基于SPOC的计算机实验教学云平台设计与实践

蔡建华，胡文心，张凌立

基于SPOC的计算机实验教学云平台设计与实践

蔡建华，胡文心，张凌立

（华东师范大学 数据科学与工程学院，上海 200062）

SPOC教学模式使实体课堂与在线教育相融合，具有规模小、有准入性限制等特点，相对传统教学模式在提高教学效果上有较大的发展空间。基于SPOC教学模式，阐述了针对高校非计算机专业学生的计算机实验教学云平台功能设计，及其在教学实践中的应用路线。教学实践表明，通过将传统课堂教学与线上学习有机结合，发挥了学生个性化学习和主动学习的作用，教学效果大大提高。

SPOC模式；实验教学；云平台

1 SPOC模式的教育优势

培养学生信息技术素养是高校培养目标之一。但高校针对非计算机专业学生开设的计算机基础类通识必修课，其教学效果在实际教学中易受多种因素制约。主要体现在，学生入校前的知识基础参差不齐，再加上教学内容更新速度快，致使部分学生跟不上进度。此外，教学方式单一，师生交互单向化，理论加实验的传统教学方法不能很好地调动学生自主学习的积极性。

近年来，随着网络和云计算技术的发展，大规模开放在线课程（MOOC）平台兴起，优质教育资源得以大范围共享，并使个性化学习成为可能[1]。而针对校内大学生开设的小规模限制性在线课程（SPOC），则使课堂教学与在线教学相融合，突破了MOOC的不足，具有规模小和准入限制等特点，教学评价体系也更加灵活完善[2]。教师在课前把视频资料和学习要求发布到在线平台用于学生自主学习，然后在实体课堂教学中进行讲解并回答学生问题，课后学生完成作业后可开展线上讨论、协作交流等[3-4]。教师还可根据学生需求调整课程进度和评分系统，激发学生主动学习的热情。

基于SPOC模式的教学理念，依托云计算技术，结合本校非计算机专业学生对计算机相关实验课程的实际需求，设计了面向计算机通识课程的智能教学云平台，在大学计算机、多媒体技术及应用、数据处理、算法及程序设计等课程中进行SPOC教学实践，取得了很好的效果。

2 智能实验教学云平台的设计

2.1 云计算应用于教育的优势

云计算是通过虚拟化技术整合物理资源，提出基础设施即服务、平台即服务、软件即服务等概念，是一种新兴的共享基础架构的方法，它面对的是大规模的分布式环境，通过优化调度算法来实现资源的自动部署和按需分配，核心是提供数据存储和服务[5]。

教育云平台是以云计算体系结构为依托建立起来的具备基础教育功能的智能化教育信息管理平台[6]。它以资源整合为中心，融合了教学和管理等功能，实现了教育资源的动态分配，实现了教师的协同工作和学生的自主学习，提高了教育资源利用率，推动了教学模式的进步。

2.2 智能教学平台的功能设计与结构

根据学生入校时计算机水平测试成绩，采取更有针对性的提高班、普通班或先修班分班教学，而后进行多媒体技术、数据分析处理和算法程序设计等进阶课程的学习。教研组依据教学大纲，以课程为单位，对每门课的知识点进行了重新梳理和细化，根据其所属的类别和深度划分为4个层级，由易而难、循序渐进地组织教学。

根据学生水平和非专业计算机课程教学要求，以SPOC教学模式为出发点，把课堂教学和线上学习充分融合，以为学生提供灵活高效的学习途径为目标，设计实现了智能教学云平台[7]。作为综合性资源平台，为满足资源合理安全发放、管理和收回的要求，并结合实际教学需求，云平台主要分为3大模块：系统管理模块、教学组织模块和互动共享模块，如图1所示。

2.3 各功能模块在教学中的作用

（1）系统管理模块设定管理员、教务人员或赋予相应权限的用户才能访问。由于教学是以课程和班级为单位组织的，预先要把所有课程信息、班级和学生信息导入系统。这些信息一般是从学校教务管理系统获取，学生可用自己的学号密码登录，进入自己的课程和班级学习，浏览与课程配套的学习资源。通过权限管理可以设置用户的访问权限。

图1 智能教学云平台功能模块

（2）教学组织模块的主要功能是协调学习进度与资源。以知识点为基本学习单元，教师为课件系统准备相关的课件和案例素材，为需要实际操作的知识点提供解析视频等，作为演示系统资源。同步讲解系统提供的视频与课堂讲授同步，供学生课后进行线上复习。教师在课前把每节课的作业素材和要求发到作业系统上，并设定截止日期，学生完成作业后把相关文件或报告上传至系统，教师批阅后可在评分功能区评分。围绕知识点构建分级题库，以供测试反馈系统和作业系统选用。测试反馈系统包括班级和课程的考试管理、试题和试卷管理、成绩反馈管理等，支持由指定知识点智能组卷、由旧卷组卷、由试题组卷等功能。考试结束后自动生成成绩反馈报表，用以进行教学效果分析。

