數據驅動的SQLTutor的設計與實現

嚴大虎 李雨婷 蘇秀玲

摘要：本研究以當前SQL語言教學中存在的問題與突破點為出發點，以學習者學習行為數據獲取為目標設計、開發了具有測評與知識點學習等功能的SQLTutor平臺（SQL查詢語言智能學習系統），并通過相關課程進行驗證與分析，以期利用數據驅動的SQLTutor可以有效地提升學生學習效率。

關鍵詞：SQLTutor;學習行為數據;設計

中圖分類號：TP393 ?文獻標識碼：A ?論文編號：1674-2117（2021）02-0109-04

● 問題提出

作為數據庫的核心語言，SQL語言（Structured Query Language）實現了對數據的存取、查詢、更新等多重功能，具有結構簡潔、易學易用等特點。但在實際的教學過程中，學習者普遍存在“只能運用所學知識解決特定問題，卻無法實現知識的遷移”的問題，究其原因主要在于：一方面，教師將教學重點放在技術學習上，學生跟著教師的演示或帶有操作步驟的課件進行數據操作練習，評判標準以操作熟練度為基準，缺乏對學生鏈接基礎知識技能與實際問題能力的培養。另一方面，由于常見關系數據庫管理系統存在交互不友好等問題，即對學習者提交的錯誤答案缺乏邏輯診斷能力，無法及時給予學生反饋信息，造成學生無法對SQL語言存在的錯誤進行準確判斷。[1]由此可見，教師的教學側重點與平臺的交互性能對學生的學習態度、學習成效等產生很大的影響，如何靈活運用SQL語言解決本專業及其他領域的問題，是當前學習SQL語言迫切需要解決的問題。本研究在對當前數據庫教學中存在的問題進行收集及分析的基礎上，從學習者學習行為數據出發設計與開發SQL查詢語言智能教學系統，最后將該系統介入教學活動進行實踐分析，以期為相關系統的功能模塊設計提供參考依據。

● 當前SQL語言教學中的問題與突破點

1.SQL語言教學中的問題

通過對已有文獻的梳理分析發現，關于SQL語言教學中的問題分類存在不同觀點，如Slonneger將編程語言教學中遇到的具體問題分為三類，分別是語法問題、語義問題和語用問題。[2]而李廉等認為語用問題相對其他兩類問題存在過于寬泛與抽象等問題，因此，他認為遵循一定語言格式的語法問題和語義問題是SQL語言教學過程中普遍存在的問題。[3]基于此，對編程類課程教學中存在的問題進行進一步細化分類，即包括語法問題、語義問題、遷移性問題、系統問題這四類問題。同時，為了驗證問題提煉維度的準確性、適用性與課堂實踐教學問題的一致性，采用線上線下相結合的方式對從事高校編程教學的教師及參與編程學習的研究生、本科生進行了訪談調研，并將分類結果多次與專家進行討論修改，最終得到有效的分類結果。其中，語法問題是包括書寫錯誤、字符運用錯誤等在內的違反語言規則的錯誤;語義問題是代碼不符合語言書寫規則，但存在邏輯錯誤的問題;遷移性問題是無法在不同問題場景中解決同一或相似知識點的問題;系統問題強調從宏觀層面對問題解決的步驟進行描述，如抽象、分解等。[4]

2.SQL語言教學中的突破點

在實際教學過程中，教師多采用線上與線下相結合的方式開展SQL語言教學，即以講授為主的課堂基礎理論知識點的學習，以及借助平臺進行的教師演練、學生操作為主的實操學習。在這個過程中，學生產生了大量的過程性學習數據，尤其是利用平臺進行學習的操作性數據，實現對這些數據的捕獲能有效地幫助教師教學與學生學習。[5]從教師角度分析，學生學習行為數據的獲取有利于教師及時地了解學生的學習狀況，針對性地進行個性化輔導，同時可以調整教學的重難點以及教學進度等，從而取得最佳的教學效果。從學生角度分析，學生可以利用自己與同伴的學習行為數據反思學習過程，分析與總結學習的方法等，同時及時的反饋有利于學生發現自己的錯誤，激發學習動機。通過分析發現，目前許多SQL語言教學平臺并沒有實現這一功能，這為本研究提供了功能模塊設計的契機，以獲取學習行為數據幫助教師重新調整教學側重點，從而真正實現個性化輔導學生，提高學生運用已學知識點解決不同場景中問題的能力。

