實(shí)驗(yàn)大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)平臺(tái)在計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

黃海龍，李慶玲

（濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院，日照276826）

0 引言

大數(shù)據(jù)，尤其教育大數(shù)據(jù)，對(duì)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)過程、調(diào)整教學(xué)方法、優(yōu)化評(píng)價(jià)方式等具有重要指導(dǎo)價(jià)值，也為掌握學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律和學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)提供了新的研究視角。計(jì)算機(jī)專業(yè)的硬件課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)雖然經(jīng)歷了多年的教學(xué)改革，取得了一點(diǎn)成績(jī)，但依然存在一些問題。伴隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和移動(dòng)式通訊設(shè)備的普及，實(shí)驗(yàn)中的過程數(shù)據(jù)可以被收集、整理和存儲(chǔ)，形成實(shí)驗(yàn)大數(shù)據(jù)，通過分析、挖掘?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)，反哺實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革開辟了新的途徑。

1 計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

目前，高校計(jì)算機(jī)專業(yè)在硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普通存在的問題主要表現(xiàn)在以下。

1.1 重理論，輕實(shí)驗(yàn)

“重理論，輕實(shí)驗(yàn)”一直以來是影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)成績(jī)的瓶頸問題，隨經(jīng)歷多年改革，依然沒有太大改觀，實(shí)驗(yàn)課的所占課程比例偏低，無法滿足實(shí)際教學(xué)需要，導(dǎo)致學(xué)生理論和實(shí)踐脫節(jié)，影響了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握和靈活運(yùn)用，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.2 教師教學(xué)活動(dòng)機(jī)械重復(fù)，教學(xué)工作量大

在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)類硬件課程的實(shí)驗(yàn)中，尤其學(xué)生人數(shù)多、班級(jí)多時(shí)，同一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要多次重復(fù)講解，加大了教師工作量；而對(duì)學(xué)生，教學(xué)內(nèi)容又不具備可回看性，教師的教學(xué)效率事倍功半。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)滯后、實(shí)驗(yàn)設(shè)備無法按時(shí)匹配

尤其教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)要投入工作量去重復(fù)性的講解實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致教師沒有多余的時(shí)間投入新實(shí)驗(yàn)的研究和創(chuàng)設(shè)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目陳舊。再者，即便教師開設(shè)一些新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，因?qū)嶒?yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴或不能到位的原因，導(dǎo)致新開設(shè)實(shí)驗(yàn)也無法按時(shí)正常進(jìn)行。

1.4 缺乏合理的多元化評(píng)價(jià)方式

當(dāng)前學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定多以實(shí)驗(yàn)報(bào)告和課堂表現(xiàn)這兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的參與度、實(shí)驗(yàn)的時(shí)間投入、學(xué)習(xí)熱情度等無法進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)難以保存，缺少過程性評(píng)價(jià)，導(dǎo)致對(duì)學(xué)生的整體評(píng)價(jià)有失偏頗，更缺少對(duì)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多元化評(píng)價(jià)，不利于后續(xù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的及時(shí)調(diào)整與優(yōu)化。

建立大數(shù)據(jù)平臺(tái)，可以提供可靠的數(shù)據(jù)支持，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，利用平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元化的教學(xué)評(píng)價(jià)，反饋實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高效果效率，優(yōu)化教學(xué)效果，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的提高。

2 實(shí)驗(yàn)大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)平臺(tái)的框架設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)大數(shù)據(jù)平臺(tái)由四部分組成。分別為學(xué)習(xí)資源區(qū)（實(shí)驗(yàn)微課區(qū)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)區(qū)、課程輔助資源庫(kù)區(qū)、資源下載區(qū)）、成果提交區(qū)、成果展示區(qū)、學(xué)習(xí)社區(qū)（交流區(qū)、測(cè)試區(qū)、答疑區(qū)）。

圖1 實(shí)驗(yàn)大數(shù)據(jù)平臺(tái)構(gòu)成

3 基于實(shí)驗(yàn)大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)平臺(tái)的應(yīng)用

3.1 SPOC在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

自從加州大學(xué)伯克利分校計(jì)算機(jī)科學(xué)教授阿曼多·福克斯在2013 年首次提出SPOC（Small Private Online Course）即小規(guī)模專有在線課程以來，在世界各地的大學(xué)課程教學(xué)中取得了良好的效果。作為MOOC 與傳統(tǒng)課堂教學(xué)融合的產(chǎn)物，SPOC 為課堂教學(xué)注入了新的活力，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)構(gòu)建了開放的學(xué)習(xí)環(huán)境，形成了以翻轉(zhuǎn)課堂的新型教學(xué)模式，實(shí)踐證明，另外，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比較，結(jié)果如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)特征對(duì)比表

