基于改進(jìn)的BOPPPES模型的數(shù)據(jù)挖掘教學(xué)方法及案例分析

牛彩云，李衛(wèi)麗，尹曉晴

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)物流與交通學(xué)院，湖南 長沙 410073；2.國防科技大學(xué)系統(tǒng)工程學(xué)院，湖南 長沙 410073；3.國防科技大學(xué)交叉前沿學(xué)院，湖南 長沙 410073）

0 引言

數(shù)據(jù)挖掘課程涉及高等數(shù)學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)據(jù)庫、人工智能等學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)，是一門交叉性和綜合性強(qiáng)的課程，廣泛應(yīng)用于如信息檢索、商務(wù)智能、知識(shí)發(fā)現(xiàn)、醫(yī)學(xué)信息處理、管理模式分析、自然災(zāi)害預(yù)測(cè)等領(lǐng)域。數(shù)據(jù)挖掘課程內(nèi)容包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、算法（聚類、分類、關(guān)聯(lián)規(guī)則分析、離群點(diǎn)檢測(cè)、回歸分析等不同數(shù)據(jù)挖掘任務(wù)下的算法）及有實(shí)際應(yīng)用型的案例分析，其知識(shí)點(diǎn)多且分散，重要程度相當(dāng)，章節(jié)之間獨(dú)立性強(qiáng)，且有一定的理論深度[1]。

堅(jiān)持以學(xué)生為本。形式各異的教學(xué)過程的共同重點(diǎn)是“教學(xué)反饋”，以是否能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)深度為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，最終實(shí)現(xiàn)“教學(xué)同步、情感共鳴”的教學(xué)效果。BOPPPS模型是由北美地區(qū)高校教學(xué)技能培訓(xùn)機(jī)構(gòu)Instructional Skills Workshop（ISW）提出的一種有效的注重教學(xué)互動(dòng)和反思的閉環(huán)反饋的課程設(shè)計(jì)模式，旨在提高教師的授課技能，本質(zhì)上是對(duì)以學(xué)生為中心的教與學(xué)的實(shí)踐[2]。由于數(shù)據(jù)挖掘課程的學(xué)習(xí)對(duì)實(shí)踐應(yīng)用性要求特別高，除了在案例引入環(huán)節(jié)滿足引入更貼近生活應(yīng)用背景的案例外，本文還進(jìn)一步提出了改進(jìn)的BOPPPES模型，即在原模型基礎(chǔ)上增加了“拓展（Extension）”這一要素，通過課前和課中的學(xué)習(xí)外在課后進(jìn)一步以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的方式以實(shí)際問題為案例背景動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，旨在進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生能夠?qū)W以致用地將課堂知識(shí)拓展到解決實(shí)際問題上來，更多地鍛煉并提升學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力。

1 數(shù)據(jù)挖掘案例教學(xué)研究現(xiàn)狀

案例式教學(xué)是數(shù)據(jù)挖掘課程教學(xué)設(shè)計(jì)的基本構(gòu)成內(nèi)容，針對(duì)不同數(shù)據(jù)挖掘任務(wù)給出相應(yīng)的案例，以加深學(xué)生對(duì)相關(guān)概念的理解。然而，目前教材所提供的案例數(shù)據(jù)普遍存在著一些諸如數(shù)據(jù)源過于陳舊、分散、單一等問題[3]。

目前，許多學(xué)者對(duì)數(shù)據(jù)挖掘相關(guān)課程的案例教學(xué)進(jìn)行了探討和研究，并提供了相關(guān)的教學(xué)改革建議和具體解決方案。衛(wèi)志華等人面向新工科背景下大數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)的要求，提出了面向數(shù)據(jù)挖掘課程的綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的舉措[4]。覃鳳萍等人針對(duì)數(shù)據(jù)挖掘課程提出了“問題引導(dǎo)+案例”的教學(xué)模式[5]。賈媚媚等人主要針對(duì)數(shù)據(jù)挖掘?qū)嶒?yàn)課程的教學(xué)方式和案例設(shè)計(jì)進(jìn)行探索和改進(jìn)，并提出了一些具體的解決方案，如算法實(shí)現(xiàn)（數(shù)據(jù)挖掘軟件同編寫算法代碼相結(jié)合）、從競(jìng)賽中選取貼近實(shí)際問題的案例等[6]。

2 基于BOPPPES模型的數(shù)據(jù)挖掘案例設(shè)計(jì)

