基于“雨課堂”和“Jupyter Lab”的數(shù)字化教學模式探索

摘 要 隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的推進，高等教育的數(shù)字化改革也迎來關鍵機遇。數(shù)字化教學模式在傳統(tǒng)教學方式的基礎上引入現(xiàn)代化信息手段，對于提高教育質(zhì)量、激發(fā)學生學習積極性具有重要意義。文章以“Python項目開發(fā)”課程為例，在“雨課堂”和“Jupyter Lab”平臺上進行了教學模式的實踐探索。實踐過程中發(fā)現(xiàn)，數(shù)字化教學模式可更好地滿足學生個性化學習需求，提升教學效果，促進教學改革。本研究旨在總結(jié)數(shù)字化教學模式探索與實踐經(jīng)驗，為高等教育的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供可借鑒的經(jīng)驗和啟示。

關鍵詞 數(shù)字化；Python項目開發(fā)；教學設計

中圖分類號：G642 " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.36.018

Exploration of Digital Teaching Mode Based on \"Rain Classroom\" and \"Jupyter Lab\"

—— Taking the course \"Python Project Development\" as an example

SUN Jiu， BIAN Xuesheng， WANG Rugang

（School of Information Engineering， Yancheng Institute of Technology， Yancheng， Jiangsu 224051）

Abstract With the advancement of digital transformation， the digital reform of higher education has also ushered in key opportunities. The digital teaching mode introduces modern information methods on the basis of traditional teaching methods， which is of great significance for improving the quality of education and stimulating students' learning enthusiasm. The article takes the course of \"Python Project Development\" as an example and explores the practical teaching mode on the \"Rain Classroom\" and \"Jupyter Lab\" platforms. In the practical process， it has been found that the digital teaching mode can better meet the personalized learning needs of students， improve teaching effectiveness， and promote teaching reform. The purpose of this study is to summarize the exploration and practical experience of digital teaching models， and provide reference and inspiration for the digital transformation of higher education.

Keywords digitization; Python project development; instructional design

1" 研究背景

高等教育是國家發(fā)展水平和潛力的重要標志，在培養(yǎng)高端人才、推動科技創(chuàng)新、增強國家綜合實力等方面發(fā)揮著不可替代的重要作用，是支撐國家發(fā)展的重要基礎。高質(zhì)量的高等教育在推動國家現(xiàn)代化建設、滿足人民期待、促進教育公平等方面有重要意義[1]。然而，傳統(tǒng)教學模式在教學方式、內(nèi)容、資源、評價、角色定位等方面都面臨著來自信息技術發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)。隨著信息技術的快速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的普及，傳統(tǒng)的面對面教學模式已經(jīng)難以滿足學生個性化、跨地域性學習的需求[2]。因此，亟須通過現(xiàn)代技術手段和教育教學改革來適應新形勢。

為解決傳統(tǒng)教學模式的弊端，教育部在線教育辦公室、清華大學和學堂在線等機構(gòu)共同研發(fā)了一款名為“雨課堂”的智能授課軟件。該軟件能實時向?qū)W生手機推送課件、習題、視頻等學習資料，實現(xiàn)了課堂與網(wǎng)絡學習的融合[3]?！坝暾n堂”通過將現(xiàn)代信息技術與傳統(tǒng)課堂教學相結(jié)合，提高了課堂的互動性，豐富了教學資源形式，實現(xiàn)了過程評價，支持了移動學習，是一種創(chuàng)新的智慧教學工具。

盡管“雨課堂”能夠覆蓋大多數(shù)學科的教學場景，但無法完全滿足計算機專業(yè)的開發(fā)類課程的教學需求。由于計算機專業(yè)的開發(fā)類課程充斥各種代碼段的講解，僅依賴幻燈片和“雨課堂”的教學方式難以生動展示代碼的運行過程，也無法讓學生現(xiàn)場實踐。因此，學生對于這類課程的互動效果差，學習熱情不足，學習效果較差。

