实验大数据学习平台在计算机硬件实验教学中的应用研究

黄海龙，李庆玲

（济宁医学院医学信息工程学院，日照276826）

0 引言

大数据，尤其教育大数据，对掌握学生的学习过程、调整教学方法、优化评价方式等具有重要指导价值，也为掌握学生学习规律和学习动态提供了新的研究视角。计算机专业的硬件课程实验教学虽然经历了多年的教学改革，取得了一点成绩，但依然存在一些问题。伴随着计算机网络的发展和移动式通讯设备的普及，实验中的过程数据可以被收集、整理和存储，形成实验大数据，通过分析、挖掘实验数据，反哺实验教学，为实验教学的改革开辟了新的途径。

1 计算机硬件实验教学现状分析

目前，高校计算机专业在硬件实验教学中普通存在的问题主要表现在以下。

1.1 重理论，轻实验

“重理论，轻实验”一直以来是影响实验教学成绩的瓶颈问题，随经历多年改革，依然没有太大改观，实验课的所占课程比例偏低，无法满足实际教学需要，导致学生理论和实践脱节，影响了学生对理论知识的掌握和灵活运用，不利于学生创新能力的培养。

1.2 教师教学活动机械重复，教学工作量大

在计算机科学与技术专业的基础类硬件课程的实验中，尤其学生人数多、班级多时，同一实验内容要多次重复讲解，加大了教师工作量；而对学生，教学内容又不具备可回看性，教师的教学效率事倍功半。

1.3 实验内容相对滞后、实验设备无法按时匹配

尤其教师在实验教学要投入工作量去重复性的讲解实验，导致教师没有多余的时间投入新实验的研究和创设，导致实验项目陈旧。再者，即便教师开设一些新的实验项目，因实验设备价格昂贵或不能到位的原因，导致新开设实验也无法按时正常进行。

1.4 缺乏合理的多元化评价方式

当前学生实验成绩的评定多以实验报告和课堂表现这两个方面进行评价打分，对实验过程的参与度、实验的时间投入、学习热情度等无法进行评价。实验相关数据难以保存，缺少过程性评价，导致对学生的整体评价有失偏颇，更缺少对课程实验教学的多元化评价，不利于后续实验教学内容的及时调整与优化。

建立大数据平台，可以提供可靠的数据支持，优化教学设计和实验教学过程，利用平台数据进行多元化的教学评价，反馈实验教学，提高效果效率，优化教学效果，最终实现学生实践能力、创新能力的提高。

2 实验大数据学习平台的框架设计

实验大数据平台由四部分组成。分别为学习资源区（实验微课区、虚拟仿真实验区、课程辅助资源库区、资源下载区）、成果提交区、成果展示区、学习社区（交流区、测试区、答疑区）。

图1 实验大数据平台构成

3 基于实验大数据学习平台的应用

3.1 SPOC在实验教学中的优势

自从加州大学伯克利分校计算机科学教授阿曼多·福克斯在2013 年首次提出SPOC（Small Private Online Course）即小规模专有在线课程以来，在世界各地的大学课程教学中取得了良好的效果。作为MOOC 与传统课堂教学融合的产物，SPOC 为课堂教学注入了新的活力，为学生自主学习、协作学习构建了开放的学习环境，形成了以翻转课堂的新型教学模式，实践证明，另外，与传统实验教学相比较，结果如表1 所示。

表1 实验教学特征对比表

基于SPOC 的教学在实验支持、师生互动、课程评价、师生角色等方面有诸多课堂实验教学无法超越的优势。所以，在大数据实验平台的支持下，基于SPOC的教学模式在计算机硬件课程实验教学中进行应用，能为实验教学质量的提高、学生创新能力的提升开辟新的途径。

3.2 基于SPOC的实验教学活动设计

基于SPOC 的实验课程教学的活动设计是以翻转课堂教学方式为前提而进行，分为三个阶段，分别为课前、课中、课后。两个主体：学生和教师。基于SPOC的实验教学，是以学生为中心，教师是教学活动的组织者、帮助者的双主体的教学模式。因此，从教师的教学活动和学生的学习活动两个层面进行教学设计，设计如图2 所示。

图2 基于实验大数据平台的教-学活动设计模型

模型对课前、课中、课后教与学的活动进行设计。

（1）课前活动设计

课前，教师登录数据平台，上传实验资料，对平台已有实验资料进行修改、调整。教学准备完成后，教师利用课程微信号发布课程开课通知，及时推送实验时间、地点、内容，提醒学生登录平台进行学习。同时，密切关注学生的课前学习动态，及时答疑、定时参加讨论区的活动，对学生提交的课前小作业进行批改，进行及时答疑与反馈信息。

