武汉理工大学疫情防控期间本科教学工作

简   报

教务处                 （第62期）        2020年4月21日  

教师教学案例与感悟分享（四十九）

 

《计算机数值分析》在线教学分享

----熊盛武、戚欣

受疫情影响，本学期《计算机数值分析》课程采用了在线教学的形式。

一、课程准备

停课不停教、停课不停学。面对疫情，仓促间，我们不得不采用这种从未用过的教学方式来进行《计算机数值分析》课程的教学。

如何保证在线学习与线下课堂教学质量实质等效，教师需要不断地思考和尝试，学生需要始终地包容和配合。

学生学的好不好和教师讲课讲得好不好有必然的联系吗？有没有学生无师自通？有没有学生讲了数遍，依然不会？答案显然。

面对不同的学生，教学的过程是统一的，但是学生学习的过程却是每个人都不一样的。我们教学的根本目的是什么？不是我们教的好不好，而是学生学的好不好！

二、课程引论案例

爱因斯坦说过“兴趣是最好的老师”。这就是说一个人一旦对某事物有了浓厚的兴趣，就会主动去求知、去探索、去实践，并在求知、探索、实践中产生愉快的情绪和体验。如何让同学们在开学第一课对课程内容产生兴趣，课程组针对引论课进行了精心设计。

首先，课程负责教师熊盛武教授结合当前新冠疫情和传染病数学模型，介绍了正在开展的疫情相关科研项目，生动阐述了如何从数据科学家的角度，向政府提供科学合理的防疫建议和意见。

随后，戚欣老师展开介绍了如何运用本课程中将学习到的常微分方程初值问题求解方法，以及约翰.霍普金斯大学医学院公开发布的全球新冠病毒疫情数据集，进行科学理性的分析。以数值分析实验的方法循序渐进地说明了，为什么在防疫过程中，限制人员流动、研制疫苗和特效药具有特殊的重要性。任课教师还利用数学软件Matlab的数据可视化功能，形象地展示和预测了在SIR传染病模型系统中，疫情的发展趋势和后续影响。

图1 传染病模型演示

结合当前热点事件的课程引论，成功激发了同学们的学习兴趣。课后，同学们在课程的线上讨论区中进行了热烈地讨论和评价。多位同学表示，通过这节课，明确了《计算机数值分析》课程在学科体系中的定位，理解了课程的意义，增加了学习的兴趣，同时能够更加理性和阳光地面对这场疫情。

最深刻的教育要让学生学会自己用眼睛去观察，用头脑去思考，用心灵去感受。

三、在线教学平台的运用

1.互联网基因

在比较了学校推荐的几个教学平台后，我们选择了有网易背景的中国大学MOOC平台。作为老牌的互联网企业，中国大学MOOC平台在不少地方体现了与生俱来具备的互联网基因。

教学平台的优劣并不完全在于提供的功能是否完备，或者技术架构是否先进，平台上是否具有高质量的内容更能成为吸引目标用户的首要因素。中国大学MOOC上大量的精品课程可以作为开展在线教学的重要基础。《计算机数值分析》选择了国家精品课程《数值分析》（东北大学）作为源课程，解决了短时间无法制作精良微课的问题。源课程中的微课视频，使学生可以不受时间空间限制地进行预习和课后自学。

2.学生生产有价值的内容

互联网基因也体现在鼓励和引导平台普通用户生产有价值的内容。课程单元作业的评定，即使在SPOC的私有范围内，对任课教师而言，也不是一件轻松的任务。平台提供的作业互评，不但提高了每位学生参与教学的积极性，同时通过批改其他同学的作业，也增强了课程知识的掌握程度。

课程讨论区提供了全程交流的空间，课堂上的讲解和课件中的疑问，任何学生都可以自由提出，任课教师和其他同学的答疑解惑不仅帮助了提问的同学，其实对于所有同学都能从问答讨论中受益匪浅。

图2 课程讨论区

3.从“谁来回答这道题”到“看看正确率分析”

