PBL引导的翻转课堂
葛宝 田茵
关键词：翻转课堂;PBL;计算机网络;兴趣;创新
中图分类号：G434 ? ? ?文献标志码：B ? ? ? ? ? 文章编号：1673-8454（2019）18-0050-05
一、引言
翻转课堂是一种颠覆传统教育安排的教学模式，它将那些传统上被认为是课下的活动移入课堂，而将传统的教学内容移出课堂。在翻转课堂中，学生通过观看在线讲座、在线讨论合作或在家进行研究来学习，并在教师的指导下利用课堂时间进行积极的学习练习[1]。翻转课堂是混合学习的一种形式，混合学习指的是将面对面教学与计算机媒介活动相结合的任何形式的教育形式。
翻转课堂的概念可以追溯到哈佛大学教授Rahul Singh，他提出了一种叫做“同伴教学”[2]的教育策略。之后Mazur概述了这一策略，名为“同行指导：用户手册”[3]。这种教学法将信息转移出了教室，将信息的吸收同化移到了教室，让教师可以指导学生学习，而不是讲课。
翻转课堂于2007年由美国科罗拉多州林地公园高中的化学教师Jonathan Bergmann 和 Aaron Sams首次实施，他们录制了自己的讲座，并将其发布在网上，以便错过他们课程的学生上网学习[4]。然而对翻转课堂最知名的贡献者也许是Salman Khan，他在2004年应其表妹的要求开始录制视频，这些视频上传到了可汗学院的网站，现在可汗学院已经成为翻转课堂的代名词[5]，但观看在线视频只是翻转课堂策略的一个步骤，而不是完整的翻转课堂教学[6]。
随着信息技术的发展，翻转课堂变得越来越实用，并被许多国家采用。其硬件基础包括互联网、计算机或手机等互联网接入设施。它的软件环境是一个在线系统，例如，公共的MOOC、Coursera，也可以是面向小部分群体的Blackboard。其主要目的是为传统上面对面授课的课程添加在线元素，开发完全在线的课程，为学生和教师提供一个交流和分享内容的平台。
翻转课堂的课堂活动是一个更深层次的理解过程，通过这一过程，学生们在课外学习的知识得以重建和内化。Derek Bruff和范德比尔特大学的同事向Coursera Partners门户论坛提交了他们关于翻转课堂的概述，以及如图1所示的翻转课堂模型。
在翻转课堂中，教师可以通过布置视频讲座或其他被动学习活动作为课下作业，利用课堂时间进行更主动的学习活动，从而更深入地与学生互动，解决更为复杂、综合和开放性的问题。这一策略给学生和教师带来了许多好处[7]：
1.翻转课堂使得学生的参与程度更高
对学生来说，在传统课堂上听讲解课程是一种被动的活动，但是当学生在线学习课程时，他们会更加投入地学习，他们可以自己解决问题，也可进行协作活动，并与他人进行在线讨论，或在课堂上进行思维的碰撞。
2.翻轉课堂导致更深入的学习
这种模式允许学生在课堂上花更多的时间在Bloom's Taxonomy 分类[8]的高类别活动上，如分析、评价和创造，而在课堂外进行更低类别的活动，如记忆和理解。
3.翻转课堂能让学生按照自己的节奏学习
在传统课程中，讲课速度是教师主导的、固定的，因此有些学生会感到厌烦，而有些学生则跟不上这个速度。相比之下，在翻转课堂上，学生可以更好地控制课程内容，他们可以控制自己的节奏，可以暂停视频教程以便做笔记，或者在必要时回放。同时，学生间的合作和参与也增加了，因为速度更快的学生可以帮助速度更慢的学生。
然而，关于翻转课堂仍然存在一些争论，例如，在这样一个自我指导的课外学习环境中，一些独立性较差、理解力不足的学生可能会很快落后于他们的同龄人[9] [10]，因为在这样一个无人监督的环境下，这些学生没有明确的任务和目标，所以作为教师，必须清楚为什么要翻转、哪些内容适合翻转，并且能够控制课下自学的质量，翻转课堂才能真正提高教学效果。
在本文中，我们将翻转课堂与基于问题的学习[11]的教学方法相结合，并将这一策略应用到大学生的《计算机网络》课程中。我们通过在课堂内外提出一系列的问题来设定任务和目标，将较为容易的、独立的、小的问题放到课外自学，而将难的、与其他知识联系较多的、大的综合开放性问题放在课堂上，学生以任务驱动的方式解决这些问题，并以课外自学后的答题来评价学生解决问题或学习的程度，控制课外自学的质量，并根据课外自学情况动态调整课内的教学活动。
