數(shù)據(jù)挖掘課程教學(xué)模式研究

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摘要：分析數(shù)據(jù)挖掘課程教學(xué)現(xiàn)狀，引入高校邦智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)，介紹其核心功能，通過比較傳統(tǒng)教學(xué)模式與基于高校邦智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)的教學(xué)模式，說明基于高校邦智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，以決策樹挖掘章節(jié)為例，探討建立在高校邦智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)上的數(shù)據(jù)挖掘課程新型教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：高校邦；智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)；智慧教室終端；數(shù)據(jù)挖掘；教學(xué)模式

0引言

在大數(shù)據(jù)和人工智能時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)高速發(fā)展，一些集成了多種設(shè)備、涵蓋了多種教學(xué)環(huán)節(jié)、擁有多種強(qiáng)大功能的教學(xué)平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生，如智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)[1-2]、智慧教室[3]等。這些新式的教學(xué)平臺(tái)在很大程度上能夠避免傳統(tǒng)教學(xué)模式的種種弊端，使教學(xué)過程更加靈活和高效。高校邦智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)是目前國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)的高等教育智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)，借助此平臺(tái)，可以大幅度節(jié)省教學(xué)管理和教學(xué)運(yùn)營(yíng)的時(shí)間，讓教師能更多地把時(shí)間和精力投入解決學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)的問題中[4]。

1數(shù)據(jù)挖掘教學(xué)現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)挖掘課程是一門理論性和操作性都比較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)專業(yè)課程，在大數(shù)據(jù)時(shí)代，學(xué)生學(xué)好這門課程對(duì)于他們適應(yīng)時(shí)代，掌握分析、處理和挖掘數(shù)據(jù)的能力有著重要意義。數(shù)據(jù)挖掘課程旨在讓學(xué)生掌握數(shù)據(jù)挖掘相關(guān)基本理論和方法，并能通過實(shí)踐將所學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目之中[5]。目前，由于各種原因，上課與實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)效果不佳，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。（1）學(xué)生到勤率不高。學(xué)生選課時(shí)大都對(duì)數(shù)據(jù)挖掘這門課程抱有濃厚的興趣，然而，由于學(xué)生面臨就業(yè)、考研、畢業(yè)設(shè)計(jì)等多重壓力，實(shí)際的上課和實(shí)驗(yàn)到勤率不高，這在很大程度上影響了本門課程的教學(xué)效果。（2）缺乏個(gè)性化指導(dǎo)。由于課程學(xué)時(shí)有限（22學(xué)時(shí)理論教學(xué)+10學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)），在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)，教師忙于傳授知識(shí)，很容易忽視學(xué)生的個(gè)體化差異。每名學(xué)生掌握得如何，哪些知識(shí)點(diǎn)是他們的薄弱環(huán)節(jié)，教師難以發(fā)現(xiàn)。（3）實(shí)踐難以跟蹤。在10個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生人數(shù)較多，教師難以跟蹤到每位學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度和實(shí)驗(yàn)質(zhì)量。

2高校邦智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)

高校邦智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)是一款集成了多種功能的新一代在線學(xué)習(xí)云平臺(tái)，包含如下5個(gè)核心功能。1）混合教學(xué)模式。高校邦智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)支持多種混合教學(xué)模式，包括SPOC、MOOC、翻轉(zhuǎn)課堂等，教師可以根據(jù)實(shí)際需要靈活選擇教學(xué)模式。學(xué)習(xí)較為主動(dòng)的學(xué)生可以在課前通過線上觀看課件和視頻提前預(yù)習(xí)，缺課的學(xué)生也能通過課后在線補(bǔ)看從而跟進(jìn)老師的教學(xué)進(jìn)度。平臺(tái)還提供了豐富的學(xué)習(xí)模式，如闖關(guān)學(xué)習(xí)、順序?qū)W習(xí)、開放學(xué)習(xí)和傳統(tǒng)學(xué)習(xí)等，學(xué)生可以根據(jù)自己的具體情況選擇相應(yīng)的學(xué)習(xí)模式自主學(xué)習(xí)。2）在線交互。傳統(tǒng)教學(xué)中，由于教學(xué)進(jìn)度限制和學(xué)生靦腆等原因，師生交互不足，而在高校邦智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)上，師生之間、學(xué)生之間可以隨時(shí)互動(dòng)，對(duì)學(xué)習(xí)中的問題進(jìn)行反饋和探討，使問題得到及時(shí)解決。3）實(shí)境編程。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，學(xué)生按照既定的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)，往往效果不佳。平臺(tái)提供了各類計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言的編程環(huán)境，在這樣的環(huán)境中，平臺(tái)的實(shí)境編程功能可以以錄制視頻的方式，將教師的實(shí)踐操作步驟錄制下來(lái)，學(xué)生可以根據(jù)自己的掌握情況回放視頻，查缺補(bǔ)漏。此外，學(xué)生還能對(duì)教師放置在平臺(tái)上的課程實(shí)驗(yàn)代碼進(jìn)行修改、重寫、重運(yùn)行。整個(gè)實(shí)境編程過程大大改善了學(xué)生的實(shí)踐體驗(yàn)，幫助學(xué)生真正提高動(dòng)手實(shí)踐能力。4）多終端同步。高校邦智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)提供多終端同步的功能，學(xué)生可以在手機(jī)或電腦上登錄平臺(tái)，完成各項(xiàng)學(xué)習(xí)活動(dòng)，包括學(xué)習(xí)視頻、下載課件、完成作業(yè)、師生交流或同伴交流等。學(xué)習(xí)不再受時(shí)間空間的限制，學(xué)生可以隨時(shí)隨地利用空閑時(shí)間或碎片化時(shí)間學(xué)習(xí)。5）教育數(shù)據(jù)分析。教師和學(xué)生在平臺(tái)上的各種教育數(shù)據(jù)都被平臺(tái)記錄下來(lái)，如學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)、作業(yè)分?jǐn)?shù)和討論發(fā)言等，并能將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以可視化的方式展示給教師，幫助教師了解每位學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

