實驗大數(shù)據(jù)學習平臺在計算機硬件實驗教學中的應用研究

黃海龍，李慶玲

（濟寧醫(yī)學院醫(yī)學信息工程學院，日照276826）

0 引言

大數(shù)據(jù)，尤其教育大數(shù)據(jù)，對掌握學生的學習過程、調(diào)整教學方法、優(yōu)化評價方式等具有重要指導價值，也為掌握學生學習規(guī)律和學習動態(tài)提供了新的研究視角。計算機專業(yè)的硬件課程實驗教學雖然經(jīng)歷了多年的教學改革，取得了一點成績，但依然存在一些問題。伴隨著計算機網(wǎng)絡的發(fā)展和移動式通訊設備的普及，實驗中的過程數(shù)據(jù)可以被收集、整理和存儲，形成實驗大數(shù)據(jù)，通過分析、挖掘實驗數(shù)據(jù)，反哺實驗教學，為實驗教學的改革開辟了新的途徑。

1 計算機硬件實驗教學現(xiàn)狀分析

目前，高校計算機專業(yè)在硬件實驗教學中普通存在的問題主要表現(xiàn)在以下。

1.1 重理論，輕實驗

“重理論，輕實驗”一直以來是影響實驗教學成績的瓶頸問題，隨經(jīng)歷多年改革，依然沒有太大改觀，實驗課的所占課程比例偏低，無法滿足實際教學需要，導致學生理論和實踐脫節(jié)，影響了學生對理論知識的掌握和靈活運用，不利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.2 教師教學活動機械重復，教學工作量大

在計算機科學與技術專業(yè)的基礎類硬件課程的實驗中，尤其學生人數(shù)多、班級多時，同一實驗內(nèi)容要多次重復講解，加大了教師工作量；而對學生，教學內(nèi)容又不具備可回看性，教師的教學效率事倍功半。

1.3 實驗內(nèi)容相對滯后、實驗設備無法按時匹配

尤其教師在實驗教學要投入工作量去重復性的講解實驗，導致教師沒有多余的時間投入新實驗的研究和創(chuàng)設，導致實驗項目陳舊。再者，即便教師開設一些新的實驗項目，因實驗設備價格昂貴或不能到位的原因，導致新開設實驗也無法按時正常進行。

1.4 缺乏合理的多元化評價方式

當前學生實驗成績的評定多以實驗報告和課堂表現(xiàn)這兩個方面進行評價打分，對實驗過程的參與度、實驗的時間投入、學習熱情度等無法進行評價。實驗相關數(shù)據(jù)難以保存，缺少過程性評價，導致對學生的整體評價有失偏頗，更缺少對課程實驗教學的多元化評價，不利于后續(xù)實驗教學內(nèi)容的及時調(diào)整與優(yōu)化。

建立大數(shù)據(jù)平臺，可以提供可靠的數(shù)據(jù)支持，優(yōu)化教學設計和實驗教學過程，利用平臺數(shù)據(jù)進行多元化的教學評價，反饋實驗教學，提高效果效率，優(yōu)化教學效果，最終實現(xiàn)學生實踐能力、創(chuàng)新能力的提高。

2 實驗大數(shù)據(jù)學習平臺的框架設計

實驗大數(shù)據(jù)平臺由四部分組成。分別為學習資源區(qū)（實驗微課區(qū)、虛擬仿真實驗區(qū)、課程輔助資源庫區(qū)、資源下載區(qū)）、成果提交區(qū)、成果展示區(qū)、學習社區(qū)（交流區(qū)、測試區(qū)、答疑區(qū)）。

圖1 實驗大數(shù)據(jù)平臺構成

3 基于實驗大數(shù)據(jù)學習平臺的應用

3.1 SPOC在實驗教學中的優(yōu)勢

自從加州大學伯克利分校計算機科學教授阿曼多·福克斯在2013 年首次提出SPOC（Small Private Online Course）即小規(guī)模專有在線課程以來，在世界各地的大學課程教學中取得了良好的效果。作為MOOC 與傳統(tǒng)課堂教學融合的產(chǎn)物，SPOC 為課堂教學注入了新的活力，為學生自主學習、協(xié)作學習構建了開放的學習環(huán)境，形成了以翻轉課堂的新型教學模式，實踐證明，另外，與傳統(tǒng)實驗教學相比較，結果如表1 所示。

