姚志凱，陶 鍇，尹海濤，徐豐羽，余 亮，蔣國平

0 引 言

當今，人類已經(jīng)進入信息化時代，云計算技術是硬件技術和網(wǎng)絡技術發(fā)展到一定階段而出現(xiàn)的一種新的技術模型，它不是對某一項獨立技術的稱呼，而是對實現(xiàn)云計算模式所需要的所有技術的總稱[1]。大數(shù)據(jù)是現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫管理工具和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理應用很難處理的大型、復雜數(shù)據(jù)集，大數(shù)據(jù)技術包括采集、存儲、搜索、共享、傳輸、分析和可視化等[2]。海量的數(shù)據(jù)本身很難直接使用，只有通過數(shù)據(jù)處理技術將其變?yōu)檎嬲杏玫臄?shù)據(jù)，因此在云計算時代，需要通過計算將海量的數(shù)據(jù)處理為有用的知識。目前，云計算與大數(shù)據(jù)技術在金融行業(yè)、醫(yī)療保健、物聯(lián)網(wǎng)和教育等領域得到了廣泛的應用[3]。

新工科教育背景下的云計算與大數(shù)據(jù)教學需要以學生的學習成果為導向，旨在培養(yǎng)具備創(chuàng)新精神的實踐型人才，為新一輪信息產(chǎn)業(yè)革命和教育轉(zhuǎn)型提供創(chuàng)新方法，進而完善具有中國特色的新工科教育體系[4-6]。目前，對于新工科背景下信息技術類專業(yè)的人才培養(yǎng)，傳統(tǒng)的授課模式難以滿足理論與實踐并重的教學要求，無法培養(yǎng)學生利用云技術與大數(shù)據(jù)技術進行實踐應用的能力。

成果導向教育（Outcome Based Education，OBE） 起源于美國，是一種以學生的學習成果為導向的教育理念，并依據(jù)學生預期達成的最終學習成果反向設計課程體系結(jié)構(gòu)[7-8]。雖然以OBE 理念為指導，通過研究探討課程的學習目標，反向設計課程群內(nèi)各課程的先修順序、教學內(nèi)容與關聯(lián)度、教學方法、考核模式等，可以有效地提升學生的專業(yè)能力和綜合素養(yǎng)。例如，賈智等人開展了OBE 理念下《軋制工程學》課程改革與實踐[9]；田秋麗等人進行了面向OBE 理念的科技穿心能力培養(yǎng)體系探索和實踐[10]。然而，基于OBE 理念的單一的授課模式難以滿足面向高實用性的實踐教學要求。因此，采用多維教學手段和多樣教學資源開展云計算與大數(shù)據(jù)課程教學改革具有迫切的現(xiàn)實需求。

翻轉(zhuǎn)課堂（Flipped classroom），又名為顛倒教室，是一種起源于美國的新教學模式[11-14]。翻轉(zhuǎn)課堂通過課前自主學習、課中師生互動探討等環(huán)節(jié)深化知識的方法，在課前學習中學生需要發(fā)揮自主性構(gòu)建知識體系，并在課中探討中完善加強，因此，此種方法能夠加強學生對理論知識的實踐和應用能力。云計算與大數(shù)據(jù)技術面向計算機軟硬件協(xié)同應用，翻轉(zhuǎn)課堂能夠很好地適用于此種應用導向的課程，此種教學方法已經(jīng)得到教育與科研工作者的廣泛應用與好評。例如，馮菲、于青青[15]基于眾多案例總結(jié)了利用慕課開展翻轉(zhuǎn)課堂教學的基本教學理念。柳春艷等[16]采用系統(tǒng)評價方法對比研究了翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)教學的教學效果。郭建鵬[17]提出一個通用的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式，提高了翻轉(zhuǎn)課堂教學的普適性。

雖然當前OBE 理念以及翻轉(zhuǎn)課堂在諸多教學中的應用案例較多，但教學過程與內(nèi)容結(jié)構(gòu)設置較為固化，學生在大多數(shù)時間內(nèi)依舊處于被動客體狀態(tài)，產(chǎn)生此種現(xiàn)狀的原因可總結(jié)如下：

（1） 教學過程重理論輕實踐。當前OBE 理念下的教學方法雖然通過制定培養(yǎng)目標反向設計教學過程，然而教學路線仍以拼湊式為主。教學過程難以擺脫傳統(tǒng)“填鴨式”課程教學，缺乏實踐認知環(huán)節(jié)，教師負責講授課程內(nèi)容，學生被動接受，在一定程度上影響了授課質(zhì)量。

