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计算机科学在线实验室课程的优点和缺点- 2020流行病版
如今，在线教学是每位大学教授最关心的问题。对于我们这些教授计算机科学、数据科学和设计课程的人来说，我们非常习惯下面照片中所示的物理实验室环境的能量和兴奋。
计算机和设计实验室是一个神奇的地方，学生们围坐在公共桌子旁，相互交流，进行编程项目，并从漫游空间的助教(助教)那里获得帮助。他们是高能实践体验式学习环境这些都是大学生活中最精彩的部分。
显然，在当前的大流行时期，我们不可能在这些拥挤的物理空间里举行计算机科学和相关专业的实验室课程。相反，我们都被迫退到家里与世隔绝的小房间里，用Zoom和各种各样的在线工具笨拙地相互交流。在过去的几个月里，数百万字的文章都在讨论在线教学的所有缺点，尤其是那些从面对面互动中获益最多的实践类课程。但这一切都是悲观的吗?我们不这样认为!
今年早些时候，我们有机会直接研究这个问题，因为我的本科生研究生Julia Markel是上图所示的CS编程实验室课程的助教。在冬季季度(2020年1月至3月)，与往常一样亲自举行。但当大流行病开始隔离时，她就等着下一个相同的类，在春季季度(2020年4月至6月)转换为在线格式。由于授课老师和课程是相同的，比较现场授课和在线授课让我们有机会以一种准可控的方式反思这两种形式的优缺点。
我们把茱莉亚在这两节课上的助教经历写下来作为案例研究工作的新未来今年夏天由微软研究院主办的研讨会。以下是我们论文全文的链接:
- 茱莉亚M.马克尔和菲利普J.郭。为后covid世界设计体验式学习环境的未来:初步案例研究．关于工作新未来的研讨会, 2020年。
这篇博客文章总结了我们论文的关键摘录，最值得注意的是现场体验和在线体验的五大不同之处，以及我们如何更好地为实践实验课程设计未来的在线环境:
1.舒适和隐私
首先，学生必须在他们的学习环境中感到舒适，否则他们不会积极参与。
面对面的好处和坏处由于每个人都挤在一个密集的空间里，一些学生可能会因为身体上的原因而感到不舒服，或者意识到很多眼睛都在盯着他们。如果他们上课迟到了，或者需要暂时离开，那也会让人感到尴尬。但物理空间的一个好处是，你可以潜伏在外围(例如，房间的后面)，而在Zoom视频会议中，每个人都是同样可见的。
在线一般来说，在舒适度方面，网上比当面更好。学生可以在自己家里(假设他们有一个私人空间)参加Zoom。他们可以关闭网络摄像头以获得更大的隐私，也可以通过文字聊天插话，这比通过语音交谈更舒服。学生也更愿意在网上寻求帮助(同步和异步)，因为他们可以半私下地这样做。
改善在线体验的建议:为了提高舒适度和隐私，视频会议工具可以支持动画头像，比如苹果在iOS系统中的Memojis……
．.．它会根据学生的面部表情实时生成一张卡通脸，而学生的网络摄像头会持续检测到这些表情。学生们可能会觉得投射虚拟形象比投射真实的面孔和家庭背景更舒服。与在Zoom中共享数十个视频源相比，它还将大幅减少带宽需求。视频会议还可以支持匿名文本聊天，作为想要匿名参与但仍与全班同学分享自己想法的学生的辅助渠道。为了防止滥用，指导员应该仍然能够看到每个人的真实身份，并删除不适当的聊天。
2.反馈
对正在进行的工作(例如，设计草图，UI模型，软件原型)给予和接受反馈是体验式学习环境(如CS和设计实验室课程)的中心活动。
面对面:理论上，实体存在为实时反馈提供了更丰富的支持。距离问题，但在实践中，我们观察到通常是一个少数直言不讳的人主导着谈话这让班上其他同学都离开了课堂。但面对面交流的一个好处是，在决定在全班同学面前公开提出自己的想法之前，学生们可以安静地彼此耳语，进行私下交谈。
