研究方案的總體框架如圖1所示，混合式教學包括線上教學與線下教學相混合、理論教學與實驗教學相混合和學生主體與教師主體相混合三大類。首先，構建理論教學單元數(shù)據(jù)庫和實驗單元數(shù)據(jù)庫，確定用以學習訓練的教學單元和實驗單元；然后，確定混合式教學效果構成要素，利用CNN培養(yǎng)訓練學生的理論實踐創(chuàng)新力；最后，研究混合式教學效果評價方法，從而得到被訓練學生的混合式教學效果總評分?？傇u分低于閾值要求時，結合教師指導和網(wǎng)絡反饋，更新教學單元和實驗單元，重新訓練學生的理論實踐創(chuàng)新力，直至學生能夠參加課程考核。

圖1 研究方案總體框架

2 混合式教學研究方案的關鍵步驟

基于深度學習的混合式教學方案流程如圖2所示，流程主要包括以下3個步驟：①混合式教學課程數(shù)據(jù)庫構建?；旌鲜浇虒W課程數(shù)據(jù)庫包含結合線上與線下資源和理論教學與實驗教學資源?；诖耍瑯嫿ɡ碚摻虒W單元數(shù)據(jù)庫和實驗單元數(shù)據(jù)庫，確定用以學習訓練的m個教學單元和n個實驗單元。②深度學習網(wǎng)絡構建。首先分析評價混合式教學效果的構成要素，將構成要素作為CNN的卷積層；然后確定CNN的池化層和激活層，實現(xiàn)訓練到反饋再到學習的循環(huán)過程，得到被訓練學生的混合式教學效果各構成要素的評分。③混合式教學效果評價方案設計。根據(jù)基于深度學習的混合式教學各構成要素評分結果，研究混合式教學效果評價方法，從而得到被訓練學生的混合式教學效果總評分。

圖2 基于深度學習的混合式教學方案流程圖

如果混合式教學效果總評分不滿足要求，則更新教學單元和實驗單元，將其輸入到CNN中，在大閉環(huán)中，對該學生進行再次學習訓練，直到該學生的混合式教學效果總評分滿足要求為止。當該學生能夠獨立完成課程設計時，讓他參加課程考核，從而完成對該學生的課程培養(yǎng)，提高其理論實踐創(chuàng)新力。

2.1 構建混合式教學課程數(shù)據(jù)庫

為了給每個學生提供理論實踐創(chuàng)新的機會，需要構建豐富的教學單元數(shù)據(jù)庫和實驗單元數(shù)據(jù)庫，從數(shù)據(jù)庫中為每個學生確定用以訓練理論實踐創(chuàng)新力且難易程度不同的m個教學單元和n個實驗單元。能夠進入教學單元數(shù)據(jù)庫和實驗單元數(shù)據(jù)庫中的單元都是來自經(jīng)過教學實踐的單元，從具有豐富教學經(jīng)驗教師的教學實踐中遴選而來。

教學單元包括線下教師講解和線上網(wǎng)絡資源，這兩者互相補充和完善。每個課程單元都具備完備的數(shù)據(jù)資料，包括課程的相關書籍、課程的課后作業(yè)、課程的教師講解視頻、課程筆記、課程的學習報告、課程的單元考核等。

實驗單元包括實際操作實驗、虛擬仿真實驗、網(wǎng)絡演示實驗，這三者互相補充和完善。每一個實驗單元也都具備完備的數(shù)據(jù)資料，包括課程的相關實驗器材資料、課程的相關軟件和硬件、課程實驗的操作視頻、課程實驗過程中遇到問題的解決方法、課程的測試報告和實驗報告等。

2.2 構建深度學習網(wǎng)絡

通過CNN的閉環(huán)反饋培養(yǎng)訓練機制，能夠培養(yǎng)訓練研究生的科研實踐創(chuàng)新能力[9]。在混合式教學工作中，本文利用CNN反饋調(diào)節(jié)思想，構建學生理論實踐創(chuàng)新力小閉環(huán)，培養(yǎng)訓練學生的理論學習和實驗創(chuàng)新能力。本文的CNN包含4個小閉環(huán)模塊，分別是課程資源庫檢索學習模塊、發(fā)現(xiàn)問題模塊、浸入式學習模塊和工程型實驗模塊。通過上述4個模塊，分別培養(yǎng)訓練學生對應的理論實踐創(chuàng)新力。學生的理論實踐創(chuàng)新力主要包括調(diào)研能力、質(zhì)疑能力、邏輯思維能力、自由想象能力、自主判斷能力、試錯能力和糾錯能力7種能力[9]。各模塊培養(yǎng)訓練學生對應的理論實踐創(chuàng)新力如圖3所示。