針對(duì)數(shù)據(jù)挖掘課程提出的BOPPPES教學(xué)模型，可從教學(xué)理念、教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)方法三個(gè)方面來理解其內(nèi)涵：在教學(xué)理念上，教師關(guān)注的重點(diǎn)應(yīng)該是學(xué)生“學(xué)到了什么”，而不是自己“教了什么”；在教學(xué)目標(biāo)上，必須按照認(rèn)知規(guī)律，設(shè)定清晰、具有可檢性的目標(biāo)，便于學(xué)生評(píng)估自己掌握知識(shí)的程度；在教學(xué)方法上，強(qiáng)調(diào)參與式教學(xué)，力求學(xué)生能在課堂上充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，獨(dú)立思考、創(chuàng)造新思維。

（1）B（問題導(dǎo)入）。教師根據(jù)課程內(nèi)容選取貼近實(shí)際生活的案例，在吸引學(xué)生的注意，誘導(dǎo)學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和明確的學(xué)習(xí)目的。

（2）O（學(xué)習(xí)目標(biāo)）。教師向?qū)W生清楚表達(dá)本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)，便于學(xué)生掌握學(xué)習(xí)的重點(diǎn)、難點(diǎn)以及對(duì)知識(shí)的熟練程度。

（3）P（前測(cè)）。課前摸底主要是為了掌握學(xué)生對(duì)先導(dǎo)知識(shí)的掌握程度，從而對(duì)所教授知識(shí)有合理規(guī)劃。

（4）P（參與式學(xué)習(xí)）。參與式學(xué)習(xí)是BOPPPES教學(xué)模型最核心的理念，貫穿于教學(xué)過程的全過程，所開展形式多樣，如分組討論、角色扮演、動(dòng)手推算、專題研討、案例分析等。

（5）P（后測(cè)）。課后測(cè)驗(yàn)是判斷學(xué)生是否達(dá)到預(yù)期的重要環(huán)節(jié)，也是對(duì)教師教學(xué)效果的評(píng)價(jià)，在課后或者教學(xué)過程中都可以及時(shí)地測(cè)驗(yàn)學(xué)生掌握知識(shí)情況。根據(jù)評(píng)估結(jié)果，學(xué)生可以及時(shí)了解自己對(duì)知識(shí)的掌握程度，教師可以反思并調(diào)整教學(xué)設(shè)計(jì)，使教學(xué)目標(biāo)更易實(shí)現(xiàn)。

（6）E（拓展）。在原BOPPPS模型的基礎(chǔ)上增加“Extension（拓展）”這一要素，其目的在于重視鍛煉學(xué)生們的實(shí)踐能力，學(xué)會(huì)“學(xué)以致用”來分析和解決實(shí)際問題。

（7）S（總結(jié)）?？偨Y(jié)主要是歸納一節(jié)課的知識(shí)點(diǎn)、理清知識(shí)脈絡(luò)、引出下次課的內(nèi)容或追溯上次課內(nèi)容。與傳統(tǒng)的教學(xué)模式不同，BOPPPS模型強(qiáng)調(diào)總結(jié)應(yīng)該是學(xué)生自己對(duì)知識(shí)的歸納。因此，總結(jié)過程中，教師主要起引導(dǎo)的作用，由學(xué)生自己總結(jié)本次課的知識(shí)點(diǎn)和重要內(nèi)容，評(píng)估自己的學(xué)習(xí)效果。

3 數(shù)據(jù)挖掘案例分析

基于BOPPPES模型的教學(xué)需要教師與學(xué)生共同參與完成，更加注重學(xué)生的參與和反饋，整個(gè)教學(xué)活動(dòng)安排和分配如表1所示。

表1 教學(xué)分配表

在基于BOPPPES模型的教學(xué)設(shè)計(jì)中，教學(xué)實(shí)施過程是根據(jù)課程設(shè)計(jì)里面的教學(xué)目標(biāo)、重難點(diǎn)等內(nèi)容，通過多媒體演示、板書設(shè)計(jì)和互動(dòng)式教學(xué)等環(huán)節(jié)進(jìn)行的教學(xué)活動(dòng)安排。

3.1 環(huán)節(jié)一：B（案例導(dǎo)入）

該環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)挖掘教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)，通過新冠疫情數(shù)據(jù)的案例引出本堂課的授課內(nèi)容，該導(dǎo)入模式有助于啟發(fā)學(xué)生學(xué)會(huì)思考分析問題的能力。并回顧聚類分析的內(nèi)涵和涉及的分析要素。

