數(shù)據(jù)挖掘翻轉課堂混合式教學模式研究

劉 彤，馬夢冉，倪維健

（山東科技大學計算機科學與工程學院，山東青島 266510）

0 引言

近年來，大數(shù)據(jù)和云計算技術在許多行業(yè)得到了迅速發(fā)展，實施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略也已經(jīng)成為我國的基礎性戰(zhàn)略［1］。數(shù)據(jù)挖掘專業(yè)人才在大數(shù)據(jù)行業(yè)日益發(fā)展的社會顯得供不應求，因此各高校高度重視數(shù)據(jù)挖掘人才培養(yǎng)。國內外各高校紛紛開設了數(shù)據(jù)挖掘相關課程，但許多概念的抽象性、內容的學科交叉性，以及實驗的系統(tǒng)性都為該課程教學增加了難度，如果再以傳統(tǒng)教學模式授課，學生難以在短時間內理解其實質，若僅僅理解了某一算法原理但并沒有真正與實際應用相聯(lián)系，亦無法滿足大數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)需求［2-3］。

在這種大背景下，對數(shù)據(jù)挖掘課程進行教學模式改革尤為必要。為了解決該問題，多所高校提出了不同的教學模式。葉明全等［4］提出采用WEKA 開元數(shù)據(jù)挖掘工具進行數(shù)據(jù)挖掘算法實驗，側重學生實踐應用能力培養(yǎng)；郭瑾等［5］提出以計算思維為導向的多元混合教學模式；王瑞等［6］、覃子珍［7］提出MOOC+翻轉課堂的多元化教學模式；任麗芳等［8］提出采用分級教學模式，利用現(xiàn)代教育技術提高財經(jīng)類專業(yè)計算機課程教學質量；丁飛等［9］提出基于虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實的交互式教學模式，并將其運用于教學實踐。但在相關舉措中，有的是從教學模式角度進行闡述，有的是針對某一專業(yè)的闡述，而缺乏對于數(shù)據(jù)挖掘課程具體內容的教學講解。本文提出的混合式教學模式，是一種線上＋線下的基于翻轉課堂的混合式教學模式，將整個教學過程分成“四模塊三階段二層面”，對數(shù)據(jù)挖掘課程教學內容進行深入探究。

1 混合式教學模式可行性分析

1.1 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘課堂教學存在的問題

數(shù)據(jù)挖掘課程是一門多學科交叉課程，需要學生掌握統(tǒng)計分析的理論和方法、數(shù)學建模和計算機編程能力以及數(shù)據(jù)收集、存儲和處理能力［10］。數(shù)據(jù)挖掘課程現(xiàn)在已然成為各大高校計算機相關專業(yè)必修課程，其教學目的是使學生掌握數(shù)據(jù)挖掘理論，并且能夠運用數(shù)據(jù)挖掘理論解決實際問題。該課程對于培養(yǎng)大學生計算機邏輯思維和信息素養(yǎng)十分重要，但在實際教學過程中卻面臨諸多問題：

（1）單一教學目標與多元化應用存在較大差距?，F(xiàn)階段的數(shù)據(jù)挖掘教學過程大多平淡無奇，主要以理論為主，著重基本概念、公式的講解，僅僅解決了學生對某些具體算法原理的理解，卻忽略了理論知識和實踐的結合。

（2）教學內容、方式與技術發(fā)展不相匹配。在當今人工智能和虛擬現(xiàn)實技術如此流行的高科技背景下，學生的學習興趣顯然已經(jīng)不足以依靠傳統(tǒng)的教學模式加以提高，再加上數(shù)據(jù)挖掘概念抽象性等特點，在學習過程中，不僅難以理解知識，而且過程也枯燥無趣。

（3）有限的教學學時與數(shù)據(jù)挖掘課程難度不平衡［11］。數(shù)據(jù)挖掘課程由于存在較為抽象的概念定義以及復雜的語法邏輯，需要更多課堂學時進行講解。但教學學時通常非常有限，導致該課程對問題求解過程及方法的講授不足，對學生思維能力培養(yǎng)有限。

