基于慕課討論區(qū)疑難知識(shí)點(diǎn)的輔助教學(xué)資源建設(shè)及應(yīng)用
——以Python 語言程序設(shè)計(jì)為例

馮茱莉，李仕陽，唐萬梅

（重慶師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，重慶 401331）

1 中小學(xué)Python課程教學(xué)存在的問題分析

（1）中小學(xué)信息技術(shù)教師缺乏講授Python 課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)[1-3]。

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》中，Python 語言程序設(shè)計(jì)取代了VB 語言程序設(shè)計(jì)[4]。在中小學(xué)階段，Python 語言程序設(shè)計(jì)是一門新的課程，大多數(shù)教師沒有講授該門課程的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)課程重難點(diǎn)把控不準(zhǔn)，無法提前預(yù)知學(xué)生易對(duì)哪些知識(shí)點(diǎn)產(chǎn)生疑惑。

（2）Python 大量第三方庫給教師備課帶來極大挑戰(zhàn)。

Python 是一門基于生態(tài)環(huán)境的語言，它的生態(tài)環(huán)境就是擁有大量第三方庫的支持，如果不使用第三方庫，就失去了Python 的優(yōu)勢(shì)。而第三方庫的數(shù)量龐大且不斷增長(zhǎng)，教師要根據(jù)解決問題的不同需求選擇合適的第三方庫準(zhǔn)備備課，這為教師帶來極大挑戰(zhàn)。

（3）傳統(tǒng)的教學(xué)方式無法更好踐行高中新課標(biāo)的指導(dǎo)思想，無法滿足教育家杜威、皮亞杰提出的“以學(xué)生為中心”的教育理念[5-6]。

由于傳統(tǒng)的教學(xué)方式無法更好滿足“以學(xué)生為中心”的教育理念，越來越多的教師采用混合式教學(xué)方式開展教學(xué)，混合式教學(xué)的面對(duì)面教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)注重梳理重難點(diǎn)知識(shí)，以及解決學(xué)生的疑難問題。因此，教師如何全面準(zhǔn)確了解課程難點(diǎn)和學(xué)生易對(duì)哪些知識(shí)點(diǎn)產(chǎn)生疑惑，成為一個(gè)值得研究的問題。

（4）單純使用MOOC 平臺(tái)現(xiàn)有課程資源開展教學(xué)無法滿足學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求[7]。

教師雖然可以利用已有慕課平臺(tái)資源開展混合式教學(xué)，既符合新教學(xué)理念，也間接解決了師資問題。但MOOC 平臺(tái)資源面向的是社會(huì)學(xué)習(xí)者，受眾面廣，未必能滿足本校學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，這就要求教師適當(dāng)準(zhǔn)備和補(bǔ)充符合本校學(xué)生學(xué)習(xí)需求的資源，究竟應(yīng)該補(bǔ)充怎樣的教學(xué)資源？這對(duì)中小學(xué)新講授該門課程的教師來說也是一個(gè)難題，值得探討研究。

文獻(xiàn)[8]指出合理選擇疑難點(diǎn)作為教學(xué)的重中之重，還指出教師真正做到明確重難點(diǎn)才能更好實(shí)現(xiàn)因材施教，實(shí)現(xiàn)教學(xué)有效性。但是，課堂教學(xué)中教師預(yù)設(shè)的教學(xué)重難點(diǎn)與學(xué)生可能存在的疑難點(diǎn)之間存在一定的差距[9]，這就影響了教學(xué)效率和教學(xué)有效性。美國(guó)教育部于2012年10月發(fā)布的《Enhancing Teaching and Learning Through Educational Data Mining and Learning Analytics》指出，通過挖掘與分析教育大數(shù)據(jù)，能促進(jìn)教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果[10]。

2 教師答疑區(qū)數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)分析

2.1 教師答疑區(qū)數(shù)據(jù)獲取

采用爬蟲技術(shù)爬取中國(guó)大學(xué)MOOC 平臺(tái)以北京理工大學(xué)嵩天老師主講的Python 語言程序設(shè)計(jì)第1—第8 期教師答疑區(qū)的數(shù)據(jù)[11-12]，共計(jì)5 萬多條。教師答疑區(qū)數(shù)據(jù)爬取流程見圖1。