课堂提问是教室中经常使用的教学交互方式，通过随机请同学回答问题，可以大致了解同学们对于知识的掌握情况，同时提高同学们在课堂中的专注度。但场景从教室转变为互联网环境后，这种方式变得不是那么便捷和有效。利用慕课堂微信小程序中的随堂练习功能，可以在课堂中的任意时刻，让全体同学参与针对课程知识的教学互动。实时的正确率分析，有助于任课教师随时对于教学内容和教学方法进行调优。

图3 随堂练习正确率统计

4.问卷结果决定课堂内容

理论与实践结合是深刻掌握知识、提高知识留存度的重要方法。针对课程所学知识在日常工作生活中如何进行运用，我们在每章结束时都进行了应用实例的补充。如何利用数据拟合方法去预测股价的趋势，常用的计算器是如何利用插值方法实现数学函数求值的，长江的水流量如何利用数值积分方法去估算的，等等。让同学们通过慕课堂问卷的形式选出自己最感兴趣的实例，任课教师根据问卷结果决定课堂讲解应用实例的内容，始终以学生为中心。

图4 问卷结果决定授课内容

四、效率工具的运用

当三尺讲台变为一方屏幕，教师面临巨大的挑战。纵使“十八线主播”也需“十八般武艺”。

利用思维导图工具Xmind将课程知识结构化、“立体化”，让学生随时了解当前讲授的知识点位于课程知识体系中的哪个“坐标”，前驱知识点后后续知识点分别是什么，帮助学生理解和构建完整的知识图谱。

将课程的所有资料，包括课件、实验代码、演示程序、思维导图等，分享至Github网站。随着课程的进展，任课教师逐步提交新章节的资料。学生通过使用版本控制工具，更新课程项目，确保得到最新版本的课程资料。

五、小结

事后回望，也许这场疫情是一个我们将传统以教为中心转变为以学为中心的最好契机。希望以上这些不成熟的做法对您有启发和帮助，期望在这个过程中和大家共同进步。

 

基于云课堂的在线课程教学探索

以编译原理课程为例

——饶文碧

1 引言

近年来，随着互联网信息技术不断渗透到教育行业，传统的教学模式正在不断地发生着改变。云课堂作为“互联网+教育”的典型教学形式受到了广泛的关注，为计算机教育发展提出了新思路和方法。云课堂与传统教学存在较大的差异，充分利用网络教学资源，建立一套丰富的、多层次、多视角、兼容性强的课程模型，实现多种教学形式的交叉互补，打通线上与线下两种模式，确保课程能满足不同层面的学生需求，这些都是基于云课程教学需要思考的问题。

目前武汉地区高校受疫情影响，广大教师积极响应停课不停学号召，采用线上远程授课方式进行教学。本文针对当前课程教学方式改革需求，以有效保证线上课程教学质量为目标，同时在已有编译原理线上线下混合式教学经验基础上，积极探索基于云课堂的在线课程教学方式实施的有效方法。

2 基于云课堂的在线课程建设核心内容

“云课堂”是基于云计算技术的一种高效、便捷、实时互动的远程教学课堂形式。使用者只需要通过互联网界面，进行简单易用的操作，便可快速高效地与全球各地学生、教师、家长等不同用户同步分享语音、视频及数据文件，而课堂中数据的传输、处理等复杂技术由云课堂服务商帮助使用者进行操作。

因此基于云课堂的网络在线课程建设包括如下内容：

（1）   MOOC/SPOC课程资源及其云服务平台：MOOC/SPOC的建设目标是实现教学资源的开放与共享，采用单独录播的形式制作，强调了精巧的课程设计，侧重于课程知识体系的构建。同时，为了有效保证MOOC/SPOC课程的质量，采用设置讨论题、在线作业和测验等评价方法来督促和检查学生的学习过程。国内MOOC/SPOC课程的云服务平台包括：中国大学MOOC（爱课程）、学堂在线、优慕课在线教育平台等。