在线:学生给更多的反馈在网上比当面更方便，因为当他们的同学通过屏幕分享展示他们的作品时，他们可以很容易地发送文字聊天。文字聊天的主要好处是，它不会让人觉得打断了主讲人的交流;此外，其他学生可以加入+1、表情符号或后续评论。缺点是很难进行私下交谈;对你的邻居轻声细语是无法比拟的。
建议视频会议可以增加一个“主讲人”角色，分配给正在做作业的学生(或一组学生)，由谁共享他们的电脑屏幕来显示。这样，同学们就可以直接和主讲人进行文字聊天，在班上其他人都看不到的情况下给他们私人的反馈。对于那些喜欢提供更丰富的视听反馈的学生来说，这个工具可以让他们给演讲者留下简短的语音信息，以及他们的屏幕分享录音的部分注释视频片段织机而且Screencastify)．为了支持“耳语模式”，它可以让学生与同学私下聊天，而不被老师看到;但是我们需要一种方法来防止这个功能被滥用。
3.共享上下文
当教师坐下来一对一地帮助学生时，或当学生在实验室里一起工作时，重要的是他们有共同的环境来协调这些互动。
面对面:面对面提供了多种丰富的共享上下文的渠道，因为每个人都可以看到相同的电脑屏幕，指向它，在纸上或白板上手绘，检查其他物理工件，并通过阅读其他人的脸和手势获得隐含的线索。
在线:虽然在这里，在线一般不如面对面，但它的一个好处是，它迫使每个人都看着相同的共享屏幕(例如，使用Zoom屏幕共享)，并用虚拟笔工具进行注释。这种强制的专注可以防止某些学生因为有太多不同的刺激而分心(例如，其他人的脸，笔记本电脑，手绘草图，背景中的大声声音)。
建议:增强视频会议工具中的屏幕共享功能，让用户可以在多种显示类型之间快速切换，例如他们的笔记本电脑屏幕、指向物理工件的网络摄像头和用于手绘草图的平板电脑。由于许多人都有智能手机，它可以用作辅助共享显示器，以提供更多的上下文;他们可以使用触摸手势来指示共享元素。
4.环境意识
在自由的工作时间，像计算机实验室这样的体验式学习环境通常充满活力和嘈杂，学生们在一个开放的空间做他们的项目，教师四处走动，按需向个人或小组提供反馈。
面对面面对面交流的主要好处是，学生和教师即使在交谈时也能更好地了解周围的环境;他们仍然可以听到背景中正在发生的事情，如果有什么值得注意的事情发生，他们可以暂停。例如，如果助教正在帮助学生解决一个特定的设计问题，旁边的学生可能会无意中听到他们的对话，走过去也参与进来。助教们还可以通过在教室里走动和扫视来了解学生们的学习情况，这在网上很难做到。
在线根据我们的经验，在网上很难复制这种自发性和环境意识，因为视频会议工具的设计初衷是一次只能进行一个有重点的对话。如果多人同时说话，就不可能分辨出发生了什么。Zoom有休息室，学生和老师可以分成小的私人小组;但是休息室太孤立了，参与者看不到或听不到其他房间里发生的事情。
建议:与使用标准的视频会议工具不同，一个想法是创建一个定位界面，每个人都是虚拟的化身，可以在一个看起来像工作室教室的2d地图上移动。就像在现实世界中一样，他们只能在虚拟地图中看到和听到靠近他们的人。收集(原在线镇)是一个视频会议工具，支持这种基于地图的交互:
在上面的截图中，有五个人在一个虚拟教室里。左边的两个人只能看到对方的网络摄像头直播(就像他们在一个临时的Zoom房间里一样)，右边的三个人也可以。在任何时候，他们可以四处走动，组成其他即兴小组，只看到/听到最接近他们的人。这种流动的界面可以让学生独立或小组学习，然后让教师在虚拟教室里“漫游”，看看每个人都在学习什么。然而，它仍然不能解决不能听到周围环境的声音在远处的问题，像人们在物理教室可以做到的。
5.灵活性
