新文科背景下基于Blockly的機器學(xué)習(xí)實驗教學(xué)平臺設(shè)計與實現(xiàn)

張自然　石義金

摘? 要：在新文科建設(shè)背景下，針對文科學(xué)生編程經(jīng)驗少、機器學(xué)習(xí)實驗上手難的問題，設(shè)計并實現(xiàn)一種基于Blockly編程的機器學(xué)習(xí)實驗教學(xué)平臺。該實驗平臺由教師管理端、學(xué)生實驗端、系統(tǒng)管理端和公共模塊四部分構(gòu)成，采用B/S架構(gòu)，由計算機編程語言Python和可視化編程工具Blockly實現(xiàn)。并以機器學(xué)習(xí)中的“自然語言處理”為實驗教學(xué)案例，全面呈現(xiàn)該實驗教學(xué)平臺與實驗教學(xué)任務(wù)結(jié)合的具體應(yīng)用實踐。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)平臺；Blockly；機器學(xué)習(xí)；自然語言處理；新文科

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）04-0025-05

Abstract： Under the background of New liberal arts construction， aiming at the problem that the liberal arts students have little programming experience and have difficulty in machine learning experiment， this paper designs and realizes a machine learning experiment teaching platform based on Blockly programming. The platform is composed of four parts： teacher management， student experiment， system management and public module. It adopts B/S architecture and is implemented by Python and Blockly. The platform takes natural language processing as the first experiment teaching case， and has successfully completed the experiment teaching task through online teaching practice.

Keywords： experimental teaching platform; Blockly; machine learning; natural language processing; new liberal arts

2019年4月，教育部、科技部等13個部門聯(lián)合啟動了“六卓越一拔尖”計劃2.0，全力推進“新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科”建設(shè)。其中“新文科建設(shè)”是要把傳統(tǒng)文科與現(xiàn)代信息技術(shù)交叉融合，培養(yǎng)新時代的哲學(xué)社會科學(xué)家[1-2]。

機器學(xué)習(xí)作為現(xiàn)代信息技術(shù)的重要組成部分，其本身就是一門多領(lǐng)域交叉學(xué)科，同時又是一門應(yīng)用性極強的學(xué)科，有效開展機器學(xué)習(xí)實驗教學(xué)，提升學(xué)生的計算思維、創(chuàng)新能力、信息素養(yǎng)，將有效促進新文科的建設(shè)[3]。傳統(tǒng)的機器學(xué)習(xí)實驗教學(xué)對學(xué)生編程基礎(chǔ)的要求較高，不適合在缺少程序設(shè)計經(jīng)驗的傳統(tǒng)文科學(xué)生中開展[4]。而且傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)教學(xué)模式對實驗環(huán)境的要求較高，對于不熟悉計算機相關(guān)知識的文科學(xué)生而言自主搭建實驗環(huán)境也是困難重重。

Google Blockly（以下簡稱Blockly）是Google于2012年6月發(fā)布的完全可視化的開源的圖形化編程語言，它由一塊塊圖形對象組成，每個圖形對象都是代碼塊。使用者通過拖拽拼圖的方式，將它們拼接起來，構(gòu)建出一個程序，不需要任何的代碼編寫。因此，借助Blockly開展編程教學(xué)，學(xué)生可以更容易地接受理解編程，實現(xiàn)創(chuàng)意。并且，Blockly代碼還支持轉(zhuǎn)換成JavaScript、Dart、Python或XML 代碼。在機器學(xué)習(xí)中，Python語言的使用最為廣泛。

因而，本文基于Blockly設(shè)計并實現(xiàn)了機器學(xué)習(xí)實驗教學(xué)平臺，學(xué)生可通過網(wǎng)絡(luò)提供校內(nèi)外隨時隨地訪問與使用。該平臺采用B/S架構(gòu)，由計算機編程語言Python和可視化編程工具Blockly實現(xiàn)。通過該機器學(xué)習(xí)實驗教學(xué)平臺，學(xué)生只需打開瀏覽器，在平臺網(wǎng)頁上拖動教師為實驗內(nèi)容特別設(shè)計的可視化圖形就可以執(zhí)行實驗任務(wù)。

