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        大數(shù)據(jù)與人工智能背景下的信息技術(shù)基礎(chǔ)教育探究

        2022-04-09 03:24:20李瑞昌朱紅磊
        科技視界 2022年8期
        關(guān)鍵詞:代碼數(shù)據(jù)挖掘考核

        李瑞昌 朱紅磊 廖 璠

        (河南中醫(yī)藥大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院,河南 鄭州 450046)

        1 國家的政策指導(dǎo)

        信息技術(shù)基礎(chǔ)教育主要是面對(duì)非計(jì)算機(jī)專業(yè)開展的一門計(jì)算機(jī)相關(guān)的基礎(chǔ)課程,其目的是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維素養(yǎng)和基本的操作技能,便于其在后期的專業(yè)學(xué)習(xí)當(dāng)中具有利用相關(guān)的信息技術(shù)解決實(shí)際問題的能力。在2008年提出大數(shù)據(jù)概念以來,教育界并沒有多少行動(dòng)。2013年3月,教育部撤銷258個(gè)專業(yè)[1],眾多的高校感覺到了壓力。2015年8月,國務(wù)院曾印發(fā)《關(guān)于印發(fā)促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展行動(dòng)綱要的通知》(國發(fā)〔2015〕50號(hào)),明確鼓勵(lì)高校設(shè)立數(shù)據(jù)科學(xué)和數(shù)據(jù)工程相關(guān)專業(yè)[2]。2017年12月工業(yè)和信息化部發(fā)布了《促進(jìn)新一代人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2018—2020年)》(工信部科[2017]315號(hào))[3]。教育部2018年3月的文件顯示,2017年全國總計(jì)有200多個(gè)高校255個(gè)大數(shù)據(jù)相關(guān)專業(yè)獲批[4]。在國家政策的指導(dǎo)下,國內(nèi)高等院校普遍認(rèn)識(shí)到大數(shù)據(jù)和人工智能的重要性,紛紛對(duì)相應(yīng)的教學(xué)策略進(jìn)行了探討[5]。

        2 教學(xué)思路探究

        對(duì)于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來說,他們接觸到的與大數(shù)據(jù)和人工智能先關(guān)的信息主要集中在應(yīng)用領(lǐng)域。例如,對(duì)于管理類或醫(yī)學(xué)類等非理工類學(xué)生,接觸到的是統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)分析,如采用SAPSS分析等。他們對(duì)大數(shù)據(jù)和人工智能的認(rèn)識(shí)僅僅停留在字面或概念上,缺少如計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)學(xué)生那樣的系統(tǒng)訓(xùn)練和對(duì)數(shù)據(jù)的本能思考。對(duì)此,對(duì)于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生需要加強(qiáng)計(jì)算思維[6]和數(shù)據(jù)素養(yǎng)[7]的培養(yǎng)。計(jì)算思維的本質(zhì)是對(duì)問題的抽象歸納和自動(dòng)處理[8]。數(shù)據(jù)素養(yǎng)的核心是數(shù)據(jù)意識(shí)、獲取數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和利用數(shù)據(jù)的能力[9]。從計(jì)算思維和數(shù)據(jù)素養(yǎng)的本質(zhì)可以看出,在大數(shù)據(jù)和人工智能的背景下,信息技術(shù)基礎(chǔ)教育需要利用合適的手段和素材,通過邏輯訓(xùn)練來加強(qiáng)學(xué)生的計(jì)算思維,并且需要結(jié)合程序?qū)?shù)據(jù)的處理操作訓(xùn)練來提升學(xué)生的數(shù)據(jù)素養(yǎng)。

        3 信息技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)設(shè)計(jì)

        基礎(chǔ)信息技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和數(shù)據(jù)素養(yǎng),掌握基本的信息分析流程,使得學(xué)生能夠結(jié)合本專業(yè)的需求,采用合適的數(shù)據(jù)分析工具解決日常學(xué)習(xí)和未來工作中碰到的問題。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),就要制定合適的教學(xué)模式和教學(xué)方法,同時(shí)還要有合適的考核方式對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

        3.1 Python基礎(chǔ)知識(shí)與數(shù)據(jù)分析結(jié)合

        大數(shù)據(jù)背景下的信息技術(shù)基礎(chǔ)教育注重認(rèn)識(shí)信息、獲取信息、分析信息和科學(xué)地利用信息,核心是掌握駕馭信息化的技術(shù)。

