基于SPOC的計算機實驗教學云平臺設計與實踐

蔡建華，胡文心，張凌立

基于SPOC的計算機實驗教學云平臺設計與實踐

蔡建華，胡文心，張凌立

（華東師范大學 數據科學與工程學院，上海 200062）

SPOC教學模式使實體課堂與在線教育相融合，具有規模小、有準入性限制等特點，相對傳統教學模式在提高教學效果上有較大的發展空間。基于SPOC教學模式，闡述了針對高校非計算機專業學生的計算機實驗教學云平臺功能設計，及其在教學實踐中的應用路線。教學實踐表明，通過將傳統課堂教學與線上學習有機結合，發揮了學生個性化學習和主動學習的作用，教學效果大大提高。

SPOC模式；實驗教學；云平臺

1 SPOC模式的教育優勢

培養學生信息技術素養是高校培養目標之一。但高校針對非計算機專業學生開設的計算機基礎類通識必修課，其教學效果在實際教學中易受多種因素制約。主要體現在，學生入校前的知識基礎參差不齊，再加上教學內容更新速度快，致使部分學生跟不上進度。此外，教學方式單一，師生交互單向化，理論加實驗的傳統教學方法不能很好地調動學生自主學習的積極性。

近年來，隨著網絡和云計算技術的發展，大規模開放在線課程（MOOC）平臺興起，優質教育資源得以大范圍共享，并使個性化學習成為可能[1]。而針對校內大學生開設的小規模限制性在線課程（SPOC），則使課堂教學與在線教學相融合，突破了MOOC的不足，具有規模小和準入限制等特點，教學評價體系也更加靈活完善[2]。教師在課前把視頻資料和學習要求發布到在線平臺用于學生自主學習，然后在實體課堂教學中進行講解并回答學生問題，課后學生完成作業后可開展線上討論、協作交流等[3-4]。教師還可根據學生需求調整課程進度和評分系統，激發學生主動學習的熱情。

基于SPOC模式的教學理念，依托云計算技術，結合本校非計算機專業學生對計算機相關實驗課程的實際需求，設計了面向計算機通識課程的智能教學云平臺，在大學計算機、多媒體技術及應用、數據處理、算法及程序設計等課程中進行SPOC教學實踐，取得了很好的效果。

2 智能實驗教學云平臺的設計

2.1 云計算應用于教育的優勢

云計算是通過虛擬化技術整合物理資源，提出基礎設施即服務、平臺即服務、軟件即服務等概念，是一種新興的共享基礎架構的方法，它面對的是大規模的分布式環境，通過優化調度算法來實現資源的自動部署和按需分配，核心是提供數據存儲和服務[5]。

教育云平臺是以云計算體系結構為依托建立起來的具備基礎教育功能的智能化教育信息管理平臺[6]。它以資源整合為中心，融合了教學和管理等功能，實現了教育資源的動態分配，實現了教師的協同工作和學生的自主學習，提高了教育資源利用率，推動了教學模式的進步。

2.2 智能教學平臺的功能設計與結構

根據學生入校時計算機水平測試成績，采取更有針對性的提高班、普通班或先修班分班教學，而后進行多媒體技術、數據分析處理和算法程序設計等進階課程的學習。教研組依據教學大綱，以課程為單位，對每門課的知識點進行了重新梳理和細化，根據其所屬的類別和深度劃分為4個層級，由易而難、循序漸進地組織教學。

根據學生水平和非專業計算機課程教學要求，以SPOC教學模式為出發點，把課堂教學和線上學習充分融合，以為學生提供靈活高效的學習途徑為目標，設計實現了智能教學云平臺[7]。作為綜合性資源平臺，為滿足資源合理安全發放、管理和收回的要求，并結合實際教學需求，云平臺主要分為3大模塊：系統管理模塊、教學組織模塊和互動共享模塊，如圖1所示。

2.3 各功能模塊在教學中的作用

（1）系統管理模塊設定管理員、教務人員或賦予相應權限的用戶才能訪問。由于教學是以課程和班級為單位組織的，預先要把所有課程信息、班級和學生信息導入系統。這些信息一般是從學校教務管理系統獲取，學生可用自己的學號密碼登錄，進入自己的課程和班級學習，瀏覽與課程配套的學習資源。通過權限管理可以設置用戶的訪問權限。

