程序設計課堂行為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)探析

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［摘要］課堂中學生的行為，直接反映了教學的精確性和有效性，而程序設計類課程教師最關注的學生課堂行為，則是學生代碼的編寫。從學生程序撰寫的行為數(shù)據(jù)出發(fā)，搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將學生有效的輸入代碼的行為數(shù)據(jù)采集后進行處理存儲到數(shù)據(jù)庫中，并實時呈現(xiàn)到教師的前端編程開發(fā)環(huán)境，輔助教師開展教學活動，提高教學效果。

［關鍵詞］程序設計類課程；學生課堂行為；數(shù)據(jù)采集；教學改革

在以學生操作為主的課程中，如程序設計類課程，學生普遍存在動手能力不強、主動性不夠等問題。而在教學過程中，教師往往只能在教室中來回穿行，盡可能督促學生跟隨教師的教學思路，一步步完成實踐技能的訓練。一旦教師的監(jiān)督力度不夠，則無法保障教學的質量和效率。在高職院校中，課堂教學的師生比幾乎都在1∶40以上，加上學生的自覺性更低、實踐能力基礎更薄弱的現(xiàn)狀，在上課過程中實施全面、有力、有效且能夠刺激學生的教學監(jiān)控，顯得尤為重要。如何有效地刺激學生持續(xù)性地學習，一直是教學的一大難題。本文根據(jù)這一難題，研究了程序設計類課程學生課堂行為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。以Python程序設計基礎課程為例，教師建立統(tǒng)一的操作系統(tǒng)環(huán)境，學生通過瀏覽器登錄操作系統(tǒng)，進行代碼的輸入、測試和運行等操作，學生的所有操作數(shù)據(jù)將被行為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集匯總后，實時顯示在操作系統(tǒng)環(huán)境中供教師查看，以便及時了解學生的學習狀態(tài)，并根據(jù)學生的學習狀態(tài)數(shù)據(jù)，及時調整自己的教學節(jié)奏和方法。

一、學生課堂行為數(shù)據(jù)信息

學生在上課過程中會產(chǎn)生各種隨機的行為數(shù)據(jù)，但是大部分數(shù)據(jù)并不能代表學生的學習狀態(tài)，也無法表征學生的學習行為。學生課堂行為數(shù)據(jù)并非指學生觀看屏幕的時間、抬頭低頭率等參數(shù)指標，而是能夠直接反映學生學習的行為數(shù)據(jù)信息。同時，在傳統(tǒng)教學模式下，被認為能夠客觀衡量學生行為的數(shù)據(jù)，主要集中在教學平臺。現(xiàn)在廣泛使用的教學平臺，如智慧職教、大學生慕課、超星學習通等，或通過學生是否完整學習課程視頻的數(shù)據(jù)來判斷是否完成學習任務，或通過平臺中課程的客觀測試題對學生進行成績評分，這些方法根本無法真正反映學生的學習行為和學習效果?，F(xiàn)在的教學活動，教學平臺無法對學生的學習行為進行客觀判斷和采集，更沒有其他較好的工具或者平臺來采集學生過程性實踐操作的行為數(shù)據(jù)，進而對學生的學習活動進行過程性的客觀評價。對于程序設計類課程來說，重在代碼的設計和實踐操作，編寫代碼的有效行為才是采集行為數(shù)據(jù)信息的目標。本文主要針對程序設計類課程，采集教學過程中學生產(chǎn)生的課堂行為數(shù)據(jù)信息。不同班級不同的學生，他們的課堂行為數(shù)據(jù)在整個課堂教學過程中不斷發(fā)生變化，在不同的教學活動中產(chǎn)生不一樣的代碼輸入行為數(shù)據(jù)。學生課堂行為數(shù)據(jù)采集的信息主要包括以下幾個部分。

（一）學生相關信息

教師一般會對不同的班級采用不同的授課方式，且會在一門課程的持續(xù)教學過程中，根據(jù)學生的學習狀態(tài)和學習水平做出動態(tài)的調整。學生的課堂行為數(shù)據(jù)采集，基礎信息便是學生的學號和姓名，以表征學生個體。而學生又是處于不同班級的，除了學生個體本身，不同班級的橫向對比數(shù)據(jù)也非常重要，因此，另一個學生相關的信息便是其班級信息。

（二）代碼數(shù)據(jù)