面对面:每个人都需要在一个物理空间里上课，这就减少了那些通勤繁重或需要承担更多家庭护理责任的人的灵活性。此外，由于实验室教室是由多个班级共用的，所以很难在下节课结束后留下来继续聊天，因为下节课的同学都在等着使用那个教室。
在线:不需要亲自聚会，给老师和学生更多的灵活性。教师甚至可以在无法往返校园的时候安排课程和办公时间。下课后，也更容易留下来进行后续对话，因为没有实际的教室需要腾出来。
建议使在线工具更加灵活的一种方法是将异步论坛(如Piazza)与同步视频聊天合并，这样，如果教师和学生都在线，他们可以快速地从论坛跳到视频聊天来讨论更难的问题。另一个是允许教师通过监控多个实时屏幕分享和在多个视频聊天会话之间切换，同时帮助更多的学生。这种机制利用了教师让学生尝试某件事并汇报进展时出现的停机时间;他们可以转而帮助别人，等第一个学生准备好了再回来。
分开的想法
为什么我们如此专注于改善在线体验?首先，因为在可预见的未来，我们可能都不得不远程学习……显然，我们都希望在普遍认为安全的情况下尽快回到教室，但就目前而言，这是我们的新常态。第二，即使我们(希望如此!)恢复正常，开发更好的在线学习技术也能让全球数十亿无法亲自上大学的人更容易接受教育，参与到这些亲身体验式的学习环境中来。然而，仍有许多开放的挑战，包括:
- 大学希望学生们最终回到社交距离较远的教室，这样的教室占用率较低，一些学生可以远程参与。对于实验室课程，我们如何设定混合互动的预期，一些同学将面对面，另一些同学将远离?
- 在混合模式设置中，我们如何设计技术和设定期望，让远程学生感受到与面对面学生一样的重视和参与?已经有了在办公环境中聘用远程工作者的最佳实践，但我们如何将其应用到教育环境中呢?
- 学生的家庭环境差异很大，有些人有安静的工作场所和快速的网络连接，而另一些人几乎没有隐私和缓慢的网络。我们该如何开始创造公平的竞争环境呢?一个想法是通过邮件向学生发送设备，如高质量的网络摄像头和麦克风。另一个是为他们的手机支付补贴的高速蜂窝数据计划。最后，将虚拟实验室的时间安排在一天中更多的时间可以让学生们找到适合他们多样化时间表的时间。
- 异步工具(例如，预先录制的视频，讨论论坛)是一种众所周知的使课程更具包容性的方法，但体验式学习的本质涉及个性化的同步交互在实验室或工作室中。我们如何向半同步技术发展，既能保持实时交互的好处，又能让更多的学生在符合他们时间表的时间参与进来?
- 远程技术的一个主要弱点是，它们不容易培养在走廊、办公室饮水机旁或人们在会议前后外出时发生的那种自发互动。与体验式学习类似的是人们在实验室里闲逛。我们如何才能创造出既能带来这些好处又能超越这些好处的远程技术，更好地适应学生的日程安排和多样的家庭环境?
- 最后，正如在超越的存在[Hollan和Stornetta 1992]，远程技术有潜力超越面对面互动的逼真度，而不仅仅是不完美的模仿。我们如何设计或适应技术，以达到体验式学习环境的超越?我们怎样才能让学生们更喜欢这些技术，而不是仅仅把它们看作是面对面交流的二流替代品?
我们呼吁设计师们以今年意想不到的挑战为灵感，创造更加灵活和包容的体验式学习环境。这样做不仅可以帮助现有课程的学生，还可以为世界各地通常无法获得教育机会的人提供更多的教育机会。我们相信，现在人们将更容易接受远程技术，因为每个人都经历过在2020年初突然转向远程工作的集体经历。我们同样呼吁研究人员和政策制定者在考虑传统的面对面学习环境时，也要考虑在线优先的形式。这些努力对于培养工程、设计和数据科学等创造性领域的下一代学生，以应对后covid世界的挑战至关重要。
茱莉亚马克尔是加州大学圣地亚哥分校计算机工程本科四年级学生，主要从事人机交互与设计方面的研究。
菲利普·郭是加州大学圣地亚哥分校认知科学的副教授，从事人机交互和在线学习研究。