学生可直接登录SPOC 平台或通过手机App 端登录进行课前学习。需观看实验微视频、完成课前小作业并提交、设计实验流程等。可利用平台提供的实验相关课件、教学微课、网站链接资源、虚拟实验等进行辅助学习。在整个学习过程中，学生可随时在平台讨论区、学习微信群等方式对实验学习中遇到的问题进行讨论，也可以在平台中直接给教师留言。

（2）课中教学活动设计

教学实施开始后，教师的主要活动是密切关注学生的实验操作过程，及时给予现场的指导和问题解答，密切关注学生讨论区的焦点问题，当实验组数较多，无法及时一对一解答时，教师可利用平台的问题发布区、QQ 群等方式对共性问题进行统一解答。

学生在实施过程中，可以随时在平台中记录个人（小组）实验数据和实验过程，如实验数值、电路设计、产品演示等。在实验中遇到的问题，在讨论区进行实时在线讨论，也可以给教师进行留言，对实验中遇到的问题和困惑等进行记录。

（3）课后教学活动设计

课程实施实验结束后，教师的主要活动是收集并批阅实验结果、对学生进行实验成果的评价。包括对实验报告的批改、课后作业（设计）的批阅、对学生作品的评分、选择部分作品进行展示等。

实验课结束后，学生提交实验成果，包括实验报告、实验过程视频、实验结果视频、设计成功的电路图片、课后小作业等。查看教师作业成绩及修改建议，及问题答疑等。

3.3 实验教学应用案例

依托我院健康大数据中心平台进行实验大数据平台的架构，选取计算机专业的数字电子技术作为试点课程，开展基于实验大数据平台的应用研究。数字电子技术是计算机专业的专业基础课，是计算机组成原理、微计算机技术、单片机原理等课程的前续课程。同时也是一门对学生的动手能力、实践能力要求较高的课程。多年来，实验教学均采用先讲解，后动手实验的传统模式进行，其弊端也日益体现。主要表现在：①教师讲实验，压缩了学生的动手时间；②实验报告多以文本呈现，内容趋于雷同化；③过程性评实施难度大，实验成绩评定缺乏依据和准确性。因此，我们在2018 级计算机专业的学生中使用实验大数据平台进行了本次实验教学。

课程共设计包括门电路、组合电路设计、触发器、抢答器、智能病床呼叫电路等8 个动手操作项目和6个虚拟仿真项目（含2 个选做）。分属验证型、设计型和创新型三种类型。动手操作实验在实验室和平台进行，虚拟仿真实验在平台开展。

项目进行过程中，教师密切关注实验过程，及时指导、答疑，项目结束后及时对学生课内表现打分，并录入平台。实验项目结束后，学生需要在SPOC 平台中提交实验报告、视频、图片等材料。根据实验内容、实验分组，有选择性的要求提交。如综合性实验项目《智能病房呼叫电路的设计》，除提交实验报告等常规材料外，还要求学生提交电路的演示视频以及实际的电路图。

3.4 教学评价及应用效果分析

评价是激励学生学习，改进教师教学的有效手段。基于SPOC 的教学活动中，评价反馈贯彻于教学活动的每个阶段。以形成性评价作为主要评价手段，采用学习分析技术，根据教学实施过程中产生的各种实时数据如学生的学习次数、学习时间长度、观看视频的时间次数等随时进行评价。

实验教学的评价由课内评价和平台评价两部分组成，各占比50。课内评价：学生解决突发问题的能力、实验态度、实验操作的熟练程度、实验时间、实验方案的设计合理性等方面进行。平台评价：以学习过程数据为依据，包括在线学习时间、在线实验报告、实验视频、图片等结果为评价标准，采用不同权重进行打分。

课程结束后对学生进行了简单的问卷调查，围绕基于实验平台的在线实验学习的喜好、接受程度、评价方式、实践体会、自我效果评价等方面进行。从结果来看82%的学生对基于平台的实验方式表示认可。有更多的时间进行动手操作，问题能及时得到解决，实验氛围宽松有序。89%的学生表示利用平台进行实验成果的提交更方便。88%的学生对基于平台的评价方式表示认可，认为评价更客观、更公平。从总体实验成绩来看，绝大部分学生对实验内容掌握比较好，实验的动手积极性比往届有明显提高。

4 结语

实验教学是教学的重要组成部分，是学生的动手实践能力、创新能力的培养的重要基地。利用实验大数据平台在计算机实验教学中的应用，可以合理规划实验流程和时间，优化实验教学内容，合理调整教学流程，提高教学效果，增强学生的动手能力和创新能力。实验大数据平台服务于实验教学的全过程，为实验教学提供有利的数据支持。利用大数据平台进行硬件课程的实验教学改革，取得了不错的效果，为实验教学带来新的活力和生机。当然，教学过程中也发现了一些新问题，如线上学生自学效率不高、讨论参与度不高、课程激励机制不完善、实验报告内容趋同化等问题，这也是后续基于平台的实验教学中要解决的问题。