一? 實驗教學(xué)平臺總設(shè)計方案

根據(jù)教學(xué)要求，本實驗平臺主要由4部分組成，分別是教師管理端、學(xué)生實驗端、系統(tǒng)管理端和公共模塊，如圖1所示。

（一）? 教師管理端

教師管理端由實驗教師使用，該端包含了實驗設(shè)計模塊、實驗代碼管理模塊和實驗運行統(tǒng)計分析模塊。

在實驗設(shè)計模塊，實驗教師根據(jù)機器學(xué)習(xí)課程的教學(xué)大綱，為各個知識點設(shè)計實驗項目，可以是層次一類的“演示型”實驗和“驗證型”實驗；也可以是層次二類的“應(yīng)用型”實驗、“綜合型”實驗、“設(shè)計型”實驗；還可以是層次三類的“研究型”實驗和“創(chuàng)新型”實驗[5]。教師在該模塊完成實驗名稱、實驗?zāi)康摹嶒瀮?nèi)容和實驗環(huán)境等基礎(chǔ)實驗項目信息的填寫。

在實驗代碼管理模塊，實驗教師根據(jù)實驗項目內(nèi)容，通過圖形化開發(fā)工具Blockly Developer Tools編寫實驗代碼并將實驗代碼轉(zhuǎn)換為圖形塊（圖2）。經(jīng)實驗教師檢查后即可發(fā)布該實驗項目。

在實驗運行統(tǒng)計分析模塊，實驗教師可以查看學(xué)生的實驗記錄，通過對實驗記錄的深入分析，可以掌握學(xué)生的實驗時間，學(xué)生在實驗過程中遇到的難點等信息。

（二）? 學(xué)生實驗端

學(xué)生實驗端由學(xué)生使用，包含了實驗瀏覽模塊、實驗運行模塊、實驗運行記錄模塊和實驗運行分析模塊。

首先進入實驗瀏覽模塊，學(xué)生在該界面瀏覽教師發(fā)布的實驗項目，了解實驗內(nèi)容及相關(guān)要求。在自主學(xué)習(xí)時，學(xué)生也可以瀏覽眾多項目，根據(jù)自身興趣、意愿選擇實驗項目。

在明確實驗要求后，學(xué)生進入實驗運行模塊，根據(jù)所選實驗項目要求，在瀏覽器上拖拽Blockly圖形代碼塊，開展實驗任務(wù)。

在實驗運行記錄模塊，學(xué)生可以查詢自己的過往實驗記錄，掌握自己的實驗學(xué)習(xí)進度。

在實驗運行分析模塊，學(xué)生可以分析自己運行的實驗過程，復(fù)盤和尋找實驗過程中的失誤，加深對實驗的理解。

（三）? 系統(tǒng)管理端

系統(tǒng)管理端由系統(tǒng)管理員使用，其中包括系統(tǒng)開放管理模塊、系統(tǒng)用戶管理模塊、系統(tǒng)參數(shù)管理模塊和系統(tǒng)權(quán)限管理模塊。系統(tǒng)管理員在該端完成系統(tǒng)的管理與維護，如系統(tǒng)的開放、系統(tǒng)用戶的管理、系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的配置管理和系統(tǒng)權(quán)限的配置等。

（四）? 公共模塊

公共模塊是系統(tǒng)開放公共使用的功能模塊，包含了用戶登錄模塊、用戶登錄日志模塊和用戶操作日志模塊。用戶登錄模塊用于教師、學(xué)生及系統(tǒng)管理員登錄系統(tǒng)；用戶登錄日志模塊用于記錄用戶的登錄信息；用戶操作日志模塊用于記錄用戶的操作行為。

二? 實驗教學(xué)平臺具體功能實現(xiàn)

