基于聚類分析的科學分組教學法在高校課程教學中的實踐與探索*

翁哲慧,趙夢楠,張 玲

(1.昆明學院 化學化工學院，云南 昆明 650214;2.云南民族大學 管理學院，云南 昆明 650504;3.云南開放大學 開放教育教學管理學院，云南 昆明 650500)

目前，我國高等學校教育主要采用的是班級教學制。班級教學有利于教育資源一體化分配，但容易忽略學生本身素質的差異，因此不利于因材施教。分組教學法是近代由外國引進至中國的概念，至今已有上百年的歷史[1]。而分組教學的引入，在保留了班級教學制的高效性的同時還體現了因材施教的教育原則，近年來在我國高等教育研究與實踐中受到越來越多的重視[2]。分組教學法最初是指針對一個班級內學生的層次背景差異，將學生分為若干個團組，依據不同團組的學生采用差異教學，使所有學生能夠最大限度的吸收教學內容，從而促進學生全面發展。分組教學法十分重視不同學生的素質差異，針對不同學生采取有針對性的教育教學，因而克服了普通教學法過程中因忽視學生年齡和學習能力、層次而產生教育教學效果難以理想的問題[3-4]。分組教學法依據教學階段，可粗略分為三個方面：作業分組、彈性分組和班級教學組織的局部回歸。分組教學法的關鍵在于對班級學生的科學分組。在實踐操作層面，對學生分組的最大依據主要是基于教師的主觀判斷。教師根據教育教學活動過程中授課者與受課者之間形成的穩固教授關系的主觀概念來進行劃分，這些主觀概念的考量來源于教師對學生的成績、課堂表現、出勤率等綜合條件的自我判斷。基于主觀判斷來對學生進行分組缺乏堅實的科學基礎，缺乏對應的標準性較強的相關指標體系依據。然而，這一分組策略卻是目前大多數分組教學法所采取的唯一方式。文獻調研也未發現對應的客觀指標體系作為分組教學的重要憑據。因此，對班級教學，尤其是針對差異較大的學生組成的班級，進行科學有效的分組教學，無論是在確定課程內容、教學方法，還是在確定培養目標、評價標準方面都有重要作用，從而帶來不同的教育教學效果。

我院自2004年起開始招收全日制本專科學生，班級生源差異較大，學生來源除了普通高中文理科的畢業生以外，還包括來自技工學校、中等專業學校以及職業高級中學的學生，形成所謂的“三校生”班級。這種班級學生的化學基礎參差不齊，學生的學習能力、學習特征也差別很大。作為云南省應用型人才培養示范院校，我校大部分學生培養的方向是技能型人才與高素質勞動者，因此，當務之急是針對生源差異因材施教。

本文以我院農學與生命科學學院2018級茶藝專業1班學生為例，針對生源差異，建立不同的維度變量模型，根據真實生源數據，利用科學分類方法，將該班級學生進行分類組團。針對不同組團的學生，采用分組教學法進行教學試驗。通過縱向比對不同年級四個班級(同一授課教師、同一教材、執行同一教學計劃、試卷出自同一試題庫)學生的無機及分析化學課程成績，探討了針對該門課程科學分組教學法與傳統教學法之間的教學效果比對。基于本課程教學改革摸索，獲得一定科學性數據，這些科學性數據支持了科學分組教學法在差異生源組成的班級中的教育教學的有效性。

1 研究對象與研究方法

聚類分析對象為昆明學院農學與生命科學學院2018級茶藝專業1班(典型的“三校生”班級)，全體學生47人。橫向成績分析對象為同一教師采用傳統教學法、同一教材、教學計劃以及評分標準所教授的2014級至2018級四個“三校生”班級，共計281人。分析方法采用基于PAM的聚類分析。

與目前國內學者的一般分組方法不同，本文首次嘗試使用聚類分析的方法，對2018級茶藝專業1班的學生進行分組。在此基礎上，對學習基礎與學習能力不同的學生進行混合搭配，并進行分組合作學習。聚類分析是實現對數據全方位自動分組的一種數據挖掘方法，該方法可以有效避免人類主觀認識的偏差，準確識別數據的內在結構與“自然小類”。聚類分析方法目前已在國內大學生的消費行為模式、綜合素質評價與職業生涯規劃等研究中得到了廣泛應用[5-7]，但在大學教學分組中的應用還屬首次。在實際操作時，考慮到不同學生之間成績差異較大，我們使用基于PAM(Partitioning Around Medoids)的聚類過程，這一聚類方法與傳統的基于K-Means的聚類方法相比，對個別異常值較不敏感，同時不像K-Means聚類方法需要事先確定聚類的數目K，而是通過可視化方法確定K，因此可以有效提高聚類解的穩健性[8]。

