計(jì)算機(jī)導(dǎo)論混合課堂學(xué)習(xí)行為畫像與干預(yù)

任會(huì)峰，陸 松，董慶超

（1.無錫學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214105；2.海軍航空大學(xué) 岸防兵學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001）

0 引言

計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程是各高校為計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)大學(xué)一年級(jí)新生開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課，目的是建立學(xué)生對(duì)專業(yè)的基本認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生面向?qū)W科的思維能力，強(qiáng)化對(duì)專業(yè)的愛好與興趣［1］。課程教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，新生的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)不一，學(xué)習(xí)缺少監(jiān)督，學(xué)習(xí)主動(dòng)性不足，方法不夠優(yōu)良等行為會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果欠佳。

學(xué)生學(xué)習(xí)行為是學(xué)習(xí)方法與學(xué)習(xí)態(tài)度的外在表現(xiàn)［2］。通過分析學(xué)習(xí)行為，無疑對(duì)掌握學(xué)習(xí)習(xí)慣、學(xué)習(xí)態(tài)度、改進(jìn)教學(xué)措施和課堂管理水平大有裨益［3］。傳統(tǒng)教學(xué)過程中，難以收集學(xué)生學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)通等智慧教育平臺(tái)為獲取學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)提供了途徑［4］。屠菁［5］在雨課堂平臺(tái)研究學(xué)生在數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用中的學(xué)習(xí)行為與學(xué)習(xí)規(guī)律，有助于掌握學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)。梅鵬江等［6-7］以微機(jī)原理、單片機(jī)技術(shù)課程為例，統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)通平臺(tái)學(xué)生部分學(xué)習(xí)行為與期末考試成績的相關(guān)性。王文晶［8］依托MOOC 平臺(tái)分析SPOC 課程線上學(xué)習(xí)行為與學(xué)習(xí)成績的關(guān)聯(lián)性。肖瑞雪等［9］研究大學(xué)生線上學(xué)習(xí)行為，提出線上教學(xué)效果相關(guān)建議。郭玲玲等［10］收集學(xué)生線上學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，采用線性回歸分析學(xué)生學(xué)習(xí)行為與最終成績的關(guān)聯(lián)性。代鴻等［11］分析了在線學(xué)習(xí)行為意向的影響因素。田娜等［12］分析慕課教學(xué)活動(dòng)中學(xué)生部分學(xué)習(xí)行為與期末成績的相關(guān)系數(shù)。

總體而言，上述研究均面向純粹的線上學(xué)習(xí)行為，而混合式教學(xué)已被證明具有單一線上、線下教學(xué)所無法比擬的優(yōu)勢［13］。相關(guān)研究欠缺針對(duì)性的干預(yù)措施，更缺乏對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)行為的具體指導(dǎo)。例如，忽視了多門課程間的關(guān)聯(lián)性，只考慮單一課程的行為干預(yù)，體系層面思維不足；普遍從表示結(jié)果的期末成績這個(gè)單一維度進(jìn)行分析，未考慮行為間的耦合，忽視了學(xué)習(xí)過程對(duì)學(xué)習(xí)行為的影響［14］。

針對(duì)上述問題，本文以學(xué)習(xí)通平臺(tái)建設(shè)的計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程為依托，開展混合式教學(xué)學(xué)習(xí)行為研究，提出四段行為分析法將獲取的學(xué)生學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)歸一化至4 個(gè)區(qū)間，通過氣泡圖從學(xué)習(xí)過程分析學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)間及其關(guān)聯(lián)性，針對(duì)學(xué)習(xí)行為畫像提出干預(yù)建議及教學(xué)改進(jìn)措施。

