大數(shù)據(jù)+人工智能背景下混合式教學(xué)案例設(shè)計(jì)

顏慧

關(guān)鍵詞：混合式教學(xué)；大數(shù)據(jù)；人工智能；程序設(shè)計(jì)類課程

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）08-0164-03

大數(shù)據(jù)、人工智能、5G等新一代信息技術(shù)對社會經(jīng)濟(jì)、醫(yī)療、交通、金融、教育、工業(yè)等各方面都產(chǎn)生了巨大的影響。從2017年開始，國家印發(fā)了促進(jìn)教育信息化的一系列文件，在這些文件中，提出了推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+教育”、推動信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合、提倡個性化教育等新的教育理念。

在當(dāng)前形勢下，高等教育迎來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)和重要機(jī)遇，在新技術(shù)的推動下，教與學(xué)的形態(tài)正在不斷被重塑，教學(xué)理念、教學(xué)模式、課程體系的持續(xù)優(yōu)化與創(chuàng)新成為不可抗拒的時代潮流。新一代信息技術(shù)特別是大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)，在教育教學(xué)的過程中不斷展現(xiàn)出重要作用。大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)作為現(xiàn)代化教育教學(xué)的工具和手段，不斷推動課程體系數(shù)智化重構(gòu)；還促使教學(xué)理念、教學(xué)方法、教學(xué)手段的持續(xù)創(chuàng)新。

大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)和平臺為教學(xué)模式改革提供了高效和便捷的教學(xué)手段與工具，如果能將人工智能技術(shù)深度融合到混合式教學(xué)中，對教學(xué)理念、教學(xué)模式、教學(xué)手段、教學(xué)內(nèi)容等進(jìn)行創(chuàng)新，打造出可利用碎片時間隨時隨地學(xué)習(xí)的無邊界課堂，并能根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)打造個性化學(xué)習(xí)方案，踐行因材施教的理念，提升教育教學(xué)質(zhì)量。

本研究對應(yīng)用型本科院校中計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的一門程序設(shè)計(jì)類課程《編程入門》進(jìn)行教學(xué)改革，探索在大數(shù)據(jù)+人工智能等技術(shù)的支撐下進(jìn)行混合式教學(xué)改革的路徑、方法、方式、手段，并且在這門課程進(jìn)行教學(xué)改革的基礎(chǔ)上，將教學(xué)成果向計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)程序設(shè)計(jì)類課程進(jìn)行示范和推廣，能起到以點(diǎn)帶面的重要作用。

1 混合式教學(xué)現(xiàn)狀分析

混合式教學(xué)是一種新的教學(xué)方式，是智能終端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)與課堂教學(xué)有機(jī)結(jié)合的教學(xué)情景[1]。在疫情期間，無法進(jìn)行課堂教學(xué)的情況下，高校的教學(xué)中廣泛使用了混合式教學(xué)模式，為疫情期間“同質(zhì)同量”地完成教學(xué)任務(wù)發(fā)揮了重要的作用。在后疫情時代，混合式也繼續(xù)受到廣泛的關(guān)注，廣大教學(xué)工作者關(guān)注于如何使用混合式教學(xué)模式來提高教學(xué)質(zhì)量、提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)體驗(yàn)感。

在目前的混合式教學(xué)中，一般是依托一些在線課程平臺來部署學(xué)習(xí)資源，劃分一定比例的線上線下教學(xué)課時進(jìn)行教學(xué)。但是在這種教學(xué)模式中，教師并不能完全掌握學(xué)生的個體情況，也不能針對學(xué)生個人情況提供給學(xué)生個性化的教學(xué)方案。目前混合式教學(xué)中還存在一些亟待解決的問題：

問題一：如何精確掌握學(xué)生學(xué)習(xí)的情況。

由于學(xué)生人數(shù)眾多，教師很難去精確把握每個學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度。學(xué)生在進(jìn)行線上學(xué)習(xí)的時候，雖然網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺可以記錄學(xué)生學(xué)習(xí)視頻的時長等信息，但部分學(xué)生可能存在“放羊”現(xiàn)象，并沒有認(rèn)真去學(xué)習(xí)課程視頻。在線下學(xué)習(xí)部分，在課堂中如何記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，精確把握學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)情況？這都是在混合式教學(xué)過程中教師需要解決的問題。