（2）  线上课堂及其云服务平台：线上课堂的建设目标是建立一个不受时空限制的学习环境，它将传统课堂的交互性强、课堂气氛活跃等特点与网络课程传播广、可重复学习等特点相结合，主要是面向本校学生相近专业学生开放。线上课堂保留45分钟1节课，设计的侧重点在学习内容基础上获取更深厚的知识和更复杂的技能。目前我们建立线上课堂依托的云服务平台主要包括：慕课堂、雨课堂、超星速课等，同时还可以借助腾讯会议、Zoom等优秀的线上互动平台进一步提高线上课堂的互动性。

（3）在线实验及其服务平台：很多专业课程的教学不仅包含理论课，还包含实验环节，因此在线课程需要考虑在线实验的设计。由于实验环节强调的是动手能力的提升，因此在线实验课堂的建设更具挑战性。不同专业课程对在线实验课堂建设具有不同的特点，但综合而言主要也是包括实验教学资源和运行平台的建设。

3 编译原理在线课程教学方法探索

我校“编译原理”课程是软件工程、计算机科学与技术专业必修课，总计56学时，包括理论教学（48学时）、实验教学（8学时）两个主要环节。同时数据科学与大数据技术、人工智能新专业也将编译原理设为必修环节，但这两个专业相应课程教学学时较短（16学时理论+4学时实验）。教学实施皆在每学年的第2学期。课程的理论与实验教学内容、教学方式、教学过程等的设计对课程教学目标的达成十分重要。编译原理网络在线课程教学实施方案由SPOC课程及其资源、线上云课堂和在线实验共同完成。

3.1 编译原理SPOC课程的建设

“编译原理”课程已通过第4批校级精品在线开放课程的评审，课程建设成果是课程教学团队全体教师多年教学积累的体现。我们将教学内容中最核心的知识要素已制作成模块化、专题化的数字资源（导学、视频、教案课件、测验和练习习题等形式），并发布在网络平台上（同时部署在武汉理工大学在线教育综合平台和爱课程平台上）。目前已经用于软件工程专业15、16、17级、数据科学与大数据技术专业18级的编译原理混合式教学中。

SPOC线上教学资源的建设是实施基于云课堂的在线课程教学的基础，编译原理课程的SPOC教学资源可以直接用编译原理在线课程教学中。

3.2 编译原理在线云课堂的设计与教学实施

在进行编译原理在线课堂教学设计时，针对学生在网上通过SPOC等方式可以完成课程基础知识点学习的特点，我们探索将在线课堂设计定位为：梳理基础知识点，强化核心知识点的学习，并通过采用启发式、案例式、探究式等多种教学形式展开问题导向的教与学，引导学生站在计算机系统的角度去理解所学知识点对解决复杂工程问题的支撑作用。

（1）启发式教学方式

“编译原理”课程中所展现的理论和方法是计算机专业课程中不可多得的可开展启发式探究性学习的内容，也是培养学生发现问题、分析问题、解决问题能力的较好案例。在教学过程中，结合编译原理知识本身的特点，在授课方式上采用问题回溯与思维启发结合的方式传授知识。问题回溯与思维引导启发式思想示意图如图1所示，其中问题回溯部分主要在在线课堂（雨课堂/慕课堂+腾讯会议）进行适量的直播完成，而思维启发的过程则是通过在线直播梳 理贯通相应知识点+SPOC相应知识点视频学习来完成。

 

图1问题回溯与思维引导启发式思想示意图

（2）案例探究式教学方式

编译原理课程是以编译器为案例组织教学的，因此案例式教学模式在编译原理课程教学中具有天生优势；另外，在编译原理课程中所涉及到的原理、方法和技术在软件工程的很多领域得到应用，因此这些应用案例学习对加深学生对知识的理解，提升实践能力具有重要作用。

以编译器为案例的教学：编译原理SPOC网络教学平台资源包括：编译系统典型算法原理知识、算法实现、案例应用讲解等，在线课堂教学中注重采用案例驱动的“核心知识点-算法实现案例-编译模块实验”三点一线贯通教学，并引导学生线上阅读学习更多的相关资源，结合课程实验完成案例的综合实现或应用。

