自適應學習在計算機專業(yè)課程教學實踐淺析

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【摘要】自適應學習是一種教育科技手段，它通過自適應學習工具為每位學生單獨提供相應的幫助，在現實中與學生產生實時互動。但是在實際教學過程中，要借助現有的自適應學習系統(tǒng)實施個性化教學往往面臨經費不足、教學設計困難、教學過程復雜等一系列問題。鑒于此，本文借助現有的在線學習工具，將自適應學習的教學理念應用于微機原理與接口技術課程，搜集學生學習數據，統(tǒng)計分析數據，調整課程設計，提升課程教學的針對性和教學效果，改善學生學習過程與體驗，為計算機專業(yè)課程教學提供新的教學思路與方法。

【關鍵詞】自適應學習；專業(yè)課程教學；個性化教學；在線學習工具

一、概述

自適應學習，是一種運用計算機作為互動教學設備，通過學生對題目、任務和經驗的反饋數據分析并獲知其學習需求，據此推送相應的學習資源，以改善教材和教學方式，推進教師個性化教學，提升學生學習體驗。它涉及計算機科學、教育、心理學及腦科學等多個研究領域。國外自適應學習行業(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教學平臺早在2011年就投入使用。倍生Person、麥格爾-希爾利McGrawHill等教育出版集團也不斷研發(fā)自適應學習軟件。國內新東方也在2014年引入了K-12自適應學習。自適應學習在國外發(fā)展迅速，而在國內由于受教育觀念的限制，目前仍處于發(fā)展階段。隨著網絡技術和人工智能進一步發(fā)展，現有的基于自適應學習的教學主要具備如下特征。

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

2.基于知識資源（包含文本、圖像、聲音、視頻等）的學習。自適應學習根據個體學習者的需求和情況進行學習資源的不同組合，學習材料不是固定不變的。

3.教師輔助學習為主要過程。教師可以借助自適應學習組織、制訂學習計劃，并且督促學生整個學習過程。教師只是學習的指導者、建議者，而不是學習過程的主宰者，其主要工作是規(guī)劃教學目標、指導教學以及創(chuàng)設維護學習環(huán)境。

4.學生自主學習為重要環(huán)節(jié)。學生主要通過在自適應學習環(huán)境中的主動探索和交互來形成自己的學習方案，而不是僅僅通過教師的講授進行被動學習。學生自主學習，不僅要學會所學的知識，而且要掌握學習的方法，強調知識的使用能力及與他人協(xié)作的能力。

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

6.數字化科技以及智能科技的支持。自適應學習對學習環(huán)境的要求可歸納為：豐富的媒體表現形式、良好的適應性、高效的反饋系統(tǒng)、便捷快速的通信，這必然要求在學習環(huán)境中廣泛應用多媒體、人工智能、網絡通信等技術手段。自適應學習支持教師設計自適應課程，每門課程都由若干個任務組件構成，每個任務組件類包含一定數量的題目，并且以不同方式為學生提供不同的學習路徑。自適應學習的教學通常包括四種不同的方法。（1）宏觀水平上改變教學。允許不同的教學目標、課程內容難度和傳遞系統(tǒng)等等。（2）動態(tài)調整具體的教學過程和策略。這種方法要求確定與學生最相關的學生特征（或者能力傾向），并且為具備此特征的學生選擇最能促進其學習過程的教學策略。（3）微觀水平上改進教學。在教學過程中動態(tài)診斷學生特定的學習需要，為不同需要的學生提供不同的學習過程。（4）基于特定教學法開發(fā)的可適應系統(tǒng)。應用這些系統(tǒng)中自帶的教學方法包括建構主義、動機理論、社會學習理論和元認知等。

二、自適應學習的教學應用于計算機專業(yè)課程的優(yōu)勢與不足

目前，自適應學習的教學已經逐步在大學課程中應用，其優(yōu)勢主要體現在如下三方面。

1.提升教學的針對性和效率。計算機專業(yè)課程的傳統(tǒng)教學模式，是對學習同一課堂的學生按照統(tǒng)一的內容和進度授課。而每個學生的基礎水平、理解能力、接受能力等各不相同，學生對授課內容的感受也不盡相同，傳統(tǒng)的教學過程往往缺乏針對性。自適應學習的引入可以很好地解決這一問題，它通過數據分析技術清楚地掌握每個學生的學習進度，并隨著學生的學習掌握情況向學生提供相應水平的學習材料，同時給出較為科學的學習指導策略。特別地，當數據分析結果發(fā)現學生對提供的學習資源難以掌握時，會及時調整教學策略調整并提供針對性的指導，幫助學生更好地掌握知識，從而保證學習質量和效率。

