［摘 要］ 面向非理工專業(yè)學(xué)生開設(shè)編程選修課程可使其適應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代的職場(chǎng)及學(xué)術(shù)要求，但面臨缺乏可及性、穩(wěn)定性強(qiáng)的編程操練環(huán)境，理論課程難度較大而課時(shí)不足，以及個(gè)體化指導(dǎo)和過(guò)程性評(píng)價(jià)不足等困難。在“R語(yǔ)言與數(shù)據(jù)可視化入門”課程中，通過(guò)搭建云計(jì)算平臺(tái)，借助swirl自主學(xué)習(xí)包實(shí)現(xiàn)理論課程翻轉(zhuǎn)教學(xué)，借助MOOC/自媒體/自制視頻資源實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與可視化實(shí)踐課程翻轉(zhuǎn)教學(xué)，結(jié)合側(cè)重于過(guò)程性評(píng)價(jià)的多元考核方式，達(dá)到較好的教學(xué)效果。本教學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)其他非理工專業(yè)學(xué)生的編程選修課程具有一定示范推廣價(jià)值。

［關(guān)鍵詞］ R語(yǔ)言；數(shù)據(jù)可視化；云計(jì)算；翻轉(zhuǎn)課堂；swirl包

［基金項(xiàng)目］ 2020年度天津中醫(yī)藥大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目“‘互聯(lián)網(wǎng)+’背景下新型教學(xué)模式及其評(píng)價(jià)體系的研究與實(shí)踐”（2020JY064）；2022年度中央本級(jí)重大增減支項(xiàng)目“名貴中藥資源可持續(xù)利用能力建設(shè)”（2060302）

［作者簡(jiǎn)介］ 田曉軒（1982—），男，天津人，博士，天津中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)藥研究院研究員，主要從事中藥資源鑒定研究；王少峽（1978—），男，河北邯鄲人，博士，天津中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院研究員，主要從事神經(jīng)藥理學(xué)相關(guān)研究；王虹（1974—），女，山東龍口人，博士，天津中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院副院長(zhǎng)，研究員（通信作者），主要從事醫(yī)學(xué)技術(shù)相關(guān)研究。

［中圖分類號(hào)］ G434 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）15-0029-04 ［收稿日期］ 2023-04-23

一、面向非理工專業(yè)開設(shè)編程選修課程的價(jià)值

當(dāng)下人類已進(jìn)入數(shù)據(jù)化生存時(shí)代。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，高通量測(cè)序等組學(xué)手段的應(yīng)用已使醫(yī)學(xué)研究從科學(xué)假說(shuō)驅(qū)動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)向大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。通過(guò)開設(shè)編程類選修課程，培養(yǎng)學(xué)生基本數(shù)據(jù)分析與挖掘能力，已成為生物醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生通識(shí)教育的一部分。但限于學(xué)生較為薄弱的知識(shí)背景，編程類課程要在有限的選修課時(shí)中達(dá)成教學(xué)效果，必須明確合理的教學(xué)目標(biāo)與合適的教學(xué)工具［1］。

數(shù)據(jù)分析的過(guò)程大致分為五個(gè)階段，包括收集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、展示數(shù)據(jù)和報(bào)告撰寫。R語(yǔ)言擅長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)建模和解決數(shù)據(jù)分析相關(guān)的問(wèn)題，是一種為數(shù)據(jù)而生的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言［2］，具有免費(fèi)、擴(kuò)展性強(qiáng)、更新快、交互性強(qiáng)且繪圖能力強(qiáng)大等特點(diǎn)，可基于簡(jiǎn)潔可讀的代碼完成設(shè)計(jì)，且學(xué)習(xí)門檻較低，被認(rèn)為是數(shù)據(jù)分析實(shí)踐、統(tǒng)計(jì)作圖的理想工具［3］。筆者認(rèn)為，以掌握基本數(shù)據(jù)處理和可視化分析等實(shí)用技能為教學(xué)目標(biāo)，通過(guò)開設(shè)“R語(yǔ)言及數(shù)據(jù)可視化入門”課程，用36課時(shí)介紹R語(yǔ)言和可視化基礎(chǔ)知識(shí)，并著力于對(duì)學(xué)生數(shù)據(jù)分析與繪圖等具體實(shí)踐能力的培養(yǎng)，可增強(qiáng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行臨床試驗(yàn)和科研的能力，符合其知識(shí)背景和職業(yè)規(guī)劃實(shí)際，也可使其適應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代的職場(chǎng)及學(xué)術(shù)要求。