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)平臺多使用C/S架構(gòu)進行設(shè)計和開發(fā)，該模式的擴展性和分布能力差，需要學(xué)生安裝客戶端，并且對學(xué)生電腦的硬件設(shè)備有一定要求。為了降低學(xué)生的使用門檻，本實驗教學(xué)平臺采用了B/S架構(gòu)，利用網(wǎng)絡(luò)資源便捷化開發(fā)維護，實現(xiàn)“零客戶端”，學(xué)生只需通過瀏覽器即可訪問[6-7]。

為了減少開發(fā)成本，本平臺的所有功能都基于開源項目實現(xiàn)：瀏覽器端采用了開源的模塊化前端UI框架Layui和Google發(fā)布的可視化編程工具Blockly；服務(wù)器端采用了Python編寫的輕量級Web應(yīng)用程序框架Flask框架來實現(xiàn)Web交互。瀏覽器端的核心功能為可視化編程功能，服務(wù)器端核心的功能模塊為機器學(xué)習(xí)代碼運行功能。

（一）? 可視化編程功能實現(xiàn)

可視化編程功能基于Blockly Demo中的Code Editor實現(xiàn)。可視化編程功能是將由學(xué)生拖拽生成的圖形塊組合轉(zhuǎn)化為可以運行的Python代碼交付給服務(wù)器端運行。Code Editor的界面如圖3所示。

通過對Code Editor進行簡單改造，即更換代碼塊為實驗所需的代碼塊，去掉Tab標(biāo)簽中的JavaScript、PHP、Lua、dart和XML，并把“Python”標(biāo)簽改成“源代碼”，實現(xiàn)本實驗平臺的可視化編程，實現(xiàn)效果如圖4所示。

（二）? 機器學(xué)習(xí)代碼運行功能實現(xiàn)

機器學(xué)習(xí)代碼運行功能是接收學(xué)生通過拖拽圖形塊生成的代碼，在服務(wù)器端運行，反饋運行結(jié)果給學(xué)生，相當(dāng)于Python在線編譯器。在線編譯有多種實現(xiàn)方式，本文采用了最簡單的實現(xiàn)方式，將代碼提交到服務(wù)器，然后保存為臨時文件并運行，其基本流程和具體核心代碼實現(xiàn)分別如圖5和如圖6所示。

（三）? 實驗教學(xué)平臺實驗流程

該實驗教學(xué)平臺開展實驗教學(xué)流程如圖7所示。

實驗教學(xué)平臺的實驗流程如下。

1）登錄平臺。實驗教師通過瀏覽器登錄實驗教學(xué)平臺。

2）實驗設(shè)計。實驗教師按照人才培養(yǎng)方案，結(jié)合課程進度設(shè)計實驗教學(xué)內(nèi)容，明確實驗?zāi)康摹嶒瀮?nèi)容、實驗步驟。

3）實驗編碼。實驗教師將機器學(xué)習(xí)的代碼，按照Blockly的轉(zhuǎn)換工具規(guī)范，將代碼轉(zhuǎn)換成圖形塊形式。

4）實驗開放。實驗教師按照實驗項目需要，告知系統(tǒng)管理員提供實驗項目所需代碼庫文件，檢查無誤后，可將該機器學(xué)習(xí)實驗對外開放。

5）登錄平臺。學(xué)生通過瀏覽器登錄實驗教學(xué)平臺。

6）瀏覽實驗。學(xué)生可以在實驗教學(xué)平臺上瀏覽實驗教師開放的機器學(xué)習(xí)實驗。

7）選擇實驗。學(xué)生根據(jù)實驗教學(xué)要求或個人意愿選擇實驗教學(xué)平臺上開放的實驗。

8）實驗運行。學(xué)生根據(jù)實驗要求，拖拽實驗教師設(shè)計出的Blockly圖形塊，即可完成機器學(xué)習(xí)編程。提交運行后，可以查看運行結(jié)果，以及歷史編程記錄。

9）實驗結(jié)果分析。實驗教師在實驗后查看學(xué)生的實驗記錄，分析實驗結(jié)果。如分析學(xué)生經(jīng)常出現(xiàn)的錯誤點，完成實驗需要的時間、使用到的代碼數(shù)量等。