綜上所述，對數(shù)據(jù)挖掘課程教學探索非常有必要。教師應該了解每個學生的學習狀況，對其進行正確、合理的引導，做到因材施教，同時還應注意培養(yǎng)學生的信息數(shù)據(jù)意識，進一步提升學生學習數(shù)據(jù)挖掘課程的主動性和積極性。

1.2 翻轉課堂

翻轉課堂又稱為“顛倒課堂”，是在課堂中對換教師和學生的角色，決定權不再是任課教師的專屬，而是轉移給學生［12］。學生可以通過看視頻、PPT 課件等多種教學資源，或者在網(wǎng)絡上與其他同學進行討論，以及查閱相關文獻資料等方法完成對基礎知識的學習，這樣可以節(jié)省出大量的課堂時間［13］，使得課堂中有更多時間用來交流、討論。增加小組討論或學生發(fā)表感悟的環(huán)節(jié)，有助于增加師生之間的互動性，提高學生學習的積極性和主動性。

1.3 混合式教學

混合式教學是一種綜合教學模式，結合了傳統(tǒng)課堂線下教學和網(wǎng)絡線上教學兩者優(yōu)勢。線上網(wǎng)絡教學可以彌補傳統(tǒng)教學的空間、時間不便等弊端，同時傳統(tǒng)面對面教學中的靈活、交流感等優(yōu)勢也保存下來，并且將傳統(tǒng)課堂中教師教學生學的教學模式轉變?yōu)榉D課堂模式，將學生變?yōu)檎麄€課堂的主體，同時發(fā)揮教師主導和學生主體作用，通過這兩種教學方式的有機結合，更好地踐行“以學生為中心，發(fā)揮教師主導能力”的教學原則。

本文提出的“四模塊三階段二層面”教學方法是混合式教學的延伸，是線上慕課+翻轉課堂模式“。四模塊”指將課程按照其難易程度分為引論學習、數(shù)據(jù)預處理、算法學習以及評估學習4 個模塊，各模塊知識點既相對獨立又緊密聯(lián)合；“三階段”指每個模塊的學習過程分為課前自主學習、課中知識升華以及課后鞏固提升3 個階段；“二層面”指線上＋線下兩個層面的評估機制，更好地反映其學習效果。本文以數(shù)據(jù)挖掘課程為例，講述該教學模式具體實施過程與教學效果。

2 翻轉課堂的混合式教學實施

2.1 “四模塊”

模塊化教學是將現(xiàn)代化的系統(tǒng)論用于教育領域中所形成的產物，強調產學結合。在模塊化教學中，學生應學會如何更迅速地獲取信息、加工信息等［14］。數(shù)據(jù)挖掘課程知識模塊主要劃分為引論學習、數(shù)據(jù)預處理、算法學習以及評估學習4 個模塊［15］。各部分知識點既相對獨立又緊密聯(lián)合，其中對知識點側重也極為不同，數(shù)據(jù)預處理與算法學習內容最為龐大，具體知識占比如圖1 所示。

Fig.1 Proportion of data mining modules圖1 數(shù)據(jù)挖掘各模塊占比

引論學習模塊主要包括數(shù)據(jù)挖掘背景以及一些簡單的數(shù)據(jù)知識，包括認識數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)倉庫與多維數(shù)據(jù)存儲的立方體等基礎理論知識［16］。這部分內容是數(shù)據(jù)挖掘課程的開篇之論，對于激發(fā)學生的學習興趣具有重要意義。教師應將教材當作制作教學資源的基礎，并且在其中融入更多生動的人物、事例和更多數(shù)據(jù)挖掘技術相關成果，激發(fā)學生學習的積極性。