問題二：如何因材施教，提供個性化的學(xué)習(xí)資源。

每個學(xué)生的理解能力、學(xué)習(xí)能力都不相同，如何才能根據(jù)每個學(xué)生自身的學(xué)習(xí)進(jìn)度，提供不同的學(xué)習(xí)方案和學(xué)習(xí)資源？

問題三：如何建立科學(xué)的多元化評價體系。

在混合式教學(xué)中，應(yīng)該從哪些維度對學(xué)生進(jìn)行評價，如何建立科學(xué)、全面、更加多元化的評價體系，各評價指標(biāo)在最終評價結(jié)果中的占比的設(shè)計(jì)，這些都是需要進(jìn)一步進(jìn)行探索的問題。

因此，如果能使用大數(shù)據(jù)和人工智能等先進(jìn)技術(shù)輔助混合式教學(xué)，通過先進(jìn)的信息技術(shù)對教學(xué)手段、教學(xué)平臺、教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)評價等提供強(qiáng)有力的支撐，提供對教學(xué)數(shù)據(jù)的挖掘、統(tǒng)計(jì)、分析、預(yù)測，就能較為全面地掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況及教師的教學(xué)情況，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化教學(xué)、自適應(yīng)學(xué)習(xí)及精準(zhǔn)化管理，從而提升教學(xué)質(zhì)量。如果能進(jìn)一步通過這些技術(shù)去充分挖掘?qū)W生的興趣、個性等，給學(xué)生提供個性化的教學(xué)方案，必定能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和興趣。

2 混合式教學(xué)框架設(shè)計(jì)

在混合式教學(xué)之前發(fā)展的歷程中，受到技術(shù)發(fā)展及技術(shù)工具的限制，教師并不能完全掌握學(xué)生的個體情況，也不能針對學(xué)生個人情況提供給學(xué)生個性化的教學(xué)方案。新一代信息技術(shù)的發(fā)展，給混合式教學(xué)提供了新的工具、方法和手段，重塑了教學(xué)形態(tài)，逐漸形成了新的教學(xué)生態(tài)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上建立混合式教學(xué)框架如下。

2.1 智能化教學(xué)平臺作為支撐平臺

傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，教師很難去收集每一個學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了超星網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺、雨課堂等一批優(yōu)秀的智能化教學(xué)平臺。借助于智能化教學(xué)平臺，教師很容易獲取到學(xué)生的各類學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)。學(xué)生在智能化教學(xué)平臺上進(jìn)行在線學(xué)習(xí)時，智能化教學(xué)平臺可以保存學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的自動采集過程。例如，學(xué)生的簽到考勤情況、學(xué)習(xí)視頻的時長、閱讀資料、參與主題討論、互動、完成作業(yè)的情況等，都會被智能化教學(xué)系統(tǒng)采集到。而學(xué)生在面對面課堂教學(xué)中的表現(xiàn)，也可以通過攝像頭等設(shè)備進(jìn)行采集，形成面授課堂的教學(xué)數(shù)據(jù)。

隨著人工智能的出現(xiàn)，對高等教育中人才的培養(yǎng)目標(biāo)產(chǎn)生了新的要求，不再以知識和技能為人才培養(yǎng)目標(biāo)的核心，而是以培養(yǎng)具有創(chuàng)新型、情感性、高階能力的新型人才。因此課程立足于“立德樹人”的教育理念，融合多種教育教學(xué)理念和思想，依托大數(shù)據(jù)及人工智能等新一代信息技術(shù)，對混合式教學(xué)的框架及過程進(jìn)行設(shè)計(jì)。在本課程中，將教學(xué)總體框架分為課程規(guī)劃、課程實(shí)施、課程改進(jìn)三個階段。

課程規(guī)劃分為課程定位、內(nèi)容規(guī)劃、資源建設(shè)三個子階段。首先通過對學(xué)情、專業(yè)相關(guān)崗位等進(jìn)行調(diào)研，建立學(xué)生群體畫像，結(jié)合人才培養(yǎng)方案，確定課程的定位和培養(yǎng)目標(biāo)；然后對課程內(nèi)容進(jìn)行規(guī)劃，建立課程的知識體系；再通過資源推薦系統(tǒng)，選擇慕課等合適的資源進(jìn)行課程資源建設(shè)，再將課程資源部署到智能化教學(xué)平臺中。