1 數(shù)據(jù)獲取與處理

本文研究數(shù)據(jù)來源于超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)上建設(shè)的計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程［15］。選擇2021 級(jí)無錫學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)3 個(gè)自然班共120 名學(xué)生組成教學(xué)班進(jìn)行研究。通過第3-6 周數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)行為畫像，后12 周進(jìn)行干預(yù)及效果分析。該課程采用學(xué)習(xí)通作為輔助教學(xué)手段，實(shí)施混合式教學(xué)而非單一線上教學(xué)，因此未統(tǒng)計(jì)線上視頻觀看情況。從學(xué)習(xí)通學(xué)生學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)中提取與學(xué)生學(xué)習(xí)行為密切相關(guān)的搶答互動(dòng)率、作業(yè)開始時(shí)間、完成作業(yè)用時(shí)、作業(yè)重做次數(shù)、作業(yè)正確率共5 個(gè)指標(biāo)。其中，搶答互動(dòng)率體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，能間接反映學(xué)生能否跟上教師思路、理解能力的強(qiáng)弱；作業(yè)開始時(shí)間是學(xué)生學(xué)習(xí)熱情的外在表現(xiàn)，相較于搶答互動(dòng)率，該指標(biāo)反映的是無教師監(jiān)督下的學(xué)習(xí)熱情；完成作業(yè)用時(shí)反映學(xué)生對(duì)知識(shí)掌握的熟練程度、知識(shí)運(yùn)用能力及對(duì)待作業(yè)的認(rèn)真態(tài)度；作業(yè)重做次數(shù)體現(xiàn)學(xué)生知識(shí)掌握程度及對(duì)靈活掌握知識(shí)、勇于自我挑戰(zhàn)的追求；作業(yè)正確率體現(xiàn)教學(xué)過程中學(xué)生的階段性學(xué)習(xí)效果。

為便于比較分析，對(duì)獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，借鑒期末總評(píng)時(shí)優(yōu)、良、中、差的4 級(jí)評(píng)分制，提出四段行為分析法。學(xué)生在課堂上參與師生互動(dòng)，以搶答為主。為保證教學(xué)進(jìn)度，搶答互動(dòng)總次數(shù)控制在10 次以內(nèi)，所有學(xué)生均可參與，最終將搶答互動(dòng)次數(shù)除以總次數(shù)作為搶答互動(dòng)率。課后作業(yè)在學(xué)習(xí)通平臺(tái)上設(shè)置為授課結(jié)束時(shí)自動(dòng)公布，記為起始0 時(shí)刻，截止時(shí)間為終止時(shí)刻，將學(xué)生開始作業(yè)時(shí)間歸一化至作業(yè)公布與截止時(shí)間段內(nèi)。學(xué)生從開始作業(yè)到提交作業(yè)的時(shí)間差為完成作業(yè)用時(shí)，用時(shí)最短者標(biāo)記為起點(diǎn)0，用時(shí)最長者記為終點(diǎn)1。課后作業(yè)由學(xué)習(xí)通平臺(tái)從預(yù)先設(shè)置的作業(yè)庫中按照知識(shí)點(diǎn)隨機(jī)抽取組成，學(xué)生重做時(shí)會(huì)重新抽取題目，確保每次題目均不相同。當(dāng)學(xué)生對(duì)作業(yè)正確率不滿意時(shí)，可重新作答。重做最大次數(shù)設(shè)為上限1，最少次數(shù)為下限0。以0.9、0.75、0.6 為分界線，評(píng)判作業(yè)正確率的優(yōu)、良、中、差。歸一化后的四段學(xué)習(xí)行為區(qū)間劃分及含義如表1所示。

Table 1 Interval division of four-stage learning behaviors表1 四段學(xué)習(xí)行為區(qū)間劃分表

2 學(xué)習(xí)行為畫像與干預(yù)

學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)可視化能直觀呈現(xiàn)數(shù)據(jù)中隱藏的規(guī)律，協(xié)助教師快速、準(zhǔn)確地了解學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度及行為特點(diǎn)，進(jìn)而開展針對(duì)性的教學(xué)指導(dǎo)。圖1—圖6 以氣泡圖形式展示多維學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)與學(xué)生人數(shù)的關(guān)系。其中，氣泡越大代表表現(xiàn)出該項(xiàng)學(xué)習(xí)行為的學(xué)生人數(shù)越多，具體人數(shù)標(biāo)記在氣泡中心位置。

Fig.1 Interaction rate and start time of homework圖1 搶答互動(dòng)率與作業(yè)開始時(shí)間

由圖1 可見，課堂互動(dòng)表現(xiàn)積極的學(xué)生普遍作業(yè)開始時(shí)間更早，而課堂互動(dòng)中消極的學(xué)生在完成課后作業(yè)時(shí)最拖延；有2 名學(xué)生雖然課堂互動(dòng)積極，但課下作業(yè)最拖延?；?dòng)積極的學(xué)生能充分調(diào)動(dòng)各種感官，保持持續(xù)專注力，緊跟教師授課思路，學(xué)習(xí)更為主動(dòng)；互動(dòng)積極但作業(yè)拖延的學(xué)生，雖然性格活躍，但自制力較差。因此，在教學(xué)中應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生參與互動(dòng)［16-17］，例如以獎(jiǎng)勵(lì)平時(shí)分的形式，構(gòu)建班級(jí)及學(xué)生間的競爭機(jī)制，促進(jìn)良性循環(huán)。

