《群智能计算及应用》线上线下混合教学模式探索

朱子强，闫文君，付宇鹏，王萌

（海军航空大学， 山东 烟台）

一 引言

《群智能计算及应用》课程是硕士研究生的一门学科专业课。课程适用的教学对象为信息与通信工程和电子信息专业的学员。其支撑的研究方向为无人机集群控制、通信信号处理、故障诊断和作业调度等。课程特点是知识概念多、覆盖领域广和实践要求高。

在当前高等教育教学改革的大背景下，越来越多的高校教师开始尝试着将教学模式由线下转向线上教学。尤其是自2020年新冠肺炎疫情爆发以来，利用互联网中的在线教学工具，比如“腾讯会议”“钉钉”等进行教学，已经成为了一种相对常用的教学方式[1]。虽然网上也存在着很多的教学资源，但是对于大多数学生来说线下传统课堂的学习仍然是必不可少的，因此，我们结合《群智能计算及应用》课程自身特点，探索线上线下混合式教学方法，为学生提供更高效、更优质的学习方法和学习环境。

二 研究背景

传统的教学过程以教师为中心，强调教师的主体作用。这种教学方式相对来说简单容易，新教师在从教之后很容易执行，只需要对所学内容掌握比较好，就可以按部就班的将相关知识交给学生。但是缺点也很明显，学生的学习过程会过度依赖老师，不能够充分调动学生的学习积极性，在整个学习过程中缺乏发现问题和解决问题的动力，缺乏自主学习和自主探究的意识[2]，同时传统教学方式也没用充分利用现代科技发展所带来的便利来提高教学的效率。

传统的课堂中，一节课只有45分钟时间，受课程学时的影响，教师在有限的授课时间内只能讲授相关的基础知识，像在人工智能相关的课程中，技术的发展日新月异，如果仅仅依靠课堂中的时间，教师无法将相关的先进技术全都教授给学生，同时，教师可能对于行业最新、最前沿的技术也并不掌握，因此学生所学内容跟不上行业发展的速度。

与本科生相比，研究生已掌握了一定的基础理论、 专门知识和基本技能，具备了从事科学研究或专门技术工作的初步能力[3]。同时我们对于研究生的培养要求不同，研究生的培养方式以自主学习、自主研究为主，培养锻炼学生的自主学习能力和自主科研能力。我们希望研究生对学习的内容更加的深入、要能够有发现问题、分析问题和解决问题的能力。因此在网络资源的自主学习方面，相对于本科生研究生会更有针对性，搜索资源的手段更加丰富，能够判断出网络教学资源对于自己的适用程度，提高学习的效率。从理论上将，研究生更适合于网络资源的自主学习。

当前虽然有很多教师开始尝试在线上线下混合教学模式，但是普遍还是存在一些问题，在线上教学的过程中，有些教师只注重了气氛和学生的意愿[4]，而忽略了教学的核心目标。另一方面，有些教师只知道一味地模仿、复制，不对课程进行创新，脱离学生的实际学习需求，无法给学生带来具有现实意义的学习内容，不利于激发学生学习外语的积极性[5]。

三 教学设计

《群智能计算及应用》课程的教学目标包含四个层次，一是使学员掌握群智能技术的基本知识和理论的知识目标；二是使学员具备实战化和生活化的案例解决能力的应用目标；三是培养学员自主参与课程、主动学习、乐于探索的自我目标；四是培养学员对课程热爱、对事业忠诚的思政目标。根据以上教学目标以及学情特点，我们按照线上线下教学优势互补的原则，将教学环节分为混合教学设计、线上教学实施和线下教学实施三个部分，并在每一个部分更进一步将实施环节细化，其中线上环节侧重于学生对于基本理论的自我学习，线下环节侧重于教员对学生进行引导、学生之间进行研讨以及教员最后进行总结，形成了线上线下一体化的教学环境。本门课程的整体设计结构如图1所示：

图1 《群智能计算及应用》“线上线下”混合式教学模式结构图

（一） 资源建设

根据我们对于人才培养的要求，我们希望在课程资源建设实施中能够实现军地资源优势互补的目标，这也是我们进行“线上线下”课程改革的原则。一方面，这样可以充分利用国内外优质教学资源，另一方面，通过这种方法也可以充分发挥课程组教员对于军事应用理解的作用，在课堂上加强学生对于智能算法的理解，提高学生的学习兴趣。在教材选择上，我们分别选用自编的《群智能及其军事应用》和北京大学谭营主编的《Swarm Intelligence》作为主讲和辅助教材，使用自编教材的优势在于教材中有着丰富的军事应用案例，贴合我们对于学生培养的最终要求，同时结合辅助教材可以满足不同的学员是否要对知识点进一步学习的要求。

我们采用了自建课程+在线SPOC的的形式[6]，录制了《群智能的Matlab实现方法》《群智能算法的军事应用》等4个视频资源； 引入了包括上海交通大学许志钦的《最优化方法》、清华大学袁博的《进化计算》在内的国内外优秀的5个视频资源。此外，本课程拥有59个案例的算法程序库，代码总数超过10万行，共同构成了本课程的在线资源体系。课程资源建设情况如图2所示：

图2 《群智能计算及应用》课程资源建设情况图

（二） 教学流程

在实施过程中，我们充分利用网络优势，把学生对于基础知识学习任务转移到课外，把练习讨论、知识消化转移到课内，将讨论交流作为课堂的主要形式，并通过案例式实验课的形式帮助学员巩固提高对于知识点的理解。根据PDCA戴明环理论（图3），将授课过程分为计划、实施、检验和总结四个步骤[7]，具体为：