圖1 智能教學云平臺功能模塊

（2）教學組織模塊的主要功能是協調學習進度與資源。以知識點為基本學習單元，教師為課件系統準備相關的課件和案例素材，為需要實際操作的知識點提供解析視頻等，作為演示系統資源。同步講解系統提供的視頻與課堂講授同步，供學生課后進行線上復習。教師在課前把每節課的作業素材和要求發到作業系統上，并設定截止日期，學生完成作業后把相關文件或報告上傳至系統，教師批閱后可在評分功能區評分。圍繞知識點構建分級題庫，以供測試反饋系統和作業系統選用。測試反饋系統包括班級和課程的考試管理、試題和試卷管理、成績反饋管理等，支持由指定知識點智能組卷、由舊卷組卷、由試題組卷等功能。考試結束后自動生成成績反饋報表，用以進行教學效果分析。

（3）互動共享模塊是相對獨立的。其中的作品展示功能為學生提供了將自己課內或課外作品進行分享展示的平臺；而問答功能為學生提供了提問入口，學生也可通過回答提問獲得積分。這些功能既可促進師生相互交流，又可激發學生自主學習的熱情，也契合于SPOC教學模式的初衷。電子書包的作用是方便教師和學生暫存或分享各類資源，可以設置可見范圍，依照訪問權限存取文件。

所有資源都部署在學校的教學云服務器上，統一認證，統一資源分配，統一設備設施管理。學生可隨時隨地訪問和使用班級及課程資源、完成實驗等。

3 實驗教學云平臺的應用實踐

計算機系列課程是理論與實踐相結合的課程，很多知識點都需要通過大量實際操練才能領會、掌握，而實驗課的教學質量將直接影響學生對知識的深入理解和付諸應用。基于SPOC教學理念改進了實驗教學流程，如圖2所示。課堂上以學生實驗操作為主，教師講解示范為輔，及時進行面對面的師生互動和有針對性的疑難解答；而通過云平臺線上學習使學生預先自學教師提供的教學資源，并通過擴展知識學習和小組討論等，充分發揮學生個性化學習和主動學習的作用[8]。

圖2 基于云平臺的混合學習教學模式

3.1 課前準備

教師根據實驗教學目標設計實驗任務，在平臺發布教學安排和任務安排。預先準備相關知識點的課件、視頻、學習素材等資源，供學生提前預習使用[9]。如有需要，可從題庫中抽選基礎性習題作為學生課前練習或測試，以檢視學生對理論知識的掌握程度，做好實驗準備。學生在學習中遇到問題時，可通過平臺討論區向教師提問，教師可及時在線解答。學生之間也可通過相互交流或小組討論加深對知識的理解。教師可將學生所提問題進行匯總、整理、分類，分析學生對知識點的理解程度，還可根據實際情況適當調整課堂實驗安排。

3.2 課堂實踐

課堂上采用互動教學方式，以使學生靈活運用知識點、強化操作能力為目標。教師可針對課前練習或線上答疑中的問題進行講評，重點是對易錯點、重點、難點進行講解。對于預先設計好的、按不同難度分層的各項實驗任務，直接給出實驗要求，或者根據課程特點設計任務驅動場景，讓學生通過自主探究或小組協作探究方式完成知識點和技能點的學習和內化[10]。在學生實際操作過程中，教師應及時查看學生實驗完成情況，并提供答疑解難等學習支持，為學生提供個性化指導。對于提前完成實驗的學生，可追加拓展性任務，鼓勵他們探索難度等級更高或延伸領域的知識點，進一步激發學習熱情。教師可在教學的適當階段引入隨堂測試，了解學生對該階段教學內容的理解程度和應用能力，并進行總結點評，同時對知識進行歸納梳理，還可根據情況對教學進度進行調整。

3.3 課后總結反饋

課后學生整理實驗數據、撰寫實驗報告，并將完成的實驗結果或報告在規定時間內上傳提交云平臺。教師可及時批閱實驗作業，并將結果及時反饋學生。通過對班級情況的總結和分析，梳理出學生在知識點和技能點上存在的問題，利用問答系統的論壇交流欄與學生進行探討、糾錯，強化對實驗內容的掌握，完成實驗教學主動權從教師到學生的轉移。

學生可通過平臺繼續進行討論交流，還可向教師提出未解疑問。學生也可將自己的多媒體作品、小程序或數據分析案例等上傳到作品展示區，相互交流學習。由于這些東西并不限于課堂內容，由此帶來的哪怕是小小的成就感，都可以轉化為巨大的學習動力，體現了“學”優先于“教”的理念[11]。