基于SPOC 的教學(xué)在實(shí)驗(yàn)支持、師生互動(dòng)、課程評(píng)價(jià)、師生角色等方面有諸多課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法超越的優(yōu)勢(shì)。所以，在大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的支持下，基于SPOC的教學(xué)模式在計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行應(yīng)用，能為實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高、學(xué)生創(chuàng)新能力的提升開辟新的途徑。

3.2 基于SPOC的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

基于SPOC 的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的活動(dòng)設(shè)計(jì)是以翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方式為前提而進(jìn)行，分為三個(gè)階段，分別為課前、課中、課后。兩個(gè)主體：學(xué)生和教師。基于SPOC的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是以學(xué)生為中心，教師是教學(xué)活動(dòng)的組織者、幫助者的雙主體的教學(xué)模式。因此，從教師的教學(xué)活動(dòng)和學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)兩個(gè)層面進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 基于實(shí)驗(yàn)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的教-學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)模型

模型對(duì)課前、課中、課后教與學(xué)的活動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）課前活動(dòng)設(shè)計(jì)

課前，教師登錄數(shù)據(jù)平臺(tái)，上傳實(shí)驗(yàn)資料，對(duì)平臺(tái)已有實(shí)驗(yàn)資料進(jìn)行修改、調(diào)整。教學(xué)準(zhǔn)備完成后，教師利用課程微信號(hào)發(fā)布課程開課通知，及時(shí)推送實(shí)驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)、內(nèi)容，提醒學(xué)生登錄平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)。同時(shí)，密切關(guān)注學(xué)生的課前學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，及時(shí)答疑、定時(shí)參加討論區(qū)的活動(dòng)，對(duì)學(xué)生提交的課前小作業(yè)進(jìn)行批改，進(jìn)行及時(shí)答疑與反饋信息。

學(xué)生可直接登錄SPOC 平臺(tái)或通過手機(jī)App 端登錄進(jìn)行課前學(xué)習(xí)。需觀看實(shí)驗(yàn)微視頻、完成課前小作業(yè)并提交、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程等。可利用平臺(tái)提供的實(shí)驗(yàn)相關(guān)課件、教學(xué)微課、網(wǎng)站鏈接資源、虛擬實(shí)驗(yàn)等進(jìn)行輔助學(xué)習(xí)。在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生可隨時(shí)在平臺(tái)討論區(qū)、學(xué)習(xí)微信群等方式對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中遇到的問題進(jìn)行討論，也可以在平臺(tái)中直接給教師留言。

（2）課中教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

教學(xué)實(shí)施開始后，教師的主要活動(dòng)是密切關(guān)注學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作過程，及時(shí)給予現(xiàn)場(chǎng)的指導(dǎo)和問題解答，密切關(guān)注學(xué)生討論區(qū)的焦點(diǎn)問題，當(dāng)實(shí)驗(yàn)組數(shù)較多，無法及時(shí)一對(duì)一解答時(shí)，教師可利用平臺(tái)的問題發(fā)布區(qū)、QQ 群等方式對(duì)共性問題進(jìn)行統(tǒng)一解答。

學(xué)生在實(shí)施過程中，可以隨時(shí)在平臺(tái)中記錄個(gè)人（小組）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)過程，如實(shí)驗(yàn)數(shù)值、電路設(shè)計(jì)、產(chǎn)品演示等。在實(shí)驗(yàn)中遇到的問題，在討論區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線討論，也可以給教師進(jìn)行留言，對(duì)實(shí)驗(yàn)中遇到的問題和困惑等進(jìn)行記錄。

（3）課后教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

課程實(shí)施實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師的主要活動(dòng)是收集并批閱實(shí)驗(yàn)結(jié)果、對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)成果的評(píng)價(jià)。包括對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的批改、課后作業(yè)（設(shè)計(jì)）的批閱、對(duì)學(xué)生作品的評(píng)分、選擇部分作品進(jìn)行展示等。

實(shí)驗(yàn)課結(jié)束后，學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)成果，包括實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)過程視頻、實(shí)驗(yàn)結(jié)果視頻、設(shè)計(jì)成功的電路圖片、課后小作業(yè)等。查看教師作業(yè)成績(jī)及修改建議，及問題答疑等。

