BOPPPS模型在“數(shù)據(jù)挖掘”課程微課教學中的應用

劉 徽，孫 海

(樂山師范學院 數(shù)理學院，四川 樂山 614000)

0 引言

多年來，教育實踐與教育變革不斷促進廣大教師的專業(yè)成長，“微課程”的出現(xiàn)，更是成為一種符合信息時代和教育教學規(guī)律的全新資源類型。近幾年來，全國高校掀起以微課程教學設計為主題的教師教學競賽。2012年11月教育部全國高校教師網(wǎng)絡培訓中心啟動了“全國首屆高校微課教學大賽”，各高校積極參與，影響較大。2012年11月21日，教育部劉利民副部長在全國高校教師網(wǎng)絡培訓中心成立五周年慶祝大會的講話中指出[1]：微課教學比賽是符合時代要求的積極探索，并希望借此推動高校教師培訓方式方法的改變，解決培訓多樣性、便捷性和針對性的問題，促進高校教學與現(xiàn)代信息技術的深度融合。2015年，由教育部高等學校大學數(shù)學課程教學指導委員會、全國高等學校教學研究中心主辦的全國高校數(shù)學微課程教學設計競賽，其連續(xù)5年的成功開展更是加快了高校數(shù)學傳統(tǒng)課堂教學改革的步伐。

各級各類精品在線開放課程的成功建成就是微課程競賽的成果之一。2020年初，突如其來的疫情，使得在線教學成為主角。在此特殊時期，將微課程競賽的先進理念應用于在線教學，能有效整合精品在線開放課程使其符合本校學生的學情，從而在回歸課堂教學后，能進一步深化教學改革、提高教學質量，是每一位教學一線教師值得實踐和探索的重要課題。

1 研究現(xiàn)狀

BOPPPS是微課教學的優(yōu)秀模型，是國內外高校教師技能培訓中廣泛采用的一種教學模式。BOPPPS最典型的特征是其將課堂教學分為6個環(huán)節(jié)[2]：B(Bridge-in) —課堂導入、O(Objective)—課堂目標、P(Preassessment)—課堂前測、P(Participatory Learning)—課堂參與式學習、P(Post-assessment)—課堂后測和S(Summary)—課堂總結。以上6個階段的英文首字母連在一起即組成了BOPPPS教學模式的英文縮寫。6個環(huán)節(jié)清晰明確，教師只需套用該模型即可完成教學設計。

在較早的文獻中，王若涵等[3]對BOPPPS模式在研究生課程中的應用進行了探索和實踐，提出BOPPPS模式能引起學生的興趣，提高教學效果，并對培養(yǎng)研究生的科研創(chuàng)新能力有顯著的推動作用。2014年以來，隨著BOPPPS模型在中國進一步引入和實施，國內各高校本科課程教學教師也開始研究和使用該模型與課程的融合，能夠查閱的文獻也逐年增多。曹丹平等[4]認為BOPPPS模型具有較強的實踐性和可操作性，能夠為一線教師提供指導教學各個環(huán)節(jié)的理論體系，使得教學設計的安排更加條理化、合理化。但是教學不是一個可以直接模仿或者機械性的操作工序，一些不確定性的因素會影響到教學環(huán)節(jié)的實施。比如，BOPPPS模型教學設計的核心和重點是確保教學環(huán)節(jié)的互動參與性，而針對此次疫情下不能與學生面對面交流的特殊情形，該如何實現(xiàn)互動式教學實踐？這些經(jīng)驗無處可尋。此外，一線教師也會思考，BOPPPS是否對所有學科、所有課程、所有內容都適用？ BOPPPS教學模型還有一個突出的特點是建立在“人的注意力大約只能持續(xù)維持15分鐘的自然規(guī)律”的研究上的，而在實際教學過程中，是否一定要以15分鐘為一個節(jié)點來進行劃分？處理好上述問題才能使BOPPPS模型成為真正有效的教學模式。因此，教師不應被形式所困，而應對BOPPPS模型進行本質性的剖析，在固定形式之下抓其內容，取其精髓。

2 基于BOPPPS教學模式下的在線教學設計

2.1 圍繞課程定位建構教學資源包

“數(shù)據(jù)挖掘”課程是以實踐教學為主，通過理論算法的講解與應用，使學生學會數(shù)據(jù)挖掘的工具軟件與技術，以便在將來的工作崗位上能將所學知識應用其中，能夠為單位或企業(yè)決策提供積極的幫助。如今在商業(yè)和科研領域產(chǎn)生了海量數(shù)據(jù)集，通過各類傳感器使收集和存儲數(shù)據(jù)變得輕松簡便，人們開始盡可能地收集各種來源和各個時期的各種數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在收集之初有明顯的目的，人們也相信收集的數(shù)據(jù)肯定會有價值。數(shù)據(jù)挖掘[5]是從大量數(shù)據(jù)中挖掘出隱含的、先前未知的、對決策有潛在價值的關系、模式和趨勢，并用這些知識和規(guī)則建立用于決策支持的模型，提供預測性決策支持的方法、工具和過程。數(shù)據(jù)挖掘有助于企業(yè)發(fā)現(xiàn)業(yè)務的發(fā)展趨勢，揭示已知的事實，預測未知的結果，因此數(shù)據(jù)挖掘已成為企業(yè)保持競爭力的必要方法。

