面向计算机专业的“区块链技术”翻转课堂设计_唐源.pdf

本栏目责任编辑：王力信息化与计算机教育Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第3期(2023年1月）第19卷第3期(2023年1月）面向计算机专业的“区块链技术”翻转课堂设计唐源，吴静，吴旭，李昱瑾（成都理工大学计算机与网络安全学院（牛津布鲁克斯学院），四川 成都 610059)摘要：区块链是计算机类专业的一门前沿热点课程，涉及选修知识广泛，要求学生具备一定的专业知识综合应用能力。本文提出使用翻转课堂的教学模式(O-PIRTAS)，将理论与应用实践有机结合，旨在通过项目推进、案例驱动，加强思维方式的训练和内在学习动机的激发，满足新工科专业建设的需求，以解决此类课程在传统教学模式下存在的主要问题。关键词：区块链技术；共识算法；翻转课堂；O-PIRTAS中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2023)03-0146-03开放科学（资源服务）标识码(OSID)：区块链产业快速发展，催生对人才的需求。区块链技术是被公认的颠覆性创新技术，2019年中央强调把区块链作为核心技术自主创新重要突破口，需要加快推动区块链技术和产业创新的快速发展1。同时，区块链被认为是高等教育中最具影响力的六大技术之一2。目前在金融、物流、物联网、智能制造、医疗、公共服务、数字资产交易等领域广泛应用。然而，相关从业人员对区块链技术的理解还停留在相对初步的水平。从事区块链关键技术应用与研究的本科及研究生等中高层次的人才十分紧缺3。高校正好是培养中高端人才的场所，而区块链专业是典型的新型工科专业。区块链技术是一门基于密码学原理、数学、计算机程序设计等综合知识的课程，需要让本科生掌握密码技术、程序设计、数字资产、分布式一致性等相关的基础知识，培养其使用区块链技术，解决去中心化信任、公开透明、不可篡改、不可伪造和跟踪回溯等安全问题，并能够设计和使用区块链来实现各行业的数字资产配置。计算机相关专业开设“区块链技术”课程，旨在通过系统地介绍和剖析区块链技术问题，深入地学习区块链各个技术组成的基本原理，并从系统开发的角度理解和实现每个技术组成的程序设计。培养学生的跨学科学习能力和综合实践能力。该课程的开设对培育复合型人才具有不容小觑的现实意义。然而，高校普遍采用传统的讲授式教学模式，学生习惯于被动地听老师讲课，自主学习能力不强，同时缺乏动手实践能力以及独立思考的思维方法。显而易见，这将不利于新工科复合型人才的培养。因此在教学活动中激发学生主动学习动机，培养其创新动手能力，是高校教师在教学改革中重点关注的问题之一。目前有一些很好的工作进行了教学改革研究4。本文结合“区块链技术”课程开展过程中表现出来的问题，使用基于O-PIRTAS翻转课堂教学法的教学模式5，通过设计丰富的学习视频、知识测试、实践项目和教学活动，增强学生实践能力训练和内在学习动机，提升教学效果。1 区块链教学存在的问题区块链技术涉及点对点传输、密码学、分布式存储等信息技术，以及传播学、知识产权、经济学等多学科融合。同时区块链课程具有很强的实践性，课程涉及的内容广、发展速度快，这对授课和学习都有不小的挑战。在实际教学中，发现存在以下问题：(1)理论与实践脱节，缺少实践和应用由于课程涉及众多知识点，故而需要学生具备或掌握其复杂的选修课程。同时实验教学环节相对薄弱，缺少让学生将相关知识付诸实践的环节。学生缺乏理论与实践相结合的能力，大部分同学仅仅掌握了一些基本的理论概念，实际参与软件设计、开发的机会匮乏。学生的动手能力和创新能力得不到有效的培养。(2)技术体系复杂，难以理解区块链技术本身的复杂性，学生不太容易理解。在实际教学中，教师大多以课本内容为主，教学过程缺少实际数据和案例。探索现有的人才培养方式与项目实践相结合的方向十分有必要，尝试新的满足社会发展需要的实践教学模式，例如结合当下司法证据追踪等流行场景应用，将抽象的区块链理论实现具体化。