由圖2 可見，搶答互動(dòng)積極的學(xué)生作業(yè)完成速度較快，這與圖1 中作業(yè)開始時(shí)間呈現(xiàn)的規(guī)律一致，學(xué)生通過積極參與互動(dòng)，提高了學(xué)習(xí)效率，知識(shí)掌握迅速且扎實(shí)。但相較于圖1，右上角人數(shù)明顯減少，互動(dòng)積極且完成作業(yè)較快、較慢的人數(shù)隨之增加，更有2 名學(xué)生課堂表現(xiàn)積極但作業(yè)完成很慢，體現(xiàn)了學(xué)生之間差異性，基礎(chǔ)相對(duì)薄弱的學(xué)生完成課后作業(yè)的時(shí)間較長，需要額外時(shí)間回顧補(bǔ)充知識(shí)點(diǎn)；有4 名學(xué)生互動(dòng)較積極但作業(yè)完成較快，原因是這些學(xué)生基礎(chǔ)扎實(shí)。因此，建議教師在鼓勵(lì)互動(dòng)的同時(shí)，控制好課后作業(yè)量，為基礎(chǔ)較為薄弱的學(xué)生預(yù)留更多時(shí)間回顧知識(shí)點(diǎn)。

Fig.2 Interaction rate and completion time of homework圖2 搶答互動(dòng)率與完成作業(yè)用時(shí)

由圖3 可見，最大比例為學(xué)生作業(yè)開始早且完成快，體現(xiàn)出學(xué)生扎實(shí)的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)與極大的學(xué)習(xí)熱情。教師可適當(dāng)加快教學(xué)進(jìn)度，拓寬教學(xué)知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的高級(jí)計(jì)算思維。針對(duì)部分作業(yè)拖延且完成作業(yè)用時(shí)長的學(xué)生，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)施，創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容與方法。例如，豐富在線交互環(huán)節(jié)設(shè)置、增加在線討論比重和隨堂小測次數(shù)，彌補(bǔ)無法及時(shí)獲取學(xué)生反饋的不足，針對(duì)性地加強(qiáng)思政教育強(qiáng)化其自主學(xué)習(xí)能力等［18］。

Fig.3 Completion and start time of homework圖3 完成作業(yè)用時(shí)與作業(yè)開始時(shí)間

由圖4 可見，作業(yè)開始時(shí)間越早，作業(yè)正確率越高，反之越低，表明學(xué)生趁著課堂授課剛結(jié)束的知識(shí)熱度，及時(shí)完成作業(yè)有助于進(jìn)一步強(qiáng)化所學(xué)知識(shí)。根據(jù)艾賓浩斯記憶遺忘曲線［19］，建議教師設(shè)定作業(yè)截止時(shí)間不宜太長，盡量將作業(yè)截止時(shí)間提前至授課當(dāng)天，趁熱打鐵，及時(shí)強(qiáng)化授課效果。針對(duì)不同知識(shí)點(diǎn)結(jié)合學(xué)生專長建立課程學(xué)習(xí)小組，減少客觀題比重，增加團(tuán)隊(duì)探究式題目，通過分工協(xié)作，讓積極的學(xué)生帶動(dòng)消極的學(xué)生。通過角色扮演、分組辯論、游戲形象、模擬教學(xué)等方式激發(fā)學(xué)生參與課堂教學(xué)的主動(dòng)性，豐富學(xué)生情感體驗(yàn)。例如，課程中的數(shù)制問題可引導(dǎo)學(xué)生查閱8 進(jìn)制與中國傳統(tǒng)文化中的八卦圖進(jìn)行類比，在課堂上以小劇場形式抽取學(xué)生組成八卦圖及八卦間的演化，既能活躍課堂氣氛，還能發(fā)散學(xué)生思維，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