疫情的發(fā)生和流行具有地域性特點(diǎn)。針對(duì)2019年爆發(fā)的公共衛(wèi)生事件，利用GIS（地理信息系統(tǒng)）結(jié)合k-means聚類分析方法對(duì)疫點(diǎn)的空間分布特征按空間親疏關(guān)系進(jìn)行分類，實(shí)現(xiàn)在空間上對(duì)疫點(diǎn)的劃分，確定各疫點(diǎn)劃分子集的邊界。使防疫工作人員掌握疫情在空間上的分布情況和模式，針對(duì)不同地區(qū)采取不同的防制措施，提前做好防護(hù)準(zhǔn)備工作，合理有效配置衛(wèi)生人力和物力資源等。從而為疫情防控部門提供科學(xué)決策依據(jù)，合理有效配置防控資源，有效預(yù)防與控制疫情的擴(kuò)散、提高疫病防治管理水平提供了技術(shù)手段。

通過空間聚類算法對(duì)所監(jiān)測(cè)范圍區(qū)域內(nèi)的疑似病例、確診病例、病例接觸者的距離、位置、關(guān)系等疫點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，有助于揭示疫情的擴(kuò)散規(guī)律，進(jìn)而在疫情監(jiān)測(cè)和防控方面起到積極作用。

3.2 環(huán)節(jié)二：O（教學(xué)目標(biāo)）

在教學(xué)目標(biāo)上，主要是針對(duì)教學(xué)內(nèi)容對(duì)學(xué)生提出了知識(shí)目標(biāo)要求和能力目標(biāo)要求。詳細(xì)地，教學(xué)內(nèi)容包括：kmeans聚類算法處理流程；“肘方法”確定k值；改進(jìn)算法：k-summary算法。因此，要求學(xué)生掌握k-means算法處理流程，以及對(duì)算例能夠手動(dòng)實(shí)現(xiàn)算法；了解k值確定的問題，以及改進(jìn)的k-summary聚類算法；通過案例講解引導(dǎo)學(xué)生逐步建立使用聚類方法解決現(xiàn)實(shí)問題的能力，并提高學(xué)生的思維能力。

3.3 環(huán)節(jié)三：P（前測(cè)）

該環(huán)節(jié)主要是檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)先導(dǎo)知識(shí)的掌握情況，以便對(duì)教學(xué)過程進(jìn)行靈活調(diào)整，并最終實(shí)現(xiàn)該課程的教學(xué)目標(biāo)要求，采用教師引導(dǎo)式提問進(jìn)行師生互動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。如在案例導(dǎo)入環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生回顧聚類分析的內(nèi)涵和所涉及的分析要素；在k-means算法實(shí)現(xiàn)流程演示完成后，對(duì)其中涉及的樣本與質(zhì)心之間相似度計(jì)算問題，通過提問方式讓學(xué)生回顧度量樣本間相似性的幾個(gè)度量指標(biāo)（如閔可夫斯基距離、歐氏距離、曼哈頓距離、切比雪夫距離、余弦系數(shù)、相關(guān)系數(shù)等）。

3.4 環(huán)節(jié)四：P（參與式學(xué)習(xí)）

該環(huán)節(jié)是基于BOPPPES模型課程設(shè)計(jì)的核心部分，實(shí)際上要求學(xué)生參與式學(xué)習(xí)貫穿于課前、課中和課后的所有階段。除了在前測(cè)環(huán)節(jié)教師通過提問方式考查學(xué)生掌握先導(dǎo)知識(shí)的互動(dòng)外，在授課過程中對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)式提問（初始簇中心對(duì)聚類結(jié)果是否有影響？是否存在最優(yōu)的簇個(gè)數(shù)k），并在理論知識(shí)講授完后，讓學(xué)生自由討論并總結(jié)k-means算法的優(yōu)、缺點(diǎn)以及對(duì)于疫情數(shù)據(jù)聚類分析應(yīng)用場(chǎng)景的理解。

3.5 環(huán)節(jié)五：P（后測(cè)）

該環(huán)節(jié)以隨堂作業(yè)方式讓學(xué)生對(duì)課后習(xí)題手動(dòng)實(shí)現(xiàn)k-means聚類算法全過程，以便能夠及時(shí)檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握情況，并起到及時(shí)鞏固所學(xué)知識(shí)的作用。

