基于SPOC的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺設(shè)計(jì)與實(shí)踐

蔡建華，胡文心，張凌立

基于SPOC的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺設(shè)計(jì)與實(shí)踐

蔡建華，胡文心，張凌立

（華東師范大學(xué) 數(shù)據(jù)科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200062）

SPOC教學(xué)模式使實(shí)體課堂與在線教育相融合，具有規(guī)模小、有準(zhǔn)入性限制等特點(diǎn)，相對傳統(tǒng)教學(xué)模式在提高教學(xué)效果上有較大的發(fā)展空間?；赟POC教學(xué)模式，闡述了針對高校非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺功能設(shè)計(jì)，及其在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用路線。教學(xué)實(shí)踐表明，通過將傳統(tǒng)課堂教學(xué)與線上學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合，發(fā)揮了學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)和主動學(xué)習(xí)的作用，教學(xué)效果大大提高。

SPOC模式；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；云平臺

1 SPOC模式的教育優(yōu)勢

培養(yǎng)學(xué)生信息技術(shù)素養(yǎng)是高校培養(yǎng)目標(biāo)之一。但高校針對非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生開設(shè)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)類通識必修課，其教學(xué)效果在實(shí)際教學(xué)中易受多種因素制約。主要體現(xiàn)在，學(xué)生入校前的知識基礎(chǔ)參差不齊，再加上教學(xué)內(nèi)容更新速度快，致使部分學(xué)生跟不上進(jìn)度。此外，教學(xué)方式單一，師生交互單向化，理論加實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)教學(xué)方法不能很好地調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。

近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模開放在線課程（MOOC）平臺興起，優(yōu)質(zhì)教育資源得以大范圍共享，并使個(gè)性化學(xué)習(xí)成為可能[1]。而針對校內(nèi)大學(xué)生開設(shè)的小規(guī)模限制性在線課程（SPOC），則使課堂教學(xué)與在線教學(xué)相融合，突破了MOOC的不足，具有規(guī)模小和準(zhǔn)入限制等特點(diǎn)，教學(xué)評價(jià)體系也更加靈活完善[2]。教師在課前把視頻資料和學(xué)習(xí)要求發(fā)布到在線平臺用于學(xué)生自主學(xué)習(xí)，然后在實(shí)體課堂教學(xué)中進(jìn)行講解并回答學(xué)生問題，課后學(xué)生完成作業(yè)后可開展線上討論、協(xié)作交流等[3-4]。教師還可根據(jù)學(xué)生需求調(diào)整課程進(jìn)度和評分系統(tǒng)，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的熱情。

基于SPOC模式的教學(xué)理念，依托云計(jì)算技術(shù)，結(jié)合本校非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生對計(jì)算機(jī)相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了面向計(jì)算機(jī)通識課程的智能教學(xué)云平臺，在大學(xué)計(jì)算機(jī)、多媒體技術(shù)及應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理、算法及程序設(shè)計(jì)等課程中進(jìn)行SPOC教學(xué)實(shí)踐，取得了很好的效果。

2 智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺的設(shè)計(jì)

2.1 云計(jì)算應(yīng)用于教育的優(yōu)勢

云計(jì)算是通過虛擬化技術(shù)整合物理資源，提出基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)、平臺即服務(wù)、軟件即服務(wù)等概念，是一種新興的共享基礎(chǔ)架構(gòu)的方法，它面對的是大規(guī)模的分布式環(huán)境，通過優(yōu)化調(diào)度算法來實(shí)現(xiàn)資源的自動部署和按需分配，核心是提供數(shù)據(jù)存儲和服務(wù)[5]。

教育云平臺是以云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)為依托建立起來的具備基礎(chǔ)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(xué)和管理等功能，實(shí)現(xiàn)了教育資源的動態(tài)分配，實(shí)現(xiàn)了教師的協(xié)同工作和學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，提高了教育資源利用率，推動了教學(xué)模式的進(jìn)步。

2.2 智能教學(xué)平臺的功能設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)

根據(jù)學(xué)生入校時(shí)計(jì)算機(jī)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(xué)，而后進(jìn)行多媒體技術(shù)、數(shù)據(jù)分析處理和算法程序設(shè)計(jì)等進(jìn)階課程的學(xué)習(xí)。教研組依據(jù)教學(xué)大綱，以課程為單位，對每門課的知識點(diǎn)進(jìn)行了重新梳理和細(xì)化，根據(jù)其所屬的類別和深度劃分為4個(gè)層級，由易而難、循序漸進(jìn)地組織教學(xué)。