二、基于PBL的《计算机网络》翻转课堂
由于《计算机网络》课程的特点，它非常适合进行PBL和翻转课堂模式教学，在本节我们将翻转课堂与基于问题的学习相结合，讨论如何进行《计算机网络》的教学。
1.《计算机网络》课程的问题树结构
《计算机网络》是计算机科学、电子工程等许多专业的一门主干课程。在信息技术时代，我们的工作、学习和生活几乎离不开计算机和互联网。本课程的目的是研究如何设计包括硬件和软件在内的计算机网络。此外，随着信息技术的发展，什么是最佳设计是值得商榷的问题。其包括许多概念、技术、理论和相关的计算机知识，知识点之间的联系错综复杂，采用传统的教学方式进行教学并不是最合适的。本文在此以谢希仁版的《计算机网络》[12]为例，分析本门课程的特点，从而提出结合PBL来进行翻转教学。
整个《计算机网络》课程可以归纳为一个终极问题，即一封电子邮件或QQ消息是如何从你的电脑传递到你朋友电脑那端的，这是一个理解层面的问题。或者说我们如何让位于地球两端的计算机能够互相通信，这是一个任务驱动的问题。只要学生能够全面深刻地回答出这个问题，他们就掌握了《计算机网络》的主要内容。而这个终极问题可以分成许多个层次上的子问题，如图2所示。
第一个问题是最大的问题，也是我们的最终目标，在工程上一般通过分层的方式来解决，因此引出了第二个问题，即怎么分层实现这一大的功能。而实现完之后，计算机网络就搭建好了，从而产生另外一个问题，即问题3：如何评价搭建的计算网络的性能。
通过初步考虑第二个问题，我们知道数据在计算机网络间传递时类似于邮件的传递，发送端每一层加一个信封，而接收端每一层进行层层解封，最终在应用程序端收到原始的数据，而每层加的信封即首部信息，可以实现按地址选择路径等控制功能。因此，我们在接下来的学习过程中需要设计5个分层的功能，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，对应的问题为4-8，分别对应教材中的5个章节。
在讨论这5个大问题时，需要引导学生思考某一特定层次的功能为什么这样设计，其优缺点和适用场合是什么？例如对于网络层，首要的问题是数据分组怎么在计算机及路由器间传递直到到达接收端，即IP协议的设计问题（问题9），这一问题解决方案的核心是路由器通过IP地址来进行选择路径并转发出去，从而又引出两个问题，即路由器的路由表是怎么建立的（问题10）以及IPv4地址不够怎么办（问题11）。而IPv4地址不够又可通过以下两种方式来解决，构建内部网（问题12）和增大IP地址空间（问题13）。
以上述问题为例我们列举了《计算机网络》课程在教学中可层层递进，逐步通过这样的一个个问题来引导学生，这些问题之间的关系可以被认为是一个倒置的树形结构。从上往下看，我们通过任务或问题驱动的方式，来提出并解决问题，上层的每一个问题需要依赖它底层所包含的每一个问题的解决，这是我们推进整个学习的过程;从下往上看，当我们解决每个底层问题时，就会得到对应上层问题的答案，直到我们达到最终目标，即回答终极的问题，掌握如何设计计算机网络的所有细节。
总之，被定义为“一个课程开发和教学系统，通过让学生扮演面对反映现实世界的不良结构问题的积极解决者角色，开发学生的问题解决能力和学科知识技能” [11]的PBL教学策略非常适合《计算机网络》课程。因此在下一节中，我们将讨论将翻转课堂与PBL相结合的模式，以提高《计算机网络》课程的教学效果。
2.PBL引导的翻转课堂教学
翻转课堂模式分为两种活动，即学生活动和教师活动，如图3所示。教师和学生的活动又可以分为课外活动和课堂活动，课外学习主要依靠包括视频、幻灯片等在内的在线学习系统，学生从互联网上自主学习，需要自己思考，被动地接受教师或电脑的知识。课堂活动则是一个互动的过程，学生和教师可以面对面地讨论问题，促使他们更积极地、批判性地思考问题。