2.2 大數(shù)據(jù)+人工智能技術(shù)作為輔助手段

通過對記錄在智能化教學(xué)平臺上的數(shù)據(jù)使用數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)可視化等技術(shù)，可建立學(xué)習(xí)者畫像、進(jìn)行深層次的學(xué)情分析，讓教師更好地掌握學(xué)生情況，為下一步教學(xué)活動的執(zhí)行及策略的調(diào)整提供有力依據(jù)。

以大數(shù)據(jù)和人工智能為代表的新一代信息技術(shù)給混合式教學(xué)中的教學(xué)活動賦予了新的活力，技術(shù)和教學(xué)活動融合得更加緊密。根據(jù)SAMR模型[2]中，在科學(xué)技術(shù)的支持下，原有的教學(xué)活動可以被新的教學(xué)互動所替換、強(qiáng)化、修改和重塑。在新一代信息技術(shù)的支持下，原有的一些傳統(tǒng)的教學(xué)活動可以被替換成新技術(shù)支持下的教學(xué)活動。如傳統(tǒng)面授課堂的一部分可以被在線教學(xué)所代替、紙質(zhì)作業(yè)被電子作業(yè)所代替、閱讀電子書替換掉實(shí)體書等。利用科技對教學(xué)活動進(jìn)行增強(qiáng)，如在教學(xué)中引入在線文檔、學(xué)習(xí)社區(qū)等種類豐富多樣的拓展學(xué)習(xí)資源對原有的學(xué)習(xí)資源進(jìn)行增強(qiáng)、用電子筆記增強(qiáng)筆記能力等。還可以利用科技對學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)以及創(chuàng)造前所未有的任務(wù)。

在大數(shù)據(jù)技術(shù)對教學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析挖掘的基礎(chǔ)上，再使用人工智能技術(shù)進(jìn)一步融合混合式教學(xué)，不但可以對原有的教學(xué)任務(wù)進(jìn)行替換、強(qiáng)化、修改，還可以創(chuàng)造出各類新穎的、豐富的教學(xué)活動。

2.2.1 輔助教師精確掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況

在進(jìn)行線上教學(xué)時，利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺自動記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度等信息，例如視頻的學(xué)習(xí)時長、任務(wù)完成的情況等，通過機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對平臺記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的挖掘和分析，掌握學(xué)生的線上學(xué)習(xí)情況；在進(jìn)行線下教學(xué)時，可以使用計(jì)算機(jī)視覺分析技術(shù)對課堂上學(xué)生的行為進(jìn)行分析，例如學(xué)生的抬頭率，是否有玩手機(jī)等現(xiàn)象，通過數(shù)據(jù)的采集、分析、挖掘，充分掌握學(xué)生線下的學(xué)習(xí)情況。

2.2.2 輔助學(xué)生進(jìn)行個性化學(xué)習(xí)

通過學(xué)習(xí)資源推薦系統(tǒng)，可以根據(jù)學(xué)生自身的情況進(jìn)行合適的學(xué)習(xí)資源推薦，例如學(xué)習(xí)視頻、練習(xí)題等，滿足學(xué)生不同的學(xué)習(xí)要求。

2.2.3 輔助建立多元化的評價體系

通過線上和線下學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的采集、分析和挖掘，為混合式教學(xué)提供了多個維度的、多樣化的學(xué)生評價數(shù)據(jù)，為混合式教學(xué)建立科學(xué)的、多元化的評價體系提供了多種方法和手段，使得學(xué)生評價更加全面和立體化。

3 混合式教學(xué)案例設(shè)計(jì)

3.1 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

在課程實(shí)施的過程中，結(jié)合BOPPPS教學(xué)模式[3]來設(shè)計(jì)具體的教學(xué)過程，為構(gòu)建一堂有效的教學(xué)課堂提供了可行的、理論上的指導(dǎo)。根據(jù)BOPPPS教學(xué)理念，將課堂分為課前、課中、課后三個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)中包含若干個子任務(wù)，各環(huán)節(jié)及子任務(wù)之間無縫銜接，構(gòu)成教學(xué)閉環(huán)。如圖2所示：

