基于數據挖掘的MOOC翻轉課堂實踐平臺的構建

肖 巍 , 韋 軍, 鄭婷元

(1. 長春工業大學 計算機科學與工程學院, 吉林 長春 130012；2. 吉林大學 教育技術中心, 吉林 長春 130012)

國內許多高校將MOOC引入到實驗教學中,并針對教學效果做了深入的研究[1-2],同時,許多大學也將翻轉課堂的教學模式應用于實驗教學環節[3-5]。程序設計類課程大多以課堂教學加上機實驗的形式展開,課堂教學主要講授程序設計語言的基本概念和基本語法,上機實驗主要以演示和驗證為目的,實驗學時少,學生在實驗課上將實驗指導書的內容進行驗證,缺乏主動性、創新性,以至于很多學生在學習了語言類課程后不會寫程序,面對簡單的實際問題無從下手,最終導致學生缺乏核心的知識結構和基本的動手能力[6]。將MOOC在線課程及翻轉課堂的教學模式結合到一起改革程序設計類課程的實驗課堂教學,可以提高學生分析問題、解決問題的能力以及計算思維能力[7]。

1 研究意義及價值

程序設計是每一個計算機專業的學生應具備的基本能力,也是衡量計算機專業學生是否合格的基本標準。程序設計訓練能夠培養學生編程方面的邏輯思維,是鍛煉學生編程能力十分有效的方法。傳統實驗教學模式方法過于老套,基本上是采取理論課和上機課相結合,但是理論課和上機課又相對獨立,教學方法停滯不前[8]。單就程序設計類語言的實驗課而言,構建MOOC及翻轉課堂實踐平臺,通過數據挖掘算法對學生進行分析,針對不同學習程度的學生進行個性化教學,可使學生能夠更好地掌握相關知識點[9]。

為了讓學生充分利用課堂45分鐘,MOOC翻轉實驗教學使學生重新調整課內外時間[10],課前充分了解實驗內容,將知識的鞏固放在課外,課前讓學生自主動手編程,使學生更充分地掌握課程內的知識點。學生根據自己的學習狀況合理安排時間,將教與學的時間最大化延長[11]。課上教師根據實驗課前的編程練習情況答疑解惑,避免學生有問題無法及時解答。為了更好地因材施教,通過學生課前練習反饋使用數據挖掘算法進行分析,推送不同的實驗題目。學生課后對所學知識固化,將實驗課上編程過程中所出現的錯誤及解決方案進行總結,撰寫個性化實驗報告[12-13]。圖1 是教與學活動對比。

圖1 教與學活動對比

2 MOOC翻轉實驗教學模型

主要針對程序設計類課程的教學特點和課程目標,采用MOOC在線課程與翻轉課堂相結合的教學模式,將程序設計類上機實驗課的教學過程進行變革,重新調整課內外的時間[14](見圖2)。

圖2 MOOC翻轉實驗教學模型

在實驗課前,學生觀看實驗平臺提供的學習視頻,鞏固課上知識點并完成基本的程序練習,根據學生的完成情況,個性化推送實驗課內容,對學生存在的問題課上答疑解惑,課后總結學習過程撰寫實驗報告[15]。

2.1 課前自主學習

2.1.1 鞏固知識點

實驗課前,學生通過輔助教學網站提供MOOC視頻、知識樹等資源復習課上所學內容,進一步鞏固知識點。其中教師將課程的知識點細化為相對較小的完整且知識點之間相互關聯的小知識單元,制作為短視頻供學生學習,并將各知識點組織在一起形成知識樹,使學生掌握知識脈絡。

