融入学习情感的计算机类实验教学模式探索.pdf

针对计算机实验班人数多、实践能力不同导致教师无法满足学生个性化需求、难以精准评估课堂质量的现状，考虑非智力因素对学生思维方式和学习效果的影响，提出融入学习情感的计算机类实验教学模式，以计算机网络实验课为例，介绍以实践应用为导向的 EPIP 教学模式，最后通过调查问卷结果说明教学效果。关键词：学习情感；EPIP 教学模式；计算机类；实验教学文章编号：1672-5913(2023)08-0138-07基金项目：河南省高等教育教学改革研究与实践项目（2021SJGLX355，2021SJGLX106，2019SJGLX067）；2021 年河南省普通本科高等学校智慧教学专项研究项目“融入学习情感的群体智慧化学习知识追踪与个性化指导及成效研究”。第一作者简介：刘春红，女，副教授，研究方向为智能服务计算与智慧教学，。0引 言2021 年 12 月，中央网络安全和信息化委员会印发“十四五”国家信息化规划（以下简称规划），指出要提升教育信息化基础设施水平，构建高质量教育支撑体系，深化教育领域大数据分析应用1。通过推进智能技术和教育的深度融合，构建一体化“互联网+”大平台，从而探究计算机教育发展的新模式。计算机教育作为面向未来的现代化教育，是应用型人才实践能力培养的重要环节2，是深化高等教育改革的必要条件。实践教学作为计算机教育的重要组成部分，是巩固知识、深化理论学习的有效途径3。通过开展计算机类教学实践课堂改革，高校能在一定程度上改变传统“一刀切”的教学模式，推动教育体系的改革，促进个性化教育的发展。1计算机类实践课程教学存在的问题实验课作为计算机类实践教学的主要形式，能有效提升学生独立思考与自主探究能力4，但受实验班人数多、班级学情定位不准等因素的限制，计算机类实践教学体系仍存在以下问题。1.1计算机实验教学体系无法提供个性化教学目前，计算机实验课堂大多是基于课程需求设计实验参考书，教师使用统一的指导，布置同一任务，要求学生上交统一模板的实验报告。在此模式下，教师很难关注每位学生的实际需求，无法实行因材施教，降低学生创新思维与自主学习能力的培养，不利于个性化教育的实施。实验课堂上，教师需要在兼顾教学进度时适当关注学生学情，但学生人数较多导致教师注意力落在课堂设计而不是学生身上，忽视学生的主体地位，降低师生之间的有效交流。实验班人数多使得教师难以展开指导工作，无法设计符合班级学情的教学活动，降低实验课堂的质量。1.2传统教育模式忽视学习情感因素的作用学习情感与学习参与度密切相关，积/消极情感与群体互动直接相关5，但现有的学习情感评价主要依赖于教师课堂上的主观判断和教学经验等，很难借助智能工具获得客观的学习情感数据，较少将其作为课堂教学质量和学生学习效果的评价指标。教师无法借助情感工具精准定位学生情感变化，重点关注实验报告、学习成绩等教育与教学研究第 8 期139能力。学习情感作为教学活动的一种非智力因素，与认知加工息息相关，能够显著影响学生的思维方式和学习结果6，精准反馈学生实际需求。因此，借助智能工具捕获学生情感数据，开展基于工程能力培养的工程实践创新项目（Engineering Practice Innovation Project,简称 EPIP）教学模式，通过精心设计实验课的教学模式与教学活动，使用情感数据和趋势图定位班级学情，重点提升学生创新实践能力，改革思路如图 1 所示。文字材料反馈的结果，减少课堂上师生情感的交互，降低实践教学的质量。2融入学习情感的计算机类实验教学模式的改革思路计算机类学科具有实践性强、发展迅速等特征，这要求教师要感知学生的个性需求，培养其创新思维与实践能力，提升其分析与解决问题的情感捕获工具高校实验课堂EPIP教学模式精准教学创新实践能力情感评价指标工程实践项目联合开启引入开展实现培养图 1 融入学习情感的计算机类实验教学模式3融入学习情感的EPIP实验教学模式 构建3.1学习情感的采集与分析3.1.1 情感可视化情感可视化作为情感识别的重要内容,研究者主要围绕生理信号、外显行为等展开研究7，发现可通过在线讨论文本、面部表情等方面进行显性化表达8。梅拉比安发现面部表情能够传达丰富的情感信息，是课堂教学最客观的指标之一，因此本文使用其可视化学生情感。