Fig.4 Accuracy and start time of homework圖4 作業(yè)正確率與作業(yè)開始時(shí)間

由圖5 可見，作業(yè)完成快且成績優(yōu)秀的學(xué)生占比較大，表明這部分學(xué)生基礎(chǔ)較為扎實(shí)；成績優(yōu)秀但完成較快的學(xué)生有11 名，這部分學(xué)生基礎(chǔ)相對(duì)較弱，需要更多時(shí)間才能取得較好成績。完成作業(yè)用時(shí)為較快的良好率相較于用時(shí)快的良好率稍高，用時(shí)特別快的相較于用時(shí)特別慢的正確率更低。結(jié)合圖4 可知，這些學(xué)生拖延到作業(yè)截止時(shí)間前才開始提交，將作業(yè)當(dāng)作任務(wù)應(yīng)付了事。因此，建議教師不宜設(shè)置過長的作業(yè)持續(xù)時(shí)間，截止時(shí)間不宜過晚，一般難度的作業(yè)要求當(dāng)天完成。此外，研究表明晚上9點(diǎn)后，人體大腦的活動(dòng)將變得遲緩［20］，學(xué)習(xí)效率低且容易出錯(cuò)，故應(yīng)將截止時(shí)間設(shè)置在此時(shí)間之前。

Fig.5 Accuracy and completion time of homework圖5 作業(yè)正確率與完成作業(yè)用時(shí)

由圖6 可見，作業(yè)重做次數(shù)少且不及格的人數(shù)為0，說明學(xué)生普遍具有上進(jìn)心，當(dāng)出現(xiàn)不及格時(shí)學(xué)生會(huì)選擇重做。由于每次重做都會(huì)從題庫中重新抽題，隨著重做次數(shù)增加，學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解越來越深刻，正確率總體呈現(xiàn)上升趨勢，因此重做次數(shù)多且優(yōu)秀的人數(shù)占比最大，其次為重做次數(shù)少且優(yōu)秀的人數(shù)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，15 位重做次數(shù)少且優(yōu)秀的學(xué)生基本固定不變，這些學(xué)生上課認(rèn)真，搶答互動(dòng)最積極，開始作業(yè)早且作業(yè)用時(shí)短；有4 名學(xué)生重做次數(shù)多但仍不及格，一方面表明了其基礎(chǔ)較為薄弱，入學(xué)前基本沒接觸過計(jì)算機(jī)，另一方面存在畏難情緒，聽課效率不高，通常這幾位學(xué)生也較為固定。因此，建議教師增加作業(yè)庫中各知識(shí)點(diǎn)題量，幫助學(xué)生從多角度理解知識(shí)點(diǎn)，使其更牢固地掌握所學(xué)知識(shí)。教師還應(yīng)考慮多門課程間的聯(lián)系，從專業(yè)體系高度進(jìn)行教學(xué)準(zhǔn)備和知識(shí)講授。例如，在計(jì)算機(jī)導(dǎo)論中的電子表格軟件Excel 的應(yīng)用教學(xué)過程中，可引導(dǎo)學(xué)生思考Excel 中的函數(shù)與C 程序設(shè)計(jì)語言課程函數(shù)的異同之處，分析哪些參數(shù)屬于形參，哪些屬于實(shí)參，思考能否使用C 語言編程實(shí)現(xiàn)Excel 中的SUM 等函數(shù)功能。通過聯(lián)系兩個(gè)相同或相近的概念，發(fā)散學(xué)生思維，提高學(xué)生對(duì)課程及相關(guān)課程的認(rèn)識(shí)與理解，培養(yǎng)學(xué)生舉一反三的思維能力，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與信心。

Fig.6 Accuracy and redo times of homework圖6 作業(yè)正確率與作業(yè)重做次數(shù)

3 效果分析

教育心理學(xué)家班杜拉提出的模仿理論指出學(xué)習(xí)即模仿。學(xué)生會(huì)根據(jù)同伴表現(xiàn)和自身學(xué)習(xí)經(jīng)歷進(jìn)行比較，通過外部強(qiáng)化、自我強(qiáng)化和替代性強(qiáng)化激勵(lì)自身學(xué)習(xí)動(dòng)力，改善學(xué)習(xí)行為與態(tài)度，從而對(duì)學(xué)業(yè)成績產(chǎn)生積極影響。本文結(jié)合學(xué)習(xí)行為畫像與干預(yù)從學(xué)習(xí)過程和結(jié)果兩個(gè)維度進(jìn)行效果分析。

首先基于學(xué)生第3-6周學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)的畫像及干預(yù)建議，對(duì)2021級(jí)無錫學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程后12 周（第7-18 周）的學(xué)習(xí)行為采取干預(yù)指導(dǎo)?？紤]到周課時(shí)較少，干預(yù)指導(dǎo)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)行為的影響是個(gè)緩慢的過程。因此，評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)的采集頻率設(shè)置為每兩周一次，共獲得6 組數(shù)據(jù)，過程干預(yù)效果如圖7 所示。其中，橫軸為采取學(xué)習(xí)行為干預(yù)的教學(xué)周次，縱軸為四段學(xué)習(xí)行為中行為消極的兩段學(xué)生數(shù)與行為積極的兩段學(xué)生數(shù)之比。