圖3 各模塊培養(yǎng)訓練學生對應的理論實踐創(chuàng)新力

CNN包含卷積層、池化層和激活層，通過CNN培養(yǎng)訓練學生的理論實踐創(chuàng)新力小閉環(huán)流程，如圖4所示。將某一個教學單元i或某一個實驗單元j輸入到CNN的卷積層，根據(jù)學生的學習情況和混合式教學課程數(shù)據(jù)庫資料，評價學生的理論實踐創(chuàng)新力。在池化層，對學生的各種能力進行歸一化，使評分結果不被卷積層對各理論實踐創(chuàng)新力的衡量標準不同而影響，得到具有統(tǒng)一標準的評分結果。在激活層，衡量各理論實踐創(chuàng)新力是否達到閾值，若某理論實踐創(chuàng)新力低于閾值，則混合教師指導和學生自我擴展，返回到CNN卷積層重新進行學習訓練，直到評分達到閾值要求。

圖4 CNN培養(yǎng)訓練學生理論實踐創(chuàng)新力小閉環(huán)流程圖

在課程資源庫檢索學習模塊，讓被訓練學生學習教學單元i或?qū)嶒瀱卧猨，撰寫學習報告。對比混合式教學課程數(shù)據(jù)庫中的學習報告與該學生撰寫的學習報告，評價該學生的調(diào)研能力。

在發(fā)現(xiàn)問題模塊，讓被訓練學生確定教學單元i或?qū)嶒瀱卧猨中需要解決的科學問題。對比混合式教學課程數(shù)據(jù)庫中需要解決的關鍵科學問題與該學生確定的關鍵科學問題，評價該學生的質(zhì)疑能力。

在浸入式學習模塊，讓被訓練學生根據(jù)教學單元i或?qū)嶒瀱卧猨中需要解決的科學問題，提出自己的解決方法。對比混合式教學課程數(shù)據(jù)庫中針對需要解決關鍵科學問題的解決方法與該學生提出的解決方法，評價該學生的邏輯思維能力、自由想象能力和自主判斷能力。

在工程型實驗模塊，當被訓練學生針對教學單元i或?qū)嶒瀱卧猨中需要解決的關鍵科學問題，所提的解決方法不夠完善或不能正確解決問題時，依據(jù)該學生在這種情況下的行為表現(xiàn)，評價該學生的試錯能力和糾錯能力。

2.3 混合式教學效果評價

對于教學單元i或?qū)嶒瀱卧猨，混合式教學效果評分器的輸入為通過CNN得到的被訓練學生的各理論實踐創(chuàng)新力評分。學生的各理論實踐創(chuàng)新力是混合式教學效果的構成要素，通過這些要素可以評判混合式教學效果。對于教學單元i和實驗單元j，這些要素在學生理論實踐創(chuàng)新力評分中的占比不一。因此，混合式教學效果評分器中賦予各理論實踐創(chuàng)新力不同的權重?；诖耍玫皆搶W生對于教學單元i的混合式教學效果評分為：

式（1）中：Pi為對于教學單元i被訓練學生的混合式教學效果評分；M為理論實踐創(chuàng)新力個數(shù)，本文重點考慮的理論實踐創(chuàng)新力為7種；αis為各理論實踐創(chuàng)新力評分的權重；xis為對于教學單元i被訓練學生的某項理論實踐創(chuàng)新力評分。

實驗單元j的混合式教學效果評分表達式可寫為：

式（2）中：Pj為對于實驗單元j被訓練學生的混合式教學效果評分；αjs為各理論實踐創(chuàng)新力評分的權重；xjs為對于實驗單元j被訓練學生的某項理論實踐創(chuàng)新力評分。

在融合教師指導和學生自我擴展下，被訓練學生完成了m個教學單元和n個實驗單元，得到了m+n個混合式教學效果評分。由于這m個教學單元和n個實驗單元難易程度不同，對m+n個評分加權求和，計算該學生的混合式教學效果總評分P為：

