OBE 理念下云計(jì)算與大數(shù)據(jù)線上線下混合翻轉(zhuǎn)創(chuàng)新課程教學(xué)研究

姚志凱，陶 鍇，尹海濤，徐豐羽，余 亮，蔣國平

0 引 言

當(dāng)今，人類已經(jīng)進(jìn)入信息化時代，云計(jì)算技術(shù)是硬件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展到一定階段而出現(xiàn)的一種新的技術(shù)模型，它不是對某一項(xiàng)獨(dú)立技術(shù)的稱呼，而是對實(shí)現(xiàn)云計(jì)算模式所需要的所有技術(shù)的總稱[1]。大數(shù)據(jù)是現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫管理工具和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理應(yīng)用很難處理的大型、復(fù)雜數(shù)據(jù)集，大數(shù)據(jù)技術(shù)包括采集、存儲、搜索、共享、傳輸、分析和可視化等[2]。海量的數(shù)據(jù)本身很難直接使用，只有通過數(shù)據(jù)處理技術(shù)將其變?yōu)檎嬲杏玫臄?shù)據(jù)，因此在云計(jì)算時代，需要通過計(jì)算將海量的數(shù)據(jù)處理為有用的知識。目前，云計(jì)算與大數(shù)據(jù)技術(shù)在金融行業(yè)、醫(yī)療保健、物聯(lián)網(wǎng)和教育等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

新工科教育背景下的云計(jì)算與大數(shù)據(jù)教學(xué)需要以學(xué)生的學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，旨在培養(yǎng)具備創(chuàng)新精神的實(shí)踐型人才，為新一輪信息產(chǎn)業(yè)革命和教育轉(zhuǎn)型提供創(chuàng)新方法，進(jìn)而完善具有中國特色的新工科教育體系[4-6]。目前，對于新工科背景下信息技術(shù)類專業(yè)的人才培養(yǎng)，傳統(tǒng)的授課模式難以滿足理論與實(shí)踐并重的教學(xué)要求，無法培養(yǎng)學(xué)生利用云技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用的能力。

成果導(dǎo)向教育（Outcome Based Education，OBE） 起源于美國，是一種以學(xué)生的學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向的教育理念，并依據(jù)學(xué)生預(yù)期達(dá)成的最終學(xué)習(xí)成果反向設(shè)計(jì)課程體系結(jié)構(gòu)[7-8]。雖然以O(shè)BE 理念為指導(dǎo)，通過研究探討課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)，反向設(shè)計(jì)課程群內(nèi)各課程的先修順序、教學(xué)內(nèi)容與關(guān)聯(lián)度、教學(xué)方法、考核模式等，可以有效地提升學(xué)生的專業(yè)能力和綜合素養(yǎng)。例如，賈智等人開展了OBE 理念下《軋制工程學(xué)》課程改革與實(shí)踐[9]；田秋麗等人進(jìn)行了面向OBE 理念的科技穿心能力培養(yǎng)體系探索和實(shí)踐[10]。然而，基于OBE 理念的單一的授課模式難以滿足面向高實(shí)用性的實(shí)踐教學(xué)要求。因此，采用多維教學(xué)手段和多樣教學(xué)資源開展云計(jì)算與大數(shù)據(jù)課程教學(xué)改革具有迫切的現(xiàn)實(shí)需求。

翻轉(zhuǎn)課堂（Flipped classroom），又名為顛倒教室，是一種起源于美國的新教學(xué)模式[11-14]。翻轉(zhuǎn)課堂通過課前自主學(xué)習(xí)、課中師生互動探討等環(huán)節(jié)深化知識的方法，在課前學(xué)習(xí)中學(xué)生需要發(fā)揮自主性構(gòu)建知識體系，并在課中探討中完善加強(qiáng)，因此，此種方法能夠加強(qiáng)學(xué)生對理論知識的實(shí)踐和應(yīng)用能力。云計(jì)算與大數(shù)據(jù)技術(shù)面向計(jì)算機(jī)軟硬件協(xié)同應(yīng)用，翻轉(zhuǎn)課堂能夠很好地適用于此種應(yīng)用導(dǎo)向的課程，此種教學(xué)方法已經(jīng)得到教育與科研工作者的廣泛應(yīng)用與好評。例如，馮菲、于青青[15]基于眾多案例總結(jié)了利用慕課開展翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的基本教學(xué)理念。柳春艷等[16]采用系統(tǒng)評價方法對比研究了翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)教學(xué)的教學(xué)效果。郭建鵬[17]提出一個通用的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，提高了翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的普適性。