Fig.7 Curve of learning behavior intervention effect圖7 學(xué)習(xí)行為干預(yù)效果曲線圖

由圖7 可見，在搶答互動(dòng)率、作業(yè)開始時(shí)間、作業(yè)完成時(shí)間3 個(gè)指標(biāo)中，消極的學(xué)生數(shù)與互動(dòng)積極的學(xué)生數(shù)之比呈現(xiàn)下降趨勢。對(duì)比學(xué)生名單可發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)主動(dòng)的學(xué)生學(xué)習(xí)行為基本無波動(dòng)，學(xué)習(xí)被動(dòng)的學(xué)生被干預(yù)后進(jìn)步較大，證實(shí)了通過學(xué)習(xí)行為干預(yù)指導(dǎo)及改進(jìn)教學(xué)策略，能使學(xué)生積極模仿先進(jìn)的學(xué)習(xí)行為，讓更多學(xué)生充分重視互動(dòng)的積極性，并主動(dòng)參與其中，開始作業(yè)更早、完成作業(yè)更快。作業(yè)重做次數(shù)少的學(xué)生人數(shù)與重做次數(shù)多的人數(shù)之比總體呈現(xiàn)上升趨勢，表明更多的學(xué)生知識(shí)掌握更扎實(shí)，更少的學(xué)生需要通過刷題來鞏固知識(shí)點(diǎn)。

課程結(jié)束后，采用問卷星設(shè)計(jì)調(diào)查問卷，選題包括積極性、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和學(xué)習(xí)效果3 個(gè)方面，設(shè)置90 分及以上為非常贊同，75-90 分為贊同，60-75 分為一般，低于60 分為不贊同，具體結(jié)果如表2 所示。由此可見，與學(xué)習(xí)行為干預(yù)效果相似，大多數(shù)學(xué)生對(duì)干預(yù)建議持贊同態(tài)度。其中，認(rèn)為能提高學(xué)習(xí)效果的學(xué)生占比71%（贊同與非常贊同之和，即評(píng)分在75 分以上），69.67%、75%的學(xué)生贊同/非常贊同對(duì)學(xué)習(xí)行為進(jìn)行干預(yù)后能提升個(gè)人學(xué)習(xí)積極性和端正學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，更愿意按照教師提供的先進(jìn)學(xué)習(xí)模式完善學(xué)習(xí)過程，學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)從外部分?jǐn)?shù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部知識(shí)驅(qū)動(dòng)。

Table 2 Questionnaire results表2 問卷調(diào)查結(jié)果

表3 為無錫學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)2021 級(jí)與2020 級(jí)學(xué)生的期末考試成績比較。由此可見，采取學(xué)習(xí)干預(yù)使2021 級(jí)學(xué)生期末考試均分和優(yōu)秀比分別提高6.19%和11.39%，雖然良好比相當(dāng)，但及格人數(shù)占比下降了1.48%，不及格人數(shù)為0，證實(shí)了該教學(xué)模式能提高課堂教學(xué)效果。此外，相關(guān)干預(yù)措施已用于指導(dǎo)2022 級(jí)新生的學(xué)習(xí)行為，并持續(xù)積累學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)。

Table 3 Comparison of final examination results表3 期末考試結(jié)果比較

4 結(jié)語

學(xué)生學(xué)習(xí)行為畫像能客觀反映學(xué)生學(xué)習(xí)特征及規(guī)律，及時(shí)采取針對(duì)性干預(yù)能避免指導(dǎo)行為滯后、提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果和教師教學(xué)效率。實(shí)踐表明，學(xué)生對(duì)混合式教學(xué)中行為干預(yù)的認(rèn)可度較高，研究成果對(duì)計(jì)算思維導(dǎo)論、計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)等課程同樣具有借鑒意義。

下一步，將收集更多課程學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，研究多門課程聯(lián)動(dòng)及專業(yè)體系的學(xué)習(xí)畫像，通過機(jī)器學(xué)習(xí)等方法研究學(xué)習(xí)行為的定量分析，并通過及時(shí)有效的干預(yù)實(shí)現(xiàn)精確指導(dǎo)。