OBE 理念下云計算與大數據線上線下混合翻轉創新課程教學研究

姚志凱，陶 鍇，尹海濤，徐豐羽，余 亮，蔣國平

0 引 言

當今，人類已經進入信息化時代，云計算技術是硬件技術和網絡技術發展到一定階段而出現的一種新的技術模型，它不是對某一項獨立技術的稱呼，而是對實現云計算模式所需要的所有技術的總稱[1]。大數據是現有數據庫管理工具和傳統數據處理應用很難處理的大型、復雜數據集，大數據技術包括采集、存儲、搜索、共享、傳輸、分析和可視化等[2]。海量的數據本身很難直接使用，只有通過數據處理技術將其變為真正有用的數據，因此在云計算時代，需要通過計算將海量的數據處理為有用的知識。目前，云計算與大數據技術在金融行業、醫療保健、物聯網和教育等領域得到了廣泛的應用[3]。

新工科教育背景下的云計算與大數據教學需要以學生的學習成果為導向，旨在培養具備創新精神的實踐型人才，為新一輪信息產業革命和教育轉型提供創新方法，進而完善具有中國特色的新工科教育體系[4-6]。目前，對于新工科背景下信息技術類專業的人才培養，傳統的授課模式難以滿足理論與實踐并重的教學要求，無法培養學生利用云技術與大數據技術進行實踐應用的能力。

成果導向教育（Outcome Based Education，OBE） 起源于美國，是一種以學生的學習成果為導向的教育理念，并依據學生預期達成的最終學習成果反向設計課程體系結構[7-8]。雖然以OBE 理念為指導，通過研究探討課程的學習目標，反向設計課程群內各課程的先修順序、教學內容與關聯度、教學方法、考核模式等，可以有效地提升學生的專業能力和綜合素養。例如，賈智等人開展了OBE 理念下《軋制工程學》課程改革與實踐[9]；田秋麗等人進行了面向OBE 理念的科技穿心能力培養體系探索和實踐[10]。然而，基于OBE 理念的單一的授課模式難以滿足面向高實用性的實踐教學要求。因此，采用多維教學手段和多樣教學資源開展云計算與大數據課程教學改革具有迫切的現實需求。

翻轉課堂（Flipped classroom），又名為顛倒教室，是一種起源于美國的新教學模式[11-14]。翻轉課堂通過課前自主學習、課中師生互動探討等環節深化知識的方法，在課前學習中學生需要發揮自主性構建知識體系，并在課中探討中完善加強，因此，此種方法能夠加強學生對理論知識的實踐和應用能力。云計算與大數據技術面向計算機軟硬件協同應用，翻轉課堂能夠很好地適用于此種應用導向的課程，此種教學方法已經得到教育與科研工作者的廣泛應用與好評。例如，馮菲、于青青[15]基于眾多案例總結了利用慕課開展翻轉課堂教學的基本教學理念。柳春艷等[16]采用系統評價方法對比研究了翻轉課堂與傳統教學的教學效果。郭建鵬[17]提出一個通用的翻轉課堂教學模式，提高了翻轉課堂教學的普適性。

雖然當前OBE 理念以及翻轉課堂在諸多教學中的應用案例較多，但教學過程與內容結構設置較為固化，學生在大多數時間內依舊處于被動客體狀態，產生此種現狀的原因可總結如下：

（1） 教學過程重理論輕實踐。當前OBE 理念下的教學方法雖然通過制定培養目標反向設計教學過程，然而教學路線仍以拼湊式為主。教學過程難以擺脫傳統“填鴨式”課程教學，缺乏實踐認知環節，教師負責講授課程內容，學生被動接受，在一定程度上影響了授課質量。

（2） 學習產出落實不到位。當前OBE 理念下的教學方法中課程考核仍以傳統的考試為主，學生通過死記硬背準備考試，而培養目標又以考試成績為量化指標，容易忽略學生實踐環節的考核，導致學生動手能力較低，難以滿足初期制定的培養目標。

（3） 教學需求痛點不清晰。當前翻轉課堂的主要形式是課前視頻資料+課中問題探討，此種方法雖然具備翻轉課堂的基本要素，但翻轉教學流程較為單一，線上與線下教學資源重復度較高，在課中環節教師大多也是對線上教學資料的重復，沒有做到交叉互補，無法解決學生對應用實踐型知識的痛點需求。

（4） 教學資源單一。當前翻轉課堂教學資源主要形式為教材附帶的視頻學習資料，此種學習資料雖能涵蓋基本知識點，但其面向的學生群體龐大，不能針對小型教學班學生的學習能力和習慣進行教學，這導致學生在課前自主學習時效率低下。

