PBL聯(lián)合情境模擬教學(xué)法的運(yùn)用-以“信息安全數(shù)學(xué)基礎(chǔ)”課程為例

“信息安全數(shù)學(xué)基礎(chǔ)”是信息安全本科專業(yè)的基礎(chǔ)課之一，對(duì)網(wǎng)絡(luò)空間安全理論與技術(shù)的深入學(xué)習(xí)具有重要的意義。但在長(zhǎng)期的課程教學(xué)過程中，逐步形成了偏重基礎(chǔ)理論知識(shí)，以教員課堂講授為主的靜態(tài)、單一化教學(xué)模式，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。PBL聯(lián)合情境模擬教學(xué)法通過設(shè)置實(shí)際情境，不斷以問題為線索，確保學(xué)生在情境模擬的學(xué)習(xí)體驗(yàn)中進(jìn)行沉浸式思考探究，得到解決問題的思路與方案，主動(dòng)構(gòu)建蘊(yùn)含在問題中的專業(yè)知識(shí)體系［1］。在“信息安全數(shù)學(xué)基礎(chǔ)”教學(xué)中引入PBL聯(lián)合情境模擬教學(xué)法，搭建“情境—問題—探究”教學(xué)模式基本框架，將學(xué)生放在教學(xué)活動(dòng)的主體地位，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，鼓勵(lì)學(xué)生積極主動(dòng)地思考，把傳統(tǒng)被動(dòng)式的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)性的學(xué)習(xí)［2］。一、“信息安全數(shù)學(xué)基礎(chǔ)”課程“情境—問題—探究”教學(xué)模式實(shí)施方案下面以課程中離散對(duì)數(shù)這一知識(shí)單元為例介紹具體的教學(xué)實(shí)施方案。（一）設(shè)置實(shí)際應(yīng)用情境設(shè)置兼具吸引力和有效性的應(yīng)用情境是“情境—問題—探究”教學(xué)模式的關(guān)鍵。吸引力是指這個(gè)情境設(shè)置對(duì)于絕大多數(shù)學(xué)生來說都是引人入勝且充滿活力的。該情境可以使學(xué)生深入主題，激發(fā)他們的欲望、探秘或挑戰(zhàn)等本能需求，使之積極地參與到課堂活動(dòng)中。創(chuàng)設(shè)的學(xué)習(xí)情境必須源自實(shí)際，讓學(xué)生身臨其境，避免枯燥的學(xué)術(shù)內(nèi)容，而是有趣生動(dòng)的素材，可選擇故事、新聞報(bào)道、視頻、圖片等多種形式。有效性是指情境設(shè)置能幫助學(xué)生在完成圍繞學(xué)習(xí)情境開展的問題探究、討論等活動(dòng)后，能夠獲得核心概念的成功構(gòu)建，培養(yǎng)更高層次的綜合素養(yǎng)和專業(yè)意識(shí)［3］。例如在介紹離散對(duì)數(shù)難題時(shí)可以設(shè)置以下故事情境：一次柏斌在外地某城市出差，得知該市要搞一個(gè)土地競(jìng)拍會(huì)。機(jī)不可失，柏斌馬上向老總匯報(bào)了這個(gè)消息，老總立即安排艾麗準(zhǔn)備標(biāo)書，艾麗想用電子郵件把標(biāo)書發(fā)給柏斌，但擔(dān)心被競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手截獲。打算用密碼算法對(duì)標(biāo)書進(jìn)行加密，這種密碼算法加解密雙方使用同一個(gè)密鑰參數(shù)。艾麗把加密后的標(biāo)書發(fā)給柏斌。柏斌由于沒有艾麗用的密鑰參數(shù)，無法解密。但艾麗說在電話上告訴柏斌密鑰不安全。艾麗很苦惱，不知如何是好。學(xué)生通過查閱課外有關(guān)Diffie-Hellman密鑰協(xié)商協(xié)議的相關(guān)資料，分組自行設(shè)計(jì)能解決上述雙方密鑰參數(shù)產(chǎn)生的具體方案，給出算法參數(shù)產(chǎn)生及詳細(xì)的加解密過程，并制作PPT匯報(bào)材料。（二）提出關(guān)鍵問題教學(xué)實(shí)施的第二個(gè)環(huán)節(jié)是結(jié)合具體情境，提出關(guān)鍵問題。