數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在線智慧課堂的構(gòu)建與實踐

方 芳 束建華 張 蕾 沈同平 歐鳳霞

（安徽中醫(yī)藥大學(xué)<醫(yī)藥信息工程學(xué)院>，安徽 合肥 230012）

0 引言

隨著移動網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展與成熟，“智慧課堂” 這種新的教學(xué)模式應(yīng)運而生。 智慧課堂突破傳統(tǒng)教學(xué)方式，使得師生在在線的互聯(lián)網(wǎng)課堂中完成教學(xué)實驗等各項任務(wù)。 一方面，教師運用多重教學(xué)手段，通過“雨課堂”、MOOC、“騰訊課堂”等教學(xué)工具，合理安排教學(xué)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，實現(xiàn)全面的教學(xué)互動，完成“課前-課中-課后”全程教學(xué)；另一方面，教師借助工具中的輔助功能，實現(xiàn)教學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，對教學(xué)活動進行客觀的評價與總結(jié)，促進教師進行教學(xué)反思，有助于后續(xù)的教學(xué)。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，介紹各類經(jīng)典數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特性及相關(guān)算法的實現(xiàn)，為后續(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)[1]。然而，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)課時有限，授課中有些重要知識點無法深入講解；從算法的學(xué)習(xí)到應(yīng)用實踐過程，學(xué)生存在不同程度的困難和疑惑，需要教師在課下給予及時的指導(dǎo)和交流。因此，如何合理使用“智慧課堂”教學(xué)模式，有效解決數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課堂教學(xué)存在的不足，這值得研究與實踐。

1 智慧課堂及研究現(xiàn)狀

關(guān)于“智慧課堂”的含義，從不同的視角來看有不同的理解[2]。從信息化的視角來看，“智慧課堂”是打破傳統(tǒng)課堂的時空局限， 使用目前的信息技術(shù)手段，構(gòu)建富有智慧的教學(xué)環(huán)境的一種模式。智慧主要體現(xiàn)在三個方面：（1）根據(jù)學(xué)習(xí)對象的特點，智能推送個性化的學(xué)習(xí)資源；（2） 教學(xué)全過程的師生高效互動；（3）動態(tài)記錄與分析教學(xué)大數(shù)據(jù)。智慧課堂，實現(xiàn)“以教師為中心”到“以學(xué)生為中心”的轉(zhuǎn)換，學(xué)生自主學(xué)習(xí)豐富的線上資源，師生、生生之間全過程的交流討論，促進學(xué)生個性化、創(chuàng)造性學(xué)習(xí)；大數(shù)據(jù)診斷、分析教學(xué)數(shù)據(jù)，客觀評價教學(xué)效果，這樣教師就能有的放矢調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和手段。智慧課堂從根本上促進師生之間教與學(xué)的高度融合，實現(xiàn)教學(xué)的良性循環(huán)。

目前，很多學(xué)者對智慧課堂教學(xué)模式的構(gòu)建進行不同角度的研究。 學(xué)者李昕昕[3]提出智慧課堂框架是由分布式處理平臺、圖像處理平臺、云平臺和應(yīng)用平臺構(gòu)成，并在框架中加入人臉檢測、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，從而提升人臉識別的準確率，優(yōu)化課堂管理效率。 學(xué)者賴曉云[4]研究智慧課堂教學(xué)模式構(gòu)建，并闡述了智慧教學(xué)活動過程和個性化智慧學(xué)習(xí)過程等內(nèi)容。學(xué)者吳亞軍[5]提出智慧課堂應(yīng)包含智慧環(huán)境、智慧教學(xué)、智慧學(xué)習(xí)和智慧評價四個方面，全面提升學(xué)生素養(yǎng)。

2 智慧課堂的構(gòu)建

在線智慧教學(xué)活動與普通教學(xué)不同，在班級人數(shù)較多的情況下學(xué)生端的攝像頭一般處于關(guān)閉狀態(tài)，教師在授課過程中無法直接得知學(xué)生的聽課狀態(tài)，只能通過語音、文本進行互動以保證教學(xué)效果，因此教師需要精心設(shè)計和把握好智慧課堂教學(xué)的每一個環(huán)節(jié)，保持與學(xué)生實時交流，以及時掌握班級的學(xué)習(xí)狀況。

