基于混合式教學(xué)過程數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用基礎(chǔ)教學(xué)設(shè)計

祁 俊，劉志強，李鑫麗，劉 萍，任洋甫，祝小蘭

（青海大學(xué) 計算機技術(shù)與應(yīng)用系，青海 西寧 810016）

0 引言

混合式教學(xué)發(fā)展迅猛，國內(nèi)各高校都在積極開展相關(guān)教學(xué)改革研究。《2021 年地平線報告》［1］列舉了6 項未來教育教學(xué)發(fā)展趨勢及可能產(chǎn)生重要影響的技術(shù)，混合課程模式位列第二。青海大學(xué)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用基礎(chǔ)課程組緊隨教學(xué)改革浪潮不斷進行教學(xué)改革探索，于2019 年開始實施混合式教學(xué)，并于2022 年獲批校級混合式一流課程建設(shè)項目。課程組線上選取學(xué)堂在線中的優(yōu)秀MOOC（Massive Open Online Course）搭建本校SPOC（Small Private Online Course）課程，線下利用智慧教學(xué)工具雨課堂［2］，兩者相輔相成、有機結(jié)合，實現(xiàn)了線上線下教學(xué)活動的聯(lián)動［3］。然而，目前數(shù)據(jù)庫應(yīng)用基礎(chǔ)課程教學(xué)仍然存在一些問題：一是青海大學(xué)地處西北，少數(shù)民族學(xué)生眾多，學(xué)習(xí)能力參差不齊；二是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用基礎(chǔ)是面向青海大學(xué)非計算機專業(yè)學(xué)生開設(shè)的選修課程，具有選課人數(shù)多、面向?qū)I(yè)廣的特點，“一桿子”的教學(xué)方式無法滿足學(xué)生的不同需求；三是教學(xué)設(shè)計簡單粗放，對于知識點的分析不足，對教學(xué)重難點聚焦不準等。如何細化課程知識點，及時了解與掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，對其進行分層次教學(xué)需要進行深入探討。

混合式教學(xué)模式依托于信息技術(shù)，在實施過程中產(chǎn)生了大量過程數(shù)據(jù)，對其進行分析與應(yīng)用可為教育教學(xué)帶來全新思路［4-5］。例如，文獻［6］依據(jù)超星泛雅學(xué)習(xí)通平臺上記錄的訪問數(shù)據(jù)分析不同學(xué)習(xí)行為與考試成績的相關(guān)性，以及學(xué)習(xí)行為呈現(xiàn)的時間規(guī)律，發(fā)現(xiàn)對成績影響最大的學(xué)習(xí)行為為章節(jié)學(xué)習(xí)次數(shù)、章節(jié)測試/實驗完成先后、視頻反芻比等；文獻［7］采用IBM SPSS21.0 軟件和ROST 內(nèi)容挖掘系統(tǒng)分析不同組學(xué)習(xí)者的行為日志數(shù)據(jù)與討論文本。結(jié)果顯示，登陸學(xué)習(xí)界面次數(shù)和交互話題數(shù)與學(xué)習(xí)成績有較強相關(guān)性；文獻［8］分析混合式教學(xué)過程的不同特征指標(biāo)及其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，探討不同特征指標(biāo)與課程最終考核成績的相關(guān)性，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果對后續(xù)教學(xué)提出相關(guān)建議與改進措施；文獻［9］以學(xué)生在雨課堂上的學(xué)習(xí)時長和學(xué)習(xí)內(nèi)容完成度兩個痕跡數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計算雨課堂學(xué)習(xí)任務(wù)綜合完成度，并分析其與期末卷面成績之間的關(guān)系，成功識別了環(huán)境地學(xué)課程教學(xué)過程中4 類學(xué)生的學(xué)習(xí)特征，并提出各類學(xué)生的學(xué)習(xí)過程管理策略；文獻［10］基于聚類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識跟蹤模型挖掘和分析學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)；文獻［11］基于VGG 預(yù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型遷移學(xué)習(xí)提取學(xué)生課堂異常行為特征，實現(xiàn)對玩手機、睡覺等異常行為的檢測分析；文獻［12］總結(jié)了基于深度學(xué)習(xí)的教育大數(shù)據(jù)挖掘目的、流程、研究方向和主要應(yīng)用機構(gòu)；文獻［13］基于混合式教學(xué)模式產(chǎn)生的大量多維度過程數(shù)據(jù)，使用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)進行智能預(yù)警。

綜上所述，分析利用混合式教學(xué)過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)可為教學(xué)活動提供有力支撐，使課程設(shè)置更加科學(xué)合理?；诖耍n題組選擇雨課堂這一智慧教學(xué)工具提供數(shù)據(jù)庫應(yīng)用基礎(chǔ)課程課前—課堂—課后全過程數(shù)據(jù)，教師可依靠客觀、實時的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)對教學(xué)情況進行判斷與調(diào)整，實現(xiàn)個性化教學(xué)。