二、非理工專業(yè)編程課程的常見(jiàn)困難

一般來(lái)說(shuō)，面向非理工專業(yè)學(xué)生的編程課程，需在較短課時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)編程語(yǔ)言基礎(chǔ)知識(shí)的講授和具體實(shí)踐能力的培養(yǎng)。而現(xiàn)有編程課程往往存在以下困難。

（一）缺乏可及性、穩(wěn)定性強(qiáng)的編程操練環(huán)境

筆者認(rèn)為，編程語(yǔ)言課程的理論與實(shí)踐不可分割，缺乏交互的教學(xué)難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能。特別對(duì)于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)較弱的學(xué)生，更應(yīng)將動(dòng)手實(shí)踐貫穿課程始終，在編程中理解編程。需借助好的教學(xué)平臺(tái)，強(qiáng)化自主學(xué)習(xí)并及時(shí)給予正反饋，使其跟上課程節(jié)奏并掌握解決問(wèn)題的能力。

常規(guī)教學(xué)中，多在機(jī)房中采用集中教學(xué)的方式完成編程實(shí)踐。然而，在疫情防控期間，相較于普通教室，在相對(duì)封閉的公共機(jī)房授課具有更高的疫情傳播風(fēng)險(xiǎn)。且對(duì)于線下授課，無(wú)論授課地點(diǎn)，均可能受疫情影響而存在不確定性，隨時(shí)需因疫情情況變化而轉(zhuǎn)移至線上，學(xué)習(xí)方式由集中式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际綄W(xué)習(xí)［4］。除此以外，基于機(jī)房的學(xué)習(xí)也難以利用學(xué)生的碎片化時(shí)間，造成個(gè)體學(xué)習(xí)時(shí)間不足。

在缺乏實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所支撐的情況下，教師常在線示范，或借助遠(yuǎn)程協(xié)助工具等幫助學(xué)生在個(gè)人計(jì)算機(jī)或在線編程網(wǎng)站上完成編程學(xué)習(xí)［5］。然而，考慮到課程內(nèi)容必須依賴若干R語(yǔ)言程序包完成，一般在線編程網(wǎng)站難以實(shí)現(xiàn)。而利用個(gè)人計(jì)算機(jī)，則常需花費(fèi)其大量時(shí)間搭建軟件、工具包等編程環(huán)境［6］；且不同學(xué)生的計(jì)算機(jī)往往問(wèn)題各異，師生疲于解決系統(tǒng)兼容性等問(wèn)題，難以專注于課程內(nèi)容本身，無(wú)法保證課程進(jìn)度。

（二）理論課程難度較大而課時(shí)不足

生物醫(yī)學(xué)類等非理工專業(yè)學(xué)生，常只具備Office操作等基本計(jì)算機(jī)技能，缺少編程經(jīng)驗(yàn)。用14個(gè)學(xué)時(shí)使其掌握第一門編程語(yǔ)言的理論知識(shí)，難度較大。此前，已有諸多教育者利用MOOC等大規(guī)模在線開放課程［7］以及本校特色的線上教學(xué)資源，以翻轉(zhuǎn)課堂的形式，有效拓展教與學(xué)的時(shí)間和空間，克服授課時(shí)間不足的困難，提高教學(xué)實(shí)效。

然而，這類翻轉(zhuǎn)課堂也面臨流于形式化、知識(shí)碎片化等問(wèn)題。因多數(shù)教師無(wú)法查看學(xué)生的MOOC學(xué)習(xí)進(jìn)度，部分學(xué)生自制力或理解力不足而導(dǎo)致自學(xué)效果較差，如在面授時(shí)間主要開展小組討論等活動(dòng)，則其難以參與而影響學(xué)習(xí)效率。為保證全體學(xué)生進(jìn)度，理論課程仍主要依賴面授完成。

（三）個(gè)體化指導(dǎo)和過(guò)程性評(píng)價(jià)不足

在筆者教學(xué)過(guò)程中，觀察到學(xué)生的接受能力、學(xué)習(xí)意愿存在較大差異。例如，在可視化繪圖模塊中，僅靠一次講解常有部分學(xué)生不能充分理解，在隨后的實(shí)踐操作環(huán)節(jié)出現(xiàn)代碼“卡殼”情況，因計(jì)算機(jī)教學(xué)的特點(diǎn)，其無(wú)法跳過(guò)“卡殼”部分繼續(xù)下一步的學(xué)習(xí)。教師無(wú)暇在授課時(shí)間完成逐一輔導(dǎo)，陷入或影響全班教學(xué)進(jìn)度或放棄后進(jìn)學(xué)生的兩難境地。此外，實(shí)踐環(huán)節(jié)學(xué)生生成的代碼難以在第一時(shí)間匯集反饋，導(dǎo)致教師對(duì)學(xué)生的過(guò)程性評(píng)價(jià)不足，課程進(jìn)度調(diào)整滯后。