2.改善學生學習的感受和體驗。計算機專業(yè)學生長期處在先進思想和技術應用的前沿，思想活躍并喜愛新鮮事物，但是傳統(tǒng)的教學模式過于刻板枯燥，無法滿足學生的個性化需求，學生的學習感受和體驗不佳，甚至對學習喪失興趣。自適應學習的教學以提升學生學習興趣、改善學習體驗為目標，依托先進的信息技術，通過數據分析挖掘學生的興趣點和薄弱點，有針對性地提供教學內容和方法，形成每個大學生獨一無二的教育體系。大學生完成既定學習內容后，還可通過自適應學習的教學的隨學隨檢功能，清晰地看到自己的成績和進步，對自己已經完成的學習任務一目了然，并確定接下來學習的新內容。整個學習過程，學生能夠獲得極大的滿足感和自信心，從而提升學生學習的興趣和積極性。

3.為可持續(xù)改進的專業(yè)課程教育提供支持。隨著大數據技術的發(fā)展以及對學生學習過程數據的充分挖掘，由此根據學生的學習情況更新教學目標，形成更加完善專業(yè)課程教學體系。進一步地，通過對多門專業(yè)課程的相關性和連續(xù)性信息的挖掘，還可以進一步構建更為完整的專業(yè)課程自適應教學平臺，提供相應的學習資源和指導服務，滿足學生的多元化學習目標，突破傳統(tǒng)的固定步調的集體教學，開發(fā)的適應性教學為今后專業(yè)課程教育可持續(xù)改進提供支持。盡管自適應學習的教學優(yōu)勢明顯，但是課程教學要購買已開發(fā)的自適應學習系統(tǒng)實施個性化教學仍然面臨經費不足、教學操作困難、教學過程復雜等一系列問題。而自行開發(fā)自適應學習系統(tǒng)，耗費時間和精力，一旦課程教學目標變化，必須進行再開發(fā)。故本研究提出針對課程特點融入自適應教學的精髓，借助現有的在線教學軟件，例如學習通、雨課堂等，合理利用其提供的多媒體、人工智能、網絡通信等功能支持，設計自適應學習的教學方案。這既節(jié)省了自行購買和研發(fā)自適應學習系統(tǒng)的高額成本，又能結合專業(yè)課程特點和更新變化趨勢，在保證傳統(tǒng)課程教學課程目標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)改進的自適應學習的教學設計方案。

三、自適應學習的教學在微機與接口技術課程中的應用

微機原理與接口技術是計算機專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，本研究以此課程作為實踐對象，從課程目標和課程內容出發(fā)進行自適應學習的教學設計。通過本課程的學習，學生應當達到的教學目標包括：（1）完成本課程所有實驗，掌握一種軟硬件緊密結合的實驗性微機應用開發(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、調試、運行以及電路的設計和連接，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與接口技術理論課中原理性內容的感性體驗，進一步掌握微機系統(tǒng)內主要接口電路的類型、作用、內部編程結構及外部引腳功能，能夠理解和掌握基本功能要求下微機硬件核與典型接口單元的簡單電路連接方法和編程要點。通過設計類實驗，能夠針對特定功能要求，選擇適當的接口器件并設計微機硬件核與多個接口單元的應用電路和應用程序，完成相關的軟/硬件調試。（3）能夠理解微機系統(tǒng)最底層軟件對硬件的操控原理，計算機硬件與軟件交匯點的具體構成形態(tài)及交互方式方法。了解微機系統(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，能夠采用適當的軟硬件設計解決一般的沖突。面向微機與接口技術課程的自適應學習的教學設計思路是依據課程目標，通過豐富的媒體表現形式、良好的個人適應性、敏感的反饋系統(tǒng)、便捷快速的通信等技術手段，幫助學生能夠在學習過程中動態(tài)及時地完成自我評價，同時教師根據評價結果制訂有針對性的學習計劃，并且?guī)椭鷮W習者完成整個學習過程。具體的設計過程包括面向知識的自適應內容和面向學生的自適應序列兩個方面。

