基于K均值算法的分層教學(xué)模型研究

常鳳　徐小華　胡忠旭　張子鋒

摘要：由于學(xué)生群體存在個(gè)性化差異，傳統(tǒng)教學(xué)模式已不能很好地滿足學(xué)生全面發(fā)展的需求。而分層教學(xué)關(guān)注學(xué)生個(gè)體差異和學(xué)習(xí)需求，有針對(duì)性地制定教學(xué)計(jì)劃和目標(biāo)，有利于整體教學(xué)效果的提升。文章重點(diǎn)研究分層教學(xué)中的分層模型，并以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程為例，設(shè)計(jì)基于K均值算法（K-means）的分層教學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的分層。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明，基于K均值算法的分層教學(xué)模型相比專家分類算法、學(xué)生總成績(jī)排名的分層方法，更具有一定科學(xué)性和合理性，可以為其他學(xué)科提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：分層教學(xué)模型;K均值;聚類;計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）26-0054-03

1 引言

隨著高等教育改革的推進(jìn)，高等教育規(guī)模不斷擴(kuò)大，質(zhì)量不斷提高，高等教育的發(fā)展環(huán)境、使命擔(dān)當(dāng)和發(fā)展策略也發(fā)生了新的變化[1]。由于學(xué)生群體存在個(gè)體差異，進(jìn)入大學(xué)后的目標(biāo)也有很大的不同，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，教師需要通過(guò)大量的考試才能更準(zhǔn)確地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，這種方法已不能滿足高校因材施教的教育原則及學(xué)生不同層次的學(xué)習(xí)需要[2]。傳統(tǒng)“一刀切”的方式也容易造成基礎(chǔ)水平高的學(xué)生覺(jué)得學(xué)習(xí)枯燥乏味，無(wú)法對(duì)知識(shí)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)和拓展研究，而基礎(chǔ)水平低的學(xué)生因?yàn)榛A(chǔ)薄弱而無(wú)法完成相應(yīng)的任務(wù)，甚至有些學(xué)生平時(shí)非常努力，但因各種原因未掌握方法和技巧，所以考試失敗，只能參加補(bǔ)考。久而久之，部分學(xué)生將對(duì)課程失去學(xué)習(xí)興趣和信心。如何有效地面對(duì)全體學(xué)生，進(jìn)行有效教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性，使存在個(gè)體差異的學(xué)生獲得全面發(fā)展及個(gè)性發(fā)展，是教育教學(xué)面臨的巨大挑戰(zhàn)。

分層教學(xué)是教學(xué)改革的新方向，提供了教學(xué)的精準(zhǔn)性。分層教學(xué)在一定程度上避免了“一刀切”的教學(xué)方法存在的弊端。分層教學(xué)依據(jù)學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)水平、學(xué)習(xí)能力以及學(xué)習(xí)潛力對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，對(duì)于不同層次的學(xué)生，教師根據(jù)差異有針對(duì)性地調(diào)整教學(xué)方法和教學(xué)策略。根據(jù)分層教學(xué)理念，教師在課堂中重點(diǎn)關(guān)注較困難的學(xué)生，并挖掘出需要重點(diǎn)培養(yǎng)的對(duì)象，適應(yīng)學(xué)生的全面發(fā)展需求。

傳統(tǒng)的教學(xué)分層方法主要是從學(xué)生作業(yè)完成情況、學(xué)習(xí)成績(jī)出發(fā)，依據(jù)數(shù)據(jù)的排列來(lái)將學(xué)生分成不同的層級(jí)，這種分層方法雖然高速直觀，但忽視了知識(shí)構(gòu)造的分層化。K均值算法（K-means）是一種迭代求解的無(wú)監(jiān)督的聚類分析算法，算法簡(jiǎn)單易操作，執(zhí)行效率高，可以有效地應(yīng)用于學(xué)生學(xué)習(xí)行為的研究中。因此，本文采用K均值算法進(jìn)行了分層教學(xué)模型的研究，并以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程為例，探索通過(guò)分層次教學(xué)提高教學(xué)質(zhì)量的教學(xué)方法。

2 分層教學(xué)

實(shí)施素質(zhì)教育，培養(yǎng)新的人才實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神是當(dāng)前高等教育改革與發(fā)展的基本目標(biāo)，分層教學(xué)是素質(zhì)教育的體現(xiàn)，是探索素質(zhì)教育實(shí)施的新的教學(xué)方法[3]。分層教學(xué)落實(shí)對(duì)癥下藥、因材施教的教育理念，相對(duì)于原有的大一統(tǒng)思想和方案，分層教學(xué)改進(jìn)和調(diào)整了教學(xué)方式方法，提高了教學(xué)效益，是實(shí)現(xiàn)因材施教和教學(xué)管理精細(xì)化的有效途徑。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，分層次的教學(xué)方案是高校教育方式改革中最具有針對(duì)性的，具有較強(qiáng)的可操作性，并且具有普遍的運(yùn)用價(jià)值與實(shí)踐意義[4-5]。分層次教學(xué)遵循以人為本與因材施教的教育原則，具有能挖掘?qū)W生自身的學(xué)習(xí)潛能，能優(yōu)化教學(xué)質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程是高校中計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)十分重要的必修課，具有較強(qiáng)的專業(yè)性和實(shí)踐性。在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生課程基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)態(tài)度等各不相同，若采取統(tǒng)一授課，則易造成“基礎(chǔ)好的學(xué)生吃不飽，基礎(chǔ)差的學(xué)生跟不上”的局面，容易造成課堂教學(xué)效率低下，不利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不適應(yīng)高校教學(xué)的改革。根據(jù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)需求，文章提出一種基于K均值算法的分層教學(xué)模型，以此達(dá)到優(yōu)化計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)目的，提高教學(xué)質(zhì)量，滿足不同學(xué)生對(duì)該門(mén)課程不同需求的目的。

