智慧教室场景下计算机类课程教学模式探索

邓娜 刘永川 陈旭

摘 要：随着信息化技术在教育行业中的应用逐步深入，高等教育也面临重大改革。作为教育信息化进程中一个重要基础设施，智慧教室越来越受到国内外教育工作者和管理者重视。为填补当前相关研究空白，为一线教育工作者提供教学参考与改革思路，在分析智慧教室功能与优势后，针对计算机类课程的特殊性，总结传统教室场景下计算机类课程教学面临的主要问题。以数据挖掘课程中的网络爬虫章节为例，设计智慧教室场景下的教学过程，以探讨未来智慧教室场景下的计算机类课程教学模式，从而不断提高教学质量。

关键词：智慧教室;计算机类课程;数据挖掘;教学模式

0 引言

随着信息技术的快速发展及其应用范围的不断扩大，高等教育领域也面临重大改革。2016年6月，教育部颁发了《教育信息化“十三五”规划》，强调信息化在教育教学中的重要性[1]，鼓励将各类信息技术应用于教育教学中，以期全面提升我国教育信息化水平。

近年来，教育信息化已初见成效，从多媒体教室的普及到慕课、云课堂等各种形式在线学习平台的广泛使用，信息技术有效推动了教学改革，使其向教育公平化、大众化与泛在化迈进了一大步[2]。

作为教育信息化进程中的一个重要设施，智慧教室融合了多种终端设备，集成了物联网、移动计算、大数据、云计算、人工智能等多种先进信息技术，现在越来越受到国内外一线教育工作者与教育管理者重视[3-5]，学者们也对其进行了大量研究。如文献[6]设计并实现了一个智慧课堂系统，介绍了其各个功能模块;文献[7]在分析传统多媒体教室的弊端后，探索了智慧教室的应用实践模式;文献[8]介绍江南大学的智慧教室建设经验，包括体系架构建设及其与教学环节的衔接;文献[9]提出一种基于物联网与云计算技术的智慧教室系统架构，并给出具体实现方案;文献[10]聚焦智慧教室中的声音识别等技术，利用学生画像协助教师实现个性化教学;文献[11]介绍智慧教室的显著特征，包括无线射频技术使用、师生顺畅交流以及用户行为分析等，并设计一个基于Web的工作环境，其承载了智慧教室中的多种应用，如多媒体、电子图书等，以帮助教师感知学生注意力，辅助其作出智能决策;文献[12]详细讨论了无线射频技术在智慧教室中的应用。

综上，目前有关智慧教室的相关研究大多是一种泛在的研究，即关注于智慧教室本身的软硬件设施或探索智慧教室对传统教学模式带来的影响与变革，很少从某个特定学科角度考虑智慧教室中的实际教学模式。针对这一现状，本文将研究重点聚焦于计算机类课程，以数据挖掘课程为例，详细介绍其在智慧教室场景下的教学过程设计。

1 智慧教室功能

智慧教室是当前物联网技术、移动计算、云计算等各类信息技术共同发展的产物，是智慧校园的一个重要组成部分。自古以来，教室就是教师授课、学生学习的主要场所，智慧教室除保留传统教室的基本属性外，避免了传统教室的诸多不足，并加入了更多智慧功能，主要体现在以下几方面：

（1）电子白板与触控投影功能。智慧教室安装了带有电子白板功能的触控投影机，代替传统的黑板教学，不仅能让师生在无尘环境中学习，保护师生健康，还能方便地展示各类教学材料，使教师授课内容更加生动形象。

（2）教学视频录制与云存储。智慧教室配备高清录像机，能将课程全过程录制下来并存储在云端，学生可通过观看视频对知识温故知新，教师也能通过回看课程视频自查教学过程中的不足，查漏补缺。

（3）电子考勤。传统教室中的学生考勤只能通过教师点名的方式完成，不仅浪费时间，还容易出现学生代签的情况。在智慧教室中，教室门外安装有电子考勤系统，能通过指纹、人脸识别等形式完成考勤工作，省时且高效。

（4）基于问答器或移动设备的师生互动。在传统教室中，师生互动通常是由教师点名个别学生进行回答，在该形式下，教师只能掌握部分学生的知识掌握情况。在智慧教室中，学生可通过桌上的问答器或移动设备（手机、平板电脑）回答问题，教师能迅速掌握全体学生的答题情况，了解学生共性问题，从而有针对性地调整教学内容与教学进度。

（5）教室设备互联与智能化。智慧教室构建在物联网技术基础上，教室中的各类设备互联互通且具有智能。例如，照明设备通过判断教室中是否有人从而自动开关，空调设备能根据室温自动调节温度，通风换气系统能根据空气质量自动换气，窗帘控制器也能通过当前照明情况控制窗帘动作等，从而创造一个舒适、节能的教学环境。