3.4 測試與評價

平臺的題庫和測試反饋系統用于進行考試管理和教學評價。題庫內容根據課程知識點的難度進行分級，教師可按難度和知識點組合設定生成試卷，方便教師快速進行標準化測試及規范化評價。平臺還支持進行成績分析，例如用可視化圖表展示班級中各個成績段的分布情況、進行不同知識點的錯誤率統計等，還可通過查詢薄弱點，調整設計教學方案。

為了滿足學生自測需求，平臺設置了簡單的自測題庫。學生可自主選擇知識點范圍和試卷難度等級，測試自己對知識的掌握程度。通過明晰已經掌握了哪些知識、哪些還沒有掌握，再進一步做針對性的訓練，有利于學生根據自身情況調節學習行為[12]。

4 實驗教學云平臺的應用效果與反思

根據基于云平臺的教學實踐及教學過程中學生學習行為表現和學習成績，可以認為，基于云平臺的SPOC模式提高了學生學習的主動性和持續性，教師對教學過程的把控能力和教學設計能力也得到了提高。

（1）教學和教學資源的時空延展提高了有效學習時間。引入課前線上自主學習，顯著提高了課堂實驗操作的效率。由于學習任務按知識點分層設置，明確易懂，使教學主題按師生互動方式展開；學生實驗的當堂完成度和截止日期前的作業提交率都明顯提升；由于平臺資源可以反復觀看使用，促進了課后的線上交流討論。

（2）實驗內容按難度分層有利于學生的個性化發展。計算機類課程的實驗內容難度差別很大，而面對的非計算機專業類學生的興趣不同、編程能力不同、對計算機能力的需求也不同。因此教師課前可在平臺上發布難度層次不同的實驗，或通過測試反饋及平臺上學生的實驗選擇、課堂實驗實施情況等進行個別輔導，使基礎較好的學生得到知識拓展機會，基礎較弱的學生得到能力提升的機會。對于課堂上不大主動提問的較內向的學生，平臺給他們提供了與教師單獨交流的途徑，促進了他們的主動學習。

（3）形成了有效的師生互動和及時反饋評價機制。在每個教學環節中，教師和學生的角色分工明確，相互獨立又交叉互動。在教師引導下，學生能夠主動思考問題或主動向其他學生或教師請教。線上和線下形成互補，教師能夠及時回答學生的提問，進行案例演示，還可隨時將優秀的實驗方法或實驗過程上傳平臺，形成了有效的即時反饋機制。

（4）學生自主學習能力對教學效果的影響值得關注。SPOC模式要求學生具備一定的自主學習能力，強調保證學習時間和學習強度，強調參與在線討論。由于學生的自主學習能力參差不齊，極易造成學習成績的兩極分化。有的學生由于忽視線上學習，使教師的引導無法奏效，直接影響了課堂實驗質量。這是今后需要重點關注的問題。

5 結語

SPOC教學模式將傳統課堂教學轉變為融合線上線下的混合式教學。這種教學模式使線上線下相互補充、相互促進，將以知識傳授為主的教轉變為以能力培養為主的學。教學云平臺是教學在時空上的延展，能夠使師生之間及學生之間的交流常態化。該教學模式在教學過程中兼顧了學生的個體差異，有利于全面培養學生的動手操作能力、分析與解決問題能力、自主與協作學習能力，提高了學生學習的積極性和主動性，提高了基礎實驗課程的整體教學效果。

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Design and practice of computer experimental teaching cloud platform based on SPOC

CAI Jianhua, HU Wenxin, ZHANG Lingli

(School of Data Science & Engineering, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

SPOC teaching mode integrates entity classroom with online education, which has the characteristics of small scale and limited access. Compared with traditional teaching mode, the SPOC teaching mode has greater space for development in improving teaching effect. Based on the SPOC teaching mode, this paper expounds upon the function design of the cloud platform for computer experiment teaching for non-computer majors in colleges and universities and its application in teaching practice.

SPOC mode; experimental teaching; cloud platform

G642.0

A

1002-4956(2019)12-0197-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.046

2019-04-04

國家高技術研究發展計劃（2013AA01A211）

蔡建華（1973—），女，上海，碩士，工程師，研究方向為智能信息系統、數據挖掘。E-mail: jhcai@cc.ecnu.edu.cn

胡文心（1975—），女，上海，博士，高級工程師，研究方向為高性能計算系統與大數據智能。E-mail: wxhu@cc.ecnu.edu.cn