雖然當(dāng)前OBE 理念以及翻轉(zhuǎn)課堂在諸多教學(xué)中的應(yīng)用案例較多，但教學(xué)過程與內(nèi)容結(jié)構(gòu)設(shè)置較為固化，學(xué)生在大多數(shù)時間內(nèi)依舊處于被動客體狀態(tài)，產(chǎn)生此種現(xiàn)狀的原因可總結(jié)如下：

（1） 教學(xué)過程重理論輕實(shí)踐。當(dāng)前OBE 理念下的教學(xué)方法雖然通過制定培養(yǎng)目標(biāo)反向設(shè)計(jì)教學(xué)過程，然而教學(xué)路線仍以拼湊式為主。教學(xué)過程難以擺脫傳統(tǒng)“填鴨式”課程教學(xué)，缺乏實(shí)踐認(rèn)知環(huán)節(jié)，教師負(fù)責(zé)講授課程內(nèi)容，學(xué)生被動接受，在一定程度上影響了授課質(zhì)量。

（2） 學(xué)習(xí)產(chǎn)出落實(shí)不到位。當(dāng)前OBE 理念下的教學(xué)方法中課程考核仍以傳統(tǒng)的考試為主，學(xué)生通過死記硬背準(zhǔn)備考試，而培養(yǎng)目標(biāo)又以考試成績?yōu)榱炕笜?biāo)，容易忽略學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)的考核，導(dǎo)致學(xué)生動手能力較低，難以滿足初期制定的培養(yǎng)目標(biāo)。

（3） 教學(xué)需求痛點(diǎn)不清晰。當(dāng)前翻轉(zhuǎn)課堂的主要形式是課前視頻資料+課中問題探討，此種方法雖然具備翻轉(zhuǎn)課堂的基本要素，但翻轉(zhuǎn)教學(xué)流程較為單一，線上與線下教學(xué)資源重復(fù)度較高，在課中環(huán)節(jié)教師大多也是對線上教學(xué)資料的重復(fù)，沒有做到交叉互補(bǔ)，無法解決學(xué)生對應(yīng)用實(shí)踐型知識的痛點(diǎn)需求。

（4） 教學(xué)資源單一。當(dāng)前翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)資源主要形式為教材附帶的視頻學(xué)習(xí)資料，此種學(xué)習(xí)資料雖能涵蓋基本知識點(diǎn)，但其面向的學(xué)生群體龐大，不能針對小型教學(xué)班學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和習(xí)慣進(jìn)行教學(xué)，這導(dǎo)致學(xué)生在課前自主學(xué)習(xí)時效率低下。

（5） 教學(xué)環(huán)境與條件缺乏。雖然翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)施對硬件設(shè)施要求不高，但云計(jì)算與大數(shù)據(jù)需要進(jìn)行編程訓(xùn)練，對教學(xué)系統(tǒng)與軟件環(huán)境有一定的要求。此外，課中倘若需要學(xué)生進(jìn)行匯報展示，相關(guān)的電子設(shè)備也十分重要。

上述問題為OBE 理念下的云計(jì)算與大數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)教學(xué)實(shí)施帶來了挑戰(zhàn)，針對云計(jì)算與大數(shù)據(jù)教學(xué)改革迫切需求，本文充分貫徹落實(shí)OBE 理念，并發(fā)揮南京郵電大學(xué)線上慕課資源與線下翻轉(zhuǎn)課堂專用教室設(shè)備優(yōu)勢，采用線上+線下混合方法，提出“三要素三模塊二重點(diǎn)”教學(xué)策略，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算與大數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)課堂高質(zhì)量教學(xué)。