（5） 教學環境與條件缺乏。雖然翻轉課堂的實施對硬件設施要求不高，但云計算與大數據需要進行編程訓練，對教學系統與軟件環境有一定的要求。此外，課中倘若需要學生進行匯報展示，相關的電子設備也十分重要。

上述問題為OBE 理念下的云計算與大數據翻轉教學實施帶來了挑戰，針對云計算與大數據教學改革迫切需求，本文充分貫徹落實OBE 理念，并發揮南京郵電大學線上慕課資源與線下翻轉課堂專用教室設備優勢，采用線上+線下混合方法，提出“三要素三模塊二重點”教學策略，實現云計算與大數據翻轉課堂高質量教學。

1 OBE 理念下翻轉教學可行性分析

1.1 學生教學需求可行性

南京郵電大學自開設云計算與大數據課程以來一直采用傳統的講授式教學方法，雖然此種教學方法可以完成基本的教學任務和知識講授，并使得學生初步掌握云計算與大數據基本技術，但為了更好地滿足新工科背景下信息技術類實踐型創新人才培養標準，云計算與大數據教學組定期開展線上問卷調查，以實時了解學生對教學組授課方法的滿意度和對教學改革的期待度。近兩學年的問卷調查結果如圖1 和圖2 所示。

圖1 學生對傳統授課方法的滿意度調查結果

圖2 學生對教學方法轉變的意向調查結果

由調查問卷的結果可知，雖然超過53%的學生對傳統授課方法滿意，但超過64%的學生仍期待變更教學方式，希望教師嘗試新的教學方法，且持此種態度的人數處于上升趨勢。此種結果說明大部分學生希望推進云計算與大數據課程教學改革，故而具有傳統授課方法課堂改革的教學需求的可行性。

1.2 線上教學資源可行性

云計算與大數據課程教學組于2021 年錄制制作了慕課教學資源。教學組整理的慕課資料與線下教學資料做到了交叉互補。此外，為了便于學生與老師的溝通交流，慕課資源開設了課堂交流論壇區，支持主題發帖、回復評論、關注、投票等操作，基于此種慕課資源，能保障翻轉課堂開展的資源可行性。

1.3 線下教學條件可行性

南京郵電大學擁有多媒體功能的翻轉課堂專用教室，最大可容納100 人同時進行翻轉教學。該教室多媒體系統具有無線投影、無線網絡、觸控式電子大屏、激光教具等設備。軟件配套上，為實現面向數據的高性能計算功能，搭建了HPCC 軟件系統以及Storm 計算系統，并支持批處理與流處理兩種計算模式。此外，利用虛擬化技術，能進行指令集架構級、硬件抽象層、操作系統層、編程語言層以及庫函數層的虛擬化，滿足基本的云計算與大數據實踐需求，具備翻轉課堂開展的線下教學條件與環境可行性。

2 OBE 理念下的翻轉教學創新方案

方案整體分為三個階段[18]，即課前、課中和課后，采用“三要素”、“三模塊”和“二重點”的方法，利用線上慕課資源和線下教學資源混合方法實現。整體思路如圖3 所示。

圖3 整體教學思路

2.1 課前“三要素”學習

由于課前因學生對于知識點的熟悉度較低，為了提高學習效率，通過采用要素化的課前學習以更好的突出學習重點。將云計算與大數據課程知識點分為技術原理要素、系統結構要素和計算方法要素。此部分內容主要利用線上慕課資源完成，每種要素在學習中應分配不同的時間，通常采用四分之一、四分之一、二分之一的分配方法，如圖4 所示。

技術原理要素學習主要指基于云計算與大數據計算與存儲任務的實現原理，此部分內容在慕課資源中處于教學視頻的最開始部分，主要從理論原理、實現思路等方面進行教學。例如，對于一致性哈希算法章節，首先介紹一致性哈希算法的基本原理，以及一致性哈希算法中計算和存儲位置的一致性作為基礎知識，為后續的Hadoop 分布式大數據系統夯實基礎。

系統結構要素學習指針對數據存儲時所需采用的系統結構。作為大數據存儲的主要實現工具，學生對關系型數據庫和非關系型數據庫的學習理解是此部分的重點。如果涉及到存儲過程，則需要了解MapReduce 編程框架。此部分學習能夠讓學生了解大數據存儲實現的具體工具，為掌握大數據技術奠定基礎。

計算方法要素學習指利用系統對數據進行計算的方式，進而實現高性能計算任務，此部分在慕課教學資源中的占比最高。在計算方法教學中，此部分主要包含數據的加載、切分和分發，并通過實例展示應用方法。

2.2 課中“三模塊”探討

翻轉課堂中的課中學習環節由師生共同參與，但主體依舊是學生，主要任務是探討與合作，教師承擔學生探索引導人角色。在此環節，主要包含答疑模塊、案例展示模塊、探索提高模塊。三個模塊應當遵從先后順序，課中學習開展流程如圖5 所示。

