基于雨课堂的深度学习教学模式研究与实践

基于雨课堂的深度学习教学模式研究与实践摘要：针对目前运用雨课堂平台进行翻转课堂教学的不足，提出在基于雨课堂的翻转课堂中进行深度学习教学模式研究的必要性。理论总结了学习科学中深度学习的概念及实施策略，结合《离散数学》课程的教学实践，提出了一种基于雨课堂智慧教学平台的深度学习教学模式。调查问卷和考试结果分析说明，提出的教学模式有利于知识的深入理解和解决问题能力的培养，能达成深度学习要求的主要目标。关键词：雨课堂；深度学习；翻转课堂；教学模式引言2016年6月，清华大学“学堂在线”推出智慧教学工具箱“雨课堂”，教师可以根据实际需要从中选择感兴趣的、合适的工具来促进自己的教学。它的使用门槛低，所有功能均基于每个教师都能熟练使用的powerpoint软件和几乎每人都会用的微信。它的功能覆盖范围广，包括课前、课中和课后各个教学环节，并体现其有机联系。更重要的是它能收集每个环节产生的教学数据，使教学变为基于数据的精准教学。雨课堂工具箱的功能和数据收集如表1所示。表1雨课堂在各教学环节的功能和数据收集教学阶段功能数据收集课前使用powerpoint制作、发布预习资料；微信推送预习资料；学生课前学习预习资料，包括习题。每位学生的预习数据。课中登录签到；不懂标记；限时习题应答；弹幕讨论签到数据；不懂标记数据；限时应答数据；弹幕讨论数据课后教师推送作业；学生答题；讨论答疑学生答题数据；讨论答疑数据已有许多高校教师使用雨课堂平台进行翻转课堂或混合式教学实践[REFBIB_xiaoanb2017\h1-REFB4B_hanm2018REFBIB_yangf2017\h3]。他们在课前发布预习资料，将预习反馈作为有目的授课的重要依据；课中使用随机点到吸引学生注意力、通过随堂测试检查学生掌握重点难点知识的情况、借助弹幕功能引导学生开展讨论，各种交互形式活跃了课堂气氛，提升了学习兴趣；课后在讨论区进一步师生互动，进一步巩固知识。尽管这些方法相对传统课堂取得了相对不错的效果，但是一定程度上对知识的掌握和对能力的培养还停留在以机械记忆概念和规则为特征的浅层学习层次，还达不到新工科建设所要求的深度学习要求。深度学习深度学习的概念学习科学中的深度学习是一个不断变化的概念，国内外研究者相继从学习方式、学习过程和学习结果三种角度提出了深度学习的理解方式，给出了相关的定义。早期研究中，深度学习被大多数学者认为是一种相对于浅层学习的学习方式。Biggs认为：浅层学习是以简单或者机械记忆为特征的低水平认知加工，而深度学习则是一种包含高水平或主动认知加工的学习方式[REFBIB_biggs1979individual\h4]。国内学者何玲和黎加厚指出：深度学习强调学习者深入理解新的知识和思想，将它们融入已有认知结构中，并能够迁移到新的情境中，解决问题或做出决策[REFBIB_heling2005\h5]。随着研究的发展，研究者开始关注深度学习发生的过程。Bransford等人认为深度学习是一个过程：学生理解新的学习内容，将它们内化为知识并持久保存，能够随时提取所学知识解决不同情境的新问题[REFBIB_bransford2000how\h6]。蔡少明和赵建华等人认为深度学习需要真实的、有意义的和面向问题解决的学习任务，教师的工作就是设计这样的任务，营造相应的学习环境来促进深度学习的发生[REFBIB_caishm2011\h7]。持学习结果观点的研究者强调，深度学习的目标是培养学生适应社会发展的核心关键能力。美国卓越教育联盟对深度学习的定义为：以创新方式向学生传授核心学习内容，引导他们有效学习并付诸应用，强调深度学习应将标准化测试与掌握沟通、协作和自主学习等能力联系起来[REFBIB_p2011a\h8]。段金菊和余胜泉等人认为深度学习强调的是较高的认知层次和高阶思维能力，强调学习过程中的反思与元认知，注重学习行为方面的高情感和高行为投入[REFBIB_duanjj2012e\h9]。美国威廉和弗洛拉·休利特基金会将深度学习界定为学生胜任21世纪工作和生活所必须具备的能力。这些能力可以让学生灵活掌握和理解学科知识，解决课堂和未来工作中的问题，主要包括掌握核心学科知识、批判性思维和复杂问题解决、团队协作、有效沟通、学会学习、学习毅力六个维度的基本能力[REFBIB_william2016\h10]。