1.面向知識的自適應教學內容。自適應教學內容通過對應現行的課程大綱和標準將學習材料顆?；?，將傳統(tǒng)學習內容重新設計制成顆粒度較小的具體知識能力要求，設計教學環(huán)節(jié)和互動學習材料，將測評題目嵌入學習材料中，以提供階段性支持與評測，并且依據對學生評測的具體反饋信息，為每個學生持續(xù)提供獨有的學習內容。表1是依據課程目標進一步劃分的具體知識能力要求，進而設計采用的自適應學習的教學環(huán)節(jié)，每位教師依據收集的數據評測結果規(guī)劃學習過程。以定時器和計數器實驗為例，教學內容包括學習實踐8254的工作方式及典型應用電路的連接方法和編程方法，掌握8254實現計數器、定時器、電子發(fā)聲、鍵盤發(fā)聲功能的軟/硬件設計方法。為了支持階段性評測，設計了4個基本實驗（包括計數器實驗、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。學生在4個基本實驗完成之后，再進入綜合實驗與創(chuàng)新實驗環(huán)節(jié)，每個實驗均設置預習和測試題。

2.面向學生的自適應序列。自適應序列通常有三個步驟，首先使用在線教學軟件收集學生學習數據，然后分析學習數據，最后調整學生學習的內容。收集數據需要考慮：收集和使用什么類型的數據，捕獲什么級別難度和粒度的知識，是否考慮了學生以前的表現。本課程按照教學內容，收集學生課前、課中以及課后學習情況數據。表2是為每位學生上機實驗階段“定時器和計算器應用實驗”設計的表格，涉及課前表現“預習”，課中表現“實驗態(tài)度”“實驗操作”“設備使用”，以及課后表現“實驗總結”。其中，預習環(huán)節(jié)的數據收集示例如表3所示。分析數據需要考慮：如何分析學生的績效數據？衡量下一步學習可以選擇哪些指標？如何選擇學生接下來將使用的特定內容？本課程參照計算機專業(yè)認證要求，引入知識點達成度進行計算與分析，如式（1-1）所示，由課前、課中以及課后三個環(huán)節(jié)成績加權求和得到。表4是某位學生某項知識點達成度分析樣例。(1-1)其中，Wi.j,k為支撐權重，Fi.j,k,m各考核項占知識點達成度的比例，Sk,m樣本學生的得分率。利用在線學習軟件收集并分析信息后，教師會調整學生學習內容，主要考慮如下問題：內容提供形式，內容提供數量，內容之間的設計關系。一般來說，有兩種方式：必做內容與可選內容，如表4中“繼續(xù)學習途徑”是必做內容，“其他可用的協(xié)助持續(xù)改進的資源”是可選內容。微機原理與接口技術課程引入“自適應學習”后，教師根據在線學習工具提供的學習數據繼續(xù)分析每個學生的知識薄弱環(huán)節(jié)，并即時調整學習進度與學習內容，為每位學生提供個性化教學。同時，引導學生進入最適合的下一步學習內容和活動，自動調整學生學習內容的難易程度?？偟膩碚f，自適應學習在微機原理與接口技術課程的應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，實時進行查漏補缺。全方位收錄課程相關學習資料，根據考綱要求進行知識點切片，根據學生的學習情況，精細化自動推送知識點相關學習任務。（2）基于學生學習數據，綜合分析錯誤原因。利用在線學習工具實時采集學生學習數據，除了測試分數，還包括錯誤的分析、診斷與學習建議。當學生出現錯誤時，直接追根到對應知識點，讓學生清楚地知道自己的錯誤原因和知識盲區(qū)，建議相關學習內容，直至學生掌握。（3）個性化推送相關學習內容，實時調整教學策略。根據學生知識測試的結果會自動推送匹配的學習內容，在線學習工具實時記錄的學生學習數據，有助于實時調整教學策略，加快教學進度或者降低教學難度，推薦不同類型的教學內容。

四、總結

在傳統(tǒng)的計算機專業(yè)課程教學中，學生通常是以一種被動執(zhí)行的方式完成學習過程，學生在完成教師布置的全部任務后就潛意識地認為學習進程已結束?？墒沁@個過程并沒有體現出學生的自我能動性和對自我的評價與守善。本研究提出自適應學習的教學應用于微機原理與接口技術課程教學，教師借助在線學習軟件幫助學生能夠在學習過程中動態(tài)及時地完成自我評價，同時根據評價結果制訂有針對性的學習計劃，并且?guī)椭鷮W生完成整個學習過程。實踐發(fā)現，既推進了學生個性化學習，改善了教學質量，又提高了學生的學習感受和體驗。這是自適應學習的教學在計算機專業(yè)課程的初步實踐，還需要基于人工智能模型與算法進一步完善，結合課程特點，開發(fā)更完善的教學方案進行數據分析與預測，編排教學內容與設計教學任務，真正實現大學教育的目的，幫助學生在大學專業(yè)課程學習過程中體驗和發(fā)展“生而為人”最重要的品質和才能：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