智慧課堂以網(wǎng)絡(luò)平臺和在線資源為依托，以自動化的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和智能分析功能為切入點，深度介入教師的教學(xué)全過程， 精準管理學(xué)生學(xué)習(xí)的每一個環(huán)節(jié)。持久化的學(xué)習(xí)資源便于學(xué)生隨時預(yù)習(xí)和反復(fù)溫習(xí)，在線互動功能使得師生溝通交流更加順暢和多樣化，在線題庫幫助教師在不同環(huán)節(jié)布置各類作業(yè)任務(wù)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析反饋功能可以精確記錄每個學(xué)生的學(xué)習(xí)、作業(yè)、問題，并以準確的量化指標評估教學(xué)效果，以智能化的算法對數(shù)據(jù)進行分析并反饋結(jié)果。智慧課堂的模式如圖1 所示。

圖1 智慧課堂模式構(gòu)建

根據(jù)教學(xué)工作和智慧課堂特點，在線智慧教學(xué)的四個階段分別構(gòu)建組織對應(yīng)的教學(xué)活動，實現(xiàn)教學(xué)過程中的智慧課堂的全貫穿，具體包括互動式的課前準備、多元化的課堂教學(xué)、方便高效課后復(fù)習(xí)、準確全面的教學(xué)評價。

2.1 互動式的課前準備

與傳統(tǒng)的線下教學(xué)或線上教學(xué)相比，基于智慧課堂的課前準備， 教師除了能有更豐富的教學(xué)資源以外，還能較好地實現(xiàn)與學(xué)生的互動，包括定期收集學(xué)生的反饋，實時的互動信息等，幫助教師更好地了解課程和學(xué)生的狀況。 課前準備主要包括學(xué)情分析、學(xué)習(xí)內(nèi)容、預(yù)習(xí)效果三方面。針對課前的學(xué)情分析，教師可以從事先已導(dǎo)入平臺的信息庫中，查詢班級學(xué)生情況，比如：學(xué)生的專業(yè)特色與要求、課程學(xué)習(xí)目標、學(xué)生對先修課程的掌握情況、學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力與積極性等。針對學(xué)習(xí)內(nèi)容，教師可根據(jù)學(xué)生的特點，設(shè)計合理的自主學(xué)習(xí)任務(wù)單。 利用學(xué)習(xí)平臺，教師在課前將自主學(xué)習(xí)任務(wù)單和豐富的學(xué)習(xí)資源 （如：MOOC、Flash 動畫、PPT、博客等）發(fā)送給學(xué)生，學(xué)生接收到自主學(xué)習(xí)任務(wù)單，結(jié)合自身情況，有選擇性地預(yù)習(xí)教師提供的學(xué)習(xí)資源。 針對預(yù)習(xí)效果，教師可利用智慧課堂，發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)或測試，并針對預(yù)習(xí)布置一定量的作業(yè)。學(xué)生完成預(yù)習(xí)后可將結(jié)果和疑難問題實時反饋給在線平臺。教師上課前可查看學(xué)生的反饋和題目完成情況，以掌握學(xué)生預(yù)習(xí)的效果，對課堂教學(xué)計劃做出相應(yīng)的調(diào)整。

2.2 多元化的課堂教學(xué)

智慧課堂教學(xué)講究以學(xué)生為中心，鼓勵學(xué)生積極參與到課堂教學(xué)活動中， 形成良好氛圍的師生互動、生生協(xié)作，學(xué)生學(xué)習(xí)知識化被動為主動。 根據(jù)這些要求，可以充分利用智慧課堂的各種資源，實現(xiàn)教學(xué)方法多樣化，教學(xué)內(nèi)容豐富化，課堂任務(wù)多樣化。通過豐富的教學(xué)形式，拓展學(xué)生的視野，學(xué)生真正領(lǐng)會知識，實現(xiàn)創(chuàng)新性地運用。

2.2.1 教學(xué)方法多樣化

由于是在線學(xué)習(xí)，教師和學(xué)生雙方都利用電腦或移動端設(shè)備，能夠較好地完成平時線下無法實現(xiàn)的基于程序的操作與互動。 因此，教師可以充分利用在線平臺的各種多媒體教學(xué)資源和互動程序進行授課。教師在上課開始， 需要引導(dǎo)學(xué)生積極地進入課程學(xué)習(xí)中，在課程開始，可以播放多媒體，運行程序，直接訪問與課程內(nèi)容相關(guān)聯(lián)的網(wǎng)站以展示教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣， 讓學(xué)生很快進入本次課學(xué)習(xí)的情境中。授課途中，教師可以利用在線平臺的作業(yè)功能，布置針對某個重難點的測試題目讓學(xué)生完成，并實時觀察學(xué)生的掌握情況，并適時做出調(diào)整。 而在線平臺提供的互動功能， 也能夠讓師生進行短暫的交流討論，從而實現(xiàn)線下教學(xué)所無法實現(xiàn)的溝通交流。