        當(dāng)前,信息化技術(shù)是一個(gè)宏觀的概念,所以信息化基礎(chǔ)教育需要讓學(xué)生明白什么是信息化、為什么要推廣信息化,以及怎么利用信息化。面對(duì)這個(gè)具體的需求,教學(xué)方案采用的是編程基礎(chǔ)知識(shí)與具體的數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的方式,期望基于這種理論加實(shí)操的教學(xué)方式來實(shí)現(xiàn)信息化基礎(chǔ)教育目的。具體內(nèi)容構(gòu)成如表1所示。期望通過采用Python基礎(chǔ)知識(shí)與數(shù)據(jù)分析結(jié)合的方式,讓學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)挖掘的作用有個(gè)直觀的認(rèn)識(shí),提高數(shù)據(jù)分析的素養(yǎng)。

        表1 課程內(nèi)容

        3.2 “導(dǎo)+練+仿”的教學(xué)方法

        要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,就必須掌握基本的分析工具和分析技能。最終目的是讓學(xué)生能夠自己設(shè)計(jì)分析邏輯,并用可用的代碼實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析功能??紤]到教學(xué)的可操作性,在教師指導(dǎo)、學(xué)生練習(xí)的基礎(chǔ)上追加一個(gè)“仿”環(huán)節(jié)。具體來說,就是利用練習(xí)中的數(shù)據(jù),提出一個(gè)類似的分析問題,要求學(xué)生在練習(xí)的基礎(chǔ)上,通過知識(shí)遷移和代碼的移植,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析的代碼。綜上,教學(xué)方法就是教師指導(dǎo)、教師引導(dǎo)學(xué)生練習(xí)和學(xué)生模仿相結(jié)合的“導(dǎo)+練+仿”。結(jié)合課程特點(diǎn),從理論角度來說,采用的是LBL、CBL和PBL相結(jié)合的教學(xué)模式[10],全部采用機(jī)房上課的方式開展教學(xué)。

        在教師指導(dǎo)環(huán)節(jié),采用高等教育出版社的Python語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(第2版)作為參考教材,以在線網(wǎng)絡(luò)資料Python入門作為學(xué)生自學(xué)輔助資源;在教師引導(dǎo)練習(xí)部分,主要采用CBL??紤]到不同專業(yè)學(xué)生數(shù)學(xué)素養(yǎng)參差不齊,利用具體的數(shù)據(jù)分析例子,從背景分析、提出問題、問題抽象、數(shù)學(xué)分析、算法邏輯設(shè)計(jì)和編碼實(shí)現(xiàn)等方面,手把手地帶領(lǐng)學(xué)生完整地走一遍。期望通過引導(dǎo)練習(xí),使學(xué)生能夠?qū)?shù)據(jù)挖掘和分析有一個(gè)具體的、客觀的認(rèn)識(shí)。

        學(xué)生模仿屬于數(shù)據(jù)分析拓展部分,采用與引導(dǎo)練習(xí)使用相同的數(shù)據(jù)集,引導(dǎo)學(xué)生參照前期練習(xí)的數(shù)據(jù)挖掘處理流程對(duì)問題進(jìn)行歸納,進(jìn)行算法邏輯設(shè)計(jì),最終實(shí)現(xiàn)滿足問題需求的代碼。在實(shí)際編碼環(huán)節(jié)保持自主編程和參照編程輔助的模式,特別是涉及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析部分的核心代碼,保證學(xué)生能夠?qū)υ写a進(jìn)行簡單修改并應(yīng)用在拓展部分。

        4 教學(xué)效果分析

        從課程結(jié)構(gòu)來看,教學(xué)計(jì)劃安排主要分為Python基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)挖掘?qū)嶋H操作兩個(gè)大的模塊,主要的目的是既要掌握一定的編程基礎(chǔ),又要掌握對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的基本方法。在教學(xué)探索階段,在8個(gè)班316人中進(jìn)行試驗(yàn)教學(xué)。在教學(xué)效果考核方面,根據(jù)學(xué)生的作業(yè)完成情況,對(duì)編程基礎(chǔ)掌握程度、引導(dǎo)操作和拓展操作的效果進(jìn)行考核。為了獲取學(xué)生對(duì)課程的真實(shí)看法,在問卷星上設(shè)置了匿名問卷,以獲取學(xué)生反饋。