1 混合式課程教學(xué)模式構(gòu)建

1.1 搭建線上SPOC

SPOC 由美國加州大學(xué)伯克利分校的阿曼多·?？怂菇淌谟?013 年首次提出，并進行了小規(guī)模的教學(xué)實踐；國內(nèi)則由清華大學(xué)最早推出SPOC 混合教學(xué)模式。課程組經(jīng)過調(diào)查研究，選擇了適合自身教學(xué)目標(biāo)與要求的由南開大學(xué)在學(xué)堂在線平臺開設(shè)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)與程序設(shè)計MOOC搭建SPOC 教學(xué)資源。教學(xué)內(nèi)容如表1 所示。根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)和學(xué)時數(shù)對線上教學(xué)內(nèi)容進行了適當(dāng)調(diào)整，將一些擴展的圖文和視頻作為選學(xué)內(nèi)容；同時為形成過程性考核增加了考試次數(shù)，以便隨時了解學(xué)生對理論知識的掌握情況。

對課程考核比重進行調(diào)整，調(diào)高了視頻占比。具體如表2所示。

1.2 雨課堂助力線下教學(xué)

雨課堂通過智能終端為教師與學(xué)生提供實時服務(wù)［14］。教師利用雨課堂可以輕松完成教學(xué)課件發(fā)布、測試設(shè)置，還可以實現(xiàn)教學(xué)直播、彈幕互動和點名等功能。雨課堂記錄了每堂課每位同學(xué)的學(xué)習(xí)情況，為教師提供了詳實的教學(xué)過程數(shù)據(jù)，教師可全方位分析教學(xué)實施情況，及時對教學(xué)計劃作出調(diào)整。

課程組利用雨課堂對原有教學(xué)內(nèi)容進行了修改與完善。例如，在SPOC 線上內(nèi)容中設(shè)置了課前測試，以便掌握學(xué)生課前線上預(yù)習(xí)情況；課中主要對SPOC 線上作業(yè)和測試數(shù)據(jù)中反映出的共性問題進行深入講解與探討，利用隨堂測試查看教學(xué)效果，并進行教學(xué)重點的動態(tài)調(diào)整；課后查看作業(yè)數(shù)據(jù)對學(xué)習(xí)狀態(tài)不理想的學(xué)生予以重點關(guān)注。

綜上所述，SPOC 通過課前、課中、課后的銜接形成了知識設(shè)計、知識傳遞和內(nèi)化提升3 個學(xué)習(xí)步驟［15］。課前教師發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，要求學(xué)生提前完成相應(yīng)教學(xué)視頻、圖文與課件的預(yù)習(xí)。學(xué)生和教師可以在討論區(qū)針對學(xué)習(xí)過程中暴露的問題進行發(fā)帖討論；課中教師可以設(shè)置翻轉(zhuǎn)課堂，選擇學(xué)生就某個知識點進行現(xiàn)場講解；課后學(xué)生完成相應(yīng)教學(xué)單元的作業(yè)和測試。教師作為引導(dǎo)者組織整個教學(xué)活動的開展，學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體提高了對教學(xué)活動的參與度。

2 教學(xué)過程數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

2.1 線上教學(xué)數(shù)據(jù)分析

如圖1（彩圖掃OSID 碼可見，下同）所示，通過對2021級選課學(xué)生的問卷調(diào)查分析可知，青海本地生源高考分數(shù)低于400 分的人數(shù)占42%，而河南生源中92.31%的學(xué)生高考分數(shù)在551～600 分之間。本地生源和省外生源分數(shù)相差較大，意味著學(xué)生知識水平和學(xué)習(xí)能力也有較大差異。

Fig.1 Comparison of college entrance examination scores for selected students圖1 選課學(xué)生高考分數(shù)比較

隨機選取A、B、C 3 個班級的學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)進行比較，發(fā)現(xiàn)班級之間差距明顯。從生源、民族分析可知，C 班省外生源占比較大，A 班和B 班本地生源占比較大，且少數(shù)民族學(xué)生較多。C 班學(xué)生的視頻和圖文完成度、討論參與度、作業(yè)完成度、考試成績均高于A 班和B 班。具體如圖2、圖3所示。

Fig.2 Comparison of student sources圖2 班級生源比較

Fig.3 Comparison of SPOC learning process data between classes圖3 班級間SPOC學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)比較