三? 實驗教學(xué)案例：自然語言處理

許多自然語言處理的任務(wù)都涉及到機器學(xué)習(xí)的相關(guān)知識，本文以自然語言處理實驗項目為實驗教學(xué)案例，分別從實驗內(nèi)容設(shè)計、實驗代碼編碼、實驗運行過程、實驗運行分析和實驗應(yīng)用統(tǒng)計五個方面，介紹本實驗教學(xué)平臺的應(yīng)用實踐。

（一）? 實驗內(nèi)容設(shè)計

自然語言處理實驗項目設(shè)計了英文自然語言處理、中文自然語言處理、TF-IDF計算及應(yīng)用三個子實驗，子實驗?zāi)康娜缦隆?/p>

1）英文自然語言處理：本實驗對課堂上講解的英文自然語言處理的知識進行鞏固，進一步掌握基于Python及NLTK的英文自然語言處理流程。

2）中文自然語言處理：本實驗對課堂上講解的中文自然語言處理的知識進行鞏固，進一步掌握基于Python及jieba的中文自然語言處理流程，深刻理解中英文分詞處理的差異性。

3）TF-IDF計算及應(yīng)用：TF-IDF（term frequency-inverse document frequency，詞頻-逆文檔頻率）是一種用于信息檢索與文本挖掘的常用加權(quán)技術(shù)[8]。本實驗對課堂上講解的TF-IDF知識進行鞏固，掌握在分詞基礎(chǔ)上進一步計算TF-IDF和文本相似度的流程。

每個子實驗又分相遇、相識、相知三個階段[9]。

1）相遇（流程初識）：本階段的目的是讓學(xué)生熟悉本實驗系統(tǒng)的使用并初步接觸自然語言處理任務(wù)。實驗教師將自然語言處理中的各個核心代碼封裝成模塊，打亂次序放置在模塊區(qū)。學(xué)生認(rèn)真閱讀各個模塊的文本提示，拖動模塊至代碼組合區(qū)，然后點擊運行。若程序流程順序正確，就會有正確的結(jié)果反饋；若代碼錯誤，平臺就會報錯，需要學(xué)生返回修改。子實驗“TF-IDF計算及應(yīng)用”相遇實驗界面如圖8所示。

2）相識（代碼理解）：本階段的目的是讓學(xué)生進一步掌握自然語言處理的實驗內(nèi)容。實驗教師將自然語言處理中的各個核心代碼進行模塊封裝，但不設(shè)置文本提示，打亂次序放置在模塊區(qū)。學(xué)生認(rèn)真閱讀代碼，將代碼塊按邏輯拖動至代碼組合區(qū)，點擊運行。若程序流程正確，就會有正確的結(jié)果反饋；若錯誤，平臺就會報錯，需要學(xué)生返回修改。子實驗“TF-IDF計算及應(yīng)用”相識實驗界面如圖9所示。

3）相知（靈活應(yīng)用）：本階段的目的是讓學(xué)生熟練掌握自然語言處理編程任務(wù)，能獨立完成自然語言處理任務(wù)的代碼編寫。實驗教師刪除原代碼中的關(guān)鍵代碼片段或者關(guān)鍵函數(shù)，學(xué)生依照實驗任務(wù)將代碼補充完整后運行代碼。若程序流程順序正確，就會有正確的結(jié)果反饋；若錯誤，平臺就會報錯，需要學(xué)生返回修改。子實驗“TF-IDF計算及應(yīng)用”相知實驗界面如圖10所示。

學(xué)生也可以通過下拉列表切換到相識實驗界面，如圖9所示；或切換到相知實驗界面，如圖10所示；相識實驗界面幾乎與相遇實驗界面相似，只是代碼塊有所區(qū)別。相知實驗界面在實驗代碼部分沒有了代碼塊的輔助，需要學(xué)生自行編寫實驗代碼。

（二）? 實驗代碼編碼

實驗教師根據(jù)各個實驗的要求，借助Blockly Developer Tools完成實驗編碼的編寫。其中，子實驗“TF-IDF計算及應(yīng)用”相遇與相識的編碼。如“導(dǎo)入程序需要的工具包”任務(wù)所對應(yīng)的代碼塊為“導(dǎo)入jieba工具包”“導(dǎo)入文本相似度庫”，其對應(yīng)的代碼分別為“import jieba”“from gensim import corpora，models，similarities”。