課前分為發(fā)布任務(wù)、預(yù)習(xí)及課前小測三個子任務(wù)。在課程環(huán)節(jié)中，通過教師發(fā)布任務(wù)及智能導(dǎo)學(xué)，讓學(xué)生清楚本堂課的學(xué)習(xí)目標(biāo)、任務(wù)以及學(xué)習(xí)路徑；學(xué)生根據(jù)任務(wù)指引完成相應(yīng)的預(yù)習(xí)任務(wù)，完成視頻、課件等資源的學(xué)習(xí)，還可以通過個性化學(xué)習(xí)資源推薦系統(tǒng)去擴(kuò)展學(xué)習(xí)相關(guān)的知識點(diǎn)；之后學(xué)生去完成課前小測。在課前環(huán)節(jié)中，通過對學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的分析，建立學(xué)生的個人畫像，并進(jìn)行學(xué)情分析和智能診斷。通過課前環(huán)節(jié)，教師可以清晰掌握學(xué)生的總體情況及每個學(xué)生的個人情況，為下一步進(jìn)行精準(zhǔn)化教學(xué)、差異化教學(xué)提供了可靠、科學(xué)的依據(jù)。

課中分為引入、交互式學(xué)習(xí)、課堂小測、總結(jié)等四個子任務(wù)。課中主要對應(yīng)傳統(tǒng)面授課堂，首先引入本次課的學(xué)習(xí)目標(biāo)和任務(wù)，明確重點(diǎn)和難點(diǎn)；在交互式學(xué)習(xí)中，教師作為引導(dǎo)，學(xué)生作為主體進(jìn)行學(xué)習(xí)，采用分組、討論、演示等教學(xué)手段實(shí)施教學(xué)，并采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方式提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性；通過隨堂小測來評估學(xué)生本堂課的學(xué)習(xí)效果；最后總結(jié)本次課，完成一次完整、有效的課堂教學(xué)。在課中通過智能協(xié)作來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性，通過智能評估來評估學(xué)生學(xué)習(xí)的有效性。

在課后，學(xué)生通過完成課后作業(yè)來鞏固知識和技能，通過智能小助手/智能問答來輔助解答學(xué)生常見的疑問；還可以通過個性化學(xué)習(xí)資源推薦系統(tǒng)來拓展學(xué)習(xí)課外知識。教師可以通過查重系統(tǒng)來完成作業(yè)的查重；通過成績預(yù)警和成績預(yù)測來精準(zhǔn)掌握每個學(xué)生的學(xué)情，為下一步精準(zhǔn)化教學(xué)以及教學(xué)策略的調(diào)整提供決策依據(jù)；教師還可以通過對討論區(qū)、評論區(qū)等內(nèi)容進(jìn)行情感分析，進(jìn)一步掌握學(xué)生的狀態(tài)。

課前、課中、課后三個環(huán)節(jié)中的各子任務(wù)根據(jù)布魯姆（Bloom） 學(xué)習(xí)分類法設(shè)計(jì)線上線下混合的方式及比例。在文獻(xiàn)[1]中提到，混合式教學(xué)根據(jù)線上線下學(xué)時混合的比例，可以分為線上主導(dǎo)型、線下主導(dǎo)型和完全融合型。根據(jù)以上分類方法，在課程中將低階學(xué)習(xí)安排在線上學(xué)習(xí)中完成，高階學(xué)習(xí)安排在面授教學(xué)中完成，合理分配線上線下學(xué)時的比例，并且采取線上線下有機(jī)融合的方式，即采取完全融合型的教學(xué)方式。Bloom學(xué)習(xí)分類法為合理安排混合式教學(xué)中線上線下的課時比例提供了一定的理論依據(jù)。

課前環(huán)節(jié)的三個子任務(wù)主要是學(xué)生在線上完成。課中環(huán)節(jié)中，引入部分由教師在線下面授完成；交互式學(xué)習(xí)和隨堂小測采取線上線下相結(jié)合，既有線上的教學(xué)活動又有線下的教學(xué)活動，有機(jī)結(jié)合完成相應(yīng)的子任務(wù)；總結(jié)主要由教師在線下面授完成。課后環(huán)節(jié)主要由學(xué)生在線上完成，通過智能化教學(xué)平臺的統(tǒng)計(jì)分析得到診斷結(jié)果，在下一堂課中再由教師講解難點(diǎn)。

