徐偉，趙宇靈，孫盼盼，蔣劍軍

（銅陵學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機學(xué)院，銅陵244002）

高校教學(xué)模式創(chuàng)新已成為時代關(guān)注的焦點，混合式教學(xué)正在走進高校課堂，逐漸成為高校教學(xué)模式的主流。反轉(zhuǎn)課堂是混合式教學(xué)的重要組成部分。針對反轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式中師生角色反轉(zhuǎn)的實施方案進行細致的研究。首先設(shè)計針對高校師生關(guān)于反轉(zhuǎn)課堂認知的調(diào)查問卷，問卷共有29個問題113個選項，收集到1032份有效的調(diào)查資料。然后通過隨機森林挖掘113個選項的重要性，選擇重要性排名最前的10個選項來建立決策樹模型以獲得師生角色反轉(zhuǎn)滿意度最高的實施方案。最后將所得師生角色反轉(zhuǎn)方案在銅陵學(xué)院運籌學(xué)課堂進行實施，獲得理想的教學(xué)效果。對反轉(zhuǎn)課堂中師生角色反轉(zhuǎn)實施方案的研究是當(dāng)前教學(xué)模式創(chuàng)新的理論探索，是銅陵學(xué)院運籌學(xué)課堂師生共同完成的，為引導(dǎo)更多教師和大學(xué)生加入到教學(xué)創(chuàng)新實踐中拋磚引玉。

反轉(zhuǎn)課堂；角色反轉(zhuǎn)；決策樹模型；隨機森林

0 引言

目前，在國家大力推行“大眾化教育”的背景下，本科生教學(xué)工作存在課程定位、內(nèi)容選擇、課程與科學(xué)研究結(jié)合等方面尚有不足，傳統(tǒng)的教學(xué)模式效果不理想的現(xiàn)象[1]。時代的進步呼吁高校教學(xué)模式的創(chuàng)新，混合式教學(xué)正在走進高校課堂，逐漸成為高校課堂的主流教學(xué)模式。反轉(zhuǎn)課堂是混合式教學(xué)的重要組成部分。國內(nèi)關(guān)于翻轉(zhuǎn)課堂研究的文獻非常豐富，其中趙曉嵐在《翻轉(zhuǎn)課堂模式下大學(xué)英語教學(xué)創(chuàng)新對策研究》闡釋了反轉(zhuǎn)課堂的核心就是轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學(xué)模式中師生的角色地位，使學(xué)生成為課堂學(xué)習(xí)的主人，從而激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動他們的自主學(xué)習(xí)能動性[2]。本文贊同反轉(zhuǎn)課堂的“師生角色核心論”的觀點。但師生角色地位的改變，一方面需要教師高超的課堂教學(xué)技能和絕妙的課堂組織藝術(shù)，另一方面需要引起大學(xué)生的共鳴，引導(dǎo)大學(xué)生參與到角色轉(zhuǎn)換之中，不能一廂情愿地推行反轉(zhuǎn)課堂的核心論調(diào)。

本文在當(dāng)前國內(nèi)反轉(zhuǎn)課堂研究成果[3-4]的基礎(chǔ)上，為克服傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生學(xué)習(xí)的被動和盲從的弊端，讓“反轉(zhuǎn)課堂核心論”起到積極促進教學(xué)創(chuàng)新、學(xué)生成才的作用，對反轉(zhuǎn)課堂中師生角色反轉(zhuǎn)進行了細致的研究。首先，設(shè)計了針對高校師生關(guān)于反轉(zhuǎn)課堂認知的調(diào)查問卷，問卷共有29個問題113個選項，涉及到傳統(tǒng)教學(xué)和反轉(zhuǎn)課堂的基本認知、教學(xué)中師生積極性的調(diào)動、反轉(zhuǎn)課堂中師生角色反轉(zhuǎn)的條件和方式等多個方面，歷時月余共收集到1032份有效的調(diào)查資料。然后，通過隨機森林挖掘了問卷中113個選項的重要性，選擇重要性排名最前的10個選項來建立決策樹模型以獲得師生角色反轉(zhuǎn)滿意度最高的實施方案。最后，將所得師生角色反轉(zhuǎn)方案在銅陵學(xué)院運籌學(xué)課堂進行實施，大學(xué)生在學(xué)習(xí)能力、表達能力、溝通能力、教學(xué)能力、期末成績等方面取得了明顯的進步，獲得了理想的教學(xué)效果。

本文基于對調(diào)查數(shù)據(jù)的分析獲得反轉(zhuǎn)課堂師生角色反轉(zhuǎn)方案，通過課堂實踐實證教學(xué)新模式的可行性和價值性，對反轉(zhuǎn)課堂模式創(chuàng)新進行了有益的理論探索，為引導(dǎo)更多教師和大學(xué)生加入到教學(xué)創(chuàng)新實踐中拋磚引玉。