在實際計算時，使用的數據包括：學生的各科入學成績、學生生源地信息、學生性別、學生年齡、學生入學首學期各門課程期末考試成績等(所有信息以教務系統為準)共11維數據，將這些數據錄入科學軟件RStudio進行PAM聚類分析。先后嘗試將數據聚成2類(2質心)和3類(3質心)進行分析。聚類結果顯示：使用3質心聚類時的效果較差，不同數據類別間存在嚴重交叉；而2質心聚類的效果較好。圖1(a)中的觀測點分布表明，將該班大學生聚為兩類時，兩個類別的輪廓大致為橢圓形，邊界部分有極小的接壤，但無相互交叉。經計算，兩個類別的質心分別為編號第18和第45號學生。圖1(a)所示的是各個觀測點的輪寬以及各類的平均輪寬。由圖1可知，所有聚類樣本的輪寬值明顯大于0，且主要集中在0.5～0.8之間，證明沒有學生被錯誤歸類。以上數據分析說明采用2質心聚類的效果比較理想。因此，根據以上分析的結果，可以將該班級47名同學分為兩類：一類由基礎與學習能力較強的同學組成，共有12人(A類)；另一類由基礎與學習積極性相對較弱的同學組成，共有35人(B類)。

圖1 聚類-觀測點分布圖(a)和各觀測值輪寬與各類平均輪寬(b)

2 分組教學法的具體實施

2.1 合理分組

依據PAM聚類分析的結果，將該班級學生分為兩類。在執行教學過程中，嚴格依據這些分類模型將學生進行分類組團，具體分組方法如下：采用1名來自A類(組長)與3名來自B類(組員)的學生編為1組(最后一組的B類學生人數為2)。采用標準的分組教學法對學生進行教學。課程考試采用相同的試卷以及相同的評分標準，課程成績以教務系統統一錄入成績為準。

2.2 任務分配及成果匯總

結合無機及分析化學中四大平衡與四大滴定的基本內容，教師根據知識點合理提出每個章節相關知識主線，各組同學依據自己的興趣選擇其中某一章節進行分組學習。教師根據所講授的理論主體知識，特別是相關章節的重點和難點，布置需要探討的知識點并提出需要解決的問題。課下，各組同學由組長帶領組員分別對自己選擇好的相關章節進行學習和習題的互相討論，完成老師布置的任務，以課程提綱的形式提交。在習題課以及實驗實踐課程上，12組同學分別依據自己所學成果進行匯總交流，并選出每一組中最能體現學習成果的代表，在全班進行習題講解，同時解答全班同學的提問，接受全班同學對其進行評價，以完成最終任務。

2.3 評價體系

合理的評價體系是科學分組教學成功的重要保障[9]。一方面，教師根據學生提交的課程提綱進行客觀評價；另一方面，各組根據組員代表習題講解情況進行互相評價。

3 分組教學結果

在整個教學過程中，在科學分組的基礎上，實現學生強弱互補，優化組合，教師發揮主導作用，學生發揮主體作用，教師由傳統教學的教授知識轉化為指導、帶領學生自主、互助學習知識。通過科學分組，班級中學習能力強、學習積極性高的A類同學有針對性的帶動B類同學。一方面，基礎相對薄弱學習成績差的學生(組員)在解決學習問題過程中有明確的求助對象(組長)；另一方面，也是和其他傳統分組教學差別較大的關鍵點在于，學習積極性好且基礎好的同學(組長)在幫助本組組員學習的過程中，自身的知識體系也進一步加強和完善。此外，在A類學生的帶動下，B類學生成績不斷提高同時，A類和B類學生的口頭表達能力、邏輯思維能力、解決問題的能力以及自信方面也獲得相應的全方位的提升。經過一個學期的科學分組教學，將該班期末化學成績與之前未進行科學分組教學的14～17級4個班次學生的期末成績進行橫向比較。結果顯示：在各項指標的對比中，經過科學分組教學的18級學生在期末平均分、及格率與最高分等指標上要顯著好于未進行科學分組教學的其他年級學生。數據見表1。

表1 歷年各班級化學期末考試對比

4 結語

在基于PAM聚類分析結果的指導下，教師針對學生生源差異，對學生進行基于聚類分析的科學分組，依據組別特征設計自主、合作的學習方式。該科學分組的教學模式在普通本科院校無機及分析化學理論教學中應用效果良好，因此，基于聚類分析的科學分組教學法有利于教師因材施教，有利于學生發揮學習主體能動性，有利于學生合作學習，促進學生多方面素養的提升。顯然，基于聚類分析的科學分組教學法屬于有效教學。當然，教學過程是動態發展過程，需要依據師生間的信息互遞進行適當調整，不斷完善，以滿足日益增加的應用型人才培訓培養的需求。