在解决问题或任务的过程中，一些概念、技术等相对有确定答案的、独立的知识点可通过线上的自学来完成，如果我们把这些琐碎的内容放到课堂上，将占用教师大量时间，也会削弱对《计算机网络》的基本原理和设计理念等主题的理解;而在一些开放性的讨论，如“实现这一体系怎么分层，合适的层数是多少，每一层的功能怎么划分”等问题时，这类复杂性、开放性问题本身就有多种答案，从而产生多种计算机网络协议，而且随着硬件的发展，有些协议被淘汰了，因此對于这些问题可放到课堂上进行，学生们可陈述各自的观点，直至给出多种合理的解决方案，再来对照教材讨论IEEE组织或工业界为什么这么设计。
我们以第一个问题为例来讲述整个PBL引导的翻转课堂。首先教师在Blackbord在线系统分发一个学习视频，依次介绍有线电话网络、电报网络、邮政服务网络的数据流过程，然后提出一个探索性问题：数据在计算机网络中是如何流动的？这也是如何设计计算机网络这一终极问题的核心。然后学生在家看视频，类比之前出现的网络，分析并思考，最后提出解决方案。在这个过程中，学生需要独立在线学习并在线答题，如果他们有疑问，可以在网上与其他学生或教师讨论，同时，教师需要及时了解学生的学习和答题情况，以便有效地组织下一堂课。
在课堂上，教师简单地总结回顾了几种网络的数据交换过程，并根据课前自测题的大体情况，有针对性地讲解重难点部分。然后，将学生分为3至5人的小组，进行分组讨论，给出小组最终的解决方案。在这个过程中，重要的是制定合理的小组合作规范来促进成员间积极的合作讨论，防止流于形式或个别学生依赖于别人。首先3-5人的小组规模有利于有效的讨论和合作，在合作过程中，需要一名组长，组织并统计每个人在合作中的贡献。例如，统计小组最终方案的每一条都是由谁提出的，以量化的形式记录并统计，最终表现为个人的平时成绩。当需要解决一个综合性问题时，这样的小组合作活动可放至课外，组长分解问题并布置每一项任务，最终形成一个综合的解决方案，并在课堂上展示这一解决方案。
在作品展示环节，教师主持整个活动，并观察记录每一小组的展示情况，给出这一小组的分数作为平时成绩的一部分。在课堂结尾，教师进行总结并引出接下来要解决的问题，评价、总结问题的解决过程，抽象出解决问题的一般思路，帮助学生更好地学习如何去学习和解决问题，而不仅仅是学习知识。学生填写课堂的整体评价，例如对教学过程每一个环节的满意程度和建议等，便于教师总结更新。在学期末，学生和教师都需要总结在整个学期教学活动中自己的工作，并反思自己的优势和不足，教师和学生也互相反馈，以便双方在以后继续改进。
如上所述，《计算机网络》课程的内容学习可以看作是解决一颗问题树上的问题，以问题为驱动，通过翻转的方式组织这门课程的教学活动是非常符合课程特点的。
在我们的教学活动中，PBL问题的提出主要发生在课前，即让学生带着需要解决的问题、目标或任务去自学，以问题来驱动整个教学过程，最后以是否解决问题、如何解决问题及解决的思路作为主要目标。
而互动反馈机制贯穿整个教学过程，学生在课前进行线上测验，教师通过测验结果掌握学习情况，来调整课堂内容;师生、学生之间也可在Blackboard上进行互动讨论;课堂上通过UMU互动软件，教师可随时掌握课上学生对于知识的理解情况;课堂上学生之间的小组合作学习发生在学生之间;教师通过观察学生的反馈表现，给学生评价并不断改进调整课程组织形式;课后填写反思、调查问卷等都属于互动反馈机制。另外，翻转的内容应尽量选择简单的、学生基本可以自己看懂的，以便节约课堂时间，对于一些难点内容，仍可考虑课堂讲授模式。
三、教学效果评价与讨论
为了检验PBL引导的翻转课堂的有效性，我们将所有学生分成两组，一组是进行传统教学的对照组，一组是实施该教学模式研究的实验组，对网络层这一章的内容教学进行基于问题的学习和翻转。通过平时成绩、测验和问卷来比较两种教学的效果，包括分数、技能和认知等的评价。
1.与对照组相比得分
通过传统的考试，实验组和对照组的平均得分分别为百分制的76.41分和70.02分，这里的分数不包括平时成绩，因为两组的平时成绩统计方式不一样。如图4所示，我们比较了在各种题型上两组分数的统计差异，小于0.05的p值在图中进行标注。很显然，我们看到总体上实验组比对照组得分更高，并且在选择题和综合题上具有显著的差异。