        在基本知識(shí)考核方面,主要通過學(xué)生對(duì)基本語法、邏輯分支、函數(shù)編寫和第三方庫導(dǎo)入及使用的運(yùn)用程度進(jìn)行度量。每節(jié)課課后布置作業(yè),下次課開始前提交作業(yè),通過作業(yè)完成效果實(shí)現(xiàn)基本知識(shí)考核。為了避免學(xué)生積極性受挫,在布置作業(yè)的時(shí)候,同時(shí)把本節(jié)課的代碼分發(fā)給學(xué)生,學(xué)生可以依據(jù)實(shí)例代碼進(jìn)行修改來實(shí)現(xiàn)。在課程內(nèi)容的設(shè)置上保持著連貫性,每次課的內(nèi)容都是基于上次課和學(xué)生作業(yè)向前延伸,這樣每次課也是對(duì)上次課的分析和總結(jié)。通過最終的考核發(fā)現(xiàn),在基礎(chǔ)部分結(jié)束后,學(xué)生基本上可以寫出簡單的循環(huán)分支、封裝函數(shù)和掌握導(dǎo)入第三方庫的操作??己私Y(jié)果如表2所示,從表2可以看出,學(xué)生基本上掌握了Python基礎(chǔ)知識(shí)。

        表2 基礎(chǔ)考核情況

        引導(dǎo)操作部分主要是學(xué)生在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)際操作,本部分主要考核學(xué)生針對(duì)具體問題的邏輯分析進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換的掌握程度。在實(shí)際操作環(huán)節(jié),把各個(gè)操作進(jìn)行模塊化處理,方便學(xué)生實(shí)現(xiàn)抽象邏輯結(jié)構(gòu)與具體代碼對(duì)應(yīng)。對(duì)本部分的考核主要利用課下注釋代碼的方式來實(shí)現(xiàn)。每次課結(jié)束后,讓學(xué)生給本節(jié)課的代碼添加注釋,并在下次課開始前提交注釋結(jié)果文件。在實(shí)際操作最后的整體代碼注釋測(cè)試中,75%以上的學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)把代碼塊切割成函數(shù)塊,80%以上的學(xué)生知道每行代碼的具體功能,如表3所示。

        表3 引導(dǎo)操作考核情況

        拓展操作考核部分主要查看學(xué)生在理解引導(dǎo)練習(xí)代碼的基礎(chǔ)上,利用同一數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和分析拓展操作的效果。拓展操作對(duì)數(shù)據(jù)挖掘和分析分為:數(shù)據(jù)分析、分析結(jié)果存儲(chǔ)和分析結(jié)果可視化三個(gè)部分,這三個(gè)部分之間是逐步遞進(jìn)的關(guān)系。從表4可以看出,大部分學(xué)生能夠完成基本數(shù)據(jù)分析部分,但是隨著難度越來越大,完成率越來越低。

        表4 拓展操作考核情況

        5 結(jié)語

        隨著大數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用的興起,信息化技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。Python語言學(xué)習(xí)和應(yīng)用的門檻比較低,眾多的第三方庫為它賦予了更加豐富的功能,促使它成為信息技術(shù)教育合適的載體。通過對(duì)教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行分析表明,采用Python基本知識(shí)與數(shù)據(jù)挖掘分析操作相結(jié)合的方式,結(jié)合教師指導(dǎo)教學(xué)、教師引導(dǎo)練習(xí)和學(xué)生模仿拓展操作的“導(dǎo)+練+仿”的教學(xué)模式進(jìn)行信息技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)是可行的。如果能夠根據(jù)學(xué)生專業(yè)的不同,選取專業(yè)性強(qiáng)的數(shù)據(jù)挖掘素材和案例,就可以激發(fā)學(xué)生從本專業(yè)的應(yīng)用需求出發(fā),產(chǎn)生創(chuàng)造性思維和提升數(shù)據(jù)分析素養(yǎng)。在后續(xù)的教學(xué)過程中,需要根據(jù)學(xué)生反饋的信息對(duì)課程的內(nèi)容和教學(xué)模式進(jìn)行調(diào)整,以更加有效地提高教學(xué)效果,實(shí)現(xiàn)信息化教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)。

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