（3）互动共享模块是相对独立的。其中的作品展示功能为学生提供了将自己课内或课外作品进行分享展示的平台；而问答功能为学生提供了提问入口，学生也可通过回答提问获得积分。这些功能既可促进师生相互交流，又可激发学生自主学习的热情，也契合于SPOC教学模式的初衷。电子书包的作用是方便教师和学生暂存或分享各类资源，可以设置可见范围，依照访问权限存取文件。

所有资源都部署在学校的教学云服务器上，统一认证，统一资源分配，统一设备设施管理。学生可随时随地访问和使用班级及课程资源、完成实验等。

3 实验教学云平台的应用实践

计算机系列课程是理论与实践相结合的课程，很多知识点都需要通过大量实际操练才能领会、掌握，而实验课的教学质量将直接影响学生对知识的深入理解和付诸应用。基于SPOC教学理念改进了实验教学流程，如图2所示。课堂上以学生实验操作为主，教师讲解示范为辅，及时进行面对面的师生互动和有针对性的疑难解答；而通过云平台线上学习使学生预先自学教师提供的教学资源，并通过扩展知识学习和小组讨论等，充分发挥学生个性化学习和主动学习的作用[8]。

图2 基于云平台的混合学习教学模式

3.1 课前准备

教师根据实验教学目标设计实验任务，在平台发布教学安排和任务安排。预先准备相关知识点的课件、视频、学习素材等资源，供学生提前预习使用[9]。如有需要，可从题库中抽选基础性习题作为学生课前练习或测试，以检视学生对理论知识的掌握程度，做好实验准备。学生在学习中遇到问题时，可通过平台讨论区向教师提问，教师可及时在线解答。学生之间也可通过相互交流或小组讨论加深对知识的理解。教师可将学生所提问题进行汇总、整理、分类，分析学生对知识点的理解程度，还可根据实际情况适当调整课堂实验安排。

3.2 课堂实践

课堂上采用互动教学方式，以使学生灵活运用知识点、强化操作能力为目标。教师可针对课前练习或线上答疑中的问题进行讲评，重点是对易错点、重点、难点进行讲解。对于预先设计好的、按不同难度分层的各项实验任务，直接给出实验要求，或者根据课程特点设计任务驱动场景，让学生通过自主探究或小组协作探究方式完成知识点和技能点的学习和内化[10]。在学生实际操作过程中，教师应及时查看学生实验完成情况，并提供答疑解难等学习支持，为学生提供个性化指导。对于提前完成实验的学生，可追加拓展性任务，鼓励他们探索难度等级更高或延伸领域的知识点，进一步激发学习热情。教师可在教学的适当阶段引入随堂测试，了解学生对该阶段教学内容的理解程度和应用能力，并进行总结点评，同时对知识进行归纳梳理，还可根据情况对教学进度进行调整。

3.3 课后总结反馈

课后学生整理实验数据、撰写实验报告，并将完成的实验结果或报告在规定时间内上传提交云平台。教师可及时批阅实验作业，并将结果及时反馈学生。通过对班级情况的总结和分析，梳理出学生在知识点和技能点上存在的问题，利用问答系统的论坛交流栏与学生进行探讨、纠错，强化对实验内容的掌握，完成实验教学主动权从教师到学生的转移。

学生可通过平台继续进行讨论交流，还可向教师提出未解疑问。学生也可将自己的多媒体作品、小程序或数据分析案例等上传到作品展示区，相互交流学习。由于这些东西并不限于课堂内容，由此带来的哪怕是小小的成就感，都可以转化为巨大的学习动力，体现了“学”优先于“教”的理念[11]。

3.4 测试与评价

平台的题库和测试反馈系统用于进行考试管理和教学评价。题库内容根据课程知识点的难度进行分级，教师可按难度和知识点组合设定生成试卷，方便教师快速进行标准化测试及规范化评价。平台还支持进行成绩分析，例如用可视化图表展示班级中各个成绩段的分布情况、进行不同知识点的错误率统计等，还可通过查询薄弱点，调整设计教学方案。

为了满足学生自测需求，平台设置了简单的自测题库。学生可自主选择知识点范围和试卷难度等级，测试自己对知识的掌握程度。通过明晰已经掌握了哪些知识、哪些还没有掌握，再进一步做针对性的训练，有利于学生根据自身情况调节学习行为[12]。

4 实验教学云平台的应用效果与反思

根据基于云平台的教学实践及教学过程中学生学习行为表现和学习成绩，可以认为，基于云平台的SPOC模式提高了学生学习的主动性和持续性，教师对教学过程的把控能力和教学设计能力也得到了提高。

（1）教学和教学资源的时空延展提高了有效学习时间。引入课前线上自主学习，显著提高了课堂实验操作的效率。由于学习任务按知识点分层设置，明确易懂，使教学主题按师生互动方式展开；学生实验的当堂完成度和截止日期前的作业提交率都明显提升；由于平台资源可以反复观看使用，促进了课后的线上交流讨论。