1 OBE 理念下翻轉(zhuǎn)教學(xué)可行性分析

1.1 學(xué)生教學(xué)需求可行性

南京郵電大學(xué)自開設(shè)云計(jì)算與大數(shù)據(jù)課程以來一直采用傳統(tǒng)的講授式教學(xué)方法，雖然此種教學(xué)方法可以完成基本的教學(xué)任務(wù)和知識講授，并使得學(xué)生初步掌握云計(jì)算與大數(shù)據(jù)基本技術(shù)，但為了更好地滿足新工科背景下信息技術(shù)類實(shí)踐型創(chuàng)新人才培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，云計(jì)算與大數(shù)據(jù)教學(xué)組定期開展線上問卷調(diào)查，以實(shí)時了解學(xué)生對教學(xué)組授課方法的滿意度和對教學(xué)改革的期待度。近兩學(xué)年的問卷調(diào)查結(jié)果如圖1 和圖2 所示。

圖1 學(xué)生對傳統(tǒng)授課方法的滿意度調(diào)查結(jié)果

圖2 學(xué)生對教學(xué)方法轉(zhuǎn)變的意向調(diào)查結(jié)果

由調(diào)查問卷的結(jié)果可知，雖然超過53%的學(xué)生對傳統(tǒng)授課方法滿意，但超過64%的學(xué)生仍期待變更教學(xué)方式，希望教師嘗試新的教學(xué)方法，且持此種態(tài)度的人數(shù)處于上升趨勢。此種結(jié)果說明大部分學(xué)生希望推進(jìn)云計(jì)算與大數(shù)據(jù)課程教學(xué)改革，故而具有傳統(tǒng)授課方法課堂改革的教學(xué)需求的可行性。

1.2 線上教學(xué)資源可行性

云計(jì)算與大數(shù)據(jù)課程教學(xué)組于2021 年錄制制作了慕課教學(xué)資源。教學(xué)組整理的慕課資料與線下教學(xué)資料做到了交叉互補(bǔ)。此外，為了便于學(xué)生與老師的溝通交流，慕課資源開設(shè)了課堂交流論壇區(qū)，支持主題發(fā)帖、回復(fù)評論、關(guān)注、投票等操作，基于此種慕課資源，能保障翻轉(zhuǎn)課堂開展的資源可行性。

1.3 線下教學(xué)條件可行性

南京郵電大學(xué)擁有多媒體功能的翻轉(zhuǎn)課堂專用教室，最大可容納100 人同時進(jìn)行翻轉(zhuǎn)教學(xué)。該教室多媒體系統(tǒng)具有無線投影、無線網(wǎng)絡(luò)、觸控式電子大屏、激光教具等設(shè)備。軟件配套上，為實(shí)現(xiàn)面向數(shù)據(jù)的高性能計(jì)算功能，搭建了HPCC 軟件系統(tǒng)以及Storm 計(jì)算系統(tǒng)，并支持批處理與流處理兩種計(jì)算模式。此外，利用虛擬化技術(shù)，能進(jìn)行指令集架構(gòu)級、硬件抽象層、操作系統(tǒng)層、編程語言層以及庫函數(shù)層的虛擬化，滿足基本的云計(jì)算與大數(shù)據(jù)實(shí)踐需求，具備翻轉(zhuǎn)課堂開展的線下教學(xué)條件與環(huán)境可行性。

2 OBE 理念下的翻轉(zhuǎn)教學(xué)創(chuàng)新方案

方案整體分為三個階段[18]，即課前、課中和課后，采用“三要素”、“三模塊”和“二重點(diǎn)”的方法，利用線上慕課資源和線下教學(xué)資源混合方法實(shí)現(xiàn)。整體思路如圖3 所示。

圖3 整體教學(xué)思路

2.1 課前“三要素”學(xué)習(xí)

由于課前因?qū)W生對于知識點(diǎn)的熟悉度較低，為了提高學(xué)習(xí)效率，通過采用要素化的課前學(xué)習(xí)以更好的突出學(xué)習(xí)重點(diǎn)。將云計(jì)算與大數(shù)據(jù)課程知識點(diǎn)分為技術(shù)原理要素、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要素和計(jì)算方法要素。此部分內(nèi)容主要利用線上慕課資源完成，每種要素在學(xué)習(xí)中應(yīng)分配不同的時間，通常采用四分之一、四分之一、二分之一的分配方法，如圖4 所示。