使用智慧教學(xué)平臺，師生之間的互動非常方便。比如在線平臺配備的“彈幕”功能，學(xué)生可以進行匿名發(fā)言，教師即可實時獲得學(xué)生的反饋，了解班級的學(xué)習(xí)情緒，從而靈活機動地調(diào)整教學(xué)，或者可以課后進行線上答疑。 提問環(huán)節(jié)，可以通過學(xué)習(xí)平臺的“隨機點名”或“搶答”功能；也可以讓學(xué)生通過“投票”方式答題。

2.2.2 教學(xué)內(nèi)容豐富化

基于智慧教學(xué)平臺，教師將原本抽象、枯燥的知識點以多種方式展現(xiàn)， 較常規(guī)的內(nèi)容如錄制小視頻、動畫、互動小程序等。 同時教師還可以直接利用智慧平臺上的資源，例如慕課等在線課堂進一步補充教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生體會對同一知識點從不同角度、不同風(fēng)格的講授。豐富多樣的教學(xué)內(nèi)容使得知識點的講解變得更加直觀形象和充實豐滿， 激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，同時，也有助于學(xué)生對知識的聯(lián)想與重構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，教師積極引導(dǎo)學(xué)生，對知識做進一步延伸，從而課堂內(nèi)容不拘泥于課本，拓寬了學(xué)生的視野，鼓勵學(xué)有余力的學(xué)生課后能主動搜索并學(xué)習(xí)更多相關(guān)資料。

2.2.3 課堂任務(wù)多樣化

基于任務(wù)式的教學(xué)活動對于啟發(fā)學(xué)生思維，調(diào)動課堂積極性非常有效。教師通過“主題討論”功能發(fā)布一個學(xué)習(xí)任務(wù)，考核課堂講解知識點與現(xiàn)實應(yīng)用的融合，學(xué)生分組討論，共同協(xié)作，最終給出任務(wù)解決方案。在這個過程中，學(xué)生不斷深化所學(xué)的知識，并與原有知識進行整合，產(chǎn)生新思路，創(chuàng)新地解決實際應(yīng)用問題，從而完成知識的深度學(xué)習(xí)。而在智慧課堂中，課堂任務(wù)能夠以多種不同的方式布置，例如以單個任務(wù)或題目的方式布置給個人，隨后集中收集分析班級每個人的完成情況。 也可以按照傳統(tǒng)的小組方式，并且不會受到地點、座位等因素的限制，學(xué)生可利用在線資源和程序，充分交流溝通，查閱相關(guān)資料，并以更豐富的形式、更詳細的內(nèi)容提交任務(wù)結(jié)果。 還可以直接布置在線平臺的任務(wù)，觀察個人或小組的實時完成情況，這些都是以往的線下教學(xué)和單一在線平臺所無法完成的工作。

2.3 方便高效的課后復(fù)習(xí)

課后的復(fù)習(xí)是鞏固課堂所學(xué)知識的重要階段。以往的課后復(fù)習(xí)，學(xué)生主要憑借筆記或教材。 現(xiàn)在如果學(xué)生課上注意力不集中， 沒有跟上老師講課速度，或者沒來得及做好筆記，可以使用智慧教學(xué)平臺的“課程回放”功能，這樣學(xué)生可以進行根據(jù)個人情況，反復(fù)觀看學(xué)習(xí)，并做好筆記，實現(xiàn)有效地復(fù)習(xí)。

智慧課堂還有助于幫助教師批改作業(yè)，收集作業(yè)信息。 教師通過智慧教學(xué)平臺發(fā)布作業(yè)資源給學(xué)生，同時設(shè)置作業(yè)要求，例如完成作業(yè)的截止時間、發(fā)布作業(yè)答案的時間等。 學(xué)生在教學(xué)平臺上即可做題。 學(xué)生完成作業(yè)后，系統(tǒng)會自動呈現(xiàn)正確答案，并給出該學(xué)生做題的正確程度以及得分。智慧教學(xué)平臺提供了所有學(xué)生完成作業(yè)情況的詳細統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并以統(tǒng)計圖的方式進行顯示，學(xué)生完成作業(yè)情況一目了然。

教師整理學(xué)生作業(yè)中的問題， 對于共性問題，教師組織學(xué)生在線集中講解；對于個別問題，可以進行線上一對一的個性化輔導(dǎo)。 另外，教師可以在平臺上發(fā)起討論，圍繞某個主題，可以是知識難點或者知識的應(yīng)用，適當(dāng)?shù)匕胃?，鼓勵學(xué)生們討論交流，激發(fā)學(xué)生積極思考，提高分析與解決問題的能力。 學(xué)生之間也可以在平臺上發(fā)問與答疑。