課程涵蓋的內容包括數(shù)據(jù)預處理、分類、聚類、預測建模、關聯(lián)分析和異常檢測等。目標是讓學生理解算法的基本概念和原理，并應用于具體數(shù)據(jù)集的練習，為學生提供數(shù)據(jù)挖掘應用于實際問題所需要的必要背景和方法。

教師根據(jù)疫情時期教學的特殊性和本校學情，依托“中國大學MOOC”“R語言與金融數(shù)據(jù)分析”(方霞、鄧弋威，浙江工商大學)課程，打造本校“SPOC”課程“數(shù)據(jù)挖掘”。

2.2 BOPPPS微課理念下的教學重構

推進信息化教學，穩(wěn)定的直播平臺和信息化管理工具是保障學習效果的關鍵。經(jīng)過學習和比較，特別是在疫情期間，團隊采用的網(wǎng)上教學方案為“騰訊會議”直播+“中國大學MOOC”平臺學生管理+“QQ群”作業(yè)收集與學習反饋的方式進行，融入BOPPPS模型的教學設計，有效的保障了學習效果。“數(shù)據(jù)挖掘”這類實踐性比較強的課程，其教學過程中更多的是指導學生的操作，教學設計需要更具安全感的、簡單的、有確定性的教學模型。BOPPPS模型能夠很好的提供利于實踐教學互動和評測的環(huán)節(jié)，加上“中國大學MOOC”是國家精品課程在線學習平臺，課程資源成熟，學生可以在平臺示范課教師的帶領下，自主完成課前預習和課后知識檢測。而教師直播時則重點根據(jù)學生在操作中的問題進行講解和補充。依據(jù)BOPPPS模型的“微課程”理念，將一個知識點或實踐指導的直播課時間控制在30分鐘左右，保證學生的學習關注度與學習熱情。此外，在直播課中教師采用錄屏軟件，將經(jīng)過剪輯后的課程回放(有時還需要補充錄播)發(fā)放到QQ群，可以使知識點更科學嚴謹。

2.3 教學設計舉例

知識點“基于貝葉斯公式的分類”是數(shù)據(jù)挖掘課程分類問題的重要內容，本節(jié)點教學設計結合直播與練習、項目展示，總時長30分鐘。

2.3.1 導入(B)環(huán)節(jié)——吸引注意、引起興趣

導言的作用一方面是引發(fā)學生的思考，幫助學生專注或理解即將要學習的內容；另一方面培養(yǎng)學生善于在生活在發(fā)現(xiàn)數(shù)學模型的能力，從而激發(fā)學生學習興趣。

a)生活中的分類。俗話說“物以類聚，人以群分”，也就是說相似的東西很可能具有相似的屬性，利用這個原理人們常常對事物進行分類，比如根據(jù)環(huán)保的要求對垃圾進行分類處理，比如大家的班級也是一種分類。數(shù)據(jù)挖掘中分類是其中重要任務之一。

b)分類的應用。利用數(shù)據(jù)挖掘的分類技術，已經(jīng)成功在眾多領域有著非常廣泛的應用。生活中垃圾郵件的識別，常使用貝葉斯算法來過濾垃圾郵件；在醫(yī)學上腫瘤良性和惡性的判別；金融系統(tǒng)銀行貸款風險評估；科技領域對于光學字符的識別；以及在娛樂中預測一個人是否會喜歡推薦的電影和音樂。

提問：同學們在生活遇到的哪些任務也分類有關？

c)知識點引入。

提問：誰能說出PPT中圖是什么花？如何對鳶尾花進行分類？

來自《百度百科》的解釋：鳶尾屬(拉丁學名：Iris L.)，單子葉植物綱百合目，鳶尾科多年生草本植物，有塊莖或匍匐狀根莖；葉劍形，嵌疊狀；花美麗，狀花序或圓錐花序；花被花瓣狀，有一長或短的管，外彎，花柱分枝擴大，花瓣狀而有顏色，外展而覆蓋著雄蕊；子房下位，胚珠多數(shù)，果為蒴果。

通過上面的解釋，對于植物的分類是一件十分專業(yè)的工作，生物學家通常需要做實驗和觀察來決定，引出課程主題——利用數(shù)據(jù)結合算法對iris進行分類。