1 因素重要性挖掘

這一節(jié)應(yīng)用收集到的數(shù)據(jù)對影響反轉(zhuǎn)課堂認知及反轉(zhuǎn)課堂中師生反轉(zhuǎn)條件和方式的因素的重要性進行挖掘，并應(yīng)用挖掘出來的因素做進一步的分析。

1.1 數(shù)據(jù)量化

我們的調(diào)查是在問卷星上進行的，網(wǎng)址：https://www.wjx.cn/m/50224157.aspx。

我們在調(diào)查問卷中設(shè)計的問題都是定性問題，所以通過問卷調(diào)查獲得的數(shù)據(jù)都是定性數(shù)據(jù)，需要首先對各問題下的選項進行量化處理。量化方法是機器學(xué)習(xí)中的編碼：對每個選項引入一個虛擬變量（下文稱為特征），虛擬變量采用連續(xù)編號，對各單選題對應(yīng)的虛擬變量按獨熱編碼[5]賦值，對各多選題對應(yīng)的虛擬變量按多熱編碼賦值。

1.2 數(shù)據(jù)分析

我們應(yīng)用隨機森林方法挖掘特征的重要性。

隨機森林是一種機器學(xué)習(xí)方法，因其預(yù)測準確率高、對異常數(shù)據(jù)和噪聲容忍度高、不容易出現(xiàn)過擬合等優(yōu)點，在醫(yī)學(xué)、生物信息學(xué)、管理學(xué)等眾多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在挖掘特征的重要性上功能強大[6]。因為我們設(shè)計的調(diào)查問題中出現(xiàn)多次跳轉(zhuǎn)致數(shù)據(jù)缺失情況頻現(xiàn)，這類數(shù)據(jù)非常適合應(yīng)用隨機森林進行分析。

我們應(yīng)用隨機森林的回歸功能來挖掘特征的重要性。此時以第29問為被解釋變量，其余問題對應(yīng)的虛擬變量為解釋變量建立回歸模型。對第29問各選項重新賦值如表1。

表1 第29問各選項的賦值

數(shù)據(jù)分析準備工作已經(jīng)完成。應(yīng)用MATLAB隨機森林工具箱計算得到各特征的重要性如表2所示（表2中羅列了重要性排名最前的10個特征，完整結(jié)論請見百度網(wǎng)盤（鏈接：https://pan.baidu.com/s/1bC3aFan7DCHZ3uvullUPQg，提取碼：do05）；表2中的10個特征連同其后兩列數(shù)據(jù)將用于進一步分析——決策樹建模）。

表2 重要性排名前10的因素

*此處的重要性是從特征的干擾能力和抗干擾能力的角度提取的。

表2的后兩列數(shù)據(jù)直接從問卷星獲得，占比結(jié)果均為：選項選擇人數(shù)/總選項選擇人數(shù)，將用于決策樹建模[7]。特征重要性可視化如圖1所示，從圖1可清晰明了地看出各特征的重要性。

圖1 特征重要性的可視化

從表2或圖1可獲知，影響反轉(zhuǎn)課堂實施最大的幾個因素是對大學(xué)生溝通能力的培養(yǎng)、所在年級等，說明二年級和三年級大學(xué)生希望通過反轉(zhuǎn)課堂在溝通能力方面能夠得到切實的培養(yǎng)。下面通過決策樹模型獲得實現(xiàn)大學(xué)師生期望的培養(yǎng)技術(shù)路線。

2 反轉(zhuǎn)課堂中師生角色反轉(zhuǎn)方案及基于銅陵學(xué)院運籌學(xué)課堂的實踐

我們應(yīng)用提取在表2中的10個特征建立決策樹模型以獲得反轉(zhuǎn)課堂中師生角色反轉(zhuǎn)的滿意方案。并將獲得的方案在銅陵學(xué)院運籌學(xué)課堂進行實踐。

2.1 決策樹模型

我們以表2中提取的10個特征為枝建立決策樹模型。各枝上主要有兩個量：收益及收益對應(yīng)的概率。

各枝的收益的確定：各枝的收益取為對該選項回答的人數(shù)，且回答是積極面的取為正收益，回答是消極面的取為負收益，回答是中性的收益令為0。

各枝收益對應(yīng)的概率：取為對該選項回答人數(shù)的占比。

我們從問卷星中可以方便地獲取各選項對應(yīng)的這兩個數(shù)據(jù)，已事先羅列在表2中，建模時再給收益賦以正負號或糾正為0。

決策樹建模準備工作已經(jīng)完成，建立決策樹模型如圖2，是一棵有四枝的樹。

圖2 反轉(zhuǎn)課堂實施方案的決策樹模型，其中U是收益，P是概率

通過求解得到樹中各枝下的期望收益如表3所示。

表3 決策樹模型4枝期望收益

從而期望收益最大的分枝為第2枝：7B-10F-12A-15A-16B/16C-17C。

2.2 最優(yōu)枝對應(yīng)的反轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的意義

對于決策樹最優(yōu)枝傳達出的信息，我們進行了如下提煉：

（1）最優(yōu)枝正向信息：

①第7問是對與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比反轉(zhuǎn)課堂具有的優(yōu)勢進行調(diào)查，選項B是比較有利于培養(yǎng)和提高學(xué)生溝通能力。該選項出現(xiàn)在最優(yōu)枝上，說明受調(diào)研師生對反轉(zhuǎn)課堂的基本認知還是具備的，進而說明反轉(zhuǎn)課堂的實施已有厚實的群眾基礎(chǔ)。