图3 PDCA戴明环理论

Plan，在课前环节，提出问题，及时发布公告和资源，学员自主学习课程。

Do，在课上环节，采取教师讲解、互动研讨、随堂测试和翻转课堂的方式分析问题。

Check，在实验课中，解决问题，并针对难点问题线上线下持续性讨论。

Act，在课后，发布教学视频，便于学员随时学习；对问题的解决方式进行检验；并采用实践考核+论文考核的多元评价方式对学员学习成果进行评价。

针对一个知识点，我们要求学员在课前带着案例进行理论学习，这部分学习在线上。在课上，我们给学员一个问题，让学员运用基本理论解决实际问题，并根据知识点难易程度分配课时。课上部分包括三个阶段：第一阶段基础知识巩固，大约15~20分钟，主要是帮助学员加深对课前自学知识点的理解；第二阶段翻转课堂和研讨，大约10~30分钟，过程中让学生互相讨论对于所学知识的一些理解，相互交流、学习；第三部分案例式教学实践，大约20~90分钟，给学生一个具体要解决的问题，让学生能够运用自学的知识，相互合作、配合来解决问题。课后部分包括线上复习、线上线下讨论和作业完成三个环节，让学员能够对课程进行理论的学习得到进一步巩固。

（三） 教学方法

在授课过程中，我们使用了翻转课堂、研讨式教学法、案例驱动式教学法来提升授课质量。

在翻转课堂中，要求学员课前带着问题学习基本理论，在课上相互交流、学习，传授学习经验，并且能够利用基本理论解决问题，也可以让学生成为“老师”来讲授此次课的内容[8]。这种角色变换方式不仅能够提升学员的学习兴趣，还能加深学员对知识点以及整门课程的理解。

在研讨式教学法中，我们针对课程中容易混淆的概念和重难点问题进行讨论，让学员在头脑风暴中使得思想得到碰撞。通过这种方式可以很大程度上避免了学员在学习过程中对某一部分内容可能存在认知上的偏差，并且对于不理解的问题在互相讨论中也可以得到解决，减少了因为学员对于不理解的问题越攒越多，导致最后出现厌学的情况。

在案例式教学中，我们将实战化和生活化案例引入教学中，这样一方面提高了学员学习兴趣，另一方面加强了学员对部队的了解，让学员我们为什么要学习这些，我们学习这些内容将来有什么样的用途，以及怎样将所学的知识运用到实际问题中去，同时将理论与实践相结合，一举三得。

（四） 创新与特色

1. 兴趣指引，聚焦“引导式自主学习”。针对线上教学缺乏对学员的监督的问题，我们在线下组织课程时，将重点放在提高学员学习内驱力和持续学习能力培养上。不仅强调“以学员为中心”，更加强调“以学习为中心”，变被动接收知识为主动学习，弱化教员在理论讲授中的作用，更加强调教员的引导作用，实现从“教学”到“学教”的教学模式翻转。

2. 优势互补，构建线上线下新生态。通过自建课程+在线SPOC结合的形式，整合了丰富的在线教学资源，并持续更新。同时，将线上教学资源与团队教学特点优势互补。一是发挥课程组教员对学情和军事应用的把握；二是充分利用国内外高校精品课程和网络资源，构建了围绕群智能技术的线上线下新生态。

3. 教研相长，创新了教学手段。在教学手段上，充分利用钉钉在线直播、雨课堂等手段开展线上线下教学，让技术与教学融合起来。在教学方法上，广泛采用了研讨式、案例式和翻转课堂的教学方法，改善了传统教学法研讨和巩固时间不足的问题。在教学内容上，多项科研成果在课程教学上得到了转化。

4. 案例驱动，促进学员个性化发展。针对研究生专业分散、研究方向多的特点，在分析学情的基础上，个性化定制教学内容。课程结合课程思政、实战化主题和前沿科技，形成了丰富的案例库，学员在实验课程中根据研究方向和自身基础个性化选择实验案例。同时鼓励学员参加国际群智能会议和地方高校高水平培训，以及发表高水平论文。

四 教学效果与评价

（一） 学员反馈方面

学员提出的问题数量大幅增加，这得益于线上更加开放的环境。在问卷调查中，学员普遍反馈通过线上线下混合式教学的转变，在课程中收获很大，课程组对于课程的改革是“理论与实践的完美结合”。

（二） 案例实现情况方面

混合式教学之前的实验由于时间不充分，一般是求取函数极值或者背包问题等简单问题实现，混合教学后，一般要求学员对通信信号进行分析、多级协同任务分配等高阶问题，难度加大。实验问题变化情况如表1所示：

表1 混合式教学前后实验问题对比

以基于遗传算法的排课问题为例，学员针对学院2020年春季学期课程的排课问题，从染色体选取、适应度函数建立、交叉、变异等环节进行建模，从结果上看，能够较好地实现排课算法，单个排课算法代码超过1000行，10秒的程序运行约相当于人工4个小时的工作量，成效显著。

（三） 作业以及知识理解方面

学员对于问题的思考更加深刻，完成的实验和作业质量大幅提高。通过混合式教学，学员学习兴趣和理论联系实际能力均得到较大提高。课程紧贴前沿，学员在各自研究领域均有较大收获，课程在线上线下混合式教学中得到升华。

五 结语

针对《群智能计算及应用》研究生课程，以提高学员学习内驱力和持续学习能力为目标，对课程进行线上线下混合式的的教学设计，在学员能够进行基本理论自主学习的基础上，对学员进行引导，帮助学员构建专业知识和技能体系。根据已取得的教学效果发现，通过线上线下混合式的教学方式，很大程度上提高了学员对于知识的理解，实验和作业的质量得到大幅度提高，对学员提高学习兴趣、加强理论联系实际的能力方面都有非常积极的作用。