圖1 教師答疑區(qū)數(shù)據(jù)爬取流程圖

2.2 基于NLPIR 漢語分詞系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析

分詞是自然語言處理（NLP）文本處理的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)和前提。與以英文為代表的拉丁語系語言相比，中文分詞要復(fù)雜、困難得多，因?yàn)橛⑽闹饕钥崭駷榉指舴形脑~語之間沒有確定的分隔符[13]。長(zhǎng)期以來，許多學(xué)者對(duì)中文分詞進(jìn)行了大量的研究，研發(fā)了大量的系統(tǒng)平臺(tái)，提出了許多算法。如中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所研制的基于多層隱馬模型的漢語詞法分析系統(tǒng)NLPIRICTCLAS(Institute of Computing Technology,Chinese Lexical Analysis System)[14]、Python的第三方庫jieba 庫、哈工大社會(huì)計(jì)算與信息檢索研究中心研發(fā)的語言技術(shù)平臺(tái)NLP[15-16]、玻森中文語義開放平臺(tái)BosonNLP[17]等。

對(duì)比以上幾種平臺(tái)在進(jìn)行分詞和詞頻統(tǒng)計(jì)時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇NLPIR-ICTCLAS 漢語分詞系統(tǒng)對(duì)MOOC 平臺(tái)教師答疑區(qū)文本進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分3 個(gè)步驟，依次為新詞發(fā)現(xiàn)、批量分詞和詞頻統(tǒng)計(jì)[14,18-19]。

3 MOOC平臺(tái)教師答疑區(qū)數(shù)據(jù)的可視化

為了使數(shù)據(jù)更加直觀清晰，運(yùn)用pandas 庫和matplotlib 庫將詞頻統(tǒng)計(jì)表轉(zhuǎn)換為直觀的餅圖，讓教師更清晰直觀地了解學(xué)生課前學(xué)習(xí)過程中存在疑問最多的知識(shí)點(diǎn)，為課堂環(huán)節(jié)的教學(xué)進(jìn)行充分準(zhǔn)備。

3.1 第1—第8 期教師答疑區(qū)疑難知識(shí)點(diǎn)分析

由于NLPIR 漢語分詞系統(tǒng)分析出的詞語數(shù)量多，有許多詞語與知識(shí)點(diǎn)無關(guān)，還有學(xué)習(xí)者提問涉及的中、英文可能是同一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，如“詞云”和“wordcloud”是相同的知識(shí)點(diǎn)。因此，剔除無關(guān)詞語并合并相同知識(shí)點(diǎn)后，得到Python 語言程序設(shè)計(jì)課程第1—第8 期教師答疑區(qū)位列前5 的疑難知識(shí)點(diǎn)見表1。表1 表明，在第1 期—第8期討論區(qū)出現(xiàn)頻率高的詞語有安裝、字符串、函數(shù)、文件、溫度轉(zhuǎn)換、蟒蛇、pyinstaller 和詞云，這表明學(xué)生對(duì)這幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)存在疑問的幾率更大。

表1 第1—第8 期老師答疑區(qū)詞頻數(shù)據(jù)表

為了直觀地對(duì)比分析學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)中遇到的疑難問題是否類似或者是否有變化，使用pandas庫，以堆積柱狀圖形式對(duì)表1 的數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向比較，可視化結(jié)果見圖2。

圖2 第1—第8 期教師答疑區(qū)詞頻數(shù)據(jù)可視化

在圖2 中，x軸表示課程的期數(shù)，y軸表示疑難知識(shí)點(diǎn)出現(xiàn)次數(shù)。從圖2 的顯示結(jié)果可以看出，不同的開課學(xué)期中位列前五的疑難知識(shí)點(diǎn)雖然有一定的變化，但每一期的學(xué)習(xí)者都對(duì)“安裝”“字符串”“函數(shù)”這3 部分知識(shí)點(diǎn)提出較多問題。除此之外，由于第1—第5 期的課程內(nèi)容未涉及“詞云”相關(guān)知識(shí)，自第6 期增加“詞云”知識(shí)點(diǎn)以來，“詞云”在教師答疑區(qū)中出現(xiàn)的頻次就位居前列，可見學(xué)習(xí)者對(duì)生成詞云圖感興趣，也表明該部分知識(shí)對(duì)于初學(xué)者而言不易掌握。

3.2 教師答疑區(qū)部分高頻疑難問題分析

根據(jù)詞頻數(shù)據(jù)表2 中的知識(shí)點(diǎn)，從爬取得到的文本文件中獲得“安裝”“字符串”和“函數(shù)”等疑難知識(shí)點(diǎn)，并細(xì)化對(duì)應(yīng)的疑難問題，以思維導(dǎo)圖形式呈現(xiàn)，見圖3。