3 K均值算法

4 K均值實(shí)現(xiàn)學(xué)生的分層

由以上的算法實(shí)現(xiàn)學(xué)生的分層有以下步驟：

1） 數(shù)據(jù)的收集

文章數(shù)據(jù)一共收集了400份的期末試卷，限于篇幅，文章只取了31個(gè)樣本作為研究對(duì)象。研究的過(guò)程忽略了學(xué)生性別、考試時(shí)間、教學(xué)大綱和考試大綱、學(xué)時(shí)數(shù)等數(shù)據(jù)。

2） 數(shù)據(jù)整理

數(shù)據(jù)整理是將收集的試卷的進(jìn)行合理、有效、科學(xué)的處理。按照分層教學(xué)的要求，分層不僅要考慮入學(xué)考試的總成績(jī)，還應(yīng)該包括學(xué)生每章節(jié)特別是重要章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)得分率等，這樣便可以了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握。通過(guò)歸納整理，試卷共有8個(gè)較重要知識(shí)點(diǎn)模塊。分別用X1-X8表示，對(duì)應(yīng)情況如下：X1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu);X2數(shù)據(jù)通信原理;X3數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議;X4 IP地址劃分及路由選擇協(xié)議;X5 TCP協(xié)議及UDP協(xié)議;X 6局域網(wǎng)的設(shè)計(jì)與搭建;X 7無(wú)線局域網(wǎng)WLAN;X8 DNS域名系統(tǒng)。

3） 數(shù)據(jù)規(guī)范

數(shù)據(jù)規(guī)范是將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。在對(duì)成績(jī)聚類分析時(shí)，需要將學(xué)生的所有章節(jié)或知識(shí)點(diǎn)的成績(jī)和總成績(jī)匹配成數(shù)值類型，進(jìn)行規(guī)范化處理。

4） 數(shù)據(jù)分析

上述31個(gè)樣本作為算法的初始數(shù)據(jù)。在分層前，初始凝聚點(diǎn)為三類，選擇第1個(gè)、第14個(gè)、第25個(gè)樣本觀測(cè)值為初始凝聚點(diǎn)，然后進(jìn)行分層分析，得到如圖1的輪廓圖。

從輪廓圖看出，將31個(gè)的觀測(cè)數(shù)據(jù)分為3類，每個(gè)觀測(cè)的輪廓值都大于零，并且都高于0.2以上，說(shuō)明分為3類是非常合適的。其分層結(jié)果如表1所示。

從表中可以得到：第一類中學(xué)生有17人，總體表現(xiàn)優(yōu)秀，該類學(xué)生在X1、X3、X7都表現(xiàn)較好，相對(duì)薄弱的模塊為X5（TCP協(xié)議及UDP協(xié)議）。第二類有10人，該類學(xué)生總體表現(xiàn)一般，在X1、X2、X6和X7模塊表現(xiàn)比較好，在其他模塊表現(xiàn)較差。第三類有4人，總體表現(xiàn)較差，該類學(xué)生在X2、X3、X5、X6極其薄弱。有了這些分層信息，有利于教師調(diào)整授課重點(diǎn)，使教學(xué)更具有針對(duì)性，提高課堂教學(xué)效率。

5 分層算法比對(duì)

K均值聚類結(jié)果與專家聚類、學(xué)生總成績(jī)排名對(duì)比如表2。從表中可以看出，K均值聚類與專家聚類有編號(hào)5、8、29不一致外，其余都相同。K均值聚類和成績(jī)排名也有不相同，如序號(hào)為8的學(xué)生，成績(jī)排名為18，但是從試卷答題來(lái)看，對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)掌握很好，運(yùn)算能力很強(qiáng)，但對(duì)基礎(chǔ)題型掌握稍差，所以歸為1類比較合理。從K均值聚類和專家分類、成績(jī)排名對(duì)比來(lái)看，K均值聚類具有一定的科學(xué)性和合理性。

6 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際教學(xué)中，分層教學(xué)實(shí)行差異化教學(xué)，樹(shù)立“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，實(shí)現(xiàn)分層定標(biāo)、分層施教、分層練習(xí)、分層提高，能使教學(xué)更具有針對(duì)性，有利于教學(xué)效率的全面提高。文章以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程為例，設(shè)計(jì)以K均值算法為基礎(chǔ)的分層教學(xué)模型，相比專家分類算法、學(xué)生總成績(jī)排名的分層方法，該模型分類準(zhǔn)確，具有一定可移植性和推廣性。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

收稿日期：2022-04-19

作者簡(jiǎn)介：常鳳（1989—） ，女，云南昭通人，助教，碩士，主要研究方向?yàn)樗惴ɡ碚?、?jì)算機(jī)應(yīng)用;徐小華（1980—） ，男，四川南充人，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)樗惴ɡ碚?胡忠旭（1983—） ，男，云南昭通人，通信作者，副教授，學(xué)士，主要研究方向?yàn)檐浖_(kāi)發(fā)技術(shù);張子鋒（1985—） ，男，河南信陽(yáng)人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。