數(shù)據(jù)預處理模塊在數(shù)據(jù)挖掘算法中最基礎，也最常用，在實戰(zhàn)中起重要作用。算法學習也是該課程中非常重要的一部分，在教學目標上更多的是以熟練操作和靈活運用為主。教師在制作此模塊的教學資源時要注意以基礎為主，在學生觀看教學資源前適當設計一些具有導向性的問題去引導學生，盡可能地使學生帶著問題去看視頻，并且鼓勵學生在自主學習時發(fā)現(xiàn)新的問題，形成發(fā)現(xiàn)問題—思考問題—查閱相關資料—解決問題—新問題發(fā)現(xiàn)與提出的邏輯循環(huán)體系。

評估學習模塊指在觀看完每個模塊的教學資源后，通過相應的練習題檢驗對于該模塊知識的掌握程度，線上平臺將根據(jù)學生觀看視頻時長、章節(jié)測試得分進行自動統(tǒng)計，并按照一定權值計入課程總分。

2.2 “三階段”

“三階段”主要體現(xiàn)在課前自主學習、課中知識升華和進階式的課后鞏固提升，主要流程如圖2 所示。

Fig.2 Mixed teaching model process based on flipped classroom圖2 基于翻轉課堂的混合式教學模式流程

2.2.1 課前自主學習

教師根據(jù)教學大綱要求，借助網(wǎng)絡多媒體技術，從教學內容及學生實際水平出發(fā)，制作有針對性的MOOC 視頻，并通過教學平臺、QQ 群等方式推送資源，發(fā)布任務［17］。視頻自主學習完成后有相對應的練習題，如果正確做完練習題，就會推送下一個適合該生的學習模塊，完成自動跳轉學習。經(jīng)過課前視頻和練習題訓練，學生對該知識模塊的主要內容就有了大致的認識和了解，以便構建自己的知識框架。此外，教師也可以通過多媒體教學軟件查看學生學習進度以及練習題完成情況，有針對性地督促學生學習。

在線課程不僅可以幫助教師上好課，還可以彌補教師人員不足以及空間、時間等問題，只要在規(guī)定時間內，學生能夠自己把握學習節(jié)奏，既可以在家學習，也可以在學校空余時間學習，在觀看視頻時對于已經(jīng)掌握的內容可以快進以節(jié)省時間，而不理解的地方則可以反復觀看。更重要的一點是，它改善了傳統(tǒng)課堂填鴨式教學方法，讓學生先自主學習，然后帶著問題去上課，這樣課堂上教師就有足夠的時間和學生交流各種問題，呈現(xiàn)出“先學后教”的教學順序。這樣的學習是高效的，既提高了學生的綜合學習能力和興趣，還能幫助學生在課堂中發(fā)現(xiàn)更多知識和學習資源。尤其是在目前受疫情影響，無法去學校進行面對面課堂授課的情況下，采用網(wǎng)絡線上平臺開展教學也能起到傳授知識、提升能力的目的。

2.2.2 課中知識升華

傳統(tǒng)課堂的優(yōu)勢在于面對面的交流使得教學過程更加靈活，但本文提到的混合式教學中的線下課堂并不僅僅是師生面對面，教師教、學生學的模式，而是利用翻轉課堂轉變師生角色，教師為個性化學習中的指導者、協(xié)作者和監(jiān)督者，學生是整個課堂的主體。

課中知識升華主要包括3 個方面：①案例教學，在教學過程中為了更好地擴展知識，必要時在講解過程中引入個性化案例，不僅僅是要學生掌握理論知識，更重要的是讓學生將其運用到實際中；②教學答疑部分，解答學生在課堂中出現(xiàn)的問題以及在課前自主觀看視頻時出現(xiàn)的問題；③總結點評，總結學生在課堂上的表現(xiàn)，布置相應的課后作業(yè)。