三、基于云計(jì)算平臺(tái)的多元翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)

（一）云計(jì)算平臺(tái)搭建

為把“以學(xué)生為中心”的理念融入課堂教學(xué)，筆者在服務(wù)器上搭建Rstudio server平臺(tái)，并對(duì)學(xué)生開放。在課程準(zhǔn)備階段，教師統(tǒng)一為學(xué)生分配賬號(hào)、設(shè)置權(quán)限、部署軟件環(huán)境并拷貝必需數(shù)據(jù)，以上工作通過(guò)幾行代碼完成，省時(shí)高效。學(xué)生可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)隨時(shí)使用計(jì)算平臺(tái)，且只需專注于授課內(nèi)容本身，節(jié)省大量編程環(huán)境故障排除時(shí)間。利用Git技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)代碼共享、作業(yè)自動(dòng)提交教師審閱，從而達(dá)到“云機(jī)房”的授課效果。

（二）翻轉(zhuǎn)課堂課程設(shè)置

筆者基于以上云計(jì)算平臺(tái)，充分利用MOOC/自媒體/自制視頻資源，借助雨課堂在線教育與考核功能，實(shí)現(xiàn)多元翻轉(zhuǎn)課堂課程設(shè)置?！癛語(yǔ)言與數(shù)據(jù)可視化入門”課程設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

1.借助swirl教學(xué)包實(shí)現(xiàn)R語(yǔ)言理論課程翻轉(zhuǎn)教學(xué)。實(shí)踐中，本課程常作為學(xué)生的第一門編程課程，其基礎(chǔ)理論部分較為抽象，邏輯性較強(qiáng)，學(xué)習(xí)難度較大。筆者在Rstudio server計(jì)算平臺(tái)中，部署約翰斯·霍普金斯大學(xué)開發(fā)的交互式R語(yǔ)言自學(xué)包swirl，并將其作為課前學(xué)習(xí)內(nèi)容提前布置?！皩W(xué)習(xí)編程的唯一方式就是編程”，區(qū)別于常見(jiàn)教學(xué)視頻式的內(nèi)容，swirl包通過(guò)人機(jī)交互的方式，引導(dǎo)學(xué)生在動(dòng)手回答問(wèn)題的同時(shí)實(shí)現(xiàn)遞進(jìn)式學(xué)習(xí)（見(jiàn)圖2）。對(duì)于理解力或計(jì)算機(jī)背景較弱的學(xué)生，也允許其反復(fù)試錯(cuò)并可即時(shí)給予語(yǔ)言激勵(lì)，提高其興趣。自主學(xué)習(xí)進(jìn)度也有即時(shí)記錄。學(xué)生在課前完成指定學(xué)習(xí)內(nèi)容后，可積累足夠的感性認(rèn)識(shí)并熟悉專有英文名詞。

在隨后的課堂面授中，教師專注于概念理論的串講，為學(xué)生搭建整體知識(shí)框架，并適當(dāng)采取小組的方式對(duì)概念難點(diǎn)、自學(xué)過(guò)程中的疑問(wèn)進(jìn)行討論分析，激發(fā)學(xué)生思維。

在課后，學(xué)生可在Rstudio server中完成指定課后作業(yè)（事先已統(tǒng)一部署發(fā)放至個(gè)人賬戶），形成代碼及輸出結(jié)果，借助Git環(huán)境或雨課堂形式提交。

2.借助MOOC/自媒體/自制視頻資源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與可視化實(shí)踐課程翻轉(zhuǎn)教學(xué)。本課程力圖用22個(gè)學(xué)時(shí)使學(xué)生具備數(shù)據(jù)分析與可視化的實(shí)際能力。相對(duì)于理論教學(xué)，此部分內(nèi)容較為直觀，但交互操作、代碼細(xì)節(jié)較多，僅靠課堂上的演示，學(xué)生常難全部掌握。除MOOC等“金課”與自錄制視頻資源外，受商業(yè)因素驅(qū)動(dòng)，公眾號(hào)、嗶哩嗶哩等平臺(tái)擁有大量?jī)?yōu)質(zhì)的R語(yǔ)言繪圖視頻資源，經(jīng)教師甄別后均可作為課前學(xué)習(xí)內(nèi)容。教師將配套軟件包、代碼及數(shù)據(jù)預(yù)先部署于Rstudio server中每個(gè)學(xué)生的個(gè)人目錄下，學(xué)生可反復(fù)收看視頻后，復(fù)現(xiàn)視頻中的數(shù)據(jù)分析與繪圖，并完成相應(yīng)習(xí)題?；赗studio server的實(shí)踐不限時(shí)間異步進(jìn)行，但需在每個(gè)教學(xué)周內(nèi)完成。此外，通過(guò)公眾號(hào)訂閱，學(xué)生還可以在課程結(jié)束后持續(xù)學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。