技術(shù)原理要素學(xué)習(xí)主要指基于云計(jì)算與大數(shù)據(jù)計(jì)算與存儲任務(wù)的實(shí)現(xiàn)原理，此部分內(nèi)容在慕課資源中處于教學(xué)視頻的最開始部分，主要從理論原理、實(shí)現(xiàn)思路等方面進(jìn)行教學(xué)。例如，對于一致性哈希算法章節(jié)，首先介紹一致性哈希算法的基本原理，以及一致性哈希算法中計(jì)算和存儲位置的一致性作為基礎(chǔ)知識，為后續(xù)的Hadoop 分布式大數(shù)據(jù)系統(tǒng)夯實(shí)基礎(chǔ)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要素學(xué)習(xí)指針對數(shù)據(jù)存儲時所需采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。作為大數(shù)據(jù)存儲的主要實(shí)現(xiàn)工具，學(xué)生對關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的學(xué)習(xí)理解是此部分的重點(diǎn)。如果涉及到存儲過程，則需要了解MapReduce 編程框架。此部分學(xué)習(xí)能夠讓學(xué)生了解大數(shù)據(jù)存儲實(shí)現(xiàn)的具體工具，為掌握大數(shù)據(jù)技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

計(jì)算方法要素學(xué)習(xí)指利用系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的方式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算任務(wù)，此部分在慕課教學(xué)資源中的占比最高。在計(jì)算方法教學(xué)中，此部分主要包含數(shù)據(jù)的加載、切分和分發(fā)，并通過實(shí)例展示應(yīng)用方法。

2.2 課中“三模塊”探討

翻轉(zhuǎn)課堂中的課中學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)由師生共同參與，但主體依舊是學(xué)生，主要任務(wù)是探討與合作，教師承擔(dān)學(xué)生探索引導(dǎo)人角色。在此環(huán)節(jié)，主要包含答疑模塊、案例展示模塊、探索提高模塊。三個模塊應(yīng)當(dāng)遵從先后順序，課中學(xué)習(xí)開展流程如圖5 所示。

圖5 課中“三模塊”開展流程

答疑模塊的基本流程為學(xué)生提出在課前自主學(xué)習(xí)中遇到的問題，由教師或其他同學(xué)解答，問題可以是虛擬化技術(shù)原理、虛擬化技術(shù)優(yōu)勢等專業(yè)知識問題，也可以是編程思想、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)思路等宏觀問題。教師在解答過程中應(yīng)當(dāng)避免直接給出答案，應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生回顧慕課資源，幫助其深入思考并解決問題。

案例展示模塊以個人或小組為單位開展，成員以匯報形式完整介紹一個云計(jì)算與大數(shù)據(jù)系統(tǒng)技術(shù)原理、安裝步驟、編程過程和功能演示，其他小組成員可針對設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行提問，老師作為評委，從編程步驟、匯報素材、語言表達(dá)等方面給予評價，對于表現(xiàn)優(yōu)秀的小組可給予適當(dāng)?shù)莫剟?。部分匯報展示案例如表1 所示。

表1 小組匯報案例

探索提高模塊是對案例展示的拓展，此模塊主要出現(xiàn)在小組匯報后其他學(xué)生的提問與教師評價環(huán)節(jié)，是對云計(jì)算與大數(shù)據(jù)技術(shù)的功能拓展和深化。

2.3 課后“二重點(diǎn)”鞏固

課后“二重點(diǎn)”包括重點(diǎn)知識復(fù)習(xí)和重點(diǎn)測試練習(xí)。課后學(xué)習(xí)是鞏固知識、完善不足的重要環(huán)節(jié)，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的課后鞏固由師生共同完成。重點(diǎn)知識復(fù)習(xí)包括對虛擬化技術(shù)、大數(shù)據(jù)系統(tǒng)和高性能計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行全方位的梳理，可以通過學(xué)習(xí)內(nèi)容總結(jié)、學(xué)習(xí)報告等方式進(jìn)行書面總結(jié)，以獲得更好的復(fù)習(xí)效果。總結(jié)報告可作為課后作業(yè)的一部分，由老師參與批閱，作為最終考評成績的參考。

重點(diǎn)測試練習(xí)通過線上實(shí)現(xiàn)，學(xué)生依據(jù)教師的安排在慕課資源中完成相應(yīng)的課后測試，測試結(jié)果由學(xué)生互評、教師評閱兩種形式，最終成績?yōu)槎咴u分的加權(quán)綜合。題目類型為選擇題和設(shè)計(jì)題，分別考察基本概念和工程應(yīng)用能力，通過理論與應(yīng)用的結(jié)合，完成OBE 理念下翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的最后一環(huán)。

