數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的SQLTutor的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

嚴(yán)大虎 李雨婷 蘇秀玲

摘要：本研究以當(dāng)前SQL語(yǔ)言教學(xué)中存在的問(wèn)題與突破點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)，以學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)獲取為目標(biāo)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了具有測(cè)評(píng)與知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)等功能的SQLTutor平臺(tái)（SQL查詢語(yǔ)言智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)），并通過(guò)相關(guān)課程進(jìn)行驗(yàn)證與分析，以期利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的SQLTutor可以有效地提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

關(guān)鍵詞：SQLTutor;學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù);設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP393 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?論文編號(hào)：1674-2117（2021）02-0109-04

● 問(wèn)題提出

作為數(shù)據(jù)庫(kù)的核心語(yǔ)言，SQL語(yǔ)言（Structured Query Language）實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的存取、查詢、更新等多重功能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、易學(xué)易用等特點(diǎn)。但在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)習(xí)者普遍存在“只能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決特定問(wèn)題，卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移”的問(wèn)題，究其原因主要在于：一方面，教師將教學(xué)重點(diǎn)放在技術(shù)學(xué)習(xí)上，學(xué)生跟著教師的演示或帶有操作步驟的課件進(jìn)行數(shù)據(jù)操作練習(xí)，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)以操作熟練度為基準(zhǔn)，缺乏對(duì)學(xué)生鏈接基礎(chǔ)知識(shí)技能與實(shí)際問(wèn)題能力的培養(yǎng)。另一方面，由于常見(jiàn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)存在交互不友好等問(wèn)題，即對(duì)學(xué)習(xí)者提交的錯(cuò)誤答案缺乏邏輯診斷能力，無(wú)法及時(shí)給予學(xué)生反饋信息，造成學(xué)生無(wú)法對(duì)SQL語(yǔ)言存在的錯(cuò)誤進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。[1]由此可見(jiàn)，教師的教學(xué)側(cè)重點(diǎn)與平臺(tái)的交互性能對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)成效等產(chǎn)生很大的影響，如何靈活運(yùn)用SQL語(yǔ)言解決本專業(yè)及其他領(lǐng)域的問(wèn)題，是當(dāng)前學(xué)習(xí)SQL語(yǔ)言迫切需要解決的問(wèn)題。本研究在對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)教學(xué)中存在的問(wèn)題進(jìn)行收集及分析的基礎(chǔ)上，從學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)出發(fā)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)SQL查詢語(yǔ)言智能教學(xué)系統(tǒng)，最后將該系統(tǒng)介入教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行實(shí)踐分析，以期為相關(guān)系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

● 當(dāng)前SQL語(yǔ)言教學(xué)中的問(wèn)題與突破點(diǎn)

1.SQL語(yǔ)言教學(xué)中的問(wèn)題

通過(guò)對(duì)已有文獻(xiàn)的梳理分析發(fā)現(xiàn)，關(guān)于SQL語(yǔ)言教學(xué)中的問(wèn)題分類存在不同觀點(diǎn)，如Slonneger將編程語(yǔ)言教學(xué)中遇到的具體問(wèn)題分為三類，分別是語(yǔ)法問(wèn)題、語(yǔ)義問(wèn)題和語(yǔ)用問(wèn)題。[2]而李廉等認(rèn)為語(yǔ)用問(wèn)題相對(duì)其他兩類問(wèn)題存在過(guò)于寬泛與抽象等問(wèn)題，因此，他認(rèn)為遵循一定語(yǔ)言格式的語(yǔ)法問(wèn)題和語(yǔ)義問(wèn)題是SQL語(yǔ)言教學(xué)過(guò)程中普遍存在的問(wèn)題。[3]基于此，對(duì)編程類課程教學(xué)中存在的問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化分類，即包括語(yǔ)法問(wèn)題、語(yǔ)義問(wèn)題、遷移性問(wèn)題、系統(tǒng)問(wèn)題這四類問(wèn)題。同時(shí)，為了驗(yàn)證問(wèn)題提煉維度的準(zhǔn)確性、適用性與課堂實(shí)踐教學(xué)問(wèn)題的一致性，采用線上線下相結(jié)合的方式對(duì)從事高校編程教學(xué)的教師及參與編程學(xué)習(xí)的研究生、本科生進(jìn)行了訪談?wù){(diào)研，并將分類結(jié)果多次與專家進(jìn)行討論修改，最終得到有效的分類結(jié)果。其中，語(yǔ)法問(wèn)題是包括書(shū)寫(xiě)錯(cuò)誤、字符運(yùn)用錯(cuò)誤等在內(nèi)的違反語(yǔ)言規(guī)則的錯(cuò)誤;語(yǔ)義問(wèn)題是代碼不符合語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)規(guī)則，但存在邏輯錯(cuò)誤的問(wèn)題;遷移性問(wèn)題是無(wú)法在不同問(wèn)題場(chǎng)景中解決同一或相似知識(shí)點(diǎn)的問(wèn)題;系統(tǒng)問(wèn)題強(qiáng)調(diào)從宏觀層面對(duì)問(wèn)題解決的步驟進(jìn)行描述，如抽象、分解等。[4]