2.4 準確全面的教學(xué)評價

以往學(xué)生的平時成績多數(shù)都以作業(yè)和課堂考勤情況進行評價，這種評分標準忽略了學(xué)生在這門課程中學(xué)習(xí)的過程，導(dǎo)致部分學(xué)生為了“提交作業(yè)”而“完成作業(yè)”，為了應(yīng)付考試而突擊學(xué)習(xí)。智慧課堂對課程形成性評價指標是多元化的，詳細記錄每位學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中的全過程，包含作業(yè)、測驗、簽到、在線學(xué)習(xí)課程時長、實驗時長、課堂討論、課堂積分等，從而對學(xué)生的成績評判更具客觀和公正性，也有助于形成積極良好的學(xué)習(xí)氛圍。

智慧學(xué)習(xí)平臺為教師提供課堂報告、學(xué)情統(tǒng)計和成績統(tǒng)計，并形成可視化的分析結(jié)果，為教師進行教學(xué)總結(jié)提供了便捷。教師可以從宏觀上統(tǒng)計某個班級的學(xué)習(xí)情況，也可以查看任一個學(xué)生的成績及其具體構(gòu)成。

3 智慧課堂教學(xué)實踐

智慧教學(xué)平臺可借助目前成熟的學(xué)習(xí)通、 雨課堂、釘釘?shù)然旌鲜皆诰€教學(xué)軟件來實施，部分高校也自行開發(fā)或購買了線上教學(xué)實驗平臺，這些教學(xué)軟件為線上教學(xué)提供了豐富的資源和教學(xué)環(huán)境，有助于實現(xiàn)教學(xué)中師生之間全程互動， 學(xué)習(xí)全過程數(shù)據(jù)的記錄、統(tǒng)計與分析。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[6-7]課程作為計算機專業(yè)基礎(chǔ)課，培養(yǎng)學(xué)生對抽象理論的理解， 對算法的應(yīng)用與實踐的能力，是一門理論與實驗并重的課程。 因此，根據(jù)本門課程的特點，授課選擇的是“雨課堂+錄屏軟件+微信”混合智慧教學(xué)平臺， 智慧課堂在線教學(xué)對象是18 屆醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)的學(xué)生。

3.1 課前預(yù)習(xí)

授課前，教師了解了學(xué)生的專業(yè)特點以及學(xué)生的基礎(chǔ)條件，通過在線平臺查閱該班以往的信息，發(fā)現(xiàn)學(xué)生基礎(chǔ)不錯，自學(xué)能力較強，班級學(xué)習(xí)氛圍良好。預(yù)習(xí)內(nèi)容難度可以適當(dāng)拔高。 為了調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，根據(jù)每節(jié)課的知識點， 教師將事先下載和制作的動畫、視頻插入到預(yù)習(xí)PPT 中，并和自主學(xué)習(xí)任務(wù)單一起上傳到在線平臺。 學(xué)生按照自主學(xué)習(xí)任務(wù)單的要求，進行預(yù)習(xí)。 學(xué)生在學(xué)習(xí)PPT 中，遇到“不懂”的地方，可以在PPT 上做標記，也可以自主搜索資料學(xué)習(xí)。教師通過雨課堂看到學(xué)生的反饋，相應(yīng)地對教學(xué)計劃做些調(diào)整，預(yù)留一些課上時間，對學(xué)生預(yù)習(xí)不懂的地方加以解釋。

3.2 理論教學(xué)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程講解線性表、棧、隊列、樹、圖等常用的數(shù)據(jù)模型及其相關(guān)算法的實現(xiàn)，理論抽象，算法不易理解，學(xué)生學(xué)習(xí)容易被動。因此，教師為加強學(xué)生參與度和師生互動，活躍課堂氣氛，提高教學(xué)效果，采用以下教學(xué)手段：

（1）基本的教學(xué)內(nèi)容講授。按照課件講義，利用在線平臺實施授課。

（2）事先錄制講解動畫。 針對重難點問題實現(xiàn)制作視頻，在課上播放，并分享給學(xué)生，課下復(fù)習(xí)使用。

（3）課上任務(wù)布置測試題。 利用在線平臺布置小型測試題，當(dāng)堂完成，實時了解學(xué)生掌握情況。

（4）課上布置分組任務(wù)。事先組成小組，課堂布置分組討論任務(wù)， 各小組分別利用自建的群當(dāng)堂討論，并由組長給出討論結(jié)果。

（5）課堂互動交流。利用在線平臺的彈幕，討論功能發(fā)起實時討論，觀察學(xué)生反饋。 利用測試題布置功能，設(shè)計若干小調(diào)查題目，利用平臺進行分析查看。