为精准捕获学生面部表情，引入微表情平台技术，该平台通过识别表情类型、表征占比值等方式，实时捕获学生课上的面部表情，从而实现学习状态的可视化。借助此技术，教师能实时掌握学生需求，及时调动班级学习氛围，增强学生学习的积极性。以计算机网络的综合实验“园区网设计”为例，可视化结果见表 1。表 1“园区网设计”实验的情感可视化实验内容部分学生表情数据/%学生需求学生学情教师指导工作积极性完成率园区网设计惊喜 85.38、微笑 35.51实验任务合适高高引导学生进行下步实验惊喜 69.07、微笑 26.53实验任务合适高高引导学生进行下步实验恐惧 44.92、厌恶 48.15实验任务难低低重点关注情绪变化，必要时进行个别辅导3.1.2 表情数据的分析与处理当学生对内容安排、情境展示等表现出积极情绪时，将会激发学生的行为动机；当学生产生消极情绪时，将会降低学生继续参与学习的积极性，这要求教师在课堂上需要时刻关注学生的情感需求，及时做出课堂调整9。现有实验班人数众多，教师很难关注每位学生学情，这时需要引入微表情平台实时反馈实时2023140计 算 机 教 育Computer Education画面和表情数据集。实时画面精确识别学生消/积极情绪和占比值，表情数据反馈学生课堂表现和学习状态，数据分析过程如图 2 所示。3.2基于 EPIP 的教学模式设计EPIP 模式是工程、实践、创新和项目的有机组合10，是“做中学”在经济社会新常态下具体化的教学模式。该模式是在真实的工作场景中，针对具体的工作内容，将理论与实践融为一体；而在实际教学过程中，计算机类上机实验课也要求学生将理论知识应用到实验任务中。两者应用场景类似，故本文选择智慧化设计 EPIP 模式来实现教学改革。以“发现问题筛选问题研究问题解决问题”为基本设计思路，以任务驱动式为整体设计，依据工程需求分析，师生共同分解实验任务，设计 EPIP 各要素的内容，提炼实验所需的核心技术，创新设计理念与方法，构建与实现学习模型，培养学生创新实践能力。结合计算机学科的特点，EPIP 教学模式设计如图 3 所示。3.3融入学习情感的 EPIP 教学活动设计为精准感知学生学习情感的变化，克服教师的主观性判断，本文将微表情平台引入高校实图 2 表情数据的分析与处理过程微表情数据分析与处理学生个人学情个性培养精准教学教学评价教学反思实时监控画面个人情感变化图课上分析课后分析表情数据班级情感变化图班级学习氛围调整实验内容评价实验课堂质量小组情绪变化图实验组分配图 3“园区网设计”实验的 EPIP 教学模式设计教学模式设计园区网设计工程实践能力项目需求工程实践创新交换机配置路由器配置PC机双绞线VLAN 划分DHCP使用OSPF配置NAT配置子网划分IP地址划分ACL控制列表传输链路连接交换机使用网络调试能力项目主体学生教师发布学校+企业教育与教学研究第 8 期141验课堂，实时反馈学生情感变化和学习状态，捕获学生课上的表情数据。实验课堂开展以创新实践能力培养为目标的 EPIP 教学模式，以实际工程项目为教学课题，以工程需求为任务分解表 2“园区网设计”实验的教学活动设计教学环节任务分解微表情平台教师活动学生活动课前任务调研班级学生整体水平发布资料和实验任务提供上节课实验课堂班级情感变化趋势图观看情感变化图，关注消极情绪较多的学生，调整小组成员在教学平台上传相关材料阅读实验参考书观看学习资料和实验任务工程案例导入工程设计视频现存工程案例展示解决工程任务所需的预备知识实时监控学生活动，收集学生做测试题目的表情数据，实时反馈给老师播放视频，提出问题讲解案例核心要点布置测试任务依据微表情平台的实时表情数据，调整教学策略观看视频，回答关键点记录核心技术使用方法组内分工合作，完成布置的测试任务教学目标掌握实验设计的基本步骤交换机、路由器等器件的使用培养创新思维和工程实践能力后台数据库保存学生课堂表情数据，使用智能分析算法绘制情感变化图依据微表情平台提供的表情数据和情感变化图，掌握班级学情和学生学习情况，评估教学质量，从而制订教学目标明确实验目的教学内容交换机的使用方法VLAN 子网划分的过程设置路由端口地址及通信路径不同网络间的通信方法Ping 