2.SQL語(yǔ)言教學(xué)中的突破點(diǎn)

在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，教師多采用線上與線下相結(jié)合的方式開(kāi)展SQL語(yǔ)言教學(xué)，即以講授為主的課堂基礎(chǔ)理論知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，以及借助平臺(tái)進(jìn)行的教師演練、學(xué)生操作為主的實(shí)操學(xué)習(xí)。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生產(chǎn)生了大量的過(guò)程性學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，尤其是利用平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)的操作性數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)這些數(shù)據(jù)的捕獲能有效地幫助教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)。[5]從教師角度分析，學(xué)生學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)的獲取有利于教師及時(shí)地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，針對(duì)性地進(jìn)行個(gè)性化輔導(dǎo)，同時(shí)可以調(diào)整教學(xué)的重難點(diǎn)以及教學(xué)進(jìn)度等，從而取得最佳的教學(xué)效果。從學(xué)生角度分析，學(xué)生可以利用自己與同伴的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)反思學(xué)習(xí)過(guò)程，分析與總結(jié)學(xué)習(xí)的方法等，同時(shí)及時(shí)的反饋有利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己的錯(cuò)誤，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，目前許多SQL語(yǔ)言教學(xué)平臺(tái)并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)這一功能，這為本研究提供了功能模塊設(shè)計(jì)的契機(jī)，以獲取學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)幫助教師重新調(diào)整教學(xué)側(cè)重點(diǎn)，從而真正實(shí)現(xiàn)個(gè)性化輔導(dǎo)學(xué)生，提高學(xué)生運(yùn)用已學(xué)知識(shí)點(diǎn)解決不同場(chǎng)景中問(wèn)題的能力。

● 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的SQLTutor的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的SQLTutor理論架構(gòu)

通過(guò)分析當(dāng)前SQL語(yǔ)言教學(xué)中使用工具的特性，綜合教學(xué)實(shí)踐中面臨的問(wèn)題與突破點(diǎn)，筆者從數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的角度設(shè)計(jì)了SQLTutor，如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)從基礎(chǔ)層、功能層、數(shù)據(jù)層和反饋層這四個(gè)層面實(shí)現(xiàn)整個(gè)SQLTutor平臺(tái)的運(yùn)行過(guò)程。以題庫(kù)和資源庫(kù)作為數(shù)據(jù)的直接供應(yīng)者，從四類問(wèn)題著手設(shè)計(jì)了日常知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)和測(cè)評(píng)兩大功能，其中，測(cè)評(píng)功能模塊以日常操作測(cè)試和考試為主，內(nèi)含學(xué)生測(cè)試錯(cuò)題及重點(diǎn)題，而知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)注重課上與課下對(duì)教學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)資料等的溫故知新，學(xué)生可根據(jù)學(xué)習(xí)需求進(jìn)行對(duì)應(yīng)的操作性訓(xùn)練。學(xué)生在使用平臺(tái)完成學(xué)習(xí)任務(wù)的過(guò)程中產(chǎn)生了大量的行為數(shù)據(jù)并同步存儲(chǔ)在學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)庫(kù)中，該數(shù)據(jù)庫(kù)有學(xué)生測(cè)試的相關(guān)數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)筆記、反思記錄等，是整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)學(xué)生數(shù)據(jù)的主要存儲(chǔ)部分，為學(xué)生個(gè)性化定制題庫(kù)提供了題目依據(jù)。反饋層通過(guò)學(xué)習(xí)分析技術(shù)、可視化技術(shù)，以圖表、常規(guī)顯示、知識(shí)點(diǎn)文檔的形式呈現(xiàn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果信息，是教師進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是學(xué)生學(xué)習(xí)效果反饋的重要證據(jù)。

2.數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的SQLTutor技術(shù)實(shí)現(xiàn)