2.3.2 目標(O)環(huán)節(jié)——清晰明了、可評估

教學目標的設計，要以學生明確和掌握學習方向為首要任務。其作用是激勵和鼓舞學生，增強學生的學習動機。有了目標的驅使，學生才能更好地全身心投入整個課堂的學習。結合PPT直播展示本節(jié)課的知識目標、技能目標和素質目標。

a)知識目標。了解數(shù)據(jù)挖掘任務——分類的實際應用，理解分類算法的理論原理，掌握分類問題的R語言代碼實現(xiàn)。

b)技能目標。認識數(shù)據(jù)對于實際問題分析的重要性，分析問題和編程解決實際問題的能力。讓學生學會學習和思考，自主、合作和探究式學習，通過模仿教師代碼進行擴展。

c)素質目標。培養(yǎng)學生重視理論算法理解和應用，把握事物的本質以及主動探索、勇于發(fā)現(xiàn)的科學精神。

2.3.3 前測(P)環(huán)節(jié)——檢查先備知識

微課教學的優(yōu)點之一是教師能靈活調整教學內容的深度，有效調控教學的進度，通過前測環(huán)節(jié)的設計，教師可以充分了解學生興趣與能力，也能幫助學生了解自己對已有知識的掌握情況。線上課程不與學生面對面，如果與同學互動不多或者不充分，就難以掌握學生知識點建構的進度，教師提前在平臺設計課堂測驗，用于該環(huán)節(jié)定時發(fā)布，學生在QQ群里交流結果。及時了解學生的學習情況，做到上課心中有數(shù)，并對同學反饋的問題進行細講，這樣可以使線上課堂更有效率。

本節(jié)前測知識點與例題：算法基于著名的貝葉斯公式

公式理解為已經(jīng)先驗概率P(B|A)求后驗概率P(A|B)。

例[6]某工廠有四條流水線生產(chǎn)同一種產(chǎn)品，該四條流水線的產(chǎn)量分別占總產(chǎn)量的15%、20%、30%和35%，又這四條流水線的不合格品率依次為0.05、0.04、0.03及0.02，現(xiàn)在從出廠產(chǎn)品中任取一件，結果為不合格品，但該件產(chǎn)品是哪一條生產(chǎn)流水線生產(chǎn)的標志已經(jīng)脫落，問廠方如何處理這件不合格品比較合理？

設A={任取一件，恰好抽到不合格品}，Bi={任取一件，恰好抽到第i條流水線的產(chǎn)品}，其中i=1，2，3，4，問題就變?yōu)镻(Bi|A)，即已經(jīng)不合格的前提下求這件不合格品由哪一條生產(chǎn)線產(chǎn)生的概率，這便是后驗概率。

結合分類問題，這恰恰想表達的是已知樣本特征X，這個樣本屬于哪一類ci的問題，公式改進為

為了方便計算，假設

這也是“樸素”的由來，對問題做了獨立性的假設，由此建立了樸素貝葉斯分類的牢固的理論根基。

2.3.4 參與式學習(P)環(huán)節(jié)——實現(xiàn)學生團隊合作

建構主義理論認為，教師不是單純的知識傳授者與灌輸者，而是幫助學生信息加工的引導者，學生是知識的主動建構者。學生可以在團隊協(xié)作的過程中，通過自身經(jīng)驗建構相關知識。因此，在實施BOPPPS模型的教學設計過程中，參與式學習環(huán)節(jié)是實現(xiàn)有效教學的關鍵之一。

a)分組進行數(shù)據(jù)收集。

鳶尾花的實驗數(shù)據(jù)可以通過兩種途徑進行收集。第一，UCI Data Sets:http://archive.ics.uci.

edu/ml/datasets.html；第二，R軟件內置數(shù)據(jù)集：data(“iris”)。

b)小組展示對數(shù)據(jù)屬性認識。

通過對軟件的操作得到圖表，如圖1。

圖1 數(shù)據(jù)屬性展示

iris數(shù)據(jù)集包括：5個屬性，150個樣本。其中，Sepal.Length為花萼長度，數(shù)值類型；Sepal.Width為花萼寬度，數(shù)值類型；Petal.Length為花瓣長度，數(shù)值類型；Petal.Width為花瓣寬度，數(shù)值類型；Species為鳶尾的種類，分類類型 setosa，versicolor，virginica。

教師強調：Species即是分類中的“類標簽”。

c)師生協(xié)作數(shù)據(jù)建模。

#數(shù)據(jù)收集

iris <- iris

#準備數(shù)據(jù)

Set.seed(1)

n <- sample(2，nrow(iris)，replace=T，prob=c(0.7，0.3))

train <- iris[n==1，]

test <- iris[n==2，]