在課堂面授中，教師主要完成核心代碼的串講，以及高級(jí)圖形的拓展演示。頻繁利用小組形式，使學(xué)生通過(guò)討論解決習(xí)題中的編程報(bào)錯(cuò)；鼓勵(lì)其不斷修改代碼，并將結(jié)果在全班展示。讓學(xué)生在實(shí)現(xiàn)個(gè)性化數(shù)據(jù)分析的過(guò)程中，達(dá)到對(duì)知識(shí)的進(jìn)一步理解。

（三）多元考核方法的應(yīng)用

借助Rstudio server云計(jì)算平臺(tái)，有利于將教學(xué)結(jié)果評(píng)價(jià)向過(guò)程性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變。課程成績(jī)考核與評(píng)估方式為：綜合成績(jī)=平時(shí)成績(jī)×50%+期末成績(jī)×50%。

平時(shí)成績(jī)分為：課前，swirl包學(xué)習(xí)進(jìn)度和視頻實(shí)踐案例完成情況；課中，即時(shí)反饋情況、小組表現(xiàn)、借助“雨課堂”的隨機(jī)點(diǎn)名、限時(shí)章節(jié)測(cè)試和程序設(shè)計(jì)提問(wèn)等；課后，日常作業(yè)情況。

期末成績(jī)?yōu)槔米栽O(shè)題庫(kù)，通過(guò)雨課堂平臺(tái)限時(shí)完成。設(shè)置的題型包括單項(xiàng)選擇題、多項(xiàng)選擇題、觀點(diǎn)判斷題和程序設(shè)計(jì)。

其中程序設(shè)計(jì)內(nèi)容，教師給定數(shù)據(jù)集和待解決問(wèn)題并提前部署于計(jì)算平臺(tái)，要求學(xué)生提供R markdown導(dǎo)出的html文件，包含代碼與分析結(jié)果的完整報(bào)告，以此判斷學(xué)生分析代碼的真實(shí)性和合理性。

四、學(xué)習(xí)效果分析

2022年秋季學(xué)期課程結(jié)束后，對(duì)參與學(xué)習(xí)的28名學(xué)生進(jìn)行了匿名問(wèn)卷調(diào)查，回收有效問(wèn)卷22份，回收率78.6%。調(diào)查結(jié)果顯示，27.3%的學(xué)生對(duì)課程的整體感受非常滿意，59.1%的學(xué)生對(duì)課程滿意，13.6%的學(xué)生認(rèn)為課程感受一般，無(wú)不滿意情況。詳細(xì)分析問(wèn)卷反饋情況，感受“一般”的學(xué)生自覺(jué)學(xué)習(xí)效果較差，課外配套學(xué)習(xí)較少。100%的學(xué)生表示對(duì)編程語(yǔ)言有了初步的認(rèn)識(shí)。90.9%的學(xué)生自述可利用R語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，達(dá)成課程教學(xué)目的。86%的學(xué)生認(rèn)為翻轉(zhuǎn)課堂式學(xué)習(xí)體驗(yàn)較好。但需注意以下兩點(diǎn)：一是仍有4.5%的學(xué)生反映自學(xué)時(shí)容易偷懶，教師需在面授中加大預(yù)習(xí)督促力度。二是在回答“編程實(shí)踐中，成就感與挫敗感哪個(gè)更大些？”這一問(wèn)題時(shí)，有18.2%的學(xué)生表示挫敗感更強(qiáng)。為增強(qiáng)學(xué)生興趣，促使其在課程結(jié)束后主動(dòng)利用課程知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，未來(lái)應(yīng)加大激勵(lì)力度。

總體而言，本課程通過(guò)搭建云計(jì)算平臺(tái)，為學(xué)生提供了易操作、可及性強(qiáng)的編程自主練習(xí)環(huán)境。繼而調(diào)整課堂內(nèi)外時(shí)間，將學(xué)習(xí)的決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生。在這種教學(xué)模式下，在課堂內(nèi)的寶貴時(shí)間，學(xué)生能夠更主動(dòng)地專注于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，共同研究并解決問(wèn)題，從而獲得更深層次的理解，學(xué)生的學(xué)習(xí)更加靈活、主動(dòng)，參與度更強(qiáng)。

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