（1）SQLTutor核心功能模塊構(gòu)建

①測(cè)試模塊。

測(cè)試模塊作為學(xué)生頻繁使用的功能模塊，可以通過(guò)增加實(shí)操訓(xùn)練次數(shù)提高對(duì)所學(xué)知識(shí)的內(nèi)化效率。測(cè)試模塊融合了錯(cuò)題、重難點(diǎn)題以及學(xué)生收藏的題，并在此基礎(chǔ)上從SQL語(yǔ)言教學(xué)中常見(jiàn)的四類問(wèn)題入手，綜合設(shè)計(jì)題目?jī)?nèi)容。一方面，學(xué)生在進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)的過(guò)程中根據(jù)學(xué)習(xí)需要進(jìn)行自主測(cè)試，學(xué)生在學(xué)習(xí)完某一知識(shí)點(diǎn)或復(fù)習(xí)錯(cuò)題時(shí)，可自主選擇知識(shí)點(diǎn)的測(cè)試范圍、測(cè)試時(shí)間和數(shù)量，以及是否及時(shí)反饋等內(nèi)容。另一方面，教師可根據(jù)教學(xué)活動(dòng)安排發(fā)布課堂實(shí)驗(yàn)測(cè)試和正式考試，同時(shí)根據(jù)學(xué)生的可視化學(xué)習(xí)行為信息反饋給學(xué)生定制與發(fā)放個(gè)性化的測(cè)試。測(cè)試模塊為可視化學(xué)習(xí)結(jié)果的生成提供主要參考依據(jù)，為教師有效開(kāi)展差異化教學(xué)、學(xué)生進(jìn)行精準(zhǔn)學(xué)習(xí)提供支持。

②知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)模塊。

學(xué)生在進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)的過(guò)程中，利用知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)模塊呈現(xiàn)的學(xué)習(xí)資源進(jìn)行課前預(yù)習(xí)、課堂實(shí)踐以及課后復(fù)習(xí)。其中，課前預(yù)習(xí)可預(yù)先對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行宏觀把握，大體掌握知識(shí)結(jié)構(gòu)及重點(diǎn)。課堂實(shí)踐是教師發(fā)布任務(wù)，學(xué)生通過(guò)查看知識(shí)點(diǎn)、例題等獨(dú)立與合作完成學(xué)習(xí)任務(wù)。課后復(fù)習(xí)是學(xué)生借助平臺(tái)對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)習(xí)，從而達(dá)到對(duì)重難點(diǎn)的吸收、內(nèi)化?？傮w而言，知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)模塊是促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的輔助性手段，所包含的學(xué)習(xí)材料類型豐富、內(nèi)容詳細(xì)、重難點(diǎn)清晰，聚焦于對(duì)知識(shí)點(diǎn)的融匯貫通。其中，例題模式多變，以單一知識(shí)點(diǎn)或多個(gè)知識(shí)點(diǎn)融合的多場(chǎng)景問(wèn)題為主，其最終目的在于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)點(diǎn)綜合解決不同類型問(wèn)題的能力。

（2）數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的SQLTutor技術(shù)實(shí)現(xiàn)

在對(duì)SQLTutor實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的理論架構(gòu)、核心功能模塊構(gòu)建的基礎(chǔ)上，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行技術(shù)實(shí)現(xiàn)。利用asp.net、jquery、layui、ajax等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的SQLTutor平臺(tái)搭建，同時(shí)進(jìn)行多次調(diào)試、優(yōu)化，在嵌入教學(xué)前多次進(jìn)行預(yù)先使用測(cè)評(píng)，針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)改進(jìn)，優(yōu)化平臺(tái)各項(xiàng)功能，以保證嵌入教學(xué)實(shí)踐之后的使用效果。完成搭建后的SQLTutor答題記錄界面如圖2所示。

● SQLTutor的應(yīng)用案例及分析

1.研究對(duì)象與數(shù)據(jù)選取

本研究以江蘇某高校大三64名教育技術(shù)專業(yè)學(xué)生為研究對(duì)象，在任課教師對(duì)獲得SQLTutor認(rèn)可且熟練運(yùn)用的基礎(chǔ)上，以此為教學(xué)工具設(shè)計(jì)與實(shí)施了為期四周的“數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)及應(yīng)用”課程教學(xué)實(shí)踐，同時(shí)以參與者在SQLTutor上的日常實(shí)操訓(xùn)練和測(cè)試信息作為數(shù)據(jù)來(lái)源。通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選整理，共獲得實(shí)操訓(xùn)練記錄6506條，其中3434條錯(cuò)誤記錄，約占總測(cè)試記錄的52.78%，大概率說(shuō)明了學(xué)生每道題大約需要提交兩次。其間，教師安排了四次在線統(tǒng)一測(cè)試（共計(jì)256次），學(xué)生自主參與題庫(kù)測(cè)試966次，共獲得1222次測(cè)試記錄。