圖5 課中“三模塊”開展流程

答疑模塊的基本流程為學生提出在課前自主學習中遇到的問題，由教師或其他同學解答，問題可以是虛擬化技術原理、虛擬化技術優勢等專業知識問題，也可以是編程思想、系統架構設計思路等宏觀問題。教師在解答過程中應當避免直接給出答案，應當引導學生回顧慕課資源，幫助其深入思考并解決問題。

案例展示模塊以個人或小組為單位開展，成員以匯報形式完整介紹一個云計算與大數據系統技術原理、安裝步驟、編程過程和功能演示，其他小組成員可針對設計內容進行提問，老師作為評委，從編程步驟、匯報素材、語言表達等方面給予評價，對于表現優秀的小組可給予適當的獎勵。部分匯報展示案例如表1 所示。

表1 小組匯報案例

探索提高模塊是對案例展示的拓展，此模塊主要出現在小組匯報后其他學生的提問與教師評價環節，是對云計算與大數據技術的功能拓展和深化。

2.3 課后“二重點”鞏固

課后“二重點”包括重點知識復習和重點測試練習。課后學習是鞏固知識、完善不足的重要環節，翻轉課堂教學的課后鞏固由師生共同完成。重點知識復習包括對虛擬化技術、大數據系統和高性能計算系統設計方法進行全方位的梳理，可以通過學習內容總結、學習報告等方式進行書面總結，以獲得更好的復習效果。總結報告可作為課后作業的一部分，由老師參與批閱，作為最終考評成績的參考。

重點測試練習通過線上實現，學生依據教師的安排在慕課資源中完成相應的課后測試，測試結果由學生互評、教師評閱兩種形式，最終成績為二者評分的加權綜合。題目類型為選擇題和設計題，分別考察基本概念和工程應用能力，通過理論與應用的結合，完成OBE 理念下翻轉課堂教學的最后一環。

3 實施效果分析

3.1 周期測試結果

為驗證所提出教學方法的有效性，在南京郵電大學2020 級智能科學與技術、人工智能、信息安全三個專業開展教學對比實驗，對智能科學與技術、人工智能專業學生開展OBE 理念下的線上線下混合翻轉教學，同時對信息安全專業學生開展傳統講授式教學。在2022—2023 學年第二學期的每個月末進行一次周期測試，三個專業的平均成績變化如圖6 所示。

圖6 成績變化

由圖6 可知，在教學對比初期（即第一次測試），三個專業學生的測試成績相差不大，這說明不同專業學生的原始學習能力相似。隨著OBE 理念下的翻轉課堂的進行，從第二次測試開始，采用OBE 理念下的翻轉教學方法的兩個專業成績有著明顯的提高，相對而言，采用傳統教學方法的專業成績變化則較為平穩，學期結束時平均成績差異已接近10 分，此種結果驗證了OBE 理念下的線上線下混合翻轉課堂方法有較好的教學效果。

3.2 學習體會調查

為了獲得學生對OBE 理念下的翻轉課堂教學方法的感想與體會，通過開座談會的方式調查了參與實驗的學生的學習體驗，學生主要感想與體會總結如表2 所示。

表2 學習感想與體會總結

從表2 可知，學生最主要的兩個體會是激發了學習興趣和提高了知識應用能力，這說明此種教學方法調動了學生學習的積極性，有助于云計算與大數據技術實踐應用技能的培養。

4 結束語

云計算與大數據是一門面向工程應用的課程，為了滿足新工科背景下信息技術專業應用實踐型創新人才的培養需要，提出基于“三要素、三模塊、二重點”的線上線下混合翻轉創新教學方法。此教學方法充分發揮線上慕課教學資源與線下翻轉課堂教學設備特點，具有的優勢為：

（1） OBE 理念為達到學生的培養目標、提高學生的實踐能力提供了理論保障，滿足了學生改變教學方法的期待。

（2） 慕課資源基于學生學情制作，具有更好的針對性，在課前學習中能提高學習的自主性。同時，設計了多樣的學習資料，提高了學生學習的興趣度。

（3） 課中階段充分利用線上和線上資源，以小組匯報形式將學習的主體變成學生，增加了學生學習的積極性，在競爭的環境中提高了學習效率。

（4） 課后結合慕課資源進行復習與測試，設置學生互評環節，讓每個學生都成為學習的監督者，從而加深了重點知識的理解。

通過線上與線下的混合，OBE 理念下的翻轉課堂極大地增加了學生的學習參與感，提高了學習的主動性和效率，周期測試結果驗證了此種方法對教學的促進作用。此外，學生在OBE 理念下的翻轉課堂學習中普遍反映提高了自身的知識應用能力，這符合新工科教育背景下對信息技術人才的培養標準。