（1）案例教學。案例教學包括創(chuàng)設問題情境、獨立思考或小組討論發(fā)言以及案例講解3 個部分。教師通過講解個性化案例對該算法的知識進行詳細講解，主要目的是讓學生了解該算法如何解決實際生活中的應用問題。例如，在講解分類算法并利用其進行預測時，可以運用醫(yī)院糖尿病數(shù)據(jù)根據(jù)身體各項指標數(shù)預測該患者是否患有糖尿病，或者患糖尿病的概率是多少；在講解挖掘頻繁模式時，利用淘寶用戶近期購物車的商品預測下一個即將購買的商品是什么，具體的實驗步驟是什么等。在講解過程中，注重對學生思辨能力的培養(yǎng)。具體案例如表1 所示。

Table 1 Theoretical teaching and corresponding cases in the data mining course表1 數(shù)據(jù)挖掘課程中理論教學以及其對應案例

（2）教學答疑。線上網(wǎng)絡學習缺乏面對面授課時教師隨時對問題進行解答和演繹的靈活性，導致學生在自主學習時會有很多困惑，因此教師為學生解答問題這一環(huán)節(jié)尤為重要。對于簡單的問題，學生要養(yǎng)成自己查閱相關資料解決問題的習慣，也可將問題留在線上教學平臺的留言板處，教師或其他學生在留言板處討論。實在無法解決的問題應記錄下來，留在上課時統(tǒng)一解決。課堂答疑時要注意以學生為主體，以提高學生參與度為目的。教師將學生分為幾組，將解答思路提供給學生，組織學生獨立思考。每解決一個問題或者發(fā)表出好的意見時，將為學生所在小組加1 分。最后計算小組總分，對于高分小組予以適當獎勵。讓學生先進行解答，教師再作補充，這種教學方法既可以掌握學生對于課堂知識消化的情況，靈活調整后期課堂教學計劃和時間安排，又有利于學生間的互幫互助，提高學習的積極性和參與度。在回答問題的基礎上，提出新的問題，進一步深化知識，啟發(fā)學生思維。

（3）總結點評。對于學生的課堂表現(xiàn)進行總結點評，或者讓學生之間相互評價，互相了解。必要時鼓勵學生積極發(fā)表課堂收獲。此外，對課堂中學生與教師的直接互動進行學情分析，包括學生對于已有知識的掌握、實際需要、能力水平情況，以及此節(jié)課中學生的學習態(tài)度、小組討論的參與性和積極性等方面。學情分析能夠有效地優(yōu)化教學過程，幫助教師全面了解學生情況，因材施教，實現(xiàn)個性化教學。最后在課堂結束時布置相應的課后作業(yè)。

2.2.3 課后鞏固提升

（1）完成每一章節(jié)或每一模塊的學習內容后，要及時完成線上教學平臺上的章節(jié)檢測，以檢測自己對于知識是否完全掌握，是否有遺漏的地方，其得分將作為綜合考核的一部分計入學生總成績。

（2）獨立完成內容總結并撰寫實驗報告。學生將記錄實驗過程并對出現(xiàn)的問題進行分析，這樣教師能夠更多地了解學生的學習狀況。如果想要復習某課程內容，也可以重新進入該章節(jié)的學習模塊反復學習，或者想要真正動手操作實驗，編寫代碼，也有相應的代碼編寫及結果可視化部分，真正實現(xiàn)教學一體化。

（3）課后教師可以利用教學平臺分享各種類型的教學資源，適當推送計算機相關知識、消息新聞、教后心得（教師）及學后收獲（學生）等。

2.3 “二層面”

“二層面”指“線上＋線下”評分機制。在進行教學評價時，應針對不同內容和相應課程目標，全面評價學生線上和線下的學習和綜合應用［18］?；旌鲜浇虒W的效果評價方式不僅考查學生期末考試試卷上的分數(shù)情況，還要考查學生課前自主學習情況，課中學習參與度、積極性以及知識掌握情況等多方面因素，是一種過程性的動態(tài)評價。