（2） 學習產(chǎn)出落實不到位。當前OBE 理念下的教學方法中課程考核仍以傳統(tǒng)的考試為主，學生通過死記硬背準備考試，而培養(yǎng)目標又以考試成績?yōu)榱炕笜?，容易忽略學生實踐環(huán)節(jié)的考核，導致學生動手能力較低，難以滿足初期制定的培養(yǎng)目標。

（3） 教學需求痛點不清晰。當前翻轉(zhuǎn)課堂的主要形式是課前視頻資料+課中問題探討，此種方法雖然具備翻轉(zhuǎn)課堂的基本要素，但翻轉(zhuǎn)教學流程較為單一，線上與線下教學資源重復度較高，在課中環(huán)節(jié)教師大多也是對線上教學資料的重復，沒有做到交叉互補，無法解決學生對應用實踐型知識的痛點需求。

（4） 教學資源單一。當前翻轉(zhuǎn)課堂教學資源主要形式為教材附帶的視頻學習資料，此種學習資料雖能涵蓋基本知識點，但其面向的學生群體龐大，不能針對小型教學班學生的學習能力和習慣進行教學，這導致學生在課前自主學習時效率低下。

（5） 教學環(huán)境與條件缺乏。雖然翻轉(zhuǎn)課堂的實施對硬件設施要求不高，但云計算與大數(shù)據(jù)需要進行編程訓練，對教學系統(tǒng)與軟件環(huán)境有一定的要求。此外，課中倘若需要學生進行匯報展示，相關的電子設備也十分重要。

上述問題為OBE 理念下的云計算與大數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)教學實施帶來了挑戰(zhàn)，針對云計算與大數(shù)據(jù)教學改革迫切需求，本文充分貫徹落實OBE 理念，并發(fā)揮南京郵電大學線上慕課資源與線下翻轉(zhuǎn)課堂專用教室設備優(yōu)勢，采用線上+線下混合方法，提出“三要素三模塊二重點”教學策略，實現(xiàn)云計算與大數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)課堂高質(zhì)量教學。

1 OBE 理念下翻轉(zhuǎn)教學可行性分析

1.1 學生教學需求可行性

南京郵電大學自開設云計算與大數(shù)據(jù)課程以來一直采用傳統(tǒng)的講授式教學方法，雖然此種教學方法可以完成基本的教學任務和知識講授，并使得學生初步掌握云計算與大數(shù)據(jù)基本技術，但為了更好地滿足新工科背景下信息技術類實踐型創(chuàng)新人才培養(yǎng)標準，云計算與大數(shù)據(jù)教學組定期開展線上問卷調(diào)查，以實時了解學生對教學組授課方法的滿意度和對教學改革的期待度。近兩學年的問卷調(diào)查結(jié)果如圖1 和圖2 所示。

圖1 學生對傳統(tǒng)授課方法的滿意度調(diào)查結(jié)果

圖2 學生對教學方法轉(zhuǎn)變的意向調(diào)查結(jié)果

由調(diào)查問卷的結(jié)果可知，雖然超過53%的學生對傳統(tǒng)授課方法滿意，但超過64%的學生仍期待變更教學方式，希望教師嘗試新的教學方法，且持此種態(tài)度的人數(shù)處于上升趨勢。此種結(jié)果說明大部分學生希望推進云計算與大數(shù)據(jù)課程教學改革，故而具有傳統(tǒng)授課方法課堂改革的教學需求的可行性。

1.2 線上教學資源可行性

云計算與大數(shù)據(jù)課程教學組于2021 年錄制制作了慕課教學資源。教學組整理的慕課資料與線下教學資料做到了交叉互補。此外，為了便于學生與老師的溝通交流，慕課資源開設了課堂交流論壇區(qū)，支持主題發(fā)帖、回復評論、關注、投票等操作，基于此種慕課資源，能保障翻轉(zhuǎn)課堂開展的資源可行性。