美国国家研究委员会NRC（NationalResearchCouncilPanel）则将休利特基金会六个维度的能力分组为认知领域、人际领域和个人领域三个维度[REFBIB_pellegrino2013education\h11]，它们的对应关系如表2所示。表2休利特基金和NRC融合下的深度学习能力框架认知领域掌握核心学科知识批判性思维和复杂问题解决人际领域团队协作有效沟通个人领域学会学习学习毅力深度学习的实施策略和基于孤立记忆和非批判性接受知识的浅层学习相比，深度学习强调积极主动地学习，灵活熟练地运用知识解决实际问题，结果指向有效的学习迁移和真实的问题解决，是一个高认知和高意志投入的过程。现代学习科学研究揭示了一些促进学生深度学习的重要策略：基于已有知识深度学习要求将学生作为主动的信息搜寻者，充分考虑它们的已有知识和经验背景，判断学生的已有知识是促进还是阻碍学习。因此，在教学之前，需要对学生情况做出明晰地了解和准确地分析。发展知识框架深度学习要求帮助学生深入理解知识，建立整体的知识结构和体系，形成模块化的知识。因此，在教学中，要帮助学生发展学科知识的概念框架，搞清楚概念的来龙去脉，获得关联紧密和意义丰富的知识组织方式，促进深度学习的进行。设计情境实践情境认知学习理论强调情境对学习的重要性，教师通过活动创设情境，学习者在情境中交互而获得知识，在使用知识的情境中获得对知识和概念的完全理解。因此，深度学习教学模式应该将知识产生的情境引入教学，即基于问题、案例和项目等展开教学。关注学习外显外显是指信息经由输入、内化之后的输出环节。外显具有强迫内化的机制，从而促进深度学习的发生。同时，学生将内化的理解外显后，有助于教师发现其误解或缺陷，从而针对性地设计反馈和改进措施。基于雨课堂的深度学习教学模式实践目前，基于雨课堂平台的翻转课堂或混合式教学中，大多数老师仍然使用熟悉的传统教学来实现翻转，讲授式教学的实质并没有多少改变，不能真正促进学生的深度学习。要实施基于雨课堂的深度学习，必须从本质上跳出传统教学方式的框架，倡导基于问题、项目和案例的教学方式，围绕学生知识的深入掌握和能力的提升进行整体的设计。笔者在“离散数学”课程教学中，基于雨课堂平台，从课前、课中和课后三个环节进行深度学习教学模式实践。课前设计课前，学生根据教师布置的任务和提供的教学资源进行主动学习，主要目标是明确即将进行的课堂任务，完成知识的初步建构。教师的目标是获取学生已有知识的准备情况以及学生初步建构知识的状态，为课堂设计和教学提供依据。课前没有教师面对面的监管，教师需要完成这样的目标具有很大的挑战，需要从如下四个方面进行设计：设计学习任务任务优先是课前设计的重要原则。这里的任务是指在问题情境下帮助学生理解学习内容、初步完成知识建构的学习活动。以任务统领课前设计，有利于聚焦学生学习活动和相应的资源设计。如在“偏序关系”一节中，要使学生明确本节的任务是解决集合上元素之间排序的问题，这种排序是熟悉的实数排序的扩展，不必要求集合上所有元素的相互可比性。设计学习清单在课前自主学习中，学习清单起着学习框架的作用，体现思维建模工具的特征，表征学习者的内在认知过程，帮助学生建立问题解决的模型。通常将学习者思维的引导和相应的学习策略（如记笔记、总结、举例子、类比等）结合起来。在离散数学教学中，我们经常以思维导图引导学生思维，以精心设计的问题列表逐步引导思维的展开，完成知识的初步建构。在“偏序关系”一节的课前资源设计中，围绕任务“集合元素排序”，通过如下问题列表进行思维引导：.是否可以用“”将一个有限的实数集进行排序？.为什么所有的实数可以由小到大排列在一条直线上？.一个有限实数集是否一定有最大值和最小值？.关系具有哪些性质？.你能列出一些同时具有“自反、反对称和可传递”性质的关系吗？.你能用“”关系对集合的元素进行排序吗？四个元素为什么不能排在一条直线上？有没有最大值和最小值？设计微课资源微课是助力学生完成学习任务的重要资源，应该以学习清单为导引。在深度学习模式中，微课的作用可以是创设情境、呈现案例、提出任务或项目指导等。微课可以是网络上成熟的MOOC资源，更多则是自己定制的。