基于PCA的高職生課堂學(xué)習(xí)效果分析

董心雨

【摘要】? ? 高職生課堂學(xué)習(xí)效果受高職生自身特點(diǎn)、教師教育教學(xué)水平，學(xué)校引導(dǎo)與管理及高職教育培養(yǎng)方案等多個(gè)方面共同影響。根據(jù)高職院校的課堂教學(xué)特點(diǎn)，提取了若干個(gè)影響高職生課堂學(xué)習(xí)效果的因素，利用主成分分析法（Principal Component Analysis，PCA）對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行處理及分析，求得影響高職生課堂學(xué)習(xí)效果的關(guān)鍵指標(biāo)。結(jié)果表明，基于PCA的高職課堂學(xué)習(xí)效果分析能夠有效提取主因，為進(jìn)一步改良教育教學(xué)方法，提高學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)提供了科學(xué)的指導(dǎo)及明確的方向。

【關(guān)鍵詞】? ? PCA? ? 高職? ? 課堂學(xué)習(xí)

引言：

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，爆炸式增長(zhǎng)的海量數(shù)據(jù)給傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因此，我們一直在努力探尋更高效的數(shù)據(jù)處理手段。數(shù)據(jù)降維是一種解決維度災(zāi)難有效方法。衡量課堂教學(xué)效果的好壞必然是一個(gè)非線(xiàn)性的、多維的問(wèn)題，通常來(lái)講，指標(biāo)越多，評(píng)價(jià)過(guò)程越全面，但是在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中必然會(huì)產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計(jì)、分析就會(huì)顯得過(guò)于繁瑣，工作量巨大。因此，采用PCA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)降維，可以有效提取高職課堂教學(xué)評(píng)價(jià)的核心指標(biāo)信息。

除了個(gè)別就業(yè)率較高、綜合實(shí)力較強(qiáng)的高職院校的部分專(zhuān)業(yè)，高職院校生源整體弱于本科院校，學(xué)生知識(shí)水平、專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)參差不齊。然而培養(yǎng)出更多高素質(zhì)技術(shù)人才，能工巧匠又是我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)至關(guān)重要的一項(xiàng)任務(wù)。因此，如何提高高職生課堂學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)高職生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，幫助其掌握科學(xué)合理的學(xué)習(xí)方法，是一個(gè)急需探討的課題，這不僅有利于幫助其提高課業(yè)成績(jī)，對(duì)其步入工作崗位后的進(jìn)一步學(xué)習(xí)也有著重要意義。

一、影響高職生課堂學(xué)習(xí)效果的主要因素

從國(guó)家對(duì)于高職課程設(shè)置的層面來(lái)看，德國(guó)采用的是雙元制的課程模式，學(xué)校負(fù)責(zé)理論課程的講授，企業(yè)負(fù)責(zé)安排實(shí)踐課程，共同合作完成培養(yǎng)計(jì)劃，學(xué)生所學(xué)知識(shí)與最終所從事的工作需求有著非常高的契合程度，是一種非常理想的培養(yǎng)模式;英國(guó)將高等職業(yè)教育與“國(guó)家職業(yè)資格證書(shū)”的獲取綁定在一起，只有拿到相應(yīng)的資格證書(shū)才能夠就業(yè)，在一定程度上也保證了課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容與工作的匹配度;美國(guó)的高職教育對(duì)基礎(chǔ)理論的要求較低，課程設(shè)置與工作也沒(méi)有直接聯(lián)系，比較傾向于人的全面發(fā)展和能力的培養(yǎng);日本則是輕理論重實(shí)踐，給學(xué)生很多實(shí)踐機(jī)會(huì)，重視所學(xué)知識(shí)的實(shí)用性以及技能的培養(yǎng);中國(guó)高職教育的歷史較短，在探索與學(xué)習(xí)中前進(jìn)，很多高職院校仿照學(xué)術(shù)性大學(xué)制定培養(yǎng)計(jì)劃，沒(méi)有充分體現(xiàn)出高職教育的特點(diǎn)，與企業(yè)融合的不夠深入，無(wú)法真正做到讓學(xué)生學(xué)有所用，畢業(yè)即可上崗，不過(guò)近年來(lái)國(guó)家注重高職教育的培養(yǎng)，推動(dòng)“1+X證書(shū)”等制度的發(fā)展，為提高高職院校辦學(xué)質(zhì)量，學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效果起到了積極作用。