1.3 線下教學條件可行性

南京郵電大學擁有多媒體功能的翻轉(zhuǎn)課堂專用教室，最大可容納100 人同時進行翻轉(zhuǎn)教學。該教室多媒體系統(tǒng)具有無線投影、無線網(wǎng)絡、觸控式電子大屏、激光教具等設備。軟件配套上，為實現(xiàn)面向數(shù)據(jù)的高性能計算功能，搭建了HPCC 軟件系統(tǒng)以及Storm 計算系統(tǒng)，并支持批處理與流處理兩種計算模式。此外，利用虛擬化技術，能進行指令集架構(gòu)級、硬件抽象層、操作系統(tǒng)層、編程語言層以及庫函數(shù)層的虛擬化，滿足基本的云計算與大數(shù)據(jù)實踐需求，具備翻轉(zhuǎn)課堂開展的線下教學條件與環(huán)境可行性。

2 OBE 理念下的翻轉(zhuǎn)教學創(chuàng)新方案

方案整體分為三個階段[18]，即課前、課中和課后，采用“三要素”、“三模塊”和“二重點”的方法，利用線上慕課資源和線下教學資源混合方法實現(xiàn)。整體思路如圖3 所示。

圖3 整體教學思路

2.1 課前“三要素”學習

由于課前因?qū)W生對于知識點的熟悉度較低，為了提高學習效率，通過采用要素化的課前學習以更好的突出學習重點。將云計算與大數(shù)據(jù)課程知識點分為技術原理要素、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要素和計算方法要素。此部分內(nèi)容主要利用線上慕課資源完成，每種要素在學習中應分配不同的時間，通常采用四分之一、四分之一、二分之一的分配方法，如圖4 所示。

技術原理要素學習主要指基于云計算與大數(shù)據(jù)計算與存儲任務的實現(xiàn)原理，此部分內(nèi)容在慕課資源中處于教學視頻的最開始部分，主要從理論原理、實現(xiàn)思路等方面進行教學。例如，對于一致性哈希算法章節(jié)，首先介紹一致性哈希算法的基本原理，以及一致性哈希算法中計算和存儲位置的一致性作為基礎知識，為后續(xù)的Hadoop 分布式大數(shù)據(jù)系統(tǒng)夯實基礎。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要素學習指針對數(shù)據(jù)存儲時所需采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。作為大數(shù)據(jù)存儲的主要實現(xiàn)工具，學生對關系型數(shù)據(jù)庫和非關系型數(shù)據(jù)庫的學習理解是此部分的重點。如果涉及到存儲過程，則需要了解MapReduce 編程框架。此部分學習能夠讓學生了解大數(shù)據(jù)存儲實現(xiàn)的具體工具，為掌握大數(shù)據(jù)技術奠定基礎。

計算方法要素學習指利用系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行計算的方式，進而實現(xiàn)高性能計算任務，此部分在慕課教學資源中的占比最高。在計算方法教學中，此部分主要包含數(shù)據(jù)的加載、切分和分發(fā)，并通過實例展示應用方法。

2.2 課中“三模塊”探討

翻轉(zhuǎn)課堂中的課中學習環(huán)節(jié)由師生共同參與，但主體依舊是學生，主要任務是探討與合作，教師承擔學生探索引導人角色。在此環(huán)節(jié)，主要包含答疑模塊、案例展示模塊、探索提高模塊。三個模塊應當遵從先后順序，課中學習開展流程如圖5 所示。

圖5 課中“三模塊”開展流程

答疑模塊的基本流程為學生提出在課前自主學習中遇到的問題，由教師或其他同學解答，問題可以是虛擬化技術原理、虛擬化技術優(yōu)勢等專業(yè)知識問題，也可以是編程思想、系統(tǒng)架構(gòu)設計思路等宏觀問題。教師在解答過程中應當避免直接給出答案，應當引導學生回顧慕課資源，幫助其深入思考并解決問題。

案例展示模塊以個人或小組為單位開展，成員以匯報形式完整介紹一個云計算與大數(shù)據(jù)系統(tǒng)技術原理、安裝步驟、編程過程和功能演示，其他小組成員可針對設計內(nèi)容進行提問，老師作為評委，從編程步驟、匯報素材、語言表達等方面給予評價，對于表現(xiàn)優(yōu)秀的小組可給予適當?shù)莫剟?。部分匯報展示案例如表1 所示。

表1 小組匯報案例

探索提高模塊是對案例展示的拓展，此模塊主要出現(xiàn)在小組匯報后其他學生的提問與教師評價環(huán)節(jié)，是對云計算與大數(shù)據(jù)技術的功能拓展和深化。