2.1.2 進階式編程

輔助教學網站為學生提供了照敲不誤、代碼分析、實力編程等模塊。這部分模塊按照先易后難的方式鍛煉學生的編程能力,以經典例題和習題形成代碼庫,逐一練習。

(1) 照敲不誤。為學生提供經典程序及相關知識點,學生通過照敲代碼的方式邊練邊學,以便讓學生了解并掌握程序設計語言的使用規則,提高學生的動手能力。

(2) 代碼分析。為學生提供代碼程序,提供較為詳細的注解,學生根據程序內容分析出運行結果,使學生能夠讀懂代碼。

(3) 實力編程。為學生提供編程題目,學生根據題目描述編程求解實際問題,實驗平臺內嵌實時評判系統,評判程序正誤,切實鍛煉學生的編程能力。

2.1.3 個性化推送

教師根據學生課前學習情況,使用數據挖掘中的K-Means算法對學生所學內容進行分析,根據分析結果為不同程度的學生推送不同的實驗題目,在課上有針對性地指導答疑。

2.2 課堂活動

學生帶著問題進課堂,教師根據學生所提出的問題答疑解惑。課堂上,教師根據為學生提供的個性化實驗題目指導學生進行實驗,編程能力強的學生適當增加題目難度,編程能力弱的學生提供簡單題目以能夠掌握基本知識為主。

2.3 課后固化

實驗課后,學生能夠以視頻、ppt、音頻等多元化的形式展示自己的成果,教師引導學生對于所做實驗的過程、方法進行研討,使學生掌握所學知識。

3 創新點

(1) 進階式控制。實驗前3天檢查預習情況。學生需要按照逐級遞進的方式進行學習，只有前一階段的任務完成了,才能進行下一階段的學習。

(2) 考查課內外學習情況,教師可控可把握可考核。學生能夠自由支配學習時間,教師可以隨時掌握學生學習進度、學習情況以及控制實驗內容的難易程度,并結合學生課上課下的學習給予相應的成績。

(3) 數據分析,個性化實驗內容。根據學生與實驗平臺之間的交互信息,教師可以跟蹤學生學習的行為數據、練習數據等,對所獲得的數據使用數據挖掘算法進行分析,了解學生課上學習時存在的疑問和盲點,為學生“量身定制”個性化的實驗任務,為翻轉課堂提供可靠依據。

(4) 基于數據挖掘的 MOOC翻轉課堂實踐平臺。MOOC翻轉課堂實踐平臺具有MOOC視頻的學習功能、相關書籍的在線閱讀功能、在線編程自動評判功能,使用K-Means算法對學生的學習數據進行分析,通過圖形展現與表格描述讓教師更直觀地了解學生的學習狀態。基于數據挖掘的MOOC翻轉課堂實踐平臺擔任了教師的助手。

4 教學效果

4.1 實驗模式

實驗對象為本校大三軟件工程專業學生,該實驗采取對照的方式進行,共有2個班級,實驗一班與實驗二班均為43人,符合對照實驗的條件,實驗課程為Java上機實驗。實驗一班采用MOOC 的翻轉實驗課堂教學方式,學生在實驗課前通過MOOC平臺觀看教學視頻等學習資源,鞏固理論課上所學內容,完成基本的程序練習,根據學生的完成情況,個性化推送實驗課內容,課上根據學生存在的問題答疑解惑,課后總結學習過程撰寫實驗報告；實驗二班則按照傳統實驗課教學方法,課上發放統一的實驗指導書完成實驗,課后撰寫提交實驗報告。2個月后對2個實驗班級學生動手編程能力進行測試對比。

4.2 成績對比

將實驗一班和實驗二班的學生成績按照等級統一劃分為5個分數段,分別為優秀、良好、中等、及格、不及格。一班和二班成績分布對比見圖3。

圖3 成績對比圖

根據2個月的實驗教學對比,實驗一班的編程能力測試結果明顯好于實驗二班。

4.3 教學意見反饋

在課程結束后,向實驗一班的43名學生發放了教學意見反饋問卷,征詢學生對于此教學模式的意見以及滿意程度。有35名學生表示MOOC翻轉實驗課堂教學模式能夠幫助他們更好地完成上機實驗,有8名學生表示這種教學模式課前的預習內容過于繁重。

5 結語

將MOOC在線課程與翻轉實驗課堂的教學模式結合在一起的新型教學模式,更加適合大學生對于程序設計方面的需求。對于實驗效果來講,學生通過反復觀看視頻鞏固理論知識,通過照敲不誤、代碼分析、實力編程的進階式編程鍛煉動手能力。通過將學生的學習數據使用數據挖掘算法進行分析,使學生在課堂中與教師的互動性更高,達到了良好的實驗效果。

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