程序設計類課程，最重要的評判學生行為的指標，顯然就是學生在上課過程中能夠積極主動地輸入程序代碼，而將學生代碼輸入的行為進行量化分析，其前提就是定義代碼輸入的行為數(shù)據(jù)。以Python程序設計基礎為例，一個知識點的教學活動不管教學方式如何變化，教學過程主要分為理論的講解、實踐任務的下發(fā)、學生的操作、教師的講解以及學生的修改。作為編程類課程，學生針對實踐任務輸入的代碼以及對代碼的修改是最關鍵的課堂行為數(shù)據(jù)。首先，學生會根據(jù)教師下發(fā)的任務，輸入相應的原始代碼，每過一定時間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會定時自動保存學生輸入的代碼，也可由學生手動強制保存，所有的代碼都會被存入學生本地的日志文件中。其次，隨著教師的講解，學生可能會迭代修改代碼，也有可能會因為原始代碼是正確的，而無需修改。因此，學生如果修改代碼，所有的最新代碼也會被定時或強制保存，而原本如果學生輸入的代碼就是正確的，不用根據(jù)教師的講解修改，則可通過代碼運行部分的數(shù)據(jù)體現(xiàn)。根據(jù)課堂教學實踐任務的逐步開展，上述行為會被不斷重復。學生登錄開發(fā)環(huán)境后所有輸入的代碼都被保存下來，以便進行學生操作數(shù)據(jù)的橫向和縱向對比。當然，除了輸入的代碼數(shù)據(jù)，運行結果也是非常重要的。不管是原始輸入的還是修改的代碼，都會被學生運行，以測試自己輸入的代碼是否正確。一般的，教師下發(fā)的任務答案是唯一的，所以，不管學生的代碼如何書寫，運行結果是否正確，都可以將其與正確答案進行對比。因此，代碼運行后的結果數(shù)據(jù)，也將會被保存在本地日志文件中，以便后續(xù)發(fā)送至數(shù)據(jù)庫，被用于分析學生的實踐操作行為。同時，大部分學生學習Python程序設計基礎時，并沒有編程基礎，在寫程序代碼的過程中，會出現(xiàn)各種各樣的錯誤，有的是語法錯誤，有的是拼寫錯誤，有的是程序邏輯錯誤，不管哪種錯誤，都需要學生學會定位自己發(fā)生錯誤的代碼。學生課堂行為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境平臺，提供學生進行代碼調試的工具，可以幫學生快速找到自己程序異常的原因。因此，代碼調試的異常提示數(shù)據(jù)也會被保存到本地日志文件中。

（三）代碼的記錄時間與更新時間

為了分析學生在整個課堂的教學過程中是否積極主動參與到學習中，系統(tǒng)必須一直檢測數(shù)據(jù)的代碼是否有更新。如果個別學生學習懶散，則會出現(xiàn)很長時間的代碼無更新狀態(tài)，而當學生已經(jīng)有了程序設計思路開始動手寫代碼的時候，短時間內有較高的代碼更新率。因此，采集學生代碼不同的更新時間，會直接反映學生的學習狀態(tài)和效率。在寫入日志文件時，學生課堂行為數(shù)據(jù)其中兩個重要的信息便是：代碼的記錄時間和更新時間，記錄時間是上一次更新代碼時記錄下來的時間。根據(jù)上述需要采集的學生課堂行為數(shù)據(jù)信息，本文研究了基于Python編程環(huán)境，并兼容C、C++等主流編程語言環(huán)境的學生課堂行為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究

本文研究的學生課堂行為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，基于Python程序設計基礎課程，部署了學生的Python開發(fā)系統(tǒng)環(huán)境，學生使用自己的學號和姓名登錄開發(fā)系統(tǒng)。根據(jù)教學內容的不同，學生在課堂中可能會在自己獨立的開發(fā)環(huán)境中輸入代碼、調試代碼以及運行代碼，學生在該系統(tǒng)中做的這一系列的操作行為數(shù)據(jù)相關的信息，都將被采集存儲到數(shù)據(jù)庫中。后臺系統(tǒng)將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在前臺供教師實時觀看，幫助其及時了解學生的學習狀態(tài)和自己的教學效果，以做出實時的教學內容和方式的調整。課堂行為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要有學生端、前端接入、后臺處理以及數(shù)據(jù)庫組成，其具體結構如圖所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不同的模塊負責不同的功能，前端接入產(chǎn)生原始的學生行為數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)監(jiān)控則將原始數(shù)據(jù)同步上傳，數(shù)據(jù)管理對上傳后的數(shù)據(jù)處理后存儲到數(shù)據(jù)庫中。