#數(shù)據(jù)建模

library(e1071)

model <- naiveBayes(Species～.，data=iris)

pred <- predict(model，test[1:4]，type="class")

table(pred，test$Species)

2.3.5 后測(P)環(huán)節(jié)——了解目標是否達到

后側環(huán)節(jié)的設計可以檢查學生學習目標是否達成，針對不同的教學內容，設計不同的評估方式，及時給出反饋，從而提高教學的有效性，該環(huán)節(jié)的設計是研究教師的教和學生的學的價值的重要過程。

表1 預測混淆矩陣

從上面混淆矩陣(表1)可以看出，分類的效果十分理想，模型的泛化也比較好。同時問卷結果反應出學生知識目標和技能目標效果良好。

2.3.6 總結(S)環(huán)節(jié)——梳理與延伸

總結的作用是系統(tǒng)地概括、整合課堂內容，引導學生反思以及對知識結構的延伸，還可以預告下節(jié)課的內容。教師可采用思維導圖(如圖2)回顧本節(jié)課的主要內容，通過學習流程的展示，強化學生學習目標，從而提升學生的認知水平的層次。

圖2 課程思維導圖

布置線上作業(yè)，也是強化知識點的重要策略。教師通過QQ或其它信息化平臺發(fā)布線上作業(yè)，學生完成后可以通過照相，上傳代碼等方式進行在線提交，通過批改和課堂反饋，可以很好的鞏固所學知識。

此外，鼓勵學生課后參加一些校外精品課程的學習，并且通過學習拿到課程認證證書。疫情期間很多機構和單位免費開放了很多精品課程，與數(shù)據(jù)相關的課程也特別多，教師通過自身的經(jīng)驗精心挑選了部分資源供同學們學習，課程結束且通過考核的同學還可以申請到相應的認證證書。通過這種方式不僅擴展了學生的知識面，也給學生帶來了學習的動力。

3 應用效果與反思

BOPPPS模型與當前絕大多數(shù)主流教學模式一致，強調以學生為中心、以問題為導向的探究式教學設計理念，其注重教學過程的參與互動。正如微課教學設計競賽的初衷就是提倡教師在實踐過程中引入信息技術手段使“學習時間可片段化，學習內容可碎片化”，鼓勵學生自主學習，充分挖掘學生的能力，實現(xiàn)學習者個性化學習的需求。BOPPPS模型應用于數(shù)學實踐類課程，能強化培養(yǎng)團隊合作以及運用數(shù)學方法分析問題和解決問題的能力。通過教學實踐表明(表2，表3)，與傳統(tǒng)教學比較，模型應用前后對教師和學生在多個維度上均有較好的效果。

表2 BOPPPS模型應用前后比較表(教師)

表3 BOPPPS模型應用前后比較(學生)

可以說，BOPPPS模型是一種能運用于各種教學形態(tài)的有效的教學模式。但這并不意味著所有課程、所有內容都要嚴格按照模型的教學閉環(huán)，也不是說教學設計只能分成15分鐘左右的“微課程”。教師在實踐過程中，應充分考慮不同課程在應用BOPPPS模型時展現(xiàn)出的不同特點。比如，文科類課程教學傾向于素質教育，理工科類課程的教學則更傾向于應用教育；文科課程的知識點需要發(fā)散性思維，知識大多較為“感性”，而理工科課程的知識則往往涉及很多公式、方程、定律等，其需要更多的理性邏輯思維。從教學設計的時長來說，15分鐘左右的教學小單元只能說是微課程教學設計的理想狀況。教學單元不可避免地有或長或短的狀況，同時教學實踐過程中也會出現(xiàn)其他不確定的因素。此外，BOPPPS模型6個環(huán)節(jié)在依序執(zhí)行的實際教學中同樣也會遇到困境。因此，教師在教學設計時應靈活機動地基于不同課程、不同教學內容的需要，進行知識點與教學策略的重構或合并。也就是說，教師在實踐中更多的是遵循BOPPPS教學模式的精神實質，努力去探索一種適合本校學生的，自己學科的，更具有可行性、有效性的混合式教學改革模式或模型。

4 結語

疫情結束后，高校教學將逐步回歸課堂教學，但這并不意味著會停止對信息化教學的探索和實踐。大數(shù)據(jù)時代，信息技術的數(shù)據(jù)實時監(jiān)督和統(tǒng)計能充分發(fā)揮教師的主導作用。在教育部大力推進教育信息化、促進信息技術與學科深度融合的背景下，身為一線教師應該重點關注的是：信息技術與課程的整合，其核心仍是教師的教學設計。教育信息化技術對課程教學始終只是輔助，技術和教學資源融入課堂的目的不僅僅是為了更好的推動網(wǎng)絡教學，更重要的是提高學生的學習興趣。在線教學與課堂教學有機結合的混合式教學模式，將成為未來高等教育的重要方式和有效手段。