式（3）中：βi為第i個教學單元的混合式教學效果評分的權重；γj為第j個實驗單元的混合式教學效果評分的權重。

3 混合式教學下的實踐成果

本文所述基于深度學習的混合式教學研究已成功應用于本文作者所教授的“光電檢測信息系統(tǒng)理論與技術”課程教學工作之中。從具有豐富經(jīng)驗教師對該課程的教學實踐中選擇3種難度的5個教學單元以及5個實驗單元，作為混合式教學數(shù)據(jù)庫。包含低等難度的教學單元A、教學單元B、實驗單元A和實驗單元B，中等難度的教學單元C、教學單元D、實驗單元C和實驗單元D，高等難度教學單元E和實驗單元E，表1給出了各教學單元和實驗單元的權重。

表1 各教學單元和實驗單元的權重

每個學生都要選擇一個教學單元進行學習并完成一個實驗單元。根據(jù)對學生能力的評分結果，確定學生是否掌握課程內(nèi)容。學生在順利完成課程設計后，才能參加課程考核。評估學生的7種能力在課程學習和實驗操作過程中的重要性各有側重。在課程學習與理解過程中，調(diào)研能力和邏輯思維能力更能幫助學生選擇合適的學習資料并順利開展浸入式學習。在實驗實操中，試錯能力和糾錯能力更為重要。因此，設置各項創(chuàng)新力在教學單元和實驗單元的權重如圖5所示。設置CNN中激活層各創(chuàng)新力分數(shù)閾值為60，獨立課程單元學習的分數(shù)閾值為63，混合式教學效果總評分閾值為65。

圖5 各創(chuàng)新力在教學單元和實驗單元中的權重

為驗證本文所提基于深度學習的混合式教學研究效果，記錄了2名學生的課程學習情況。表2給出了學生甲和學生乙的各創(chuàng)新力評分以及獨立課程單元學習總評分結果。在課程教授期間，學生甲選擇教學單元D和實驗單元C進行訓練。對比混合式教學數(shù)據(jù)資料，對學生甲的課程理論學習和實驗操作情況進行評分。表2中表明學生甲的各創(chuàng)新力得分均等于或高于65分。通過混合式教學效果評分器，評得其教學單元D得分78.35分，實驗單元C得分為72.15分。根據(jù)式（3），得到學生甲的課程學習總評分為83.085分，達到閾值要求。學生甲順利完成了課程設計，對課程相關知識掌握較牢，能將所學知識靈活應用于工程實踐中，滿足課程考核要求。

表2 學生的各創(chuàng)新力評分和課程單元學習總評分

學生乙選擇了教學單元B和實驗單元D進行訓練，在理論學習中，學生乙的質(zhì)疑能力分數(shù)為55分，未達到創(chuàng)新力培養(yǎng)的閾值要求；在實驗操作中，通過混合式教學效果評分器，得出學生乙的實驗操作分數(shù)為62.8分，未達到課程學習要求。通過網(wǎng)絡得出學生的課程總評分為63.52分，未達到獨立進行課程設計的閾值要求。根據(jù)網(wǎng)絡訓練結果，教師增強對學生乙的指導，對于教學單元B的學習，學生乙進行創(chuàng)新力再訓練，質(zhì)疑能力通過網(wǎng)絡再次評分均高于60分，經(jīng)網(wǎng)絡對其教學單元學習情況進行評分，達到94.3分。根據(jù)學生乙的學習情況和能力水平，教師指導其更換實驗單元，選擇實驗單元A進行創(chuàng)新力再訓練。其各創(chuàng)新力得分均高于閾值要求，獨立實驗單元A學習評分為93.15分。經(jīng)網(wǎng)絡評分，他的課程學習總得分為65.67分，可以參加課程考核。

4 結語

在后疫情時代教學模式的新發(fā)展格局下，本文提出了基于深度學習網(wǎng)絡的混合式教學研究方案。利用CNN的閉環(huán)反饋培養(yǎng)訓練機制優(yōu)勢，實現(xiàn)線上教學與線下教學相混合、理論教學與實驗教學相混合和學生主體與教師主體相混合，培養(yǎng)訓練學生理論實踐創(chuàng)新力，提高學生獨立學習基本理論的能力，使學生具備獨立進行科學實驗的能力。

本文提出的教學方案能夠定量評估混合式教學模式下學生的培養(yǎng)效果，為實現(xiàn)高質(zhì)量人才培養(yǎng)的相關研究提供參考。