● 數據驅動的SQLTutor的設計與實現

1.數據驅動的SQLTutor理論架構

通過分析當前SQL語言教學中使用工具的特性，綜合教學實踐中面臨的問題與突破點，筆者從數據驅動的角度設計了SQLTutor，如圖1所示。該實驗平臺從基礎層、功能層、數據層和反饋層這四個層面實現整個SQLTutor平臺的運行過程。以題庫和資源庫作為數據的直接供應者，從四類問題著手設計了日常知識點學習和測評兩大功能，其中，測評功能模塊以日常操作測試和考試為主，內含學生測試錯題及重點題，而知識點學習注重課上與課下對教學內容、學習資料等的溫故知新，學生可根據學習需求進行對應的操作性訓練。學生在使用平臺完成學習任務的過程中產生了大量的行為數據并同步存儲在學習行為數據庫中，該數據庫有學生測試的相關數據、學習筆記、反思記錄等，是整個實驗平臺學生數據的主要存儲部分，為學生個性化定制題庫提供了題目依據。反饋層通過學習分析技術、可視化技術，以圖表、常規顯示、知識點文檔的形式呈現了學生的學習結果信息，是教師進行教學活動調節設計的關鍵，也是學生學習效果反饋的重要證據。

2.數據驅動的SQLTutor技術實現

（1）SQLTutor核心功能模塊構建

①測試模塊。

測試模塊作為學生頻繁使用的功能模塊，可以通過增加實操訓練次數提高對所學知識的內化效率。測試模塊融合了錯題、重難點題以及學生收藏的題，并在此基礎上從SQL語言教學中常見的四類問題入手，綜合設計題目內容。一方面，學生在進行知識點學習的過程中根據學習需要進行自主測試，學生在學習完某一知識點或復習錯題時，可自主選擇知識點的測試范圍、測試時間和數量，以及是否及時反饋等內容。另一方面，教師可根據教學活動安排發布課堂實驗測試和正式考試，同時根據學生的可視化學習行為信息反饋給學生定制與發放個性化的測試。測試模塊為可視化學習結果的生成提供主要參考依據，為教師有效開展差異化教學、學生進行精準學習提供支持。

②知識點學習模塊。

學生在進行知識點學習的過程中，利用知識點學習模塊呈現的學習資源進行課前預習、課堂實踐以及課后復習。其中，課前預習可預先對教學內容進行宏觀把握，大體掌握知識結構及重點。課堂實踐是教師發布任務，學生通過查看知識點、例題等獨立與合作完成學習任務。課后復習是學生借助平臺對所學知識點進行復習，從而達到對重難點的吸收、內化?？傮w而言，知識點學習模塊是促進學生學習的輔助性手段，所包含的學習材料類型豐富、內容詳細、重難點清晰，聚焦于對知識點的融匯貫通。其中，例題模式多變，以單一知識點或多個知識點融合的多場景問題為主，其最終目的在于培養學生運用所學知識點綜合解決不同類型問題的能力。

（2）數據驅動的SQLTutor技術實現

在對SQLTutor實驗平臺的理論架構、核心功能模塊構建的基礎上，對平臺進行技術實現。利用asp.net、jquery、layui、ajax等技術實現對數據驅動的SQLTutor平臺搭建，同時進行多次調試、優化，在嵌入教學前多次進行預先使用測評，針對出現的問題及時改進，優化平臺各項功能，以保證嵌入教學實踐之后的使用效果。完成搭建后的SQLTutor答題記錄界面如圖2所示。