②第12問是對反轉(zhuǎn)課堂實施學(xué)科的調(diào)查，選項A是哲學(xué)。該選項出現(xiàn)在最優(yōu)枝上為學(xué)校管理層在選擇推行教學(xué)創(chuàng)新學(xué)科時提供了建議，為全面推行教學(xué)創(chuàng)新提供了觀察窗口和夯實了教改基礎(chǔ)。

③第16問是對大學(xué)生所處年級的調(diào)查，選項B是二年級、選項C是三年級。它們出現(xiàn)在最優(yōu)枝上，說明二年級和三年級的大學(xué)生是渴望教學(xué)模式創(chuàng)新的主體，這是當(dāng)前高校比較真實的寫照。這為教師實施反轉(zhuǎn)課堂的對象提供了依據(jù)，即在二年級和三年級大學(xué)生中實施反轉(zhuǎn)課堂，他們愿意且樂意接受，實施師生角色的轉(zhuǎn)換不會遭遇抵觸，而且可能會讓大學(xué)生產(chǎn)生比較大的新奇感，從而提升教學(xué)效果。

（2）最優(yōu)枝反向信息

第10問是對反轉(zhuǎn)課堂有利于大學(xué)生哪方面的發(fā)展的調(diào)查，選項F是“其他”（占比7.98%）；第15問是對施行反轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的態(tài)度的調(diào)查，選項A是“堅決反對”（占比4.74%）。這兩個選項出現(xiàn)在最優(yōu)枝上，雖然占比小但影響大。說明受調(diào)研師生在反轉(zhuǎn)課堂對大學(xué)生能力培養(yǎng)方面的認識不足，一定程度上不利于反轉(zhuǎn)課堂的全面實施，從而對教學(xué)創(chuàng)新起一定的阻滯作用。

綜合上述信息，從最優(yōu)枝導(dǎo)出的反轉(zhuǎn)課堂實施的技術(shù)路線為：二年級和三年級、哲學(xué)類課程、側(cè)重溝通能力培養(yǎng)。

反轉(zhuǎn)課堂對溝通能力的培養(yǎng)有多種途徑，例如討論課、師生角色轉(zhuǎn)換，都是有效的途徑。其中師生角色轉(zhuǎn)換無疑是包括溝通能力在內(nèi)的多能力同時培養(yǎng)的最高效的途徑。適合師生角色轉(zhuǎn)換的課程，實事求是地說，又以專業(yè)課為佳。于是反轉(zhuǎn)課堂實施的技術(shù)路線調(diào)整且具體化為：二年級和三年級、專業(yè)課程、師生角色轉(zhuǎn)換、多能力綜合培養(yǎng)。

2.3 基于最優(yōu)枝的反轉(zhuǎn)方案的實施

銅陵學(xué)院運籌學(xué)課程是十余個專業(yè)在大學(xué)二年級開設(shè)的專業(yè)主干課程。

我們按照上述路線在數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)運籌學(xué)課堂中實施師生角色轉(zhuǎn)換的反轉(zhuǎn)課堂，整個課程共有41名大學(xué)生走上講臺，從課堂聽眾轉(zhuǎn)換為課堂主講，教師在課前指導(dǎo)學(xué)生備課，在課中一半時間成為聽眾，課后進行點評以幫助學(xué)生進步。在實施過程中，班上的學(xué)生從最初的謹小慎微到課程即將結(jié)束時的落落大方，從前對課程的一知半解到對運籌學(xué)課程了解的細致入微，班級從沉默是金到侃侃而談，整個精氣神有了明顯的改變。在期末考試中，與其他科目相比，成績有顯著的提升。

3 結(jié)語

隨機森林和決策樹模型都是機器學(xué)習(xí)方法。與傳統(tǒng)的關(guān)于反轉(zhuǎn)課堂的研究方法不同，本文將機器學(xué)習(xí)方法引入到教學(xué)模式創(chuàng)新的研究中，獲得了基于數(shù)據(jù)的反轉(zhuǎn)課堂師生角色轉(zhuǎn)換的實施技術(shù)路線，并在銅陵學(xué)院運籌學(xué)課堂進行試點。這是反轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式研究的新視角。

無論從調(diào)查數(shù)據(jù)，還是實施反轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)效果，兩個角度都表明，作為受教育者的大學(xué)生對高校教學(xué)模式創(chuàng)新總體上是持歡迎并擁抱的態(tài)度。作為教育者，我們更有義務(wù)在教學(xué)模式創(chuàng)新上精耕細作，為祖國高等教育大業(yè)貢獻力量。