3 實(shí)施效果分析

3.1 周期測試結(jié)果

為驗(yàn)證所提出教學(xué)方法的有效性，在南京郵電大學(xué)2020 級智能科學(xué)與技術(shù)、人工智能、信息安全三個專業(yè)開展教學(xué)對比實(shí)驗(yàn)，對智能科學(xué)與技術(shù)、人工智能專業(yè)學(xué)生開展OBE 理念下的線上線下混合翻轉(zhuǎn)教學(xué)，同時對信息安全專業(yè)學(xué)生開展傳統(tǒng)講授式教學(xué)。在2022—2023 學(xué)年第二學(xué)期的每個月末進(jìn)行一次周期測試，三個專業(yè)的平均成績變化如圖6 所示。

圖6 成績變化

由圖6 可知，在教學(xué)對比初期（即第一次測試），三個專業(yè)學(xué)生的測試成績相差不大，這說明不同專業(yè)學(xué)生的原始學(xué)習(xí)能力相似。隨著OBE 理念下的翻轉(zhuǎn)課堂的進(jìn)行，從第二次測試開始，采用OBE 理念下的翻轉(zhuǎn)教學(xué)方法的兩個專業(yè)成績有著明顯的提高，相對而言，采用傳統(tǒng)教學(xué)方法的專業(yè)成績變化則較為平穩(wěn)，學(xué)期結(jié)束時平均成績差異已接近10 分，此種結(jié)果驗(yàn)證了OBE 理念下的線上線下混合翻轉(zhuǎn)課堂方法有較好的教學(xué)效果。

3.2 學(xué)習(xí)體會調(diào)查

為了獲得學(xué)生對OBE 理念下的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法的感想與體會，通過開座談會的方式調(diào)查了參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，學(xué)生主要感想與體會總結(jié)如表2 所示。

表2 學(xué)習(xí)感想與體會總結(jié)

從表2 可知，學(xué)生最主要的兩個體會是激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣和提高了知識應(yīng)用能力，這說明此種教學(xué)方法調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，有助于云計(jì)算與大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用技能的培養(yǎng)。

4 結(jié)束語

云計(jì)算與大數(shù)據(jù)是一門面向工程應(yīng)用的課程，為了滿足新工科背景下信息技術(shù)專業(yè)應(yīng)用實(shí)踐型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)需要，提出基于“三要素、三模塊、二重點(diǎn)”的線上線下混合翻轉(zhuǎn)創(chuàng)新教學(xué)方法。此教學(xué)方法充分發(fā)揮線上慕課教學(xué)資源與線下翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)備特點(diǎn)，具有的優(yōu)勢為：

（1） OBE 理念為達(dá)到學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)、提高學(xué)生的實(shí)踐能力提供了理論保障，滿足了學(xué)生改變教學(xué)方法的期待。

（2） 慕課資源基于學(xué)生學(xué)情制作，具有更好的針對性，在課前學(xué)習(xí)中能提高學(xué)習(xí)的自主性。同時，設(shè)計(jì)了多樣的學(xué)習(xí)資料，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣度。

（3） 課中階段充分利用線上和線上資源，以小組匯報形式將學(xué)習(xí)的主體變成學(xué)生，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，在競爭的環(huán)境中提高了學(xué)習(xí)效率。

（4） 課后結(jié)合慕課資源進(jìn)行復(fù)習(xí)與測試，設(shè)置學(xué)生互評環(huán)節(jié)，讓每個學(xué)生都成為學(xué)習(xí)的監(jiān)督者，從而加深了重點(diǎn)知識的理解。

通過線上與線下的混合，OBE 理念下的翻轉(zhuǎn)課堂極大地增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)參與感，提高了學(xué)習(xí)的主動性和效率，周期測試結(jié)果驗(yàn)證了此種方法對教學(xué)的促進(jìn)作用。此外，學(xué)生在OBE 理念下的翻轉(zhuǎn)課堂學(xué)習(xí)中普遍反映提高了自身的知識應(yīng)用能力，這符合新工科教育背景下對信息技術(shù)人才的培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)。