命令测试通信结果使用现有技术进行园区网设计实时捕获学生合作完成测试题目的情绪变化，绘制小组情感变化图视频展示，提出问题流程图讲解原理，布置测试例题讲解，展示设置过程视频展示通信方法使用例题展示如何判断过程观看微表情平台反馈的小组情感变化图，从而判断是否需要给予教学指导或理论讲解观看视频，回答要点组内合作完成小测试记录核心语句，实现例题记录要点，尝试实现听讲解，实现例题组间分配任务，设计方案课堂小结总结本节实验课的重难点总结与归纳核心技术组长反馈任务进度与实验中遇到的问题作业环节方案设计图和结果图测试源代码实验总结文档教学平台上发布任务上传程序代码和图片以组为单位上传文档教学评价评价本节课的质量教学计划的调整后台提供表情数据和学习情感变化图情感变化图反馈班级氛围表情数据实现教学调整反馈课堂真实感受反馈小组实验进度的基本标准，以工程实践为核心技术的提炼方法，通过精心设计实验课堂的教学活动，尝试将学习情感与 EPIP 模式有机结合，具体设计见 表 2。4融入学习情感的EPIP教学模式实施 过程4.1课前活动课前活动能提前公布实验任务，无形中将学生注意力转移到学习上。教师可以使用移动教学平台、学习通等学习平台，上传园区网设计相关资料，发布本节课实验任务；学生提前观看参考资料，阅读实验参考书，标注本次实验的重 难点。借助微表情平台，教师可查看上节课表情数据和情感变化图，重点关注消极情绪较多的学生群体，将其分配到积极情绪学习小组，在本次课上主动为其提供教学指导，提高班级整体学习 氛围。4.2课中活动课中活动由导入环节、授课环节、巩固练习、归纳小结和布置作业 5 个步骤组成，是掌握学习方法、培养学生能力的主要途径。本次实验课使用工程案例导入园区网实验，采用视频教学、流程图、思维导图和例题等多种方式展示实验任务，小组合作探究式实现方案设计与技术 2023142计 算 机 教 育Computer Education训练。依据微表情平台提供的实时画面和表情数据，教师能了解学生个人和小组的学习状态，精准把握其情感变化的趋势，客观分析班级学习情况，综合评价实验课堂质量，实现教学计划的 调整。4.3课后活动课后活动主要由学生完成实验报告、教师进行教学评价与反思两部分组成。实验报告是使用文字形式将实验过程和测试结果记录下来的书面材料，是学生对实验内容的再现，能有效反馈学生的学习效果，帮助学生巩固理论知识和提升创新实践能力。教学评价是对教学活动价值作出判断的过程，利用微表情平台提供的表情数据和情感变化图，教师可掌握个人、实验组和班级整体情况，重点分析学生消极情绪的原因，反思课堂教学环节设计的缺陷，思考实验小组划分的合理性。以某校 2020 级计算机 1 班一次实验课为例，结果见表 3。5教学效果分析5.1实践教学满意度调查通过问卷调查获得学生对改革后实践教学课堂的满意度，问卷发放给 2020 级两个班级的 181名本科生，结果见表 4。5.2学习情感可视化的效果检验5.2.1 微表情平台捕获课堂实时画面微表情平台提供的实时画面能识别表情类别、表征占比值，调用智能分析算法构建个人情感变化图。教师借助表情数据可精准掌握学生的学习状态，重点关注消极情绪较多的学生，有针对性地提供个别辅导。5.2.2 表情数据实现学习状态可视化依据表情数据可判断学生在实验课上的情绪变化，使用课堂积极性、学习动机作为判断指标，从而实现学生学习状态的可视化，部分学生数据见表 5。表 3 情感数据实现教师的教学评价与反思分析层次表情数据学情分析教学反思表情分类占比值/%情感变化图学生个人实验组整个班级悲伤50.79趋向消极情绪任务难，积极性低重点关注，适当给予指导惊喜85.38趋向积极情绪小组交流合作能力强分组符合学生需求，尝试引入新成员幸福89.77趋向积极情绪课堂整体环节设计良好班级氛围良好，学生动机强表 4 基于面部表情的学生学习状态可视化序号调查问题可选项调查结果数量/名比例/%1所在班级计算机 1 班8949.17计算机 2 班9250.832课中教师是否能发现学生个人情况？能发现17295.03适中63.31不能发现21.103课中教师指导与传统模式相比，是否及时？及时16088.40适中2011.05不及时10.55教育与教学研究第 8 期143续表 4序号调查问题可选项调查结果数量/名比例/%4课中教师能否掌握班级氛围，及时做出课堂调整？