（三）? 實驗運行過程

學(xué)生登錄實驗教學(xué)平臺，選擇“自然語言處理”實驗項目，再選擇子實驗“TF-IDF計算及應(yīng)用”，即可進入如圖8所示相遇實驗界面。實驗界面分為左、中、右三部分，分別是“實驗說明”“實驗代碼”“實驗結(jié)果”。

1）實驗說明：學(xué)生可以瀏覽該實驗的“實驗?zāi)康摹薄皩嶒炓蟆薄皩嶒灧桨浮钡刃畔ⅰ?/p>

2）實驗代碼：該區(qū)域提供了代碼塊刪除按鈕、代碼塊運行按鈕、代碼塊縮放按鈕。在該區(qū)域，學(xué)生通過拖拽圖形塊來生成實驗代碼，并可以在代碼塊與源代碼模式間切換。此外，學(xué)生還可以右鍵代碼塊完成對單個代碼塊的復(fù)制、注釋、折疊等操作。

3）實驗結(jié)果部分，此區(qū)域?qū)@示學(xué)生實驗代碼的運行結(jié)果。

（四）? 實驗運行分析

在開展實驗后，學(xué)生可以瀏覽自己實驗代碼的歷史運行記錄，教師也可以瀏覽學(xué)生的歷史運行記錄。如圖11所示，在記錄中可以查看學(xué)生的實驗項目名稱、實驗時間、實驗代碼、實驗代碼行數(shù)和實驗代碼運行狀態(tài)。

學(xué)生可以針對自己的實驗運行記錄進行自我總結(jié)，完成實驗報告；實驗教師可以使用圖形分析報表了解學(xué)生整體的實驗情況。

（五）? 實驗應(yīng)用統(tǒng)計

自然語言處理實驗項目于2019年12月中旬對外開放，由于該實驗項目基于線上開展，在2020年突發(fā)的新型冠狀病毒感染疫情情況下，并未對實驗教學(xué)造成影響，順利完成了實驗教學(xué)任務(wù)。本實驗項目還通過校際交流，提供給兄弟院校共享使用。圖12為第三方網(wǎng)站統(tǒng)計工具對該“自然語言處理”實驗項目的訪問統(tǒng)計結(jié)果。

四? 結(jié)束語

在新文科背景下，基于Blockly的機器學(xué)習(xí)實驗教學(xué)平臺以畫面活潑、生動有趣的積木搭建式編程為主要形式，有效幫助了缺乏程序設(shè)計經(jīng)驗的學(xué)生開展機器學(xué)習(xí)實驗。在B/S架構(gòu)下，學(xué)生既可以在課堂上在實驗教師的指導(dǎo)下完成實驗，也可以不限時間不限地點進行自主實驗。此外，以機器學(xué)習(xí)中的“自然語言處理”實驗教學(xué)為實例，平臺展示了機器學(xué)習(xí)的流程及核心技術(shù)要點，充分發(fā)揮了Blockly積木編程簡單易用、操作門檻低、可擴展性強等特點，既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和自主學(xué)習(xí)積極性，又為學(xué)生的進一步探索營造了良好氛圍，為今后參加學(xué)科競賽和創(chuàng)新比賽打下基礎(chǔ)，培養(yǎng)了學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新意識。

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基金項目：湖北高校省級教學(xué)研究項目“電子商務(wù)虛擬仿真實驗教學(xué)理論與實踐研究”（2017098）；2019年湖北省高校實驗室實驗教學(xué)研究項目“基于大數(shù)據(jù)輔助的高校實驗室資金建設(shè)項目立項排序方法優(yōu)化研究”（201982）；華中師范大學(xué)2021年校級實驗室研究項目“新文科背景下信息資源管理專業(yè)綜合實驗課程思政教學(xué)改革研究”（2021sys07）

第一作者簡介：張自然（1977-），女，漢族，河南開封人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。研究方向為信息組織與檢索。