(3)教学方法单一作为前沿热点技术，目前学生对基础理论的学习不够重视。而教师教学过程中重点偏向于理论教学，导致学与用之间缺乏良好互动。在授课过程中教学方法不灵活，主要以课堂教学为主，很少采用讨论式、项目式、活动式等教学方法，忽略了学生的主体地位，不能很好地带动学生的主观能动性。(4)学生的学习动力不足学生普遍反映该课程内容抽象、不易理解,从而在学习中产生畏惧和厌烦的情绪。客观而言，区块链涉及的各项技术难以短期速成，要求学生不仅要有抽象思维能力，同时还具有密码学、分布式数据处理、程序设计语言功底，所以大部分同学对其存在畏难情绪。(5)程序代码不易理解区块链系统源代码具有高度精练的特点，使得阅收稿日期：2022-05-30E-mail：http：/Tel：+86-551-65690963 65690964ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术Vol.19,No.3,January2023146DOI:10.14004/ki.ckt.2023.0125信息化与计算机教育本栏目责任编辑：王力Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第3期(2023年1月）第19卷第3期(2023年1月）读和编写对学生相对困难，学习曲线比较陡峭。而且区块链的软件设计与实现结果主要以源代码形式为主，如果学生仅从网上复制源代码实现，那么实践效果将会很差甚至是无效的。(6)教学效果检查及课后补充不够传统方式下，学生对课程的学习主要依靠教师在课堂上的讲授，由于新的实施技术层出不穷，应该要求学生在课余时间阅读最新的相关资料，以及对开放性的问题进行思考，促使学生独立思考，独立学习，拓展知识面。针对这些问题，区块链技术课程应用O-PIRTAS翻转课堂，使教学更加注重实践，通过项目培养学生的实践、创新能力，使学生真正理解和掌握相关知识点。2区块链课程的O-PIRTAS翻转课堂教学实践探索O-PIRTAS教学模式进一步提升了翻转课堂的理论性、普适性和可操作性，它由多种教学理论和研究成果综合而成。在这种模式下，可以根据学生的即时反馈，对教学内容和方式进行及时优化调整，从而提高教学效果。基于O-PIRTAS翻转课堂的教学模式从不同维度较为全面地涵盖了线上线下、课前课中课后的学习过程。其流程如图1所示，O-PIRTAS以7个步骤组成：Objective（教学目标）、Preparation（课前准备）、Instructional Video（教学视频）、Review（课堂回顾）、Test（课堂测试）、Activity（课堂活动）、Summary（课堂总结）。教学目标课前准备教学视频课堂回顾课堂测试课堂活动课堂总结图1 基于O-PIRTAS翻转课堂的教学流程其具体教学流程如表1。(1)首先需要确定本堂课的教学目标，其中包括知识性目标和能力性目标；(2)然后教师进行课前准备，设计教学方法，制作教学视频，或选择线上SPOC（小规模限制性在线课程）视频；(3)学生需要在课前自主观看学习教学视频；(4)在线下课堂教学中，教师提纲挈领地对知识点进行回顾；(5)教师设计课堂知识测试，检验学生在视频学习中的学习效果；(6)随后开展相关的项目实践和活动，深化能力性教学目标；(7)最后教师对本次课堂内容进行总结和提升。表1 O-PIRTAS翻转课堂步 骤ObjectivePreparationInstructionalVideoReviewTestActivitySummary目 标确定教学目标课程准备设计课前教学视频课堂视频回顾课堂知识测试课堂活动开展课堂总结提升任 务教师确定知识和能力目标，以及课程知识点教师设计教学方法，根据教学内容制作或选择教学视频学生学习教学视频一同回顾视频知识点教师提问，学生思考回答学生完成项目、探究活动，教师指导教师总结项目、活动和知识点“区块链技术”课程以区块链相关基本概念和技术发展脉络为主线，阐释区块链背后的关键技术，其主要知识点体系归纳如表2如示。