及时17093.92适中116.08不及时005下节课堂，教师是否针对上次课的问题进行改进？能改进16892.82适中105.52不能改进31.66表 5 基于表情数据的学习状态可视化实验对象面部表情学习状态积极性学习动机1惊喜 85.38 微笑 32.51高强2微笑 53.94 惊喜 50.09高强3恐惧 43.99 厌恶 39.45低弱4悲伤 50.79 愤怒 31.23中等中等5微笑 9.69 幸福 89.77高强6微笑 50.80 惊喜 79.70高强55悲伤 50.72 厌恶 17.02中等中等56微笑 1.23 惊喜 90.79高强57惊喜 69.07 微笑 26.53高强58厌恶 60.95 恐惧 16.88低弱59悲伤 43.01 恐惧 14.33中等中等60惊喜 75.36 微笑 29.37高强176愤怒 67.78 悲伤 4.21中等中等177悲伤 41.54 愤怒 2.96中等中等178微笑 15.02 惊喜 55.36高强179悲伤 80.95 愤怒 6.33中等中等180恐惧 39.54 厌恶 47.06低弱181微笑 70.03 惊喜 26.16高强2023144计 算 机 教 育Computer Education5.2.3 学习状态反馈课堂教学质量以表 3 实验课堂某阶段情感数据为例，将表5 学生数据使用智能算法生成个人、小组和班级的情感变化趋势图，帮助教师掌握班级学生消/助微表情平台实时掌握学生课堂情感变化，使用EPIP 教学模式合理设计课堂活动，旨在满足每位学生的个性化需求，培养学生创新实践能力。依托表情数据和情感变化图，教师可重点关注消极情绪较多的学生，精准定位班级学情，客观分析课堂质量，实现教学评价与反思，推动个性化教育的发展。参考文献：1 中央网络安全和信息化委员会.中央网络安全和信息化委员会印发“十四五”国家信息化规划EB/OL.(2022-03-08)2022-11-10.http:/ 陈智勇.计算机科学与技术专业学生系统能力培养的改革与实践J.计算机教育,2019(3):58-61.3 张其亮,周瑜,卢治.“三位一体”层次化实践教学体系构建与实施J.实验技术与管理,2019,36(1):33-36.4 张其亮,陈永生,杜晓明.基于混合思维能力培养的计算机类实践教学改革与实施J.实验技术与管理,2021,38(6):203-207,216.5 Wu C H,Huang Y M,Wang J P.Review of affective computing in education/learning:Trends and challengesJ.British Journal of Educational Technology,2016,47(6):1304-1323.6 Linnenbrink G L,Pekrun R.Students emotions and academic engagement:Introduction to the special issueJ.Contemporary Educational Psychology,2011,36(1):1-3.7 徐振国.智慧学习环境中学习画面的情感识别及其应用D.济南:山东师范大学,2019.8 王小根,陈瑶瑶.多模态数据下混合协作学习者情感投入分析J.电化教育研究,2022,43(2):42-48,79.9 李同同,谭多宁,谭绍华.在线学习情感体验的维度、特征及其作用机制J.成人教育,2022,42(10):63-70.10 吕景泉,张维津,米靖.论工程实践创新项目(EPIP)教学模式的“工程化”:从陶行知的生活教育思想说起J.中国职业技术教育,2021(2):14-17.（编辑：孙怡铭）图 4 融入学习情感的高校实践课堂实例设计123456789101112020406080100学生人数消极情绪积极情绪积极情绪的分布情况，为后续实验教学工作提供参考（如图 4 所示）。当消极情绪过多导致课堂氛围不佳时，教师能及时作出教学调整，调动学生积极性，促进积极情绪的产生。班级学生学习积极性不高、动机弱，需要教师加以干预，如增设理论课对消极情绪较多的学生进行专门辅导等来促进班级氛围的良好转化。6结 语融入学习情感的计算机类实验教学模式借