2.應(yīng)用效果測(cè)評(píng)與分析

通過(guò)對(duì)SQLTutor上學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)的整理、篩選，從平臺(tái)設(shè)計(jì)的角度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同層面的分析：

①知識(shí)點(diǎn)與問(wèn)題類別測(cè)試方面。學(xué)生對(duì)查詢語(yǔ)句掌握情況主要呈現(xiàn)為簡(jiǎn)單查詢（87.3%）、條件查詢（80.1%）、分組查詢（82.1%）、排序查詢（83.5%），因各個(gè)語(yǔ)句之間的難易程度不一樣，造成學(xué)生對(duì)簡(jiǎn)單查詢掌握得最好，對(duì)條件查詢掌握得最為薄弱的結(jié)果。就問(wèn)題類別來(lái)說(shuō)，學(xué)生在單一知識(shí)點(diǎn)上的成功率達(dá)到85.2%，遠(yuǎn)高于綜合應(yīng)用題的成功率（76.7%）。由此可見(jiàn)，知識(shí)點(diǎn)難度低、題型單一的測(cè)試其成功率較高，更易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)與自我效能感。

②題庫(kù)類型選擇方面。在題庫(kù)選擇上，學(xué)生因先前知識(shí)水平存在差異性導(dǎo)致出現(xiàn)不同的選擇傾向?？傮w來(lái)說(shuō)，基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生主要通過(guò)訓(xùn)練知識(shí)點(diǎn)子題庫(kù)來(lái)提高知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，基礎(chǔ)中等的學(xué)生則以單個(gè)知識(shí)點(diǎn)子題庫(kù)為主，少量涉及其余兩個(gè)題庫(kù)，而基礎(chǔ)好的學(xué)生則更傾向于綜合應(yīng)用題庫(kù)，主要提高自己對(duì)知識(shí)點(diǎn)的遷移運(yùn)用能力。

③測(cè)試成績(jī)方面。研究對(duì)同一任課教師所教的上屆學(xué)生與這屆學(xué)生的課程中期測(cè)試成績(jī)進(jìn)行了量化對(duì)比分析。其中，兩屆之間的關(guān)鍵不同在于這屆學(xué)生采用SQLTutor進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，而上屆學(xué)生則以常規(guī)教學(xué)為主。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)：一是對(duì)成績(jī)進(jìn)行配對(duì)樣本T檢驗(yàn)（Sig=0.001<0.05），說(shuō)明兩屆學(xué)生的課程成績(jī)存在顯著差異。二是利用箱線圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，這屆學(xué)生整體學(xué)習(xí)成績(jī)集中且離散程度更小，說(shuō)明利用SQLTutor輔助教學(xué)時(shí)所取得的學(xué)習(xí)效果更好，學(xué)生整體對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度更高。

④用戶體驗(yàn)方面。通過(guò)實(shí)施訪談及問(wèn)卷調(diào)查來(lái)了解教師與學(xué)生對(duì)SQLTutor的用戶體驗(yàn)程度。從調(diào)查結(jié)果得出，57.81%的學(xué)生對(duì)課程教學(xué)持滿意態(tài)度，通過(guò)訪談發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)習(xí)者認(rèn)為SQLTutor減少了對(duì)硬件的安裝配置、建表等過(guò)程，使個(gè)體更加專注于學(xué)習(xí)，進(jìn)而提高了學(xué)習(xí)效率。同時(shí)，可視化結(jié)果呈現(xiàn)使得學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)得到存儲(chǔ)，這對(duì)教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)生了更優(yōu)的效果。

● 結(jié)語(yǔ)

學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)為教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)提供了重要的參考依據(jù)，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的SQLTutor為查詢語(yǔ)句的學(xué)習(xí)提供了輔助性支架，滿足了教師利用平臺(tái)提高教學(xué)效率、培養(yǎng)學(xué)生利用知識(shí)點(diǎn)解決不同場(chǎng)景中問(wèn)題能力的需求。本研究通過(guò)對(duì)當(dāng)前SQL語(yǔ)言教學(xué)中存在的問(wèn)題進(jìn)行深入剖析，設(shè)計(jì)了符合SQL語(yǔ)言教學(xué)需求與學(xué)習(xí)體驗(yàn)需要的數(shù)據(jù)化驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，并結(jié)合具體的課程進(jìn)行實(shí)踐。未來(lái)，筆者將根據(jù)實(shí)踐反饋進(jìn)一步完善平臺(tái)功能，以此幫助教師因材施教，最終改善學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

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