以“?！闭鹿?jié)內(nèi)容為例，課堂教學(xué)活動簡單概述如表1 所示。

表1 課堂教學(xué)活動舉例

3.3 實驗教學(xué)

實驗教學(xué)是學(xué)生實踐學(xué)習(xí)部分，對理論知識進行鞏固和求證的過程。由于一個班的學(xué)生對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的掌握情況、領(lǐng)悟能力和動手能力不相同，因此，本門課程的實驗教學(xué)，教師使用錄屏軟件錄制實驗教學(xué)視頻，詳細講解實驗內(nèi)容、相關(guān)知識點的復(fù)習(xí)、實驗的步驟、算法設(shè)計的思路等。錄好后，教師上傳視頻到雨課堂平臺，學(xué)生根據(jù)個人情況，進行有選擇性的學(xué)習(xí)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實驗分有驗證性實驗和應(yīng)用設(shè)計性實驗。對于驗證性實驗， 要求學(xué)生通過觀看實驗教學(xué)視頻，獨立思考并完成。 實驗課中，教師開啟雨課堂的“彈幕”，學(xué)生遇到困難，可發(fā)送彈幕，教師進行答疑講解。對于應(yīng)用設(shè)計性實驗，提供有15 道實驗題，學(xué)生根據(jù)自己的興趣進行選題，并以小組為單位協(xié)作完成。 通過“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)微信群”，教師可以實時了解每組學(xué)生完成實驗的進程，學(xué)生在群里提問，教師或其他同學(xué)都可以進行答疑。

3.4 課后知識鞏固

課后學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)完成教師布置的作業(yè)或小測驗， 教師在雨課堂平臺查看學(xué)生完成作業(yè)的情況，進行整理總結(jié)，對于共性問題，在雨課堂上進行集中講解，對于個性問題，將在微信中進行一對一的有針對輔導(dǎo)。 此外，教師可以選擇一兩份具有代表性的實驗作業(yè)，與學(xué)生共同討論。

3.5 學(xué)習(xí)評價與教學(xué)總結(jié)

智慧課堂對教學(xué)全過程進行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，教師可以確定學(xué)生對知識的掌握程度，量化學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，根據(jù)作業(yè)完成情況，課堂在線時長，實驗完成情況等，結(jié)合平臺給出的分數(shù)，為學(xué)生的學(xué)習(xí)水平給出全面客觀的評價。

4 智慧課堂教學(xué)效果分析

2018 屆醫(yī)信班的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程使用智慧教學(xué)平臺線上教學(xué)，通過平臺匯總的數(shù)據(jù)及圖示，授課教師能較易地發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的共性和個性問題，方便教學(xué)總結(jié)。 比如：開課初期存在個別學(xué)生上課遲到或聽課時長不足等問題，課后教師及時聯(lián)系學(xué)生，了解學(xué)生學(xué)習(xí)存在的困難并給予幫助，保證全班滿勤及學(xué)生在線聽課時長。課堂在線測試、隨機點名、主題討論等多種課堂互動很好地激勵學(xué)生，從數(shù)據(jù)來看，在線測試提交率基本達到100%，主題討論平均每周2～3 次，參與討論的學(xué)生約達到80%，隨機點名有效防止學(xué)生聽課思想“溜號”，如果被點名學(xué)生回答不甚理想，會有其他學(xué)生以語音或彈幕方式補充，課堂氣氛較好。 從課后作業(yè)數(shù)據(jù)來看，學(xué)生知識掌握情況良好，與2017屆學(xué)生相比，特別是作業(yè)中難度較大的題目完成得不錯。通過智慧教學(xué)平臺線上教學(xué)，師生、生生之間的互動與協(xié)作，較之線下教學(xué)增多，有效地提升了教學(xué)效果。 在不同教學(xué)方式下，學(xué)生對課程的興趣和教學(xué)活動的參與度明顯提高，試卷難度類似的情況下，考試成績也有所提高，如圖2 所示。

圖2 不同教學(xué)模式下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程考試成績對比

5 結(jié)語

實踐表明， 智慧課堂教學(xué)模式實現(xiàn)了“課前-課中-課后”教學(xué)全過程的師生互動與協(xié)作，智慧平臺的數(shù)據(jù)記錄與分析可以看出每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，教師可以有針對性地給予指導(dǎo)，有效地彌補線下教學(xué)的不足。 智慧課堂教學(xué)效果良好。 相信智慧課堂教學(xué)模式會越來越完善，發(fā)揮不可估量的教學(xué)效果。