3.6 環(huán)節(jié)六：E（拓展）

該環(huán)節(jié)是對(duì)原BOPPPS模型不可或缺的補(bǔ)充，主要采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)方式以小組為單位在課后完成該任務(wù)，其目的在于能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)活學(xué)活用，逐步培養(yǎng)和鍛煉解決實(shí)際問題的能力，也符合數(shù)據(jù)挖掘課程的應(yīng)用性特點(diǎn)。以課堂引入的新冠疫情為聚類分析的問題背景，根據(jù)教師提供的疫情數(shù)據(jù)，小組成員分工協(xié)作完成并提交新冠疫情數(shù)據(jù)聚類分析報(bào)告，還需制作PPT進(jìn)行項(xiàng)目答辯工作。

3.7 環(huán)節(jié)七：S（總結(jié)）

該環(huán)節(jié)隨堂總結(jié)和系統(tǒng)總結(jié)兩部分：①教師在課堂上可以通過思維導(dǎo)圖模式有助于學(xué)生在總結(jié)所學(xué)新知識(shí)的基礎(chǔ)上能夠很好地聯(lián)系到先導(dǎo)知識(shí)，從而對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的歸納整理。圖1顯示了課堂所學(xué)新知識(shí)（k均值聚類算法及其改進(jìn)）和先前知識(shí)（聚類分析概述和相關(guān)知識(shí)）聯(lián)想記憶模式；②在完成拓展環(huán)節(jié)要求的項(xiàng)目報(bào)告和答辯的基礎(chǔ)上，教師和學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)做出一個(gè)系統(tǒng)的總結(jié)和反思。

圖1 聚類分析相關(guān)知識(shí)脈絡(luò)總結(jié)

4 評(píng)價(jià)方式

基于BOPPPES模型的教學(xué)設(shè)計(jì)，除了在教學(xué)實(shí)施過程提出鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力的具體措施外，還通過增加“拓展”環(huán)節(jié)來凸顯應(yīng)用實(shí)踐的重要性。因此，對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)方式主要包括：①基礎(chǔ)參與式評(píng)價(jià)，主要是教師在教學(xué)實(shí)施過程中（課堂教學(xué)）通過對(duì)學(xué)生提問的方式來考查學(xué)生對(duì)先導(dǎo)知識(shí)的掌握情況，以及對(duì)新學(xué)知識(shí)歸納總結(jié)的情況，考察的是學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度以及思維能力等，并對(duì)其進(jìn)行初步評(píng)價(jià)；②拓展式評(píng)價(jià)，主要體現(xiàn)在課后項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的小組實(shí)驗(yàn)完成情況，遵循多角度、全方位評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，如背景知識(shí)的搜集考察的是學(xué)習(xí)態(tài)度，編程代碼來實(shí)現(xiàn)算法考察的是動(dòng)手能力，PPT答辯考察的是邏輯思維能力，針對(duì)細(xì)化的項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)指標(biāo)對(duì)學(xué)生進(jìn)行打分。

5 結(jié)語

教師在授課過程中，重視學(xué)生的參與程度，強(qiáng)調(diào)“教學(xué)同步、情感共鳴”的教學(xué)效果，使得學(xué)生在教學(xué)過程中掌握知識(shí)的同時(shí)培養(yǎng)和引導(dǎo)其解決實(shí)際問題的思維方式，并進(jìn)一步提高學(xué)生實(shí)踐能力。首先，在案例選取方面，考慮跟學(xué)生生活緊密相關(guān)的真實(shí)場(chǎng)景，以疫情數(shù)據(jù)為例引出所學(xué)知識(shí)；其次，在教學(xué)方法方面，特別是在教學(xué)過程中采用多種教學(xué)手段如多媒體演示、板書等，通過增加學(xué)習(xí)趣味性達(dá)到吸引學(xué)生的目的；然后，在案例分析工作安排方面，基于工作量的客觀現(xiàn)實(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神的培養(yǎng)需求雙方面的考慮，決定采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)方式并以小組形式展開具體工作，包括案例背景知識(shí)搜集、算法實(shí)現(xiàn)、結(jié)論分析等項(xiàng)目報(bào)告和答辯PPT；最后，在項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方面，考慮學(xué)生的縱向和橫向?qū)Ρ?，采用?xiàng)目報(bào)告、編程代碼、答辯等成績的加權(quán)平均作為最終成績。