圖3 部分高頻疑難問題

教師在講解如“安裝”知識(shí)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)注重講解不同版本的適用情況，并匯總安裝出錯(cuò)的幾種原因，這能幫助學(xué)習(xí)者成功安裝軟件和模塊。講解函數(shù)的使用方法時(shí)，應(yīng)多舉例讓學(xué)生體會(huì)內(nèi)置函數(shù)、庫函數(shù)和自定義函數(shù)在使用時(shí)的不同注意事項(xiàng)；講解函數(shù)調(diào)用時(shí)，通過列舉不同的例子說明調(diào)用函數(shù)時(shí)位置參數(shù)、默認(rèn)參數(shù)、關(guān)鍵字參數(shù)和可變參數(shù)的使用情況以及注意事項(xiàng)，減少學(xué)生編寫代碼的出錯(cuò)；講解函數(shù)遞歸時(shí)，重點(diǎn)在基例的尋找。學(xué)習(xí)者對(duì)“字符串”知識(shí)點(diǎn)存在的疑惑集中在以下幾個(gè)方面：①字符串的切片操作；②字符串方法的使用；③字符串格式化輸出。因此，在講解字符串方法的使用時(shí)，應(yīng)著重強(qiáng)調(diào)字符串是不可變序列，對(duì)字符串進(jìn)行大小寫轉(zhuǎn)換、替換等操作時(shí)，無法改變?cè)址Ｆ浯危虒W(xué)中還應(yīng)列舉足夠多的例子幫助學(xué)習(xí)者掌握format方法的格式化輸出。教師在講解“文件”知識(shí)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)著重強(qiáng)調(diào)UTF-8 編碼和ACSII 編碼的區(qū)別，避免學(xué)生在編寫代碼時(shí)出現(xiàn)編碼錯(cuò)誤的問題。講解“詞云”知識(shí)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)著重解決：①中文詞云亂碼問題；②詞云對(duì)象參數(shù)屬性的設(shè)置，使學(xué)生掌握生成更為豐富詞云的方法。

教師可針對(duì)性地細(xì)分高頻疑難問題對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，補(bǔ)充便于學(xué)生理解的、貼近實(shí)際生活的案例和用于鞏固練習(xí)的試題庫等在內(nèi)的教學(xué)資源供學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。

4 教學(xué)輔助資源建設(shè)與實(shí)踐

4.1 輔助資源建設(shè)流程

在高頻疑難問題分析的基礎(chǔ)上，建設(shè)課程教學(xué)輔助資源，其流程圖見圖4，包括數(shù)據(jù)分析、課程教學(xué)輔助資源總體設(shè)計(jì)、課程教學(xué)輔助資源詳細(xì)設(shè)計(jì)和教學(xué)輔助資源開發(fā)。

教學(xué)輔助資源包括案例教案、微課視頻、任務(wù)清單、試題庫等，貼近生活性資源主要選取學(xué)生感興趣或熟悉的案例；拓展性資源主要指任務(wù)清單和試題庫。

4.2 教學(xué)實(shí)踐及效果

廣州市某中學(xué)2019—2020 學(xué)年第一學(xué)期將Python 語言程序設(shè)計(jì)課程作為初一年級(jí)元培班必修課，總?cè)藬?shù)為199 人，每周一課時(shí)，共上16周課。“函數(shù)”是高頻疑難知識(shí)點(diǎn)，內(nèi)置函數(shù)的使用方法是高頻疑難問題之一。以學(xué)生學(xué)習(xí)輸入輸出函數(shù)的內(nèi)容為例，實(shí)際教學(xué)過程及效果如下。

圖4 教學(xué)輔助資源建設(shè)流程

表2 疑難問題及備課建議

（1）教學(xué)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)：通過查看高頻疑難問題，發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的疑難問題見表2。為了能幫助學(xué)生理解什么是輸入和輸出，教師列舉計(jì)算器算數(shù)、超市購物系統(tǒng)的案例，較之計(jì)算機(jī)工作原理的案例更易于被學(xué)生接受和理解。除此之外，由于初一學(xué)生還未接觸過函數(shù)概念，這里的“函數(shù)”和學(xué)生在小學(xué)階段學(xué)習(xí)的樂高和可視化編程的“方法”類似，都實(shí)現(xiàn)某個(gè)特定的功能，教師可將“函數(shù)”稱為“方法”，以便學(xué)生理解。因此，教師應(yīng)根據(jù)疑難問題和教學(xué)對(duì)象準(zhǔn)備教學(xué)設(shè)計(jì)、測(cè)試題和學(xué)生任務(wù)清單。