從學(xué)校的層面來(lái)看，很多高職院校對(duì)于提升課堂教學(xué)效果并沒(méi)有提出科學(xué)有效的保障手段，僅僅從紀(jì)律層面進(jìn)行把控。例如在教室放置手機(jī)袋，要求老師在課前監(jiān)督學(xué)生上交手機(jī)來(lái)減少上課玩手機(jī)的情況，這并不能從根本上解決問(wèn)題。學(xué)生即使上交手機(jī)，也可能采用睡覺(jué)、看小說(shuō)、發(fā)呆、練字等方式度過(guò)一堂課，而教師也不可能在課上耗費(fèi)過(guò)多時(shí)間來(lái)處理這些問(wèn)題。學(xué)校對(duì)于課堂效果的評(píng)估也僅僅依賴(lài)于學(xué)生教評(píng)及期末成績(jī)，然而大多數(shù)學(xué)生對(duì)于教評(píng)環(huán)節(jié)并不是特別認(rèn)真，且受主觀因素影響，期末成績(jī)也不能完全反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，可能受任課老師所透露的考點(diǎn)范圍等因素的影響。

從教師的角度來(lái)看，很多教師只是簡(jiǎn)單地完成教學(xué)任務(wù)，對(duì)于學(xué)生的心理狀態(tài)，學(xué)習(xí)效果并沒(méi)有深入了解。在很多高職課堂上，睡倒一片，或者偷玩手機(jī)的狀況比比皆是。部分教師采用課前上交手機(jī)的方法試圖提高學(xué)生在課堂上的學(xué)習(xí)效果，然而治標(biāo)不治本，即使手機(jī)被沒(méi)收，部分學(xué)生也無(wú)法集中注意力在教師所傳授的知識(shí)上，會(huì)用睡覺(jué)、發(fā)呆、練字等方式來(lái)消磨時(shí)間，更有甚者對(duì)于老師的強(qiáng)硬態(tài)度會(huì)產(chǎn)生逆反心理。因此，讓課堂變有趣、讓學(xué)生能聽(tīng)懂、聽(tīng)進(jìn)去是每一個(gè)教師努力的方向。除此之外，很多老師缺乏企業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研究生畢業(yè)就進(jìn)入高職院校任職，所具備的知識(shí)范疇僅僅局限于課本，對(duì)行業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展沒(méi)有深刻的認(rèn)識(shí)，對(duì)企業(yè)的需求也沒(méi)有準(zhǔn)確的把握，更多的是理論知識(shí)的輸出，而高職院校的學(xué)生不同于普通本科院校，工匠型人才的培養(yǎng)需要更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)及崗位技能培訓(xùn)。

從學(xué)生自身出發(fā)，一個(gè)學(xué)生的成績(jī)好壞往往受智力因素和非智力因素兩方面影響。智力因素是無(wú)法改變的，因此僅就非智力因素進(jìn)行探討。高職生普遍存在著理論基礎(chǔ)課薄弱，缺乏自覺(jué)性和主動(dòng)性，學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確，學(xué)習(xí)動(dòng)力不足等問(wèn)題。