● SQLTutor的應用案例及分析

1.研究對象與數據選取

本研究以江蘇某高校大三64名教育技術專業學生為研究對象，在任課教師對獲得SQLTutor認可且熟練運用的基礎上，以此為教學工具設計與實施了為期四周的“數據庫技術及應用”課程教學實踐，同時以參與者在SQLTutor上的日常實操訓練和測試信息作為數據來源。通過對測試數據進行篩選整理，共獲得實操訓練記錄6506條，其中3434條錯誤記錄，約占總測試記錄的52.78%，大概率說明了學生每道題大約需要提交兩次。其間，教師安排了四次在線統一測試（共計256次），學生自主參與題庫測試966次，共獲得1222次測試記錄。

2.應用效果測評與分析

通過對SQLTutor上學習者學習行為數據的整理、篩選，從平臺設計的角度對數據進行不同層面的分析：

①知識點與問題類別測試方面。學生對查詢語句掌握情況主要呈現為簡單查詢（87.3%）、條件查詢（80.1%）、分組查詢（82.1%）、排序查詢（83.5%），因各個語句之間的難易程度不一樣，造成學生對簡單查詢掌握得最好，對條件查詢掌握得最為薄弱的結果。就問題類別來說，學生在單一知識點上的成功率達到85.2%，遠高于綜合應用題的成功率（76.7%）。由此可見，知識點難度低、題型單一的測試其成功率較高，更易激發學生的學習動機與自我效能感。

②題庫類型選擇方面。在題庫選擇上，學生因先前知識水平存在差異性導致出現不同的選擇傾向?？傮w來說，基礎薄弱的學生主要通過訓練知識點子題庫來提高知識點的掌握情況，基礎中等的學生則以單個知識點子題庫為主，少量涉及其余兩個題庫，而基礎好的學生則更傾向于綜合應用題庫，主要提高自己對知識點的遷移運用能力。

③測試成績方面。研究對同一任課教師所教的上屆學生與這屆學生的課程中期測試成績進行了量化對比分析。其中，兩屆之間的關鍵不同在于這屆學生采用SQLTutor進行教學實踐，而上屆學生則以常規教學為主。通過分析發現：一是對成績進行配對樣本T檢驗（Sig=0.001<0.05），說明兩屆學生的課程成績存在顯著差異。二是利用箱線圖進行分析發現，這屆學生整體學習成績集中且離散程度更小，說明利用SQLTutor輔助教學時所取得的學習效果更好，學生整體對知識點的掌握程度更高。

④用戶體驗方面。通過實施訪談及問卷調查來了解教師與學生對SQLTutor的用戶體驗程度。從調查結果得出，57.81%的學生對課程教學持滿意態度，通過訪談發現大多數學習者認為SQLTutor減少了對硬件的安裝配置、建表等過程，使個體更加專注于學習，進而提高了學習效率。同時，可視化結果呈現使得學習行為數據得到存儲，這對教師教學和學生學習產生了更優的效果。

● 結語

學習行為數據為教師教學與學生學習提供了重要的參考依據，基于數據驅動的SQLTutor為查詢語句的學習提供了輔助性支架，滿足了教師利用平臺提高教學效率、培養學生利用知識點解決不同場景中問題能力的需求。本研究通過對當前SQL語言教學中存在的問題進行深入剖析，設計了符合SQL語言教學需求與學習體驗需要的數據化驅動平臺，并結合具體的課程進行實踐。未來，筆者將根據實踐反饋進一步完善平臺功能，以此幫助教師因材施教，最終改善學生的學習效果。

參考文獻：

[1]郝耀軍，王建國，趙青杉，等.SQLTutor的在線實驗技術研究[J].現代教育技術，2009（08）：109-111.

[2]Slonneger K，Kurtz B L.Formal Syntax and Semantics of Programming Languages： A Laboratory Based Approach[M].Addison-Wesley Longman Publishing Co. Inc.1995.

[3]李廉.計算思維——概念與挑戰[J].中國大學教學，2012（01）：9-14.

[4]Shute V J，Chen S，Asbell-Clarke J.Demystifying computational thinking[J].Educational Research Review，2017（22）：142-158.

[5]王麗英，何云帆，田俊華.在線學習行為多模態數據融合模型構建及實證[J].中國遠程教育：綜合版，2020（06）：22-30+51.