基于云計算的翻轉課堂在編程類課程中的應用

［摘 要］ 面向非理工專業(yè)學生開設編程選修課程可使其適應大數(shù)據(jù)時代的職場及學術要求，但面臨缺乏可及性、穩(wěn)定性強的編程操練環(huán)境，理論課程難度較大而課時不足，以及個體化指導和過程性評價不足等困難。在“R語言與數(shù)據(jù)可視化入門”課程中，通過搭建云計算平臺，借助swirl自主學習包實現(xiàn)理論課程翻轉教學，借助MOOC/自媒體/自制視頻資源實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與可視化實踐課程翻轉教學，結合側重于過程性評價的多元考核方式，達到較好的教學效果。本教學設計對其他非理工專業(yè)學生的編程選修課程具有一定示范推廣價值。

［關鍵詞］ R語言；數(shù)據(jù)可視化；云計算；翻轉課堂；swirl包

［基金項目］ 2020年度天津中醫(yī)藥大學教學改革研究項目“‘互聯(lián)網(wǎng)+’背景下新型教學模式及其評價體系的研究與實踐”（2020JY064）；2022年度中央本級重大增減支項目“名貴中藥資源可持續(xù)利用能力建設”（2060302）

［作者簡介］ 田曉軒（1982—），男，天津人，博士，天津中醫(yī)藥大學中醫(yī)藥研究院研究員，主要從事中藥資源鑒定研究；王少峽（1978—），男，河北邯鄲人，博士，天津中醫(yī)藥大學醫(yī)學技術學院研究員，主要從事神經(jīng)藥理學相關研究；王虹（1974—），女，山東龍口人，博士，天津中醫(yī)藥大學醫(yī)學技術學院副院長，研究員（通信作者），主要從事醫(yī)學技術相關研究。

［中圖分類號］ G434 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）15-0029-04 ［收稿日期］ 2023-04-23

一、面向非理工專業(yè)開設編程選修課程的價值

當下人類已進入數(shù)據(jù)化生存時代。在生物醫(yī)學領域，高通量測序等組學手段的應用已使醫(yī)學研究從科學假說驅(qū)動逐漸轉向大數(shù)據(jù)驅(qū)動。通過開設編程類選修課程，培養(yǎng)學生基本數(shù)據(jù)分析與挖掘能力，已成為生物醫(yī)學專業(yè)學生通識教育的一部分。但限于學生較為薄弱的知識背景，編程類課程要在有限的選修課時中達成教學效果，必須明確合理的教學目標與合適的教學工具［1］。

數(shù)據(jù)分析的過程大致分為五個階段，包括收集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、展示數(shù)據(jù)和報告撰寫。R語言擅長統(tǒng)計建模和解決數(shù)據(jù)分析相關的問題，是一種為數(shù)據(jù)而生的程序設計語言［2］，具有免費、擴展性強、更新快、交互性強且繪圖能力強大等特點，可基于簡潔可讀的代碼完成設計，且學習門檻較低，被認為是數(shù)據(jù)分析實踐、統(tǒng)計作圖的理想工具［3］。筆者認為，以掌握基本數(shù)據(jù)處理和可視化分析等實用技能為教學目標，通過開設“R語言及數(shù)據(jù)可視化入門”課程，用36課時介紹R語言和可視化基礎知識，并著力于對學生數(shù)據(jù)分析與繪圖等具體實踐能力的培養(yǎng)，可增強學生利用計算機進行臨床試驗和科研的能力，符合其知識背景和職業(yè)規(guī)劃實際，也可使其適應大數(shù)據(jù)時代的職場及學術要求。

二、非理工專業(yè)編程課程的常見困難

一般來說，面向非理工專業(yè)學生的編程課程，需在較短課時內(nèi)實現(xiàn)編程語言基礎知識的講授和具體實踐能力的培養(yǎng)。而現(xiàn)有編程課程往往存在以下困難。

（一）缺乏可及性、穩(wěn)定性強的編程操練環(huán)境

筆者認為，編程語言課程的理論與實踐不可分割，缺乏交互的教學難以激發(fā)學生的學習興趣和潛能。特別對于計算機基礎較弱的學生，更應將動手實踐貫穿課程始終，在編程中理解編程。需借助好的教學平臺，強化自主學習并及時給予正反饋，使其跟上課程節(jié)奏并掌握解決問題的能力。

常規(guī)教學中，多在機房中采用集中教學的方式完成編程實踐。然而，在疫情防控期間，相較于普通教室，在相對封閉的公共機房授課具有更高的疫情傳播風險。且對于線下授課，無論授課地點，均可能受疫情影響而存在不確定性，隨時需因疫情情況變化而轉移至線上，學習方式由集中式學習轉變?yōu)榉植际綄W習［4］。除此以外，基于機房的學習也難以利用學生的碎片化時間，造成個體學習時間不足。