3傳統(tǒng)教學(xué)模式與基于高校邦智慧學(xué)習(xí)

平臺(tái)教學(xué)模式的比較針對(duì)數(shù)據(jù)挖掘課程，從學(xué)習(xí)時(shí)間、學(xué)習(xí)地點(diǎn)、理論學(xué)習(xí)模式、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健⒒?dòng)、教育數(shù)據(jù)分析、教學(xué)資料管理和個(gè)性化指導(dǎo)等多個(gè)維度對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式和基于高校邦智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)教學(xué)模式進(jìn)行比較。跟傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，基于高校邦智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)的教學(xué)模式從各個(gè)維度來(lái)看，都能夠大幅度節(jié)省教學(xué)管理和教學(xué)運(yùn)營(yíng)的時(shí)間，能夠讓教師更加關(guān)注學(xué)生個(gè)體和教學(xué)效果。

4基于高校邦智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)的教學(xué)設(shè)計(jì)

決策樹挖掘是數(shù)據(jù)挖掘分類任務(wù)中的一個(gè)重要方法，既包含算法理論，又具有良好的可操作性。以數(shù)據(jù)挖掘課程中的分類—決策樹挖掘章節(jié)為例，基于高校邦智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)的教學(xué)設(shè)計(jì)過程如下。1）課前準(zhǔn)備。課前，教師在平臺(tái)上決策樹章節(jié)的相關(guān)課件、資料或?qū)W習(xí)視頻，并布置預(yù)習(xí)任務(wù)。CLS(ConceptLearningSystem)算法是決策樹算法的一個(gè)基本算法，后期其它決策樹算法大多是在它的基礎(chǔ)之上的改進(jìn)，本章節(jié)教學(xué)的重難點(diǎn)ID3算法就是從CLS算法演變而來(lái)的。鑒于CLS算法過程簡(jiǎn)單、清晰、可自學(xué)性強(qiáng)的特點(diǎn)以及它與ID3算法的關(guān)聯(lián)關(guān)系，將CLS算法作為學(xué)生的預(yù)習(xí)任務(wù)。另外，為了促進(jìn)學(xué)生積極思考，提出兩個(gè)問題：CLS算法有什么缺點(diǎn)？在利用CLS算法構(gòu)建決策樹時(shí)，如果根節(jié)點(diǎn)和中間枝丫節(jié)點(diǎn)選擇的屬性不同時(shí)，會(huì)生成相同的決策樹嗎？這兩個(gè)問題意在激發(fā)學(xué)生的求知欲，在預(yù)習(xí)內(nèi)容和課堂教學(xué)內(nèi)容之間搭起橋梁。在這個(gè)課前環(huán)節(jié)，學(xué)生在平臺(tái)上自主學(xué)習(xí)，完成教師布置的任務(wù)，思考教師提出的問題，將預(yù)習(xí)過程中遇到的問題記錄下來(lái)。2）課堂教學(xué)。由于學(xué)生在課前已經(jīng)預(yù)習(xí)了決策樹的相關(guān)概念和CLS算法的過程，教師在課堂上可以側(cè)重于強(qiáng)調(diào)ID3算法和CLS算法的主要區(qū)別。教師通過提問、討論等互動(dòng)形式著重強(qiáng)調(diào)CLS算法最大的不足是沒有闡明分支屬性的選擇策略，分支屬性選擇的隨意性會(huì)導(dǎo)致生成差異巨大的多棵決策樹。而ID3算法恰好解決了這個(gè)問題，使用信息增益作為選擇分支屬性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過前期的預(yù)習(xí)和思考，課堂上帶著疑問的學(xué)習(xí)方式會(huì)讓學(xué)生更能牢固地掌握知識(shí)。之后，教師對(duì)學(xué)生預(yù)習(xí)過程中的問題有針對(duì)性地進(jìn)行講解，既能使發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的共性問題更加容易，又能使一些不常見的問題得到及時(shí)解決，防患于未然。3）課后鞏固。與傳統(tǒng)教學(xué)只能選擇課后作業(yè)這種單調(diào)的復(fù)習(xí)方式不同的是，智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)支持多種類型的復(fù)習(xí)形式，如線上作業(yè)、討論、知識(shí)拓展等，學(xué)生能自由地利用碎片化時(shí)間在平臺(tái)上完成作業(yè)、在線討論或者鉆研相關(guān)拓展的知識(shí)。