2.3 課后“二重點”鞏固

課后“二重點”包括重點知識復習和重點測試練習。課后學習是鞏固知識、完善不足的重要環(huán)節(jié)，翻轉(zhuǎn)課堂教學的課后鞏固由師生共同完成。重點知識復習包括對虛擬化技術、大數(shù)據(jù)系統(tǒng)和高性能計算系統(tǒng)設計方法進行全方位的梳理，可以通過學習內(nèi)容總結(jié)、學習報告等方式進行書面總結(jié)，以獲得更好的復習效果?？偨Y(jié)報告可作為課后作業(yè)的一部分，由老師參與批閱，作為最終考評成績的參考。

重點測試練習通過線上實現(xiàn)，學生依據(jù)教師的安排在慕課資源中完成相應的課后測試，測試結(jié)果由學生互評、教師評閱兩種形式，最終成績?yōu)槎咴u分的加權綜合。題目類型為選擇題和設計題，分別考察基本概念和工程應用能力，通過理論與應用的結(jié)合，完成OBE 理念下翻轉(zhuǎn)課堂教學的最后一環(huán)。

3 實施效果分析

3.1 周期測試結(jié)果

為驗證所提出教學方法的有效性，在南京郵電大學2020 級智能科學與技術、人工智能、信息安全三個專業(yè)開展教學對比實驗，對智能科學與技術、人工智能專業(yè)學生開展OBE 理念下的線上線下混合翻轉(zhuǎn)教學，同時對信息安全專業(yè)學生開展傳統(tǒng)講授式教學。在2022—2023 學年第二學期的每個月末進行一次周期測試，三個專業(yè)的平均成績變化如圖6 所示。

圖6 成績變化

由圖6 可知，在教學對比初期（即第一次測試），三個專業(yè)學生的測試成績相差不大，這說明不同專業(yè)學生的原始學習能力相似。隨著OBE 理念下的翻轉(zhuǎn)課堂的進行，從第二次測試開始，采用OBE 理念下的翻轉(zhuǎn)教學方法的兩個專業(yè)成績有著明顯的提高，相對而言，采用傳統(tǒng)教學方法的專業(yè)成績變化則較為平穩(wěn)，學期結(jié)束時平均成績差異已接近10 分，此種結(jié)果驗證了OBE 理念下的線上線下混合翻轉(zhuǎn)課堂方法有較好的教學效果。

3.2 學習體會調(diào)查

為了獲得學生對OBE 理念下的翻轉(zhuǎn)課堂教學方法的感想與體會，通過開座談會的方式調(diào)查了參與實驗的學生的學習體驗，學生主要感想與體會總結(jié)如表2 所示。

表2 學習感想與體會總結(jié)

從表2 可知，學生最主要的兩個體會是激發(fā)了學習興趣和提高了知識應用能力，這說明此種教學方法調(diào)動了學生學習的積極性，有助于云計算與大數(shù)據(jù)技術實踐應用技能的培養(yǎng)。

4 結(jié)束語

云計算與大數(shù)據(jù)是一門面向工程應用的課程，為了滿足新工科背景下信息技術專業(yè)應用實踐型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)需要，提出基于“三要素、三模塊、二重點”的線上線下混合翻轉(zhuǎn)創(chuàng)新教學方法。此教學方法充分發(fā)揮線上慕課教學資源與線下翻轉(zhuǎn)課堂教學設備特點，具有的優(yōu)勢為：

（1） OBE 理念為達到學生的培養(yǎng)目標、提高學生的實踐能力提供了理論保障，滿足了學生改變教學方法的期待。

（2） 慕課資源基于學生學情制作，具有更好的針對性，在課前學習中能提高學習的自主性。同時，設計了多樣的學習資料，提高了學生學習的興趣度。

（3） 課中階段充分利用線上和線上資源，以小組匯報形式將學習的主體變成學生，增加了學生學習的積極性，在競爭的環(huán)境中提高了學習效率。

（4） 課后結(jié)合慕課資源進行復習與測試，設置學生互評環(huán)節(jié)，讓每個學生都成為學習的監(jiān)督者，從而加深了重點知識的理解。

通過線上與線下的混合，OBE 理念下的翻轉(zhuǎn)課堂極大地增加了學生的學習參與感，提高了學習的主動性和效率，周期測試結(jié)果驗證了此種方法對教學的促進作用。此外，學生在OBE 理念下的翻轉(zhuǎn)課堂學習中普遍反映提高了自身的知識應用能力，這符合新工科教育背景下對信息技術人才的培養(yǎng)標準。