根據(jù)學(xué)生水平和非專業(yè)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)要求，以SPOC教學(xué)模式為出發(fā)點(diǎn)，把課堂教學(xué)和線上學(xué)習(xí)充分融合，以為學(xué)生提供靈活高效的學(xué)習(xí)途徑為目標(biāo)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了智能教學(xué)云平臺[7]。作為綜合性資源平臺，為滿足資源合理安全發(fā)放、管理和收回的要求，并結(jié)合實(shí)際教學(xué)需求，云平臺主要分為3大模塊：系統(tǒng)管理模塊、教學(xué)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(xué)中的作用

（1）系統(tǒng)管理模塊設(shè)定管理員、教務(wù)人員或賦予相應(yīng)權(quán)限的用戶才能訪問。由于教學(xué)是以課程和班級為單位組織的，預(yù)先要把所有課程信息、班級和學(xué)生信息導(dǎo)入系統(tǒng)。這些信息一般是從學(xué)校教務(wù)管理系統(tǒng)獲取，學(xué)生可用自己的學(xué)號密碼登錄，進(jìn)入自己的課程和班級學(xué)習(xí)，瀏覽與課程配套的學(xué)習(xí)資源。通過權(quán)限管理可以設(shè)置用戶的訪問權(quán)限。

圖1 智能教學(xué)云平臺功能模塊

（2）教學(xué)組織模塊的主要功能是協(xié)調(diào)學(xué)習(xí)進(jìn)度與資源。以知識點(diǎn)為基本學(xué)習(xí)單元，教師為課件系統(tǒng)準(zhǔn)備相關(guān)的課件和案例素材，為需要實(shí)際操作的知識點(diǎn)提供解析視頻等，作為演示系統(tǒng)資源。同步講解系統(tǒng)提供的視頻與課堂講授同步，供學(xué)生課后進(jìn)行線上復(fù)習(xí)。教師在課前把每節(jié)課的作業(yè)素材和要求發(fā)到作業(yè)系統(tǒng)上，并設(shè)定截止日期，學(xué)生完成作業(yè)后把相關(guān)文件或報(bào)告上傳至系統(tǒng)，教師批閱后可在評分功能區(qū)評分。圍繞知識點(diǎn)構(gòu)建分級題庫，以供測試反饋系統(tǒng)和作業(yè)系統(tǒng)選用。測試反饋系統(tǒng)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(diǎn)智能組卷、由舊卷組卷、由試題組卷等功能?？荚嚱Y(jié)束后自動生成成績反饋報(bào)表，用以進(jìn)行教學(xué)效果分析。

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

所有資源都部署在學(xué)校的教學(xué)云服務(wù)器上，統(tǒng)一認(rèn)證，統(tǒng)一資源分配，統(tǒng)一設(shè)備設(shè)施管理。學(xué)生可隨時(shí)隨地訪問和使用班級及課程資源、完成實(shí)驗(yàn)等。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺的應(yīng)用實(shí)踐

計(jì)算機(jī)系列課程是理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程，很多知識點(diǎn)都需要通過大量實(shí)際操練才能領(lǐng)會、掌握，而實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)質(zhì)量將直接影響學(xué)生對知識的深入理解和付諸應(yīng)用。基于SPOC教學(xué)理念改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程，如圖2所示。課堂上以學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作為主，教師講解示范為輔，及時(shí)進(jìn)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(xué)習(xí)使學(xué)生預(yù)先自學(xué)教師提供的教學(xué)資源，并通過擴(kuò)展知識學(xué)習(xí)和小組討論等，充分發(fā)揮學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)和主動學(xué)習(xí)的作用[8]。