針對“雨課堂”存在的局限性，并綜合考慮開發(fā)類課程的特點，本研究將“Jupyter" Lab”引進課堂教學?！癑upyter" Lab”是一個開源的交互式開發(fā)環(huán)境，用于數(shù)據(jù)科學、編程和教育等多個領域。它是“Jupyter Notebook”的擴展和進化版本，提供了更加強大和靈活的界面，可部署到Windows、MacOS和Linux等系統(tǒng)，并通過瀏覽器進行訪問[4]。它集成了豐富的功能，如代碼筆記本、終端、文本編輯器、文件瀏覽器、豐富輸出等，并提供了可擴展的界面來自定義布局?！癑upyter" Lab”支持超過40種編程語言，包括Python、R、Julia、Scala等。通過引入“Jupyter" Lab”，可更好地滿足計算機專業(yè)大部分開發(fā)類課程的教學任務需求。

本文以“Python項目開發(fā)”課程為例，分析傳統(tǒng)教學模式存在的缺陷，總結(jié)“雨課堂”的優(yōu)越性，并結(jié)合本專業(yè)教學的特色，積極探索基于“雨課堂”和“Jupyter" Lab”的開發(fā)類課程教學方法。本研究引入三屆學生作為研究對象，并按照三種不同授課模式進行教學（包括傳統(tǒng)授課模式、雨課堂授課模式和聯(lián)合授課模式），對學生進行教學。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過“雨課堂”和“Jupyter" Lab”聯(lián)合授課模式教學的學生取得了更好的成績。

2" 現(xiàn)有教學模式存在的問題

當前，學校的教學模式仍以線下課堂教學為主，但實際教學中存在諸多局限性，主要表現(xiàn)在：①教學互動性差。傳統(tǒng)教學模式偏向于教師單向傳授知識，導致師生之間缺乏良好的互動，學生處于被動接受知識的狀態(tài)，難以主動探索和提出疑問。②教學形式單一。傳統(tǒng)教學過于依賴課堂講授和板書等方式，缺乏多媒體等現(xiàn)代教學手段的輔助，教學形式單一乏味，難以吸引學生注意力。③教學進度快。由于教師授課時難以把握學生接受程度，傳統(tǒng)課堂教學進度通常較快，學生難以完全消化吸收所學知識，影響學習效果。④忽略個性化需求。傳統(tǒng)的“一體化”教學模式很難滿足不同學生的個性化學習需求，缺乏因材施教的靈活性。⑤評價方式單一。傳統(tǒng)教學評價過于注重期末考試成績，忽視了對學生實踐能力、創(chuàng)新精神等綜合素質(zhì)的評價。⑥資源利用率低。傳統(tǒng)教學資源的來源主要局限于教師個人和有限的教材，豐富的網(wǎng)絡資源未得到充分利用。

目前，許多學校和學者已開始利用“雨課堂”探索數(shù)字化教學模式。引入“雨課堂”能對預習、授課、復習、測驗等各個教學環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，真正實現(xiàn)了課前、課中、課后師生之間的無縫交流[5]。盡管“雨課堂”能在一定程度上解決傳統(tǒng)教學模式存在的問題，然而在面對計算機專業(yè)開發(fā)類課程教學任務時稍顯力不從心，具體表現(xiàn)在：①不支持編程實踐環(huán)節(jié)。程序設計課程需要學生動手編寫代碼并運行調(diào)試，而“雨課堂”主要是一個課堂互動工具，難以很好地支持這一實踐環(huán)節(jié)，因此需與其他編程實踐平臺結(jié)合使用，但配置所需的開發(fā)環(huán)境流程煩瑣。②互動形式相對簡單。在“雨課堂”中，學生的互動主要通過手機端提問、投票等較為簡單的方式。對于程序設計這種需要教師針對代碼逐行講解、學生分享代碼的情況，互動形式可能顯得有些單一。③缺乏版本控制和協(xié)作功能。程序設計過程中需要代碼的版本控制和多人協(xié)作，而“雨課堂”缺乏這方面的功能支持。因此，在計算機專業(yè)開發(fā)類課程教學過程中，亟須一種能夠提供代碼編寫、即時運行、多人協(xié)作功能的教學工具，并且需要具備免安裝和跨平臺的特性，以確保師生在不同終端進行訪問。