表1 實驗教學特征對比表

基于SPOC 的教學在實驗支持、師生互動、課程評價、師生角色等方面有諸多課堂實驗教學無法超越的優(yōu)勢。所以，在大數(shù)據(jù)實驗平臺的支持下，基于SPOC的教學模式在計算機硬件課程實驗教學中進行應用，能為實驗教學質(zhì)量的提高、學生創(chuàng)新能力的提升開辟新的途徑。

3.2 基于SPOC的實驗教學活動設計

基于SPOC 的實驗課程教學的活動設計是以翻轉課堂教學方式為前提而進行，分為三個階段，分別為課前、課中、課后。兩個主體：學生和教師。基于SPOC的實驗教學，是以學生為中心，教師是教學活動的組織者、幫助者的雙主體的教學模式。因此，從教師的教學活動和學生的學習活動兩個層面進行教學設計，設計如圖2 所示。

圖2 基于實驗大數(shù)據(jù)平臺的教-學活動設計模型

模型對課前、課中、課后教與學的活動進行設計。

（1）課前活動設計

課前，教師登錄數(shù)據(jù)平臺，上傳實驗資料，對平臺已有實驗資料進行修改、調(diào)整。教學準備完成后，教師利用課程微信號發(fā)布課程開課通知，及時推送實驗時間、地點、內(nèi)容，提醒學生登錄平臺進行學習。同時，密切關注學生的課前學習動態(tài)，及時答疑、定時參加討論區(qū)的活動，對學生提交的課前小作業(yè)進行批改，進行及時答疑與反饋信息。

學生可直接登錄SPOC 平臺或通過手機App 端登錄進行課前學習。需觀看實驗微視頻、完成課前小作業(yè)并提交、設計實驗流程等。可利用平臺提供的實驗相關課件、教學微課、網(wǎng)站鏈接資源、虛擬實驗等進行輔助學習。在整個學習過程中，學生可隨時在平臺討論區(qū)、學習微信群等方式對實驗學習中遇到的問題進行討論，也可以在平臺中直接給教師留言。

（2）課中教學活動設計

教學實施開始后，教師的主要活動是密切關注學生的實驗操作過程，及時給予現(xiàn)場的指導和問題解答，密切關注學生討論區(qū)的焦點問題，當實驗組數(shù)較多，無法及時一對一解答時，教師可利用平臺的問題發(fā)布區(qū)、QQ 群等方式對共性問題進行統(tǒng)一解答。

學生在實施過程中，可以隨時在平臺中記錄個人（小組）實驗數(shù)據(jù)和實驗過程，如實驗數(shù)值、電路設計、產(chǎn)品演示等。在實驗中遇到的問題，在討論區(qū)進行實時在線討論，也可以給教師進行留言，對實驗中遇到的問題和困惑等進行記錄。

（3）課后教學活動設計

課程實施實驗結束后，教師的主要活動是收集并批閱實驗結果、對學生進行實驗成果的評價。包括對實驗報告的批改、課后作業(yè)（設計）的批閱、對學生作品的評分、選擇部分作品進行展示等。

實驗課結束后，學生提交實驗成果，包括實驗報告、實驗過程視頻、實驗結果視頻、設計成功的電路圖片、課后小作業(yè)等。查看教師作業(yè)成績及修改建議，及問題答疑等。