（6）教育大数据分析。不论是考勤系统，还是问答器或移动设备提供的数据，都能成为教育大数据分析对象，这些数据能帮助教师了解学生学习态度与对知识的掌握情况。

智慧教室智能组成部分如图1所示。

2 智慧教室优势

与传统教室相比，智慧教室在以下几方面具有明显优势：

（1）空间自由。智慧教室通常采用小班教学，桌子能自由拼组，椅子能360度旋转，方便教师使用各种新型教学模式组织教学，如翻转课堂、SPOC、对分课堂等。学生能够很方便地组成小组，并通过旋转椅子与周围同学进行讨论，这在传统教室里是难以实现的。

（2）信息保存时间持久。在智慧教室中，教学信息能被持久保存。电子白板上的板书、整个教学过程以及考勤与师生互动信息都被保存下来，这些保存的信息不仅是教育大数据分析的数据来源，还能成为提升教学质量的历史参考信息。

（3）配套设施智能化。照明、空调、通风换气、窗帘等各种配套设施的智能化能为师生创造一个节能、舒适的教學环境。

智慧教室的功能、优势及其对传统教室不足之处的改进如表1所示。

3 传统教室场景下计算机类课程教学面临的问题

计算机类课程的理论性与操作性都非常强。绝大部分计算机类课程，如数据结构、数据库、高级程序语言设计（如Java、Python等）、软件工程、数据挖掘、网页制作等，掌握相关理论只是基本教学目标，更重要的是能将理论应用于实践进行软件项目开发或科学研究。在传统教室里，教师教学侧重于理论，操作实践在实验课上完成。学生在课堂上只能学习理论知识，而不能同步进行实践，教学效果通常不好，容易造成理论与实践脱节。

此外，传统教室里的师生互动大多只能以理论知识提问的形式开展，教师只能了解部分学生对知识的掌握情况。另外，对于计算机类课程，教师不仅希望了解学生对理论知识的掌握情况，同时也希望了解学生的动手实践能力。

在智慧教室中，每位学生桌上都配备了平板电脑等设备，学生能跟随教师授课进度一边听讲，一边在电脑上操作。智慧教室的无线投影功能可对每位学生的实践情况进行投影，让教师能清晰地了解全班学生的实践情况。

4 智慧教室场景下的教学过程——以数据挖掘课程為例

数据挖掘是计算机课程中的一门专业课程，通过该课程的学习，要求学生掌握海量数据的采集、分析与挖掘方法，具备采集与挖掘特定领域数据的能力。在传统教学中，在课堂上进行数据挖掘理论知识讲解，实践通过上机完成，教学效果不佳。以数据挖掘中的网络爬虫章节为例，在智慧教室场景下，一次完整的教学过程设计如下：

（1）课前。Python语言由于具有简单易学、安装简单、功能强大等特点，已逐步替代了Java语言，成为计算机行业内应用最广的语言之一。为了与时代接轨，在数据挖掘课程中，教师放弃沿用多年的Java语言，而选择Python语言进行授课。Python安装简单，其逐行执行的特点使其特别适合于在课堂上进行教学与演示。在课前，教师需确保智慧教室中覆盖有互联网，每台电脑上安装有Python编程环境，并且学生已通过电子考勤设备完成考勤。在教师和学生进入教室前，教室里的灯光、空调、通风系统、窗帘等智能设施已自动调节至最佳状态。

（2）课中。针对网络爬虫章节，以某网站网页爬取为例，教师将理论与实践融合在一起进行教学。教师首先利用智慧教室的电子白板和投影设备为学生讲解爬虫基本原理，然后教师在教师用机上使用Python语言编写网络爬虫代码。爬虫代码包括网站连接、网页获取、网页内容保存、网页内容解析等方面内容。在代码编写过程中，教师对代码进行讲解，并对需要导入的Python包、调用函数、输入参数、容易出错的地方进行着重强调。学生一边在投影上观看教师编码过程，一边在自己的电脑上编写代码，与教师保持同步。为了考查学生对爬虫的掌握情况与举一反三的能力，教师在课堂上布置一个任务：爬取指定网站网页，并对网页内容进行保存与解析。通过智慧教室的无线投影功能，教师可将任何一位学生的电脑投影出来，检查其任务完成情况。这一举措能激励学生在课堂上保持注意力高度集中。此外，教师可以针对一些有争议的问题设置互动环节，如互联网企业如何限制第三方爬虫？反爬虫和反反爬虫有哪些技巧？学生在各自的问答器或移动设备中答题，教师能迅速收集全班学生的回答并有针对性地进行答疑。

（3）课后。课程结束后，各种智能配套设施自动关闭。整个课堂教学过程都被录制为视频存储在云端，学生可以在课后跟随视频进行复习，教师也能回看视频自查不足，并对考勤、课堂互动等数据进行统计分析，对学习落后的学生加以重点关注。

5 结语

虽然目前智慧教室在我国应用尚不多，但随着物联网、人工智能、移动计算技术的发展，以及教育管理者对智慧教室的日益重视，相信在不久的将来，智慧教室能逐步替代传统教室成为新一代主流教学场所。下一步研究将聚焦于智慧教室场景下的实践教学效果评估。

参考文献：

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（责任编辑：黄 健）