3.2 實(shí)施教學(xué)過程

在混合式教學(xué)的整個教學(xué)過程中踐行Chickering和Gamson 提出的本科教育優(yōu)秀實(shí)踐的七項(xiàng)原則[4]?；旌鲜浇虒W(xué)與該七項(xiàng)原則的融合如下：通過QQ群/微信群等工具加強(qiáng)教師與學(xué)生之間的聯(lián)系；通過分組完成項(xiàng)目發(fā)展學(xué)生之間的協(xié)作互助；通過翻轉(zhuǎn)課堂等方式，促使學(xué)生提高學(xué)習(xí)主動性；利用智能化教學(xué)平臺可以自動批改一部分作業(yè)，可以迅速反饋學(xué)習(xí)結(jié)果給學(xué)生，還可以結(jié)合QQ、微信等工具及時給學(xué)生反饋；在智能化教學(xué)平臺上限定任務(wù)的完成時間并提醒學(xué)生及時完成；以產(chǎn)出為導(dǎo)向，并且通過鼓勵學(xué)生參與各類學(xué)科競賽，給學(xué)生一個學(xué)習(xí)的目標(biāo)和傳達(dá)對學(xué)生的高期望；理解學(xué)生個體差異，通過個性化學(xué)習(xí)資源推薦去鼓勵學(xué)生進(jìn)行拓展學(xué)習(xí)，并提供差異化的教學(xué)資源、學(xué)習(xí)路徑，以及多樣化的學(xué)習(xí)方式。該教學(xué)理念為課程達(dá)成應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)目標(biāo)提供了可操作性較強(qiáng)的基本原則。

并且在教學(xué)的過程中，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，基于CDIO的教學(xué)理念[5]進(jìn)行項(xiàng)目化教學(xué)。而一個軟件作品的開發(fā)，恰好可以分為這四個階段，因此，在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時，依據(jù)CDIO的理念，以完成一個軟件項(xiàng)目的開發(fā)為主線進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，鼓勵學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力和個人編碼能力，還能產(chǎn)出相應(yīng)的成果即軟件作品。

在期末對學(xué)生開展調(diào)查問卷，獲取學(xué)生對于課程的反饋信息；對學(xué)期的教學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析、可視化，對教與學(xué)的效果進(jìn)行分析、總結(jié)、反思，對課程總體進(jìn)行智能診斷，從而調(diào)整、優(yōu)化下一輪課程教學(xué)的策略、對課程進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

4 教學(xué)效果

在教學(xué)過程中，選取兩個班級作為實(shí)驗(yàn)對比。其中一個班級采用傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式，另一個班級采用混合式教學(xué)方式。兩個班級的考核成績對比如表1，試驗(yàn)組無論是卷面成績、項(xiàng)目成績還是綜合成績均高于對照組。

在課程教學(xué)過程中，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，提倡創(chuàng)新和團(tuán)隊(duì)協(xié)作。自從實(shí)施課程教學(xué)改革以來，學(xué)生積極投入到軟件作品的開發(fā)中，在課程團(tuán)隊(duì)的指導(dǎo)下，學(xué)生陸續(xù)取得了多項(xiàng)軟件著作權(quán)證書。

并且在教學(xué)過程中，秉承賽教融合、以賽促教、以教促賽的基本理念，促進(jìn)了學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)技能的快速提升，學(xué)生參加各類學(xué)科競賽的熱情高漲，學(xué)生參加各類學(xué)科競賽的獲獎率也在逐年遞增。

5 結(jié)束語

在新一代信息技術(shù)的推動下，高等教育中教與學(xué)的形態(tài)發(fā)生了較大的變化，給教師和學(xué)生都帶來了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。本文探討了如何將大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)融合到混合式教學(xué)中的框架、思路、實(shí)踐及效果。實(shí)踐證明，結(jié)合了大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)的混合式教學(xué)的教學(xué)模式具有較強(qiáng)的可操作性，該教學(xué)模式易實(shí)現(xiàn)、易推廣，并且能在一定程度上提升教學(xué)質(zhì)量以及學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)感和成就感。今后還需要繼續(xù)探索如何將大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)更加深入地融合到混合式教學(xué)中，在新技術(shù)的支持下實(shí)現(xiàn)重塑更多的高質(zhì)量教學(xué)活動，促使學(xué)生主動學(xué)習(xí)，持續(xù)提高教學(xué)質(zhì)量。