在雨课堂中制作课前微课十分方便，制作完为手机定制的课件后，在手机端发布时教师可以很方便地进行语音解释，这样就完成了微课的制作。通过在手机课件中插入填空、选择或者判断题，教师在描述某个现象或者问题后，要求学生作答相应的题目，完成微课与学生的交互。获取课前反馈课前资源设计要完成两个目标：督促学生自主学习和获取学生已有知识情况及知识初步建构的状态。后者是进一步实现课堂深度学习的依据，主要通过在手机课件中插入精心设计的填空、选择或者判断题来实现，雨课堂可以对学生的反馈进行自动统计。在“偏序关系”一节中，在手机课件中插入了如下一组习题获取学生反馈：.使用“”关系可以对实数集进行排序。（）.所有实数可以排在一条直线上，是因为（）A.实数可以用数轴上的点表示 B.数轴上的点可以表示实数C.任意两个实数可以比较大小 D.实数对应于数轴.关系“”具有自反、反对称和可传递的性质。（）.下列不同时具有自反、反对称和可传递三个性质的关系是（）A. B.C.整除关系| D.模3同余.同时具有自反、反对称和可传递三个性质的关系可以对集合元素排序。（）.使用关系对集合排序时，四个元素不能排在一条直线上。（）课中设计在基于雨课堂的翻转课堂中实施深度学习需要遵循问题引领原则、人际互动原则和思维外显原则，三个原则环环相扣，共同促进深度学习。问题引领原则要引导学生进行旨向高阶思维的深度学习，需要以学生亲身参与的实践性活动为载体，通过其内部知识建构的心理活动来落实，设计重点在于把握问题的系统性。问题系统有多种表现形态：问题集优化、问题链优化、问题网优化、问题域优化等，突出特点在于反映知识的内在要素或思维的结构模型，从而帮助学生建构更有意义的深层知识组织[REFBIB_wangtr2015\h12]。在进行“偏序关系”一节的课堂教学中，通过如下问题引领，进行知识建构和高阶思维的训练：.使用偏序关系是否一定可以将集合元素排序在一条直线上？为什么？（引出可比的概念）.从偏序关系的关系图来看元素排序，哪些有向边可以省略？方向如何处理？（引出哈斯图的概念及构造方法）.使用偏序关系排序集合元素后，是否也有最大值和最小值等一些特殊元素？（引出极大值、极小值、最大值和最小值的概念和获取方法）.在办理保险索赔的流程中，假设为所有任务的集合，对，或者必须在完成后才能开始，可以用偏序集解决一些什么问题？（引导学生解决实际问题）人际互动原则课堂面对面的学习环境决定了课堂教学设计要充分发挥师生、生生人际交流的优势。一方面可以营造一个知识建构的情境，另一方面实现深度学习在个人领域对团队协作和有效沟通能力素养的要求。可以使用雨课堂的弹幕和投票功能调动所有学生参与讨论和协作。在“偏序关系”一节中，讨论问题“和实数集上的关系相比，为什么上的偏序关系不能将所有元素排在一条直线上？”时，学生十分感兴趣。思维外显原则维果斯基认为，所有的知识都始于可视化的社会交互。只有每个个体产出自我的信息表达，才有可能实现思维的碰撞和升华，促进集体智慧的生成，并经由内化提升个体认知[REFBIB_liwei2010\h13]。在基于雨课堂的深度学习课堂活动设计时，按照问题引领把整个课堂内容划分为几个单元，每个单元细分为信息输入、内化与输出几个环节的加工过程，通过一组习题的完成实现输出外显，基于输出的反馈更好地控制下一个单元的输入。在“偏序关系”一节中，将课堂内容分为偏序关系的定义、偏序关系用于集合元素排序、偏序关系哈斯图、偏序集上的特殊元素和特殊子集的应用五个单元，为每个单元分别设计了一组题目用于思维外显和测试反馈，使用雨课堂的“限时习题应答”功能实现。课后设计课后，除了根据课堂反馈布置一定量的常规习题用来巩固消化重要知识点外，还应设计一些较为复杂的实际问题，用来锻炼学生解决复杂问题的能力，同时激发学习兴趣，借助于雨课堂“讨论区”板块，进一步开展广泛深入地讨论，促进课后的深度学习。实施效果调查分析“离散数学”课程结束后，以问卷的形式对学生进行了调查，同时在期末考试中，将考试结果和基于雨课堂进行深度学习教学之前的情况进行了比较，两者都显示了在基于雨课堂的翻转课堂中进行深度学习教学的有效性。学生使用雨课堂进行深度学习的调查围绕深度学习教学模式要达成的目标设计了一组问题，对2018级计算机科学与技术专业的114名学生进行问卷调查，回收到有效问卷110份，有效率为96.5%。