（2）學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)和測(cè)試環(huán)節(jié)：課堂的前15 分鐘為學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的時(shí)間，本節(jié)課學(xué)習(xí)方式為教師講授，學(xué)生完成測(cè)試，本次的測(cè)試題目有單選題和程序題，測(cè)試內(nèi)容見圖5。

（3）小組任務(wù)：通過測(cè)試判斷各位學(xué)生掌握知識(shí)點(diǎn)的情況，知識(shí)掌握程度分為了解、理解、掌握和運(yùn)用，根據(jù)掌握情況將學(xué)生分組。分組方式采用“組內(nèi)異質(zhì)，組間同質(zhì)”即異質(zhì)分組的方法，每組6～7人，將知識(shí)掌握情況不同的學(xué)生劃分為一組，形成互幫互助的學(xué)習(xí)氛圍。首先組內(nèi)能力強(qiáng)的學(xué)生幫助組內(nèi)“學(xué)困生”掌握重點(diǎn)，然后教師拋出來自討論區(qū)相關(guān)的疑難問題供小組思考、集中討論并解答。

圖5 測(cè)試題

（4）學(xué)生完成拓展任務(wù)并互評(píng)：首先，學(xué)生完成任務(wù)清單的拓展任務(wù)，本節(jié)課的拓展任務(wù)是“設(shè)計(jì)麥當(dāng)勞麥旋風(fēng)第二杯半價(jià)點(diǎn)餐系統(tǒng)，麥旋風(fēng)單價(jià)為10 元，提示服務(wù)員輸入購買麥旋風(fēng)的個(gè)數(shù)，系統(tǒng)輸出顧客需要支付的金額”；然后，抽取學(xué)生上臺(tái)講解編程思路和展示代碼，部分學(xué)生代碼見圖6；最后，進(jìn)行組內(nèi)成員評(píng)價(jià)和組間評(píng)價(jià)。

（5）學(xué)生自評(píng)：學(xué)生根據(jù)自己對(duì)知識(shí)的掌握程度和學(xué)習(xí)表現(xiàn)情況進(jìn)行自評(píng)，評(píng)價(jià)等級(jí)為A、B、C、D，自評(píng)情況見表3。數(shù)據(jù)顯示大部分學(xué)生掌握本節(jié)課的知識(shí)點(diǎn)，能自主并很好地完成拓展任務(wù)，即運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問題。75.38%的學(xué)生能掌握并正確運(yùn)用input、eval 和print 函數(shù)，73.87%的學(xué)生能與小組成員共同討論并解決疑難問題，由此可見大部分學(xué)生掌握了本節(jié)課的重難點(diǎn)。

除此之外，數(shù)據(jù)顯示能自主并很好地完成拓展任務(wù)的學(xué)生未必能流暢地講解拓展任務(wù)和教會(huì)他人。由美國(guó)學(xué)者埃德加·戴爾提出的“學(xué)習(xí)金字塔”理論表示學(xué)習(xí)方式為“教授他人”或“馬上使用”時(shí)[20]，知識(shí)留存率達(dá)到90%，是所有學(xué)習(xí)方式中知識(shí)留存率最高的。因此，教師在后續(xù)教學(xué)中應(yīng)多為學(xué)生提供上臺(tái)發(fā)言、講解題目等機(jī)會(huì)，不僅能提高學(xué)生的知識(shí)留存率，還能培養(yǎng)學(xué)生的多樣化思維。

5 結(jié) 語

教師根據(jù)高頻疑難問題建設(shè)教學(xué)輔助資源，并將輔助教學(xué)資源運(yùn)用于Python 語言課程教學(xué)，實(shí)踐表明分析答疑區(qū)數(shù)據(jù)得到的結(jié)果有助于授課教師把握教學(xué)重難點(diǎn)，答疑區(qū)的高頻疑難問題也是初一學(xué)生在學(xué)習(xí)中會(huì)遇到的疑難問題。除此之外，初一學(xué)生參與小組討論并解決疑難問題的積極性很高，通過上臺(tái)講解題目，不少學(xué)生提高了編程思維和語言表達(dá)能力。在后續(xù)教學(xué)中，將根據(jù)學(xué)生自評(píng)情況表進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)輔助資源，真正實(shí)現(xiàn)學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)。為了更全面地了解學(xué)生在該門課程可能遇到的疑難問題，可以采用相同的方法分析相關(guān)課程的討論區(qū)數(shù)據(jù)，其他科目的教師和研究者也可借鑒該數(shù)據(jù)分析方法對(duì)在線討論區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，輔助實(shí)際教學(xué)。

圖6 部分學(xué)生代碼

表3 學(xué)生自評(píng)表