3.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用案例

依托我院健康大數(shù)據(jù)中心平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的架構(gòu)，選取計(jì)算機(jī)專業(yè)的數(shù)字電子技術(shù)作為試點(diǎn)課程，開展基于實(shí)驗(yàn)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的應(yīng)用研究。數(shù)字電子技術(shù)是計(jì)算機(jī)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是計(jì)算機(jī)組成原理、微計(jì)算機(jī)技術(shù)、單片機(jī)原理等課程的前續(xù)課程。同時(shí)也是一門對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力、實(shí)踐能力要求較高的課程。多年來，實(shí)驗(yàn)教學(xué)均采用先講解，后動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)模式進(jìn)行，其弊端也日益體現(xiàn)。主要表現(xiàn)在：①教師講實(shí)驗(yàn)，壓縮了學(xué)生的動(dòng)手時(shí)間；②實(shí)驗(yàn)報(bào)告多以文本呈現(xiàn)，內(nèi)容趨于雷同化；③過程性評(píng)實(shí)施難度大，實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定缺乏依據(jù)和準(zhǔn)確性。因此，我們?cè)?018 級(jí)計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生中使用實(shí)驗(yàn)大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行了本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

課程共設(shè)計(jì)包括門電路、組合電路設(shè)計(jì)、觸發(fā)器、搶答器、智能病床呼叫電路等8 個(gè)動(dòng)手操作項(xiàng)目和6個(gè)虛擬仿真項(xiàng)目（含2 個(gè)選做）。分屬驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)型和創(chuàng)新型三種類型。動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室和平臺(tái)進(jìn)行，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在平臺(tái)開展。

項(xiàng)目進(jìn)行過程中，教師密切關(guān)注實(shí)驗(yàn)過程，及時(shí)指導(dǎo)、答疑，項(xiàng)目結(jié)束后及時(shí)對(duì)學(xué)生課內(nèi)表現(xiàn)打分，并錄入平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)束后，學(xué)生需要在SPOC 平臺(tái)中提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、視頻、圖片等材料。根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)分組，有選擇性的要求提交。如綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目《智能病房呼叫電路的設(shè)計(jì)》，除提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告等常規(guī)材料外，還要求學(xué)生提交電路的演示視頻以及實(shí)際的電路圖。

3.4 教學(xué)評(píng)價(jià)及應(yīng)用效果分析

評(píng)價(jià)是激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)，改進(jìn)教師教學(xué)的有效手段。基于SPOC 的教學(xué)活動(dòng)中，評(píng)價(jià)反饋貫徹于教學(xué)活動(dòng)的每個(gè)階段。以形成性評(píng)價(jià)作為主要評(píng)價(jià)手段，采用學(xué)習(xí)分析技術(shù)，根據(jù)教學(xué)實(shí)施過程中產(chǎn)生的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如學(xué)生的學(xué)習(xí)次數(shù)、學(xué)習(xí)時(shí)間長(zhǎng)度、觀看視頻的時(shí)間次數(shù)等隨時(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的評(píng)價(jià)由課內(nèi)評(píng)價(jià)和平臺(tái)評(píng)價(jià)兩部分組成，各占比50。課內(nèi)評(píng)價(jià)：學(xué)生解決突發(fā)問題的能力、實(shí)驗(yàn)態(tài)度、實(shí)驗(yàn)操作的熟練程度、實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)合理性等方面進(jìn)行。平臺(tái)評(píng)價(jià)：以學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)為依據(jù)，包括在線學(xué)習(xí)時(shí)間、在線實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)視頻、圖片等結(jié)果為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用不同權(quán)重進(jìn)行打分。

課程結(jié)束后對(duì)學(xué)生進(jìn)行了簡(jiǎn)單的問卷調(diào)查，圍繞基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的在線實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的喜好、接受程度、評(píng)價(jià)方式、實(shí)踐體會(huì)、自我效果評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行。從結(jié)果來看82%的學(xué)生對(duì)基于平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)方式表示認(rèn)可。有更多的時(shí)間進(jìn)行動(dòng)手操作，問題能及時(shí)得到解決，實(shí)驗(yàn)氛圍寬松有序。89%的學(xué)生表示利用平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)成果的提交更方便。88%的學(xué)生對(duì)基于平臺(tái)的評(píng)價(jià)方式表示認(rèn)可，認(rèn)為評(píng)價(jià)更客觀、更公平。從總體實(shí)驗(yàn)成績(jī)來看，絕大部分學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容掌握比較好，實(shí)驗(yàn)的動(dòng)手積極性比往屆有明顯提高。

4 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)的重要組成部分，是學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)的重要基地。利用實(shí)驗(yàn)大數(shù)據(jù)平臺(tái)在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，可以合理規(guī)劃實(shí)驗(yàn)流程和時(shí)間，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，合理調(diào)整教學(xué)流程，提高教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)大數(shù)據(jù)平臺(tái)服務(wù)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全過程，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供有利的數(shù)據(jù)支持。利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行硬件課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，取得了不錯(cuò)的效果，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來新的活力和生機(jī)。當(dāng)然，教學(xué)過程中也發(fā)現(xiàn)了一些新問題，如線上學(xué)生自學(xué)效率不高、討論參與度不高、課程激勵(lì)機(jī)制不完善、實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容趨同化等問題，這也是后續(xù)基于平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要解決的問題。