（2）实验内容按难度分层有利于学生的个性化发展。计算机类课程的实验内容难度差别很大，而面对的非计算机专业类学生的兴趣不同、编程能力不同、对计算机能力的需求也不同。因此教师课前可在平台上发布难度层次不同的实验，或通过测试反馈及平台上学生的实验选择、课堂实验实施情况等进行个别辅导，使基础较好的学生得到知识拓展机会，基础较弱的学生得到能力提升的机会。对于课堂上不大主动提问的较内向的学生，平台给他们提供了与教师单独交流的途径，促进了他们的主动学习。

（3）形成了有效的师生互动和及时反馈评价机制。在每个教学环节中，教师和学生的角色分工明确，相互独立又交叉互动。在教师引导下，学生能够主动思考问题或主动向其他学生或教师请教。线上和线下形成互补，教师能够及时回答学生的提问，进行案例演示，还可随时将优秀的实验方法或实验过程上传平台，形成了有效的即时反馈机制。

（4）学生自主学习能力对教学效果的影响值得关注。SPOC模式要求学生具备一定的自主学习能力，强调保证学习时间和学习强度，强调参与在线讨论。由于学生的自主学习能力参差不齐，极易造成学习成绩的两极分化。有的学生由于忽视线上学习，使教师的引导无法奏效，直接影响了课堂实验质量。这是今后需要重点关注的问题。

5 结语

SPOC教学模式将传统课堂教学转变为融合线上线下的混合式教学。这种教学模式使线上线下相互补充、相互促进，将以知识传授为主的教转变为以能力培养为主的学。教学云平台是教学在时空上的延展，能够使师生之间及学生之间的交流常态化。该教学模式在教学过程中兼顾了学生的个体差异，有利于全面培养学生的动手操作能力、分析与解决问题能力、自主与协作学习能力，提高了学生学习的积极性和主动性，提高了基础实验课程的整体教学效果。

[1] 崔贯勋.基于云计算技术的MOOC实践教学平台[J].实验室研究与探索，2015, 34(8): 119–123, 157.

[2] 康叶钦.在线教育的“后MOOC时代”：SPOC解析[J].清华大学教育研究，2014, 35(1): 85–93.

[3] 方胜宇，董丽元.基于SPOC的信息工程基础实验课教学模式探索[J].实验室科学，2017, 20(5): 156–160.

[4] 张冬慧，朱小明.基于SPOC和多媒体网络教室的计算机软件类课程实验教学[J].实验技术与管理，2017, 34(8): 195–198, 205.

[5] 钱琼芬，李春林，张小庆，等.云数据中心虚拟资源管理研究综述[J].计算机应用研究，2012, 29(7): 2411–2415, 2421.

[6] 谢阳，史有群，陶然，等.基于虚拟化技术的教学云平台构建与管理[J].计算机与现代化，2013(8): 218–221.

[7] 杨华. 基于云计算的科研教学应用平台研发[D].长沙：湖南大学，2013.

[8] VLADLENA B, STEPHANIE M. Student experience and ubi­q­u­itous learning in higher education: Impact of wireless and cloud applications[J]. Creative Education, 2013, 4(8): 1–5.

[9] 马涛，董建民，李俊峰，等.基于“云平台”的混合式教学模式研究与探索[J].高教学刊，2018(9): 109–111.

[10] 任苗苗，马燕，李明勇.基于SPOC的混合学习教学模式设计与实践：以“数据结构”课程教学为例[J].软件，2017, 38(4): 12–17.

[11] 胡鸿志，管芳，郭庆.基于翻转课堂与慕课的高校教学模式研究与实践[J].实验技术与管理，2016, 33(12): 189–192.

[12] 关成立，杨岳.基于SPOC的翻转实验教学模式探索及实践[J].现代计算机（专业版），2017(21): 44–47, 73.

Design and practice of computer experimental teaching cloud platform based on SPOC

CAI Jianhua, HU Wenxin, ZHANG Lingli

(School of Data Science & Engineering, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

SPOC teaching mode integrates entity classroom with online education, which has the characteristics of small scale and limited access. Compared with traditional teaching mode, the SPOC teaching mode has greater space for development in improving teaching effect. Based on the SPOC teaching mode, this paper expounds upon the function design of the cloud platform for computer experiment teaching for non-computer majors in colleges and universities and its application in teaching practice.

SPOC mode; experimental teaching; cloud platform

G642.0

A

1002-4956(2019)12-0197-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.046

2019-04-04

国家高技术研究发展计划（2013AA01A211）

蔡建华（1973—），女，上海，硕士，工程师，研究方向为智能信息系统、数据挖掘。E-mail: jhcai@cc.ecnu.edu.cn

胡文心（1975—），女，上海，博士，高级工程师，研究方向为高性能计算系统与大数据智能。E-mail: wxhu@cc.ecnu.edu.cn