例如《高等數(shù)學(xué)》等需要一定數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的課程，就會(huì)出現(xiàn)兩極分化的情況?；A(chǔ)較好的同學(xué)更容易聽(tīng)懂課堂內(nèi)容，能夠積極響應(yīng)老師的提問(wèn)，與此同時(shí)獲得的優(yōu)越感及成就感更加激發(fā)了其對(duì)該門(mén)課程學(xué)習(xí)的積極性，達(dá)到一個(gè)良性循環(huán)，學(xué)習(xí)效果也會(huì)很理想。相反的，有相當(dāng)一部分同學(xué)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)極差，就會(huì)遇到上課試圖聽(tīng)但是聽(tīng)不懂，一不留神就跟不上的情況，最終選擇放棄。因此，對(duì)于這一類(lèi)型課程的課堂學(xué)習(xí)效果，學(xué)生理論基礎(chǔ)是占比非常大的一個(gè)影響因素，具有特殊性，不太適用采取PCA的方式對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)查研究。

本文選擇的是《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信》這門(mén)課程，該門(mén)課程有部分純概念性章節(jié)，學(xué)生不需要有良好的文化課基礎(chǔ)就能夠理解記憶，但是在子網(wǎng)劃分等章節(jié)，涉及進(jìn)制計(jì)算等知識(shí)點(diǎn)，需要學(xué)生有一定的理論基礎(chǔ)。選擇該門(mén)課程可以很好地從學(xué)生方面分析其對(duì)課堂效果的影響。

可以看出，高職生課堂學(xué)習(xí)效果受多方面多維度因素的影響，本文基于PCA進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，找出影響高職生課堂學(xué)習(xí)效果的關(guān)鍵因素。

二、PCA算法的基本原理

PCA算法是一種應(yīng)用非常廣泛的降維方法，它可以從對(duì)事物產(chǎn)生影響的多個(gè)因素中挑選出幾個(gè)核心關(guān)鍵因素，去掉一些相關(guān)度較高的影響因子、冗余信息、最終將復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，此方法應(yīng)用于圖像處理、數(shù)據(jù)壓縮、信號(hào)去噪等多個(gè)領(lǐng)域。

PCA主要依據(jù)映射的方法，將p個(gè)維度投影至q個(gè)維度上，所得到的q維度數(shù)據(jù)滿(mǎn)足正交特性，我們稱(chēng)之為主成分。具體來(lái)講，我們需要在原始的數(shù)據(jù)空間中找到一組組相互正交的新的坐標(biāo)軸，他們的相關(guān)性是最低的，相關(guān)性越低信息的重疊量就越小。第1個(gè)新的坐標(biāo)軸的方向是通過(guò)計(jì)算原始數(shù)據(jù)中最大方差得到的，第2個(gè)新的坐標(biāo)軸則是由與第一個(gè)新坐標(biāo)軸正交平面中最大方差確定的。與第1，2個(gè)坐標(biāo)軸正交的平面中方差最大的即第3個(gè)坐標(biāo)軸，依此類(lèi)推得到p個(gè)新的坐標(biāo)軸。通過(guò)進(jìn)一步分析，可以得知大部分的方差都被包含于前q個(gè)坐標(biāo)軸中，q個(gè)坐標(biāo)軸之后的方差幾乎為0。因此，我們可以忽略之后的坐標(biāo)軸，僅用前q個(gè)坐標(biāo)軸來(lái)表示。通過(guò)這種方法不但實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)降維，關(guān)鍵信息也得以保留。下面具體介紹一下基于PCA算法的主要步驟：

1.將原始數(shù)據(jù)組成n行p列的樣本矩陣X，其中n代表各個(gè)樣本，p代表不同指標(biāo)，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。將每一列數(shù)據(jù)，即所有來(lái)自同一個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)做量綱上的統(tǒng)一，具體方法是將每個(gè)數(shù)據(jù)減去平均數(shù)后除以方差。