在缺乏實驗場所支撐的情況下，教師常在線示范，或借助遠程協(xié)助工具等幫助學生在個人計算機或在線編程網(wǎng)站上完成編程學習［5］。然而，考慮到課程內(nèi)容必須依賴若干R語言程序包完成，一般在線編程網(wǎng)站難以實現(xiàn)。而利用個人計算機，則常需花費其大量時間搭建軟件、工具包等編程環(huán)境［6］；且不同學生的計算機往往問題各異，師生疲于解決系統(tǒng)兼容性等問題，難以專注于課程內(nèi)容本身，無法保證課程進度。

（二）理論課程難度較大而課時不足

生物醫(yī)學類等非理工專業(yè)學生，常只具備Office操作等基本計算機技能，缺少編程經(jīng)驗。用14個學時使其掌握第一門編程語言的理論知識，難度較大。此前，已有諸多教育者利用MOOC等大規(guī)模在線開放課程［7］以及本校特色的線上教學資源，以翻轉課堂的形式，有效拓展教與學的時間和空間，克服授課時間不足的困難，提高教學實效。

然而，這類翻轉課堂也面臨流于形式化、知識碎片化等問題。因多數(shù)教師無法查看學生的MOOC學習進度，部分學生自制力或理解力不足而導致自學效果較差，如在面授時間主要開展小組討論等活動，則其難以參與而影響學習效率。為保證全體學生進度，理論課程仍主要依賴面授完成。

（三）個體化指導和過程性評價不足

在筆者教學過程中，觀察到學生的接受能力、學習意愿存在較大差異。例如，在可視化繪圖模塊中，僅靠一次講解常有部分學生不能充分理解，在隨后的實踐操作環(huán)節(jié)出現(xiàn)代碼“卡殼”情況，因計算機教學的特點，其無法跳過“卡殼”部分繼續(xù)下一步的學習。教師無暇在授課時間完成逐一輔導，陷入或影響全班教學進度或放棄后進學生的兩難境地。此外，實踐環(huán)節(jié)學生生成的代碼難以在第一時間匯集反饋，導致教師對學生的過程性評價不足，課程進度調(diào)整滯后。

三、基于云計算平臺的多元翻轉課堂教學

（一）云計算平臺搭建

為把“以學生為中心”的理念融入課堂教學，筆者在服務器上搭建Rstudio server平臺，并對學生開放。在課程準備階段，教師統(tǒng)一為學生分配賬號、設置權限、部署軟件環(huán)境并拷貝必需數(shù)據(jù)，以上工作通過幾行代碼完成，省時高效。學生可通過網(wǎng)頁隨時使用計算平臺，且只需專注于授課內(nèi)容本身，節(jié)省大量編程環(huán)境故障排除時間。利用Git技術，可實現(xiàn)代碼共享、作業(yè)自動提交教師審閱，從而達到“云機房”的授課效果。

（二）翻轉課堂課程設置

筆者基于以上云計算平臺，充分利用MOOC/自媒體/自制視頻資源，借助雨課堂在線教育與考核功能，實現(xiàn)多元翻轉課堂課程設置。“R語言與數(shù)據(jù)可視化入門”課程設計見圖1。

1.借助swirl教學包實現(xiàn)R語言理論課程翻轉教學。實踐中，本課程常作為學生的第一門編程課程，其基礎理論部分較為抽象，邏輯性較強，學習難度較大。筆者在Rstudio server計算平臺中，部署約翰斯·霍普金斯大學開發(fā)的交互式R語言自學包swirl，并將其作為課前學習內(nèi)容提前布置?！皩W習編程的唯一方式就是編程”，區(qū)別于常見教學視頻式的內(nèi)容，swirl包通過人機交互的方式，引導學生在動手回答問題的同時實現(xiàn)遞進式學習（見圖2）。對于理解力或計算機背景較弱的學生，也允許其反復試錯并可即時給予語言激勵，提高其興趣。自主學習進度也有即時記錄。學生在課前完成指定學習內(nèi)容后，可積累足夠的感性認識并熟悉專有英文名詞。

在隨后的課堂面授中，教師專注于概念理論的串講，為學生搭建整體知識框架，并適當采取小組的方式對概念難點、自學過程中的疑問進行討論分析，激發(fā)學生思維。

在課后，學生可在Rstudio server中完成指定課后作業(yè)（事先已統(tǒng)一部署發(fā)放至個人賬戶），形成代碼及輸出結果，借助Git環(huán)境或雨課堂形式提交。