問題是學(xué)習(xí)探究的航標(biāo)，能夠指向和突出學(xué)習(xí)單元中的核心知識(shí)點(diǎn)，它們像一條通道，通過它們，學(xué)習(xí)者可以探索教學(xué)內(nèi)容中或許仍未被理解的關(guān)鍵概念、主題、理論等，可以為學(xué)生主動(dòng)探究活動(dòng)的持續(xù)開展提供充足的動(dòng)力，能夠激發(fā)更多關(guān)聯(lián)問題的深度思考、熱烈討論和新的理解［4］。在具體的教學(xué)實(shí)踐中，教師可以選擇層層遞進(jìn)、一環(huán)套一環(huán)的“串聯(lián)”問題模式，也可采取多維度、不同視角的“并聯(lián)”問題模式，或者采用同時(shí)兼顧深度與廣度的“串并聯(lián)”模式。例如，在離散對(duì)數(shù)問題的教學(xué)過程中，結(jié)合上述情境，教師可以設(shè)計(jì)以下問題：如何利用Diffie-Hellman密鑰協(xié)商協(xié)議解決故事情境中艾麗和柏斌遇到的困境？什么是離散對(duì)數(shù)？離散對(duì)數(shù)與我們學(xué)過的對(duì)數(shù)有何區(qū)別？它具有哪些類同于對(duì)數(shù)的基本性質(zhì)？離散對(duì)數(shù)的概念中涉及的哪些知識(shí)點(diǎn)是我們之前學(xué)過的？什么是離散對(duì)數(shù)困難問題？你是通過怎樣的探究發(fā)現(xiàn)離散對(duì)數(shù)問題的困難性的？（三）引導(dǎo)深入探究教師設(shè)置故事情境，結(jié)合具體情境提出問題，進(jìn)而需要圍繞情境問題為學(xué)生提供合理的學(xué)習(xí)體驗(yàn)機(jī)會(huì)，如開展翻轉(zhuǎn)課堂、角色扮演、分組研討等，同時(shí)應(yīng)充分考慮學(xué)生先前經(jīng)驗(yàn)的不足，教師可以通過精心設(shè)計(jì)詳細(xì)的問題探究指南，為學(xué)生的主動(dòng)探究搭建“腳手架”，引導(dǎo)學(xué)生積極參與到對(duì)大概念和基本問題的探索中，在故事情境與相關(guān)數(shù)學(xué)原理之間建立聯(lián)系，通過問題探究的全過程體驗(yàn)逐步加深對(duì)核心問題和知識(shí)的理解。針對(duì)離散對(duì)數(shù)這一知識(shí)單元，可設(shè)置如圖1所示的探索和體驗(yàn)過程。在教學(xué)探究過程中，教師的角色為多重角色：一是教學(xué)的組織者，起到組織教學(xué)活動(dòng)，營(yíng)造學(xué)習(xí)氛圍，監(jiān)督和評(píng)估學(xué)生學(xué)習(xí)效果的作用；二是引導(dǎo)者，在學(xué)生的自主學(xué)習(xí)探究過程中指引學(xué)習(xí)的方向，在允許學(xué)生自由探索的前提下避免部分學(xué)生過遠(yuǎn)地“偏離航線”；三是感染者，教師應(yīng)融會(huì)貫通學(xué)科知識(shí)，不僅講授學(xué)科知識(shí)，而且要與學(xué)生交流自己對(duì)學(xué)科的認(rèn)識(shí)過程、體驗(yàn)和感悟，以自身的知識(shí)儲(chǔ)備和個(gè)人修養(yǎng)感染學(xué)生，讓學(xué)生站在教師的肩上認(rèn)知世界。圖1問題探究指南（四）研討質(zhì)疑在學(xué)生分組完成自主探究之后，可以通過請(qǐng)學(xué)生繪制思維導(dǎo)圖、組織小組匯報(bào)、開展計(jì)算競(jìng)賽等方式為學(xué)生提供機(jī)會(huì)來對(duì)探究的過程和結(jié)果進(jìn)行分享、回溯、檢驗(yàn)，提出不同見解，教師要起到很好的引領(lǐng)作用，及時(shí)對(duì)學(xué)生的觀點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)疑和點(diǎn)評(píng)，并且穿插部分知識(shí)點(diǎn)講授，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)關(guān)鍵的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行重新思考，對(duì)自己的探究過程進(jìn)行適時(shí)的修訂。針對(duì)本次課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容，教師可以采取下列方式：請(qǐng)學(xué)生按組交流展示課堂問題探究報(bào)告，互相質(zhì)疑評(píng)價(jià)，對(duì)課堂探究報(bào)告進(jìn)行重新思考、修訂完善，教師在交流展示中進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。