表2 课程知识点关键技术基础概念共识算法智能合约分布式数据存储P2P网络安 全以太坊平台知识点比特币，技术架构，运行过程，特征，区块链平台（比特币、以太坊、超级账本），应用场景PoW，PoS，DPoS，PBFT智能合约架构，智能合约程序开发数据结构，区块，Merkle Patricia Trie消息格式，节点发现，节点连接，区块广播数据层交易隐私，传输安全，攻击与防范，非对称加密，数据签名，共识与一致性问题，合约层安全，私钥安全性，钱包以太坊交易，以太坊网络，以太坊共识算法在课程翻转设计上，为取得较好的效果，先试点采用翻转课堂与传统课堂结合的方式。根据项目和活动设计情况，可选择实践性强的技术（如共识算法、智能合约和以太坊平台等）进行翻转课堂教学，其余部分暂不进行活动开展这一步骤。以下针对“共识算法”设计实例。3 共识算法教学设计“共识算法”是“区块链技术”课程的一个教学主题6-7。以“共识算法”章节学习为例，该课程采用O-PIRTAS模型的设计如下：(1)Objective确定教学目标教学目标包括知识和能力目标；教学知识点包括“共识算法”主要内容。表3 Objective确定教学目标教学目标知识点知识：掌握几种区块链共识算法，熟悉其基本特性和运行原理。能力：算法证明和编程实现双重花费、拜占庭将军问题、工作量证明(PoW)、权益证明(PoS)、股份授权证明机制(DPoS)、实用拜占庭容错算法(PBFT)(2)Preparation课程准备设计制作或选择合适的课件和视频（可参考中国大学MOOC线上区块链技术课程视频）；设计视频回顾和知识测试环节的问题以及相关项目和探究活动。(3)Instructional Video课前视频学习视频以教师讲授为主，围绕知识目标进行。学生进行课前视频学习。(4)Review视频回顾以思维导图方式进行知识回顾，如图2所示。共识算法工作量证明（PoW）权益证明（Pos）股份授权证明机制（DPoW）分布式一致性算法PBFTPaxosRaft委托权益证明（DPoS）图2 共识算法知识回顾147本栏目责任编辑：王力信息化与计算机教育Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第3期(2023年1月）第19卷第3期(2023年1月）(5)Test知识测试知识测试环节设计四个问题，问题重在引导学生思考和理解知识。表4 Test知识测试知识测试1.双重支付成功概率计算。2.权益证明(PoS)比工作量证明(PoW)的优势。以太坊使用哪种共识算法，为什么？3.拜占庭容错算法步骤。4.列举传统的分布式系统算法，为什么不能直接用于区块链上？(6)Activity项目和探究活动表5所示，设计了两个编程项目和两个讨论活动，学生可组队选择完成。采用小组成果展示、小组讨论、小组汇报等多种方式开展。表5 Activity项目和探究活动项目和探究活动1.项目1：基于工作量证明(PoW)的编程实现。2.项目2：基于权益证明(PoS)的编程实现。3.活动1：工作量证明(PoW)改进算法讨论。4.活动2：权益证明(PoS)改进算法讨论。(7)Summary总结提升表6所示，对Test知识测试结果和Activity项目与深究活动进行了总结，以解决教学难点。引出该课程课后任务，开启下一个O-PIRTAS循环。4 结束语本文采用基于O-PIRTAS翻转课堂教学法，设计“共识算法”教学方案来解决当前“区块链技术”课程在传统教学模式下存在的问题。结合学情状况，从课程目标、课程内容、知识检测和项目活动等方面进行有针对性的设计，通过激发学生学习内在动机，加强思维方式训练，提高教学效果。参考文献：1 习近平主持中央政治局第十八次集体学习并讲话EB/OL.(2019-10-25).http:/ 翟海燕.“区块链+高等教育”变革对高等教育生态的重塑J.高教探索,2020(4):36-40.3 金春阳,邢贺通.区块链与知识产权:大学人才培养新命题N.中国科学