混合式教學的線上評估主要來源于該教學平臺對于學生觀看視頻在線時長、課程資源閱讀，以及課后習題準確率等方面的監(jiān)測功能和數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能。線上評估不僅能客觀、公正、及時地反映出學生的學習情況，掌握學生學習動態(tài)，還能根據(jù)學生對知識的掌握情況及時調整教學進度。線下成績包括平時上課出勤率、學生課堂表現(xiàn)、作業(yè)完成情況以及期末考試成績總和。

采用過程性評價和綜合性評價混合、線上評價和線下評價混合的模式，更能夠及時、清楚、全面地了解學生整個學習狀況以及每一個環(huán)節(jié)的學習效果，評測學生學習的主動性和創(chuàng)造性，避免“一張試卷定終身”的情況。這種評價模式能夠使學生更加注重平時學習與積累，而不僅僅是期末考試時考前突擊，更充分地彰顯人性化學習。

3 教學實施效果

為了驗證本文所提數(shù)據(jù)挖掘課程“四模塊三階段二層面”教學方法的有效性，在山東科技大學2017 級計算機科學與技術、軟件工程、物聯(lián)網(wǎng)技術以及人工智能共4 個專業(yè)的學生之間進行分析比較。計算機科學與技術、軟件工程、物聯(lián)網(wǎng)3 個專業(yè)的班級在講解數(shù)據(jù)挖掘課程時，采用改進的混合式教學模式，線上采用MOOC 視頻完成自主學習部分，線下采用翻轉課堂模式進行講解與討論。而人工智能專業(yè)的學生采用傳統(tǒng)課上“教師教，學生學”的教學方式。按照每月一考核的方式，結果發(fā)現(xiàn)，采用“四模塊三階段二層面”教學方法的學生考試成績普遍比人工智能專業(yè)的學生要高，并且隨著時間的增長，效果越明顯。

通過圖3 可知，在2 月份剛開始采用此教學模式時，4個專業(yè)的差別并不大，平均分為60～70 分，然而隨著實施效果的凸顯，使用“四模塊三階段二層面”教學方法的3 個專業(yè)的班級平均分明顯上升，在7 月份達90 分以上，而人工智能專業(yè)的學生采用傳統(tǒng)教學模式的平均分仍然保持在70 分左右，并沒有明顯提高，且成績上下浮動較大。這說明本文所提“四模塊三階段二層面”教學方法對于教學有明顯促進作用。

在混合式教學模式中引入翻轉課堂理念，學生不僅能夠靈活地完成課程內容的自主學習，課堂學習中也極大地提高了注意力和積極性。據(jù)學生們反映，這種教學模式有助于加強他們對知識點的掌握，提升綜合能力，增強團隊合作意識。

Fig.3 Comparison of average scores of different majors圖3 不同專業(yè)平均成績對比

4 結語

本文提出的“四模塊三階段二層面”教學方法作為混合式教學的有效補充，通過線上多媒體和計算機等網(wǎng)絡手段，將網(wǎng)上觀看教學資源與線下教師、學生面對面交流相結合，更加適合大學生對于數(shù)據(jù)挖掘學習方面的需求。整個教學模式科學地覆蓋了教學課前課中課后的每一個重要教學階段和環(huán)節(jié)，充分體現(xiàn)了教學過程中以教師和學生成長為中心的一系列教學理念和原則，以確保將科學的教育理念充分地融入教育教學，保證教學高效實施。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：①學生在課前自主學習后，對知識有了一定了解，學生出勤率明顯上升；②教師提前安排資料學習，課中學生之間的互動交流增多，課堂氣氛明顯更活躍；③師生之間的交流更緊密，尤其是對數(shù)據(jù)挖掘行業(yè)前沿問題的探討，隨著交流的深入，有些學生甚至開始加入教師科研項目中，更好地學習專業(yè)知識。基于混合學習、案例學習、小組學習等實踐教學方式更加適應了大數(shù)據(jù)時代對應用型數(shù)據(jù)分析和挖掘人才的需求，師生綜合素質也得到較大提升，既達到了深化教育改革之目的，又提高了課程教學質量。