问卷包含的主要调查问题及支持比例如表1所示。表1问卷主要调查问题及支持比例阶段主要调查问题支持比例(%)课前通过雨课堂推送的课前预习资源，明确了课堂上即将要解决的问题吗？90.6通过雨课堂推送的课前预习资源，对课堂上即将要解决的问题有大致思路吗？86.3雨课堂推送的课前预习资源对对课堂知识的掌握有帮助吗？93.5课中你掌握离散数学中主要概念的来由了吗？89.2将一个新的概念融入已有概念体系有利于知识深入理解吗？92.4课堂的限时习题应答有利于知识理解消化吗？93.7雨课堂的弹幕讨论对培养知识表达和交流能力有帮助吗？91.2运用新的知识解决实际问题有利于提高学习兴趣吗？89.4课后你有没有尝试运用所学离散数学知识解决实际问题？75.4问卷调查结果表明：90.6%的学生通过雨课堂推送的课前预习资源明确了课堂上即将要解决的问题，是带着问题进入课堂的，并且86.3%的学生对课堂要解决的问题有了大致的思路；92.4%的学生认为将一个新的概念融入已有概念体系有利于知识深入理解，并且有89.2%的学生自信掌握了离散数学中主要概念的来由；91.2%的学生认为经常的课堂弹幕讨论对培养知识表达和交流能力有帮助；由于教学中注重运用所学知识解决实际问题，75.4%的学生表示尝试过运用所学离散数学知识解决过实际问题，特别是参与ACM程序设计比赛的学生。这说明：提出的教学模式是面向知识理解和问题解决的，教学过程注重知识内化和不同情境新问题的解决，有利于知识掌握和能力培养。《离散数学》课程实验效果《离散数学》是信息类专业的一门重要专业基础课程，它与研究连续变量的高等数学有一定的区别，概念多，内容抽象，是一门学生普遍反映较难的课程，教学改革之前的考试平均分一般在60-65分之间，挂科率接近20%。本教学模式从2018年春季学期开始应用于计算机科学与技术专业学生，经过两年的实践，教学资源基本完善，教学模式初步形成，取得了不错的教学效果。表2展示了2019年和实行改革前2017年期末考试各种题型得分率的比较，2017年和2019年的平均分分别为61.68和71.48。表2.2017和2019年各种题型得分率比较(%)年份选择题(30)判断题(10)填空题(20)解答题(30)综合题(10)201769.4766.4955.3559.8328.8201974.0969.760.2083.0164.42表2显示，从考察基本概念、基本方法的选择、填空和判断题到体现知识综合运用的解答题及考察问题解决能力的综合题，得分率都有一定程度的提升。特别是解答题和综合题得分率的提升幅度较大，说明学生综合运用所学知识解决实际问题的能力得到了较好的培养，达到了深度学习的目标要求。结论目前，基于雨课堂的翻转课堂教学还没有完全摆脱传统方式的束缚，停留在浅层学习阶段，达不到新工科建设对人才的要求，需要进行深度学习。本文从理论上总结了学习科学中深度学习的概念和实施策略，结合《离散数学》课程的教学实践，提出了基于雨课堂平台的深度学习教学模式，问卷调查和考试结果分析说明，该模式体现了深度学习的要求，能达到深度学习的目标，对在雨课堂平台上实施深度学习提供借鉴。参考文献[1] 肖安宝,谢俭,龚付强.雨课堂在高校思政课翻转教学中的运用[J].现代教育技术,2017(5):46-52.[2] 韩淼.基于慕课和雨课堂的高校思政课混合式教学——以“毛泽东思想和中国特色社会主义理论体系概论”慕课为例[J].现代教育技术,2018,v.28；No.207(7):66-71.[3] 杨芳,张欢瑞,张文霞.基于MOOC与雨课堂的混合式教学初探——以“生活英语听说”MOOC与雨课堂的教学实践为例[J].现代教育技术,2017(5):33-39.[4] BIGGS

J.Individualdifferencesinstudyprocessesandthequalityoflearningoutcomes[J].HigherEducation,1979,8(4):381-394.[5] 何玲,黎加厚.促进学生深度学习[J].现代教学,2005(5):29-30.[6] BRANSFORD

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