（五）考核評(píng)估為最大限度地激發(fā)學(xué)生圍繞問題情境開展自主探究的積極性，教學(xué)過程中及時(shí)地進(jìn)行形成性評(píng)估十分關(guān)鍵。形成性評(píng)估包括教師對(duì)學(xué)生的評(píng)估和學(xué)生的自我評(píng)估。教師對(duì)學(xué)生的評(píng)估貫穿于整個(gè)教學(xué)過程中，并延伸至課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)及自主學(xué)習(xí)階段，采取的形式多種多樣，可通過記錄學(xué)生答題、討論情況，課堂練習(xí)、隨堂測(cè)驗(yàn)、課程論文、課堂報(bào)告、思維導(dǎo)圖、文獻(xiàn)綜述、實(shí)踐/調(diào)研報(bào)告、期中/期末考試等；學(xué)生的自評(píng)是指隨著教學(xué)的進(jìn)展，教師要積極幫助學(xué)生結(jié)合自身學(xué)習(xí)情況不斷地進(jìn)行自我監(jiān)控、自我評(píng)估和適時(shí)的自我調(diào)整，從而建立自己對(duì)已理解和尚未理解的內(nèi)容、已完成的和尚未完成任務(wù)的逐步清晰的認(rèn)識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生積極思考自己在探究過程中采用的哪些方法有效，哪些無效，哪些可能做得更好。例如可以采取以下方式讓學(xué)生進(jìn)行自我評(píng)估：（1）要求學(xué)生給出的每一個(gè)正式的成果或表現(xiàn)都附帶有自我評(píng)估，自我評(píng)估的準(zhǔn)確性在學(xué)生的成績(jī)中會(huì)占有小部分權(quán)重；（2）在一節(jié)課結(jié)束時(shí)進(jìn)行一分鐘總結(jié)隨筆，讓學(xué)生總結(jié)兩到三個(gè)自己仍未解決的關(guān)鍵要點(diǎn)和問題，也可提出需要繼續(xù)探討的新問題。二、教學(xué)效果分析我們通過對(duì)學(xué)生開展問卷調(diào)查，邀請(qǐng)教學(xué)督導(dǎo)聽課評(píng)價(jià)，對(duì)學(xué)生課程考核成績(jī)進(jìn)行對(duì)比分析等方式對(duì)PBL聯(lián)合情境模擬在“信息安全數(shù)學(xué)基礎(chǔ)”教學(xué)中的應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，與“師講生聽”傳統(tǒng)講授式課堂相比，新的課程教學(xué)模式體現(xiàn)出以下優(yōu)越性。（一）扭轉(zhuǎn)沉悶死板的課堂氛圍，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性“信息安全數(shù)學(xué)基礎(chǔ)”課程內(nèi)容包含抽象的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論，傳統(tǒng)的“灌輸式”教學(xué)模式是以教師單向的講授為主，學(xué)生處于被動(dòng)接受的狀態(tài)，未能充分激發(fā)學(xué)生主動(dòng)參與課堂學(xué)習(xí)的興趣，課堂氛圍比較沉悶。PBL聯(lián)合情境模擬教學(xué)模式將課程知識(shí)單元與信息安全領(lǐng)域內(nèi)的經(jīng)典事件、新穎理論、特殊的謎題及實(shí)際安全問題建立聯(lián)系，設(shè)置主題學(xué)習(xí)情境，激發(fā)學(xué)生的好奇心和探究欲望，在具體的情境中，再由若干個(gè)問題進(jìn)行穿插引導(dǎo)，做到問題與情境的相互呼應(yīng)，由淺入深、循序漸進(jìn)，兼顧理論和實(shí)踐，讓學(xué)生帶著問題走進(jìn)情境，在情境中思考問題，體會(huì)自主探究、解決問題的樂趣。