2.計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣R。

3.求矩陣R的特征值及特征向量。

通過(guò)求解|R-λf|=0，可以得到k個(gè)特征值及特征向量。

Q=（q，q，…，q）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

4.求主成分系數(shù)矩陣。

第i個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率為：

前q個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率之和，即累積貢獻(xiàn)率為：

一般情況下，當(dāng)累積貢獻(xiàn)率達(dá)到85%以上時(shí)，可以用這q個(gè)主成分代替原來(lái)的p個(gè)指標(biāo)。根據(jù)公式（2）可以寫(xiě)出主成分系數(shù)矩陣：

三、PCA在高職生課堂學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)中應(yīng)用

（一）模型建立

本文基于12個(gè)影響因子建立高職生課堂學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)模型，并用X1～X12代替，如表1所示。

（二）數(shù)據(jù)采集、處理及分析

采用問(wèn)卷調(diào)查的方式對(duì)《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信》課程進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)采集，這里只列出了一小部分抽樣數(shù)據(jù)，即12名學(xué)生對(duì)12個(gè)指標(biāo)的評(píng)分。對(duì)原始數(shù)據(jù)求解特征值、特征向量及貢獻(xiàn)率得到表2及表3。

從表3可以看出第一主成分的累積貢獻(xiàn)率為89.73%，大于85%，結(jié)合公式（5）可以得到主成分表達(dá)式：

在該主成分中，教學(xué)重難點(diǎn)處理得當(dāng)X2，理論聯(lián)系實(shí)際，重視實(shí)踐X3，教師情緒飽滿(mǎn)，課堂氛圍好X5，課堂互動(dòng)多X6，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性X11基本包含了主成分的所有信息。

而本研究是針對(duì)高職生開(kāi)展的，課程的重難點(diǎn)是否處理得當(dāng)對(duì)于高職生能否聽(tīng)懂課堂知識(shí)起著至關(guān)重要的作用。教師如果不能很好地把握重難點(diǎn)，將難以理解的知識(shí)進(jìn)行分解、簡(jiǎn)化，那么對(duì)于基礎(chǔ)較差的高職生來(lái)說(shuō)會(huì)形成聽(tīng)不懂，不想學(xué)，越不學(xué)，越聽(tīng)不懂的惡性循環(huán)。對(duì)于高職生的培養(yǎng)不同于普通本科學(xué)生，相較于理論，更重視實(shí)踐。因此，學(xué)生更在意課堂所學(xué)知識(shí)是否能運(yùn)用在將來(lái)的實(shí)際工作當(dāng)中，教師如果能聯(lián)系實(shí)際舉例，開(kāi)展實(shí)踐活動(dòng)更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。而良好的課堂氛圍及豐富的課堂互動(dòng)決定了學(xué)生能夠在課上集中注意力的時(shí)長(zhǎng)。學(xué)生學(xué)習(xí)積極性也直接影響著學(xué)習(xí)效果，而積極性的調(diào)動(dòng)除了任課老師把課上好之外，輔導(dǎo)員也應(yīng)該發(fā)揮積極作用，幫助學(xué)生們了解就業(yè)形勢(shì)，建立職業(yè)規(guī)劃，認(rèn)清成績(jī)的重要性。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文基于PCA算法研究了影響高職生課堂學(xué)習(xí)效果的主要因素，通過(guò)分析貢獻(xiàn)率得到了5個(gè)重要指標(biāo)：教學(xué)重難點(diǎn)處理是否得當(dāng);理論能否聯(lián)系實(shí)際，并加入實(shí)踐;教師情緒是否飽滿(mǎn)，課堂氛圍如何;互動(dòng)環(huán)節(jié)豐富與否;學(xué)生學(xué)習(xí)積極性能否被充分調(diào)動(dòng)。

計(jì)算出的主成分能夠很好地簡(jiǎn)化影響高職生課堂效果的各種因素，消除了原有各項(xiàng)因素的信息重疊，對(duì)于今后開(kāi)展教育教學(xué)工作，提高課堂學(xué)習(xí)效果指明了方向。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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