当我们检查两组试卷时，发现实验组在一些综合的、灵活的问题上表现尤为突出，这些问题也将两组的成绩拉开了距离。例如，一个问题是学校的计算机网络设计，并解释了为什么要设计这样的网络，实验组相比对照组学生的解答要更全面，更能说明为什么要这样设计。
然而，两组在填空题和简答题上没有显示出统计学差异，因为这些问题更像是客观测试，有明确的答案，其中简答题多是一些独立的知识点。而许多选择题是精心设计的，用来检查对相关知识的深刻理解，因此它们也在统计学上区分出了两组。这些结果表明，PBL引导的翻转课堂模式大大提高了学生的综合应用能力，增强了学生对于所学知识的深刻理解。
对于平时成绩，传统的课堂讲授包括上课的出勤率、平时作业、测验等量化打分，传统授课的总成绩在平时成绩这一项占期末分数的20%;而PBL引导的翻转课堂的平时成绩包括了自主的在线测验成绩、小组内部的贡献量化打分和教师对每一解决方案的整体打分，最后的这一项分数是以小组为单位的打分，这些平时成绩占总成绩的50%，因为完全可以通过这些平时的学习活动看出学生对于这一门课的掌握程度。调查问卷表明，90%以上的学生接受这种平时成绩所占的比例。
2.认知、态度、情感等方面的比较
我们通过调查问卷评估了实验组在实施了PBL引导的翻转课堂之前和之后的认知、态度、情感等的变化。统计结果表明，78%的学生相比开课初期发现和解决新问题的能力得到了极大的提高，92%的学生的表达、交流和合作能力也通过参加小组讨论得到了提高，25%的学生因为定期举行小组会议而提高了领导能力。几乎所有的学生都报告说他们和教师有了更深入的交流，他们认为与传统的课堂相比，他们可以自由地在线上向教师提问，而在课内，他们需要为自己的解决方案答辩，这是一种更有效的课堂和课外学习方式。
83%的学生宣称他们喜欢课外自主学习的方式，因为他们还可以倒退、暂停教学视频，甚至可以自由地选择教学材料，这种方式让他们对课程内容有更强的控制和更多的自由度。尽管学生可能会花更多的时间在自主学习上，但因为带着问题和任务，他们更能积极地学习课程，并且有很强的动力来解决指定的问题。86%的学生表示，通过课堂上的互动，他们对自主学到的东西有了更深的理解，知识得到了重构和内化。
随着这种模式的逐步推进，92%的学生通过对问题的参与和解决，获得了成就感，因此对这种教学模式和这门课表现出了更多的兴趣。另外，75%的学生认为他们在遇到新问题时不像开始那么无从下手或者缺乏勇气了，而且大部分学生的在线检索能力和技巧也得到了飞速的提高。
另一方面，我们注意到翻转课堂增加了学生的焦虑感，特别是在课外活动中，他们在观看视频或幻灯片时必须独立解决问题，因此他们需要查找大量信息，然后决定什么是最重要的和与解决方案相关的知识，也就是说，他们必须有很强的自学能力和判断能力，这正是信息专业学生所需要的。但是当他们解决了一个问题后，就有了很大的成就感，对这门课产生了浓厚的兴趣，并逐渐喜欢上了翻转课堂模式。
所以，教师需要很好地引导并有选择地分派课外的任务，让学生逐步适应这一过程，例如视频讲解自学的难点和关键点，并逐步加大自学的难度，否则的话学生很难跟上课内的讨论。而这就需要教师提前准备大量的工作，必须组织一个紧凑的、合乎逻辑的活动来获得一个高效的翻转课堂。
四、结束语
在本文中，我们讨论了结合PBL的《计算机网络》翻转课堂，该门课程的特点使得其内容的讲述可以通过一个接一个的问题来驱动，因此我们提出了PBL引导的翻转课程模式，并将其应用到教学实践中。与传统讲授的对照表明，学生对翻转课堂的方法有很高的接受度，测验和问卷调查也显示，PBL引导的翻转课程不仅帮助学生很好地吸收掌握了知识，增强了他们的自主学习能力、交流沟通能力和组织能力，更重要的是学生面对新问题不再惧怕，甚至能够发现新问题，对学科产生了浓厚的兴趣。
然而，在实施的过程中仍然有一些东西需要反思，这种模式需要学生在课外自学，并对教师的全面综合能力提出了更高的要求[13]。在现阶段，我们只是针对某一章的内容进行PBL引导的翻转课堂，将来我们计划逐步过渡到整门课的教学，然后对教育过程和结果进行更进一步的綜合评估。
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（编辑：李晓萍）