對2021 級某班級部分學(xué)生的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用基礎(chǔ)SPOC課程過程數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)個別學(xué)生在圖文、視頻、討論、作業(yè)和考試方面的表現(xiàn)明顯落后，提示班級內(nèi)學(xué)生水平差異顯著。具體如圖4所示。

Fig.4 Comparison of SPOC learning process data within the class圖4 班級內(nèi)SPOC學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)比較

2.2 線下教學(xué)數(shù)據(jù)分析

面向?qū)W生個性化、多樣化發(fā)展的細粒度教學(xué)過程控制逐漸從幕后走到臺前［16］。以數(shù)據(jù)庫應(yīng)用基礎(chǔ)第三章查詢第三次教學(xué)數(shù)據(jù)為例，從課程整體、知識點和學(xué)生3 個角度進行細粒度分析。

從整體角度來看，該次課程的主要教學(xué)目標(biāo)為使學(xué)生掌握交叉表查詢設(shè)計、參數(shù)查詢設(shè)計、操作查詢設(shè)計和SQL 查詢命令等知識點。針對性設(shè)置5 道雨課堂隨堂測試題，選擇A、B、C 3 個班級的實際教學(xué)數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果見圖5。可以看出，C 班學(xué)生彈幕數(shù)和正確率明顯高于A班和B 班，課堂互動非常積極。因此，A 班和B 班教師需及時調(diào)整上課方式，多鼓勵學(xué)生參與課堂活動，也可適當(dāng)進行翻轉(zhuǎn)教學(xué)，激發(fā)其探索欲望。

Fig.5 Comparative analysis of class learning process data圖5 班級學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)比較

如圖6 所示，從知識點角度來看，3 個班級對隨堂測試第1 題、第2 題的正確率最低，這意味著學(xué)生并未很好地理解和掌握相應(yīng)知識點，教師可再次進行講解，如此以來可以發(fā)現(xiàn)共性問題并進行教學(xué)側(cè)重點的動態(tài)調(diào)整。

Fig.6 Comparison of accuracy rates of various questions in classroom testing圖6 隨堂測試各題目正確率比較

從學(xué)生角度來看，對其課堂考勤、課堂彈幕數(shù)、課堂測試成績等數(shù)據(jù)進行分析，總結(jié)歸納出4 個維度進行考量，其中課堂考勤作為到課率的衡量指標(biāo)；課堂彈幕數(shù)、投稿數(shù)、投票數(shù)作為課堂參與度的衡量指標(biāo)；隨堂測試分數(shù)和階段性測試分數(shù)作為學(xué)習(xí)水平的衡量指標(biāo)；觀看教學(xué)課件與視頻、發(fā)布討論貼作為學(xué)習(xí)主動性的衡量指標(biāo)。全部數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計取均值后映射到4 個維度，用1～5 的分值進行表示。隨機選取3 個學(xué)生的數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果如圖7 所示。可以看出，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的個體差異非常明顯，因此教師需及時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，有針對性地幫助其查漏補缺。

Fig.7 Comparison of 4-dimensional learning data for different students圖7 不同學(xué)生4維度學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)比較

2.3 基于過程數(shù)據(jù)分析結(jié)果設(shè)計教學(xué)

2.3.1 教學(xué)重難點精確劃分

根據(jù)線上線下的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)合經(jīng)典測驗理論和布魯姆教育目標(biāo)分類理論發(fā)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容中學(xué)生遭遇的難點［17］，而不再是僅憑教師以往經(jīng)驗進行粗略判斷。以第三章教學(xué)內(nèi)容為例，課程組對各班教學(xué)過程數(shù)據(jù)進行分析，將教學(xué)內(nèi)容按照章→節(jié)→知識點的層次進行編號，例如第三章第1 節(jié)第1 個知識點的編碼為C.1.1。具體編碼情況如表3所示。

Table 3 Coding of teaching content表3 教學(xué)內(nèi)容編碼

在經(jīng)典的測驗理論中，難度是指問題解決者的通過率［18］。計算公式為：

式中：R表示通過人數(shù)，N表示總?cè)藬?shù)。

布盧姆教育目標(biāo)分類理論將認知過程分為記憶、理解、應(yīng)用、分析、評價、創(chuàng)造六大類，認層級由簡單到復(fù)雜［19］。所有SPOC、雨課堂測試和作業(yè)均以客觀題形式為主，題目簡單，以學(xué)生對基礎(chǔ)概念的掌握為目標(biāo)，對應(yīng)目標(biāo)分類理論中的第一層記憶。題目通過率直接反映了對于學(xué)生而言相應(yīng)知識點的難易程度。將相應(yīng)知識點按照［1，0.8］、（0.8，0.6］、（0.6，0.4］、（0.4，0.2］、（0.2，0］的通過率，1～5 級的難度由低到高進行等級劃分，最終形成知識點難度矩陣。師生可根據(jù)知識點難度矩陣進行有目標(biāo)、有側(cè)重點的教與學(xué)，從而保障教學(xué)的一致性和精確性，達到提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效率的目的。以第三章教學(xué)內(nèi)容為例，其知識點難度矩陣見表4。