2.借助MOOC/自媒體/自制視頻資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與可視化實踐課程翻轉教學。本課程力圖用22個學時使學生具備數(shù)據(jù)分析與可視化的實際能力。相對于理論教學，此部分內(nèi)容較為直觀，但交互操作、代碼細節(jié)較多，僅靠課堂上的演示，學生常難全部掌握。除MOOC等“金課”與自錄制視頻資源外，受商業(yè)因素驅(qū)動，公眾號、嗶哩嗶哩等平臺擁有大量優(yōu)質(zhì)的R語言繪圖視頻資源，經(jīng)教師甄別后均可作為課前學習內(nèi)容。教師將配套軟件包、代碼及數(shù)據(jù)預先部署于Rstudio server中每個學生的個人目錄下，學生可反復收看視頻后，復現(xiàn)視頻中的數(shù)據(jù)分析與繪圖，并完成相應習題?；赗studio server的實踐不限時間異步進行，但需在每個教學周內(nèi)完成。此外，通過公眾號訂閱，學生還可以在課程結束后持續(xù)學習相關知識。

在課堂面授中，教師主要完成核心代碼的串講，以及高級圖形的拓展演示。頻繁利用小組形式，使學生通過討論解決習題中的編程報錯；鼓勵其不斷修改代碼，并將結果在全班展示。讓學生在實現(xiàn)個性化數(shù)據(jù)分析的過程中，達到對知識的進一步理解。

（三）多元考核方法的應用

借助Rstudio server云計算平臺，有利于將教學結果評價向過程性評價轉變。課程成績考核與評估方式為：綜合成績=平時成績×50%+期末成績×50%。

平時成績分為：課前，swirl包學習進度和視頻實踐案例完成情況；課中，即時反饋情況、小組表現(xiàn)、借助“雨課堂”的隨機點名、限時章節(jié)測試和程序設計提問等；課后，日常作業(yè)情況。

期末成績?yōu)槔米栽O題庫，通過雨課堂平臺限時完成。設置的題型包括單項選擇題、多項選擇題、觀點判斷題和程序設計。

其中程序設計內(nèi)容，教師給定數(shù)據(jù)集和待解決問題并提前部署于計算平臺，要求學生提供R markdown導出的html文件，包含代碼與分析結果的完整報告，以此判斷學生分析代碼的真實性和合理性。

四、學習效果分析

2022年秋季學期課程結束后，對參與學習的28名學生進行了匿名問卷調(diào)查，回收有效問卷22份，回收率78.6%。調(diào)查結果顯示，27.3%的學生對課程的整體感受非常滿意，59.1%的學生對課程滿意，13.6%的學生認為課程感受一般，無不滿意情況。詳細分析問卷反饋情況，感受“一般”的學生自覺學習效果較差，課外配套學習較少。100%的學生表示對編程語言有了初步的認識。90.9%的學生自述可利用R語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，達成課程教學目的。86%的學生認為翻轉課堂式學習體驗較好。但需注意以下兩點：一是仍有4.5%的學生反映自學時容易偷懶，教師需在面授中加大預習督促力度。二是在回答“編程實踐中，成就感與挫敗感哪個更大些？”這一問題時，有18.2%的學生表示挫敗感更強。為增強學生興趣，促使其在課程結束后主動利用課程知識解決實際問題，未來應加大激勵力度。

總體而言，本課程通過搭建云計算平臺，為學生提供了易操作、可及性強的編程自主練習環(huán)境。繼而調(diào)整課堂內(nèi)外時間，將學習的決定權從教師轉移給學生。在這種教學模式下，在課堂內(nèi)的寶貴時間，學生能夠更主動地專注于項目的學習，共同研究并解決問題，從而獲得更深層次的理解，學生的學習更加靈活、主動，參與度更強。

參考文獻

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［3］沈新娣，侯麗英.醫(yī)學類專業(yè)概率論與數(shù)理統(tǒng)計教學實踐：R軟件與案例結合教學［J］.教育教學論壇，2020（22）：284-285.

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［5］張志偉，汪劉送，崔琳等.新冠肺炎疫情背景下大數(shù)據(jù)課程線上教學探究：以《Spark編程基礎》為例［J］.宿州學院學報，2022，37（6）：80-84.

［6］顧洪亮，余光明.探究R語言在高師院校課程中的教學實踐研究：以地理科學專業(yè)《計量地理學》為例［J］.現(xiàn)代交際，2020（19）：70-72.

［7］夏磊.疫情防控背景下計算機應用基礎課程教學改革的探索［J］.中國新通信，2021，23（21）：177-178.