以编译技术应用方案为案例的教学：编译原理SPOC网络教学平台中包含有大量编译技术的应用案例阅读学习资源。我们在线课堂教学中提出编译技术应用案例的学习要求，并对基于知识点群的编译技术应用方案进行思路梳理，引导学生线上阅读学习相关资源，进行在线课堂中的互动讨论。

如：我们在“编译原理”课程的网络教学平台中，引入“有穷自动机在事务管理系统设计开发中的应用”教学案例，提供在线学习素材。在线课程教学中将介绍该案例的背景、应用价值、依据的基本原理、所涉及到的知识点，引导学生更好的理解和学习网络教学平台提供的案例资源，并组织学生成立线上研讨小组，针对相应选题进行资料的收集汇总，展开需求分析、研究方法、论据等方面的研讨。使得学生在研讨中掌握将自动机技术应用于解决复杂工程问题的思路与方法，同时通过开展案例研究型教学，促进学生积极思考，在学习、探索、分析、思考和体验的过程中使学生的多种专业能力得到锻炼。

图2 案例探究式在线教学的组织

3.3 基于云平台的编译原理在线实验的实施

编译原理在线实验教学是依托CG计算机实验教学一体化平台进行的，该平台由我校教务处组织申报的修购计划经费采购，图3是该平台结构图。CG平台充分利用计算机学院现有的云计算中心物理设备，打造计算机实验在线虚拟机房。

图3 CG计算机实验教学一体化平台结构图

本课程利用CG平台提供的在线实验环境、在线实验过程监测和在线实验教学资源管理等功能，为学生提供了不受时间与空间限制的实验环境，为保障编译原理课程全栈式线上教学打下了基础。基于CG云平台的编译原理在线实验已经在数据科学与大数据技术专业18级的教学中得以实施。

（1）线上实验指导书：我们将自编的实验讲义上传至该平台指导学生实验；

（2）学生实验线上指导：通过平台可以进入学生端，检查学生实验情况，并进行实时指导；

（3）线上实验评测管理：编译原理实验为程序设计类实验，因此借助平台的程序自动评测功能可对学生提交的代码进行功能和性能方面的测试，并给出综合得分。

图4 基于CG云平台的编译原理在线实验及其在线自动评测

3.4 编译原理课程在线课程考核方式的思考

截至到2020年1月，编译原理课程采用线上线下混合式教学方式，考核方式采用：课程总成绩=线上成绩+线下成绩的方式。其中，线上成绩=在线测试+在线作业+在线学习行为（在线时长、视频等资源学习、、答疑讨论中的活跃程度等）；线下成绩=课程考勤+课内实验+理论考试。

借鉴前面的编译原理混合式教学考核方式的实践，编译原理课程在线课程考核方式实施的关键是：如何将上述的线下成绩部分转化为线上完成。具体思路如下：

（1）  课程考勤：慕课堂、雨课堂等在线教学平台具有线上统计课程考勤的功能，因此可使用相应平台功能完成课程考勤。另外，利用课程教学QQ群中投票、打卡和签到等功能也完成课程考勤。

（2）  课内实验成绩：CG平台可对学生编译原理实验程序进行自动评测，给出线上实验成绩。

（3）  在线理论考试：目前防作弊的远程考试云平台还未得到广泛应用，我院没有专门远程考试平台，因此可考虑降低此项成绩的占总比例。CG平台可进行在线考试和基础在线监考，能够识别NAT网络和反向代理网络下的客户端真实IP地址，对考试过程进行实时监控；同时，还可采用让学生打开摄像头等方式辅助远程监考。

4 结束语

云课堂的建设符合了现代高等教育的发展趋势，具有灵活、交互性强、可重复等特点，满足学生个性化、自主学习的需求。本文探索了编译原理课程全栈式线上教学解决方案，其中SPOC在线资源+云课堂+在线实验的多元融合教学模式已经在以往的教学过程中进行实践，通过教学资源最大化和有效利用来提高在线课程教学质量。