圖2 基于云平臺的混合學(xué)習(xí)教學(xué)模式

3.1 課前準(zhǔn)備

教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，在平臺發(fā)布教學(xué)安排和任務(wù)安排。預(yù)先準(zhǔn)備相關(guān)知識點(diǎn)的課件、視頻、學(xué)習(xí)素材等資源，供學(xué)生提前預(yù)習(xí)使用[9]。如有需要，可從題庫中抽選基礎(chǔ)性習(xí)題作為學(xué)生課前練習(xí)或測試，以檢視學(xué)生對理論知識的掌握程度，做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到問題時(shí)，可通過平臺討論區(qū)向教師提問，教師可及時(shí)在線解答。學(xué)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(xué)生所提問題進(jìn)行匯總、整理、分類，分析學(xué)生對知識點(diǎn)的理解程度，還可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整課堂實(shí)驗(yàn)安排。

3.2 課堂實(shí)踐

課堂上采用互動教學(xué)方式，以使學(xué)生靈活運(yùn)用知識點(diǎn)、強(qiáng)化操作能力為目標(biāo)。教師可針對課前練習(xí)或線上答疑中的問題進(jìn)行講評，重點(diǎn)是對易錯(cuò)點(diǎn)、重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行講解。對于預(yù)先設(shè)計(jì)好的、按不同難度分層的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，直接給出實(shí)驗(yàn)要求，或者根據(jù)課程特點(diǎn)設(shè)計(jì)任務(wù)驅(qū)動場景，讓學(xué)生通過自主探究或小組協(xié)作探究方式完成知識點(diǎn)和技能點(diǎn)的學(xué)習(xí)和內(nèi)化[10]。在學(xué)生實(shí)際操作過程中，教師應(yīng)及時(shí)查看學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成情況，并提供答疑解難等學(xué)習(xí)支持，為學(xué)生提供個(gè)性化指導(dǎo)。對于提前完成實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，可追加拓展性任務(wù)，鼓勵(lì)他們探索難度等級更高或延伸領(lǐng)域的知識點(diǎn)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。教師可在教學(xué)的適當(dāng)階段引入隨堂測試，了解學(xué)生對該階段教學(xué)內(nèi)容的理解程度和應(yīng)用能力，并進(jìn)行總結(jié)點(diǎn)評，同時(shí)對知識進(jìn)行歸納梳理，還可根據(jù)情況對教學(xué)進(jìn)度進(jìn)行調(diào)整。

3.3 課后總結(jié)反饋

課后學(xué)生整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并將完成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果或報(bào)告在規(guī)定時(shí)間內(nèi)上傳提交云平臺。教師可及時(shí)批閱實(shí)驗(yàn)作業(yè)，并將結(jié)果及時(shí)反饋學(xué)生。通過對班級情況的總結(jié)和分析，梳理出學(xué)生在知識點(diǎn)和技能點(diǎn)上存在的問題，利用問答系統(tǒng)的論壇交流欄與學(xué)生進(jìn)行探討、糾錯(cuò)，強(qiáng)化對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握，完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)主動權(quán)從教師到學(xué)生的轉(zhuǎn)移。

學(xué)生可通過平臺繼續(xù)進(jìn)行討論交流，還可向教師提出未解疑問。學(xué)生也可將自己的多媒體作品、小程序或數(shù)據(jù)分析案例等上傳到作品展示區(qū)，相互交流學(xué)習(xí)。由于這些東西并不限于課堂內(nèi)容，由此帶來的哪怕是小小的成就感，都可以轉(zhuǎn)化為巨大的學(xué)習(xí)動力，體現(xiàn)了“學(xué)”優(yōu)先于“教”的理念[11]。

3.4 測試與評價(jià)

平臺的題庫和測試反饋系統(tǒng)用于進(jìn)行考試管理和教學(xué)評價(jià)。題庫內(nèi)容根據(jù)課程知識點(diǎn)的難度進(jìn)行分級，教師可按難度和知識點(diǎn)組合設(shè)定生成試卷，方便教師快速進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化測試及規(guī)范化評價(jià)。平臺還支持進(jìn)行成績分析，例如用可視化圖表展示班級中各個(gè)成績段的分布情況、進(jìn)行不同知識點(diǎn)的錯(cuò)誤率統(tǒng)計(jì)等，還可通過查詢薄弱點(diǎn)，調(diào)整設(shè)計(jì)教學(xué)方案。

為了滿足學(xué)生自測需求，平臺設(shè)置了簡單的自測題庫。學(xué)生可自主選擇知識點(diǎn)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(jīng)掌握了哪些知識、哪些還沒有掌握，再進(jìn)一步做針對性的訓(xùn)練，有利于學(xué)生根據(jù)自身情況調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)行為[12]。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺的應(yīng)用效果與反思