（二）轉(zhuǎn)變教師中心模式，樹立學(xué)生中心理念在“信息安全數(shù)學(xué)基礎(chǔ)”中引入PBL聯(lián)合情境模擬教學(xué)模式，突破了“以教師為主體”的傳統(tǒng)教學(xué)方式，摒棄原有的“教案加講稿”的單純講授式教學(xué)設(shè)計(jì)，精心制訂兼具有效性和吸引力的教學(xué)設(shè)計(jì)方案，設(shè)置具有挑戰(zhàn)性的問題＋情境作為切入點(diǎn)，將實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)安全需求與學(xué)習(xí)情境通過問題的形式融為一體，激發(fā)潛藏在每一位學(xué)生身上的責(zé)任感，樹立學(xué)生課堂上的中心地位，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自我鼓勵(lì)、設(shè)置自我完成目標(biāo)，為學(xué)生提供自由表達(dá)、質(zhì)疑和討論的機(jī)會(huì)，促使學(xué)生深入思考、討論，積極參與到對(duì)基本概念及理論的挖掘和探索過程中，并嘗試在應(yīng)用層面進(jìn)行實(shí)踐。在整個(gè)教學(xué)過程中，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主觀能動(dòng)性，始終體現(xiàn)學(xué)生的主體性。（三）改變單一的知識(shí)傳授，突出學(xué)生綜合能力培養(yǎng)在現(xiàn)有“信息安全數(shù)學(xué)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)中引入PBL聯(lián)合情境模擬教學(xué)理念，改變傳統(tǒng)教學(xué)模式下單一的知識(shí)傳授模式，樹立能力教學(xué)理念，強(qiáng)調(diào)學(xué)生實(shí)踐參與和親身體驗(yàn)，著眼于學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)與提高，重視課堂情境模擬、問題探究與研討等環(huán)節(jié)，實(shí)施高效的課堂管理，開展更加科學(xué)精準(zhǔn)的課程全過程考核，密切關(guān)注學(xué)生好奇心、求知欲望和創(chuàng)新意識(shí)；訓(xùn)練學(xué)生開展文獻(xiàn)檢閱、口頭表達(dá)、撰寫報(bào)告和團(tuán)隊(duì)攻關(guān)等多方面素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑、開放的學(xué)習(xí)精神和創(chuàng)新意識(shí)，讓學(xué)生感受綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)開展專業(yè)研究的過程，提高自主學(xué)習(xí)能力、獨(dú)立探究能力和理論聯(lián)系實(shí)際的能力。在PBL聯(lián)合情境模擬教學(xué)模式的具體實(shí)施過程中也發(fā)現(xiàn)存在一些問題：一是教師對(duì)新教學(xué)模式的還在實(shí)踐摸索階段，積累的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)還不夠豐富，儲(chǔ)備的課程學(xué)習(xí)資源無法充分滿足實(shí)際的教學(xué)需求，導(dǎo)致問題情境設(shè)置對(duì)學(xué)生的吸引力不夠，學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)探究的熱情不高，動(dòng)力不足，同時(shí)針對(duì)新模式下靈活多變的課堂節(jié)奏把控能力不足，難以實(shí)現(xiàn)課堂形式的多變性與教學(xué)目標(biāo)既定性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，等等；二是少數(shù)基礎(chǔ)較為薄弱的學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)能力不足，課外任務(wù)執(zhí)行率低，課上參與度不高，直接影響課程學(xué)習(xí)效果?；谝陨蠁栴}，教師應(yīng)首先從提高自身教學(xué)水平和科研實(shí)踐能力出發(fā)，積累課程資源，學(xué)習(xí)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，改進(jìn)教學(xué)手段，調(diào)整考核方式。同時(shí)對(duì)學(xué)生特別是后進(jìn)生投入更多的精力和關(guān)注度，開展一對(duì)一的交流疏導(dǎo)，幫助他們克服在課程學(xué)習(xí)中的心理障礙，查找問題癥結(jié)所在，并因人而異，對(duì)癥下藥，挖掘他們的內(nèi)在潛