3" 數(shù)字化教學模式的探索和實踐

3.1" 數(shù)字化教學模式的總體設計

“Python項目開發(fā)”課程旨在培養(yǎng)學生的實戰(zhàn)項目開發(fā)能力和跨領域解決方案開發(fā)能力。然而，該課程存在一系列問題，包括教材更新緩慢、課程知識點繁雜、開發(fā)環(huán)境配置煩瑣，以及課堂教學枯燥乏味，這些問題嚴重影響了課程的教學質(zhì)量。為了解決傳統(tǒng)教學模式和“雨課堂”教學存在的問題，并積極響應國家關于教育數(shù)字化的戰(zhàn)略方針，本研究在參考了大量教育教學相關文獻的基礎上，基于“雨課堂”和“Jupyter" Lab”，探索出了一套面向“Python項目開發(fā)”課程教學的數(shù)字化改進方案。

3.2" 數(shù)字化教學模式的具體實踐

基于“雨課堂”和“Jupyter" Lab”的數(shù)字化教學模式分為課前、課中和課后三個教學環(huán)節(jié)。該模式充分發(fā)揮了“雨課堂”和“Jupyter" Lab”的優(yōu)勢，能高效解決“Python項目開發(fā)”課程教學中的痛點問題。

3.2.1" 課前預習環(huán)節(jié)

課前預習作為學習新知識的第一步，在提高課堂學習效率、培養(yǎng)自主學習能力、激發(fā)學習興趣和培養(yǎng)良好學習品質(zhì)等方面都具有重要意義，是學習新知識不可或缺的環(huán)節(jié)。為了提升學生預習質(zhì)量，教師要根據(jù)課程內(nèi)容提前設置思考題，引導學生在預習過程中帶著問題去深入了解課程內(nèi)容。由于開發(fā)類課程依賴的開發(fā)環(huán)節(jié)較為復雜，為了保障授課順利進行，教師需提前部署開發(fā)環(huán)境，準備好示例代碼。學生須根據(jù)教師在“雨課堂”中推送的學習資料進行預習，在遇到疑問的內(nèi)容時及時標注，并在在線開發(fā)環(huán)境中提前熟悉使用方法。在課前，教師應利用“雨課堂”檢查學生的預習情況，根據(jù)學生標注的疑難點對特定教學內(nèi)容分配更多的教學時間。

3.2.2" 課中教學環(huán)節(jié)

在課堂上，教師根據(jù)教案既定內(nèi)容利用“雨課堂”進行授課。在授課過程中，教師需要時刻把握學生的聽課節(jié)奏，可利用“雨課堂”提供的隨機點名提問或課堂小測功能了解學生對當前知識點的掌握程度，并適時調(diào)整授課節(jié)奏。在講授代碼時，教師無須重新配置代碼運行環(huán)境，可直接借助“Jupyter" Lab”工具在線編寫、修改、運行代碼。學生使用“Jupyter" Lab”共享教師的代碼運行環(huán)境，通過終端設備在線訪問示例代碼，分析代碼運行過程。為了增強學生的動手能力及團隊協(xié)作能力，教師可配合“雨課堂”隨機點名，邀請學生通過手機現(xiàn)場編寫代碼，或互相修改代碼。教師可以實時觀察學生的編碼情況，并根據(jù)其做作答情況及時發(fā)現(xiàn)并糾正問題。