Table 4 Teaching knowledge point difficulty matrix表4 教學(xué)知識點難度矩陣

2.3.2 分層次教學(xué)設(shè)計

數(shù)據(jù)庫應(yīng)用基礎(chǔ)課程每個教學(xué)周期的全校授課學(xué)生人數(shù)超過1 000，學(xué)生之間個體差異大，要讓大部分學(xué)生都能聽懂學(xué)會，同時還要避免一些學(xué)生“吃不飽”，這是一個亟待解決的問題。為此，進行以下教學(xué)設(shè)計：①分層次設(shè)計測試，滿足不同水平學(xué)生。課程組在進行教學(xué)考核設(shè)計時將基礎(chǔ)題比例設(shè)置為70%～80%，進階題為10%～25%，高階題為5%～10%，如此以來既能考察學(xué)生對基本教學(xué)內(nèi)容的掌握情況，又能通過較難的題目激勵其深入學(xué)習(xí)；②設(shè)計數(shù)據(jù)庫課內(nèi)知識競賽和自主設(shè)計數(shù)據(jù)庫兩個教學(xué)模塊，提高學(xué)生解決實際問題的能力。課程組對表現(xiàn)優(yōu)秀的同學(xué)進行獎勵，同時對進步顯著的同學(xué)頒發(fā)獎狀，激發(fā)其學(xué)習(xí)熱情；③鼓勵學(xué)生錄制教學(xué)微視頻，實現(xiàn)課堂翻轉(zhuǎn)。根據(jù)課程重難點矩陣，積極鼓勵學(xué)生錄制教學(xué)微視頻，選擇優(yōu)秀微視頻上傳至雨課堂供學(xué)生互相學(xué)習(xí)。讓學(xué)生當(dāng)老師實現(xiàn)課堂翻轉(zhuǎn)，形成生—生互助學(xué)習(xí)模式。

2.3.3 學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)警

混合式教學(xué)需要學(xué)生具備一定的自主學(xué)習(xí)能力［20］。學(xué)習(xí)預(yù)警是指對學(xué)生學(xué)習(xí)狀況進行評估，盡早發(fā)現(xiàn)有學(xué)業(yè)危機的學(xué)生，使學(xué)校和教師及時采取幫扶策略，幫助其回歸正常學(xué)習(xí)軌道，順利完成學(xué)業(yè)［21］。預(yù)警學(xué)生教學(xué)策略如圖8 所示。通過雨課堂后臺數(shù)據(jù)導(dǎo)出每堂課的預(yù)警學(xué)生，利用4 個維度的雷達圖刻畫學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)其薄弱之處；持續(xù)跟蹤觀察預(yù)警學(xué)生學(xué)習(xí)狀況，通過單獨答疑輔導(dǎo)、額外分配學(xué)習(xí)任務(wù)、“一對一”互助學(xué)習(xí)等多種方式使學(xué)習(xí)能力較差、主動性不高的學(xué)生得到更多關(guān)注。

Fig.8 Teaching strategies for warning students圖8 預(yù)警學(xué)生教學(xué)策略

3 教學(xué)反饋

對2021 級選課學(xué)生進行課程問卷調(diào)查，結(jié)果見表5。可以看出，大部分學(xué)生對分層次教學(xué)、教學(xué)重難點精確劃分、學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)警的實施給予了積極反饋。

Table 5 Questionnaire results表5 問卷調(diào)查結(jié)果 （%)

4 結(jié)語

數(shù)據(jù)庫應(yīng)用基礎(chǔ)課程組通過對SPOC、雨課堂產(chǎn)生的教學(xué)過程數(shù)據(jù)進行細粒度統(tǒng)計與分析，設(shè)計出教學(xué)重難點精確劃分、分層次教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)警等針對性措施，得到了學(xué)生們的一致好評。然而這只是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用基礎(chǔ)課程混合式教學(xué)過程數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用的初步探索，今后將進一步運用數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)可視化等技術(shù)搭建一個教學(xué)過程數(shù)據(jù)自動化分析系統(tǒng)，對學(xué)生、教師進行精準畫像分析，更加深入地挖掘教學(xué)過程數(shù)據(jù)所蘊藏的信息，例如發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀學(xué)生學(xué)習(xí)模式與學(xué)習(xí)效率的關(guān)系，分析課程測評與學(xué)生聽課質(zhì)量的相關(guān)性，探討期末考試成績分布成因等［22］。