根據(jù)基于云平臺的教學(xué)實(shí)踐及教學(xué)過程中學(xué)生學(xué)習(xí)行為表現(xiàn)和學(xué)習(xí)成績，可以認(rèn)為，基于云平臺的SPOC模式提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和持續(xù)性，教師對教學(xué)過程的把控能力和教學(xué)設(shè)計(jì)能力也得到了提高。

（1）教學(xué)和教學(xué)資源的時(shí)空延展提高了有效學(xué)習(xí)時(shí)間。引入課前線上自主學(xué)習(xí)，顯著提高了課堂實(shí)驗(yàn)操作的效率。由于學(xué)習(xí)任務(wù)按知識點(diǎn)分層設(shè)置，明確易懂，使教學(xué)主題按師生互動方式展開；學(xué)生實(shí)驗(yàn)的當(dāng)堂完成度和截止日期前的作業(yè)提交率都明顯提升；由于平臺資源可以反復(fù)觀看使用，促進(jìn)了課后的線上交流討論。

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按難度分層有利于學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展。計(jì)算機(jī)類課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難度差別很大，而面對的非計(jì)算機(jī)專業(yè)類學(xué)生的興趣不同、編程能力不同、對計(jì)算機(jī)能力的需求也不同。因此教師課前可在平臺上發(fā)布難度層次不同的實(shí)驗(yàn)，或通過測試反饋及平臺上學(xué)生的實(shí)驗(yàn)選擇、課堂實(shí)驗(yàn)實(shí)施情況等進(jìn)行個(gè)別輔導(dǎo)，使基礎(chǔ)較好的學(xué)生得到知識拓展機(jī)會，基礎(chǔ)較弱的學(xué)生得到能力提升的機(jī)會。對于課堂上不大主動提問的較內(nèi)向的學(xué)生，平臺給他們提供了與教師單獨(dú)交流的途徑，促進(jìn)了他們的主動學(xué)習(xí)。

（3）形成了有效的師生互動和及時(shí)反饋評價(jià)機(jī)制。在每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師和學(xué)生的角色分工明確，相互獨(dú)立又交叉互動。在教師引導(dǎo)下，學(xué)生能夠主動思考問題或主動向其他學(xué)生或教師請教。線上和線下形成互補(bǔ)，教師能夠及時(shí)回答學(xué)生的提問，進(jìn)行案例演示，還可隨時(shí)將優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)方法或?qū)嶒?yàn)過程上傳平臺，形成了有效的即時(shí)反饋機(jī)制。

（4）學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力對教學(xué)效果的影響值得關(guān)注。SPOC模式要求學(xué)生具備一定的自主學(xué)習(xí)能力，強(qiáng)調(diào)保證學(xué)習(xí)時(shí)間和學(xué)習(xí)強(qiáng)度，強(qiáng)調(diào)參與在線討論。由于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力參差不齊，極易造成學(xué)習(xí)成績的兩極分化。有的學(xué)生由于忽視線上學(xué)習(xí)，使教師的引導(dǎo)無法奏效，直接影響了課堂實(shí)驗(yàn)質(zhì)量。這是今后需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

5 結(jié)語

SPOC教學(xué)模式將傳統(tǒng)課堂教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)槿诤暇€上線下的混合式教學(xué)。這種教學(xué)模式使線上線下相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)，將以知識傳授為主的教轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅芰ε囵B(yǎng)為主的學(xué)。教學(xué)云平臺是教學(xué)在時(shí)空上的延展，能夠使師生之間及學(xué)生之間的交流常態(tài)化。該教學(xué)模式在教學(xué)過程中兼顧了學(xué)生的個(gè)體差異，有利于全面培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力、分析與解決問題能力、自主與協(xié)作學(xué)習(xí)能力，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，提高了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程的整體教學(xué)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(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（2013AA01A211）

蔡建華（1973—），女，上海，碩士，工程師，研究方向?yàn)橹悄苄畔⑾到y(tǒng)、數(shù)據(jù)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?yàn)楦咝阅苡?jì)算系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)智能。E-mail: wxhu@cc.ecnu.edu.cn