3.2.3" 課后反思環(huán)節(jié)

“雨課堂”記錄了學生在課堂上的所有交互內(nèi)容，學生可以在課后分析和總結(jié)自己的課堂表現(xiàn)。此外，學生可通過“雨課堂”提供的課件瀏覽功能快速定位課堂上沒有掌握的內(nèi)容，梳理教師講授的知識點，并完成課后作業(yè)。除了理論知識外，學生可以借助部署在云端的“Jupyter" Lab”平臺繼續(xù)課堂上未完成的項目編碼訓練，或根據(jù)自己的需要進行編碼訓練，以強化實踐能力。教師可以根據(jù)學生課后作業(yè)的完成情況掌握學生的學習進度，并將其作為課時分配和授課內(nèi)容調(diào)整的依據(jù)。在實踐能力培養(yǎng)方面，教師可以隨時檢查學生課后的編碼訓練過程。除此之外，教師可以隨時在“Jupyter" Lab”中增加示例代碼，拓展學生的學習資源，提升學生課后的學習質(zhì)量。

3.2.4" 課程考核方法

由于引入了基于“雨課堂”和“Jupyter" Lab”的數(shù)字化教學模式，學生的學習情況可以實現(xiàn)全流程記錄。因此，教師可以對學生進行過程性考核，綜合考慮學生在課前、課中和課后的學習效果，形成多元化的考核方案。以“Python項目開發(fā)”為例，學生最終的考核成績由三個部分組成，分別為平時成績（40%）、實驗成績（20%）和期末考核成績（40%）。平時成績由預習情況（5%）、出勤（10%）、課堂表現(xiàn)（5%）、課堂小測（10%）、和課后作業(yè)（10%）構(gòu)成，由“雨課堂”后臺數(shù)據(jù)提供支持。實驗成績由隨堂編碼實踐（5%）、團隊協(xié)作（5%）和實驗報告（10%）構(gòu)成，由“Jupyter" Lab”提供數(shù)據(jù)支持。最后，期末考核綜合考查學生對本門課程的掌握情況，由項目技術文檔（15%）和項目源代碼（25%）構(gòu)成。

4" 數(shù)字化教學模式的效果

為了評估基于“雨課堂”和“Jupyter" Lab”的數(shù)字化教學模式的實際授課效果，本研究分別對人工智能2020級1班、2021級1班、2022級1班和2班的三屆學生采用三種教學模式進行了實驗，分別為傳統(tǒng)教學模式、“雨課堂“教學模式和本研究提出的數(shù)字化教學模式。每屆班級合班上課，每屆人數(shù)30―60人。三種教學模式的教學效果以學生的期末卷面成績?yōu)樵u估依據(jù)。為確保實驗的公平性，三屆學生的期末考試試卷由系統(tǒng)隨機抽取產(chǎn)生，且不存在相同的試題。結(jié)果顯示，三屆學生的成績均分呈明顯上升趨勢，低分段學生數(shù)量明顯降低。

相比于傳統(tǒng)教學模式，“雨課堂”平臺能實現(xiàn)課內(nèi)外無縫連接，能豐富教學形式，顯著增強課堂互動性，為教師提供全周期的教學數(shù)據(jù)分析，幫助其改進教學方法。然而，其在面對計算機類開發(fā)類課程教學時，存在顯著的局限性。本文針對“雨課堂”在教學過程中存在的問題，積極探索出一種基于“雨課堂”和“Jupyter" Lab”的數(shù)字化教學模式。實驗表明，該教學模式能夠顯著調(diào)動學生的課堂熱情，提升學生學習效果。希望本研究能為同類型智慧課堂建設提供參考。

基金項目：江蘇省教改項目（2023JSJG399）；江蘇省高校“高質(zhì)量公共課教學改革研究”專項課題（2022JDKT110）；江蘇高校品牌專業(yè)建設工程資助項目。

參考文獻

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