教師可以在平臺(tái)上布置線上作業(yè)：使用ID3算法對(duì)一個(gè)全新的數(shù)據(jù)集生成決策樹，考查學(xué)生對(duì)算法的掌握程度；教師也可在平臺(tái)上討論話題：ID3算法有什么不足的地方？為下一次課的教學(xué)內(nèi)容——決策樹算法的過度擬合問題作鋪墊；教師還可以另一種決策樹算法C4.5算法的拓展資料，供學(xué)有余力的學(xué)生擴(kuò)展思維。在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師對(duì)教學(xué)過程最難以管理的地方就是課后鞏固環(huán)節(jié)，學(xué)生是否及時(shí)完成了作業(yè)，是否是抄襲等等這些問題都難以監(jiān)管。在平臺(tái)上，教師可以通過查看學(xué)生的在線作業(yè)、在線討論情況甚至學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)等教育數(shù)據(jù)充分了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。4）實(shí)驗(yàn)教學(xué)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)只能在實(shí)驗(yàn)室完成，學(xué)生按照固定的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書自主完成實(shí)驗(yàn)，教師從旁指導(dǎo)。由于每次上機(jī)學(xué)生人數(shù)眾多，教師不可能跟蹤每位學(xué)生的實(shí)踐情況。而在智慧平臺(tái)上的實(shí)境編程環(huán)境中，當(dāng)學(xué)生對(duì)實(shí)踐操作步驟不清楚時(shí)，可以觀看教師錄制的操作視頻，還可以對(duì)平臺(tái)上教師上傳的代碼進(jìn)行修改、重寫和重運(yùn)行。此外，傳統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行的上機(jī)內(nèi)容通常只能用規(guī)定的編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，而在智慧平臺(tái)上，多種語(yǔ)言集成的編程環(huán)境可以讓學(xué)生嘗試用不同的編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)同樣內(nèi)容的上機(jī)任務(wù)，例如，學(xué)生既可以選擇熟悉的Java語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)決策樹算法，也可以選擇大數(shù)據(jù)時(shí)代興起的Python語(yǔ)言。

5結(jié)語(yǔ)

大數(shù)據(jù)時(shí)代要求計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生具備良好的數(shù)據(jù)分析、挖掘能力，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘課程教學(xué)存在到勤率較低、缺乏個(gè)性化指導(dǎo)、復(fù)習(xí)鞏固環(huán)節(jié)不易監(jiān)管、實(shí)踐過程難以追蹤等問題，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳。基于高校邦智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)的教學(xué)過程，涵蓋課前準(zhǔn)備、課堂教學(xué)、課后鞏固和實(shí)驗(yàn)教學(xué)4個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)比傳統(tǒng)教學(xué)模式具有很大的優(yōu)勢(shì)，可以解決以上難題。下一步研究工作將聚焦于智慧教室環(huán)境下，數(shù)據(jù)挖掘課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)效果評(píng)估問題。融入當(dāng)代先進(jìn)人工智能技術(shù)的智慧教室，可通過智慧教室終端設(shè)備自動(dòng)采集教學(xué)大數(shù)據(jù)，并進(jìn)行智能分析、處理，為評(píng)估教學(xué)效果提供客觀依據(jù)，節(jié)省人力成本，克服人工評(píng)估教學(xué)不可避免地帶有人為主觀性和隨意性等不足。

作者：鄧娜 陳旭 劉永川 熊才權(quán) 葉志偉 單位：湖北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 中南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)信息與安全工程學(xué)院