3.3 實驗教學應用案例

依托我院健康大數(shù)據(jù)中心平臺進行實驗大數(shù)據(jù)平臺的架構，選取計算機專業(yè)的數(shù)字電子技術作為試點課程，開展基于實驗大數(shù)據(jù)平臺的應用研究。數(shù)字電子技術是計算機專業(yè)的專業(yè)基礎課，是計算機組成原理、微計算機技術、單片機原理等課程的前續(xù)課程。同時也是一門對學生的動手能力、實踐能力要求較高的課程。多年來，實驗教學均采用先講解，后動手實驗的傳統(tǒng)模式進行，其弊端也日益體現(xiàn)。主要表現(xiàn)在：①教師講實驗，壓縮了學生的動手時間；②實驗報告多以文本呈現(xiàn)，內(nèi)容趨于雷同化；③過程性評實施難度大，實驗成績評定缺乏依據(jù)和準確性。因此，我們在2018 級計算機專業(yè)的學生中使用實驗大數(shù)據(jù)平臺進行了本次實驗教學。

課程共設計包括門電路、組合電路設計、觸發(fā)器、搶答器、智能病床呼叫電路等8 個動手操作項目和6個虛擬仿真項目（含2 個選做）。分屬驗證型、設計型和創(chuàng)新型三種類型。動手操作實驗在實驗室和平臺進行，虛擬仿真實驗在平臺開展。

項目進行過程中，教師密切關注實驗過程，及時指導、答疑，項目結束后及時對學生課內(nèi)表現(xiàn)打分，并錄入平臺。實驗項目結束后，學生需要在SPOC 平臺中提交實驗報告、視頻、圖片等材料。根據(jù)實驗內(nèi)容、實驗分組，有選擇性的要求提交。如綜合性實驗項目《智能病房呼叫電路的設計》，除提交實驗報告等常規(guī)材料外，還要求學生提交電路的演示視頻以及實際的電路圖。

3.4 教學評價及應用效果分析

評價是激勵學生學習，改進教師教學的有效手段。基于SPOC 的教學活動中，評價反饋貫徹于教學活動的每個階段。以形成性評價作為主要評價手段，采用學習分析技術，根據(jù)教學實施過程中產(chǎn)生的各種實時數(shù)據(jù)如學生的學習次數(shù)、學習時間長度、觀看視頻的時間次數(shù)等隨時進行評價。

實驗教學的評價由課內(nèi)評價和平臺評價兩部分組成，各占比50。課內(nèi)評價：學生解決突發(fā)問題的能力、實驗態(tài)度、實驗操作的熟練程度、實驗時間、實驗方案的設計合理性等方面進行。平臺評價：以學習過程數(shù)據(jù)為依據(jù)，包括在線學習時間、在線實驗報告、實驗視頻、圖片等結果為評價標準，采用不同權重進行打分。

課程結束后對學生進行了簡單的問卷調(diào)查，圍繞基于實驗平臺的在線實驗學習的喜好、接受程度、評價方式、實踐體會、自我效果評價等方面進行。從結果來看82%的學生對基于平臺的實驗方式表示認可。有更多的時間進行動手操作，問題能及時得到解決，實驗氛圍寬松有序。89%的學生表示利用平臺進行實驗成果的提交更方便。88%的學生對基于平臺的評價方式表示認可，認為評價更客觀、更公平。從總體實驗成績來看，絕大部分學生對實驗內(nèi)容掌握比較好，實驗的動手積極性比往屆有明顯提高。

4 結語

實驗教學是教學的重要組成部分，是學生的動手實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)的重要基地。利用實驗大數(shù)據(jù)平臺在計算機實驗教學中的應用，可以合理規(guī)劃實驗流程和時間，優(yōu)化實驗教學內(nèi)容，合理調(diào)整教學流程，提高教學效果，增強學生的動手能力和創(chuàng)新能力。實驗大數(shù)據(jù)平臺服務于實驗教學的全過程，為實驗教學提供有利的數(shù)據(jù)支持。利用大數(shù)據(jù)平臺進行硬件課程的實驗教學改革，取得了不錯的效果，為實驗教學帶來新的活力和生機。當然，教學過程中也發(fā)現(xiàn)了一些新問題，如線上學生自學效率不高、討論參與度不高、課程激勵機制不完善、實驗報告內(nèi)容趨同化等問題，這也是后續(xù)基于平臺的實驗教學中要解決的問題。