（一）前端接入

前端接入主要是學生、教師或管理員通過自己主機的瀏覽器，使用HTTP協(xié)議與數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊的Web服務端通信，進入自己賬號對應的獨立的編程語言開發(fā)環(huán)境。不管教師還是學生，都可以通過自己的瀏覽器登錄數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，但是不同的用戶擁有不同的賬號，不同的賬號對應不同的權限。教師通過自己的工號登錄，分配的是管理員權限。教師登錄后，可以進行創(chuàng)建任務、下發(fā)任務，查看學生代碼輸入的實時數(shù)據(jù)等操作。而學生使用自己的學號作為用戶名登錄，只有普通用戶的權限，可以接受教師下發(fā)的任務，根據(jù)任務在環(huán)境中輸入完成不同教學任務對應的程序代碼。除了不同用戶的權限，前端環(huán)境也保障了每個用戶的獨立編程環(huán)境，相互之間互不影響。不同的用戶登錄系統(tǒng)，都會從后臺拉取鏡像單獨運行，在本地終端形成自己的類似容器的環(huán)境。用戶所在的開發(fā)環(huán)境，只會記錄本用戶的所有數(shù)據(jù)，安全獨立，運行可靠。學生每個人的課堂行為數(shù)據(jù)相關的信息，都會被保存在本地終端環(huán)境的日志文件中，以供后臺進行數(shù)據(jù)采集。

（二）數(shù)據(jù)監(jiān)控

數(shù)據(jù)監(jiān)控是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最基礎也是最重要的模塊，不僅要保障前端接入后用戶的正常運行，還要將前端數(shù)據(jù)采集后與數(shù)據(jù)處理模塊進行交互，并進行實時顯示。運行環(huán)境部署模塊，部署了具體課程所需的編程環(huán)境，Python程序設計基礎課程使用Python語言，因此，該模塊會將Python開發(fā)環(huán)境所需的編輯器、解釋器和調試器都進行統(tǒng)一部署，讓教師和學生方便地使用基礎資源，產(chǎn)生原始的行為數(shù)據(jù)。Web服務端和用戶權限管理模塊，是密不可分的。前端接入通過HTTP協(xié)議與Web服務端進行通信，提供所有用戶以Web瀏覽器的方式接入，直面程序開發(fā)環(huán)境；用戶權限模塊則提供了基本的權限分配，實現(xiàn)學生與學生之間的用戶權限隔離，方便對每個學生的個人行為操作數(shù)據(jù)進行管理，也實現(xiàn)了教師對整個班級的數(shù)據(jù)的觀測。日志模塊則是核心模塊，所有學生在各自終端環(huán)境的日志文件觸發(fā)上傳事件時，這些文件都會被同步上傳到該模塊。由于學生會保存相同的代碼，或者定期保存的代碼并無變化，因此，只有當學生本地的日志文件修改內容大于指定的最小修改閾值，才會觸發(fā)日志文件的上傳，而上傳的所有學生行為數(shù)據(jù)，才是最終日志模塊采集的有效數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)實時顯示模塊，則是將數(shù)據(jù)管理模塊中處理后的數(shù)據(jù)實時顯示返回前端，供教師或者管理員用戶查看，讓教師和學生通過該系統(tǒng)真正提高自己的教與學的最終效果。

（三）數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)管理模塊將數(shù)據(jù)監(jiān)控采集的學生課堂行為數(shù)據(jù)進行處理后存入數(shù)據(jù)庫。學生行為管理模塊，主要針對教師，管理班級學生的有效輸入行為；用戶日志收集模塊，則收集不同班級、不同學生的數(shù)據(jù)監(jiān)控中上傳的原生數(shù)據(jù)；事件管理模塊則對收集的日志數(shù)據(jù)進行過濾處理，去除無效的過程性行為數(shù)據(jù)，保障數(shù)據(jù)存儲的高效性。數(shù)據(jù)管理模塊將處理后的數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)庫中，供管理員后續(xù)的進一步的使用和分析。學生個體在時間維度上，其數(shù)據(jù)是一直在變化的，學生在課堂中的有效行為數(shù)據(jù)并不多，通過本文的學生課堂行為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集學生在特定的操作行為產(chǎn)生的有效數(shù)據(jù)，將學生的代碼輸入行為進行真實有效的記錄，并通過數(shù)據(jù)的處理顯示，讓教師實時快速調整自己的教學目標、教學內容或教學方式，達到最佳的教學成效。

三、結論

信息化教學已經(jīng)在現(xiàn)代教學領域占據(jù)了非常重要的地位。綜合使用云計算、數(shù)據(jù)分析等技術建立的學生課堂行為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不僅將學生在課堂中的有效編程行為數(shù)據(jù)信息保存下來，實時地反映課堂中的學生學習狀態(tài)，有利于完善教師和學生的教學活動，更提供了對不同年級、不同班級、不同學生個體橫向和縱向行為數(shù)據(jù)分析的可能性，對教學改革有著較為深遠的作用和意義。

作者:虞菊花 常興治 陶亞輝 單位:常州信息職業(yè)技術學院 軟件與大數(shù)據(jù)學院