数据结构在线智慧课堂的构建与实践

2021-04-09束建华沈同平欧凤霞

科技视界 2021年6期

方芳束建华张蕾沈同平欧凤霞

（安徽中医药大学<医药信息工程学院>，安徽合肥 230012）

0 引言

随着移动网络、物联网、云计算、大数据等技术的发展与成熟，“智慧课堂” 这种新的教学模式应运而生。智慧课堂突破传统教学方式，使得师生在在线的互联网课堂中完成教学实验等各项任务。一方面，教师运用多重教学手段，通过“雨课堂”、MOOC、“腾讯课堂”等教学工具，合理安排教学环节，引导学生学习，实现全面的教学互动，完成“课前-课中-课后”全程教学；另一方面，教师借助工具中的辅助功能，实现教学相关数据统计与分析，对教学活动进行客观的评价与总结，促进教师进行教学反思，有助于后续的教学。

数据结构是一门重要的专业基础课程，介绍各类经典数据结构的特性及相关算法的实现，为后续的专业课学习奠定基础[1]。然而，数据结构课程教学课时有限，授课中有些重要知识点无法深入讲解；从算法的学习到应用实践过程，学生存在不同程度的困难和疑惑，需要教师在课下给予及时的指导和交流。因此，如何合理使用“智慧课堂”教学模式，有效解决数据结构课堂教学存在的不足，这值得研究与实践。

1 智慧课堂及研究现状

关于“智慧课堂”的含义，从不同的视角来看有不同的理解[2]。从信息化的视角来看，“智慧课堂”是打破传统课堂的时空局限，使用目前的信息技术手段，构建富有智慧的教学环境的一种模式。智慧主要体现在三个方面：（1）根据学习对象的特点，智能推送个性化的学习资源；（2）教学全过程的师生高效互动；（3）动态记录与分析教学大数据。智慧课堂，实现“以教师为中心”到“以学生为中心”的转换，学生自主学习丰富的线上资源，师生、生生之间全过程的交流讨论，促进学生个性化、创造性学习；大数据诊断、分析教学数据，客观评价教学效果，这样教师就能有的放矢调整教学内容和手段。智慧课堂从根本上促进师生之间教与学的高度融合，实现教学的良性循环。

目前，很多学者对智慧课堂教学模式的构建进行不同角度的研究。学者李昕昕[3]提出智慧课堂框架是由分布式处理平台、图像处理平台、云平台和应用平台构成，并在框架中加入人脸检测、深度学习等技术，从而提升人脸识别的准确率，优化课堂管理效率。学者赖晓云[4]研究智慧课堂教学模式构建，并阐述了智慧教学活动过程和个性化智慧学习过程等内容。学者吴亚军[5]提出智慧课堂应包含智慧环境、智慧教学、智慧学习和智慧评价四个方面，全面提升学生素养。

2 智慧课堂的构建

在线智慧教学活动与普通教学不同，在班级人数较多的情况下学生端的摄像头一般处于关闭状态，教师在授课过程中无法直接得知学生的听课状态，只能通过语音、文本进行互动以保证教学效果，因此教师需要精心设计和把握好智慧课堂教学的每一个环节，保持与学生实时交流，以及时掌握班级的学习状况。

智慧课堂以网络平台和在线资源为依托，以自动化的数据统计和智能分析功能为切入点，深度介入教师的教学全过程，精准管理学生学习的每一个环节。持久化的学习资源便于学生随时预习和反复温习，在线互动功能使得师生沟通交流更加顺畅和多样化，在线题库帮助教师在不同环节布置各类作业任务，数据统计和分析反馈功能可以精确记录每个学生的学习、作业、问题，并以准确的量化指标评估教学效果，以智能化的算法对数据进行分析并反馈结果。智慧课堂的模式如图1 所示。

图1 智慧课堂模式构建

根据教学工作和智慧课堂特点，在线智慧教学的四个阶段分别构建组织对应的教学活动，实现教学过程中的智慧课堂的全贯穿，具体包括互动式的课前准备、多元化的课堂教学、方便高效课后复习、准确全面的教学评价。

2.1 互动式的课前准备

与传统的线下教学或线上教学相比，基于智慧课堂的课前准备，教师除了能有更丰富的教学资源以外，还能较好地实现与学生的互动，包括定期收集学生的反馈，实时的互动信息等，帮助教师更好地了解课程和学生的状况。课前准备主要包括学情分析、学习内容、预习效果三方面。针对课前的学情分析，教师可以从事先已导入平台的信息库中，查询班级学生情况，比如：学生的专业特色与要求、课程学习目标、学生对先修课程的掌握情况、学生自主学习的能力与积极性等。针对学习内容，教师可根据学生的特点，设计合理的自主学习任务单。利用学习平台，教师在课前将自主学习任务单和丰富的学习资源（如：MOOC、Flash 动画、PPT、博客等）发送给学生，学生接收到自主学习任务单，结合自身情况，有选择性地预习教师提供的学习资源。针对预习效果，教师可利用智慧课堂，发布预习任务或测试，并针对预习布置一定量的作业。学生完成预习后可将结果和疑难问题实时反馈给在线平台。教师上课前可查看学生的反馈和题目完成情况，以掌握学生预习的效果，对课堂教学计划做出相应的调整。

2.2 多元化的课堂教学

智慧课堂教学讲究以学生为中心，鼓励学生积极参与到课堂教学活动中，形成良好氛围的师生互动、生生协作，学生学习知识化被动为主动。根据这些要求，可以充分利用智慧课堂的各种资源，实现教学方法多样化，教学内容丰富化，课堂任务多样化。通过丰富的教学形式，拓展学生的视野，学生真正领会知识，实现创新性地运用。

2.2.1 教学方法多样化

由于是在线学习，教师和学生双方都利用电脑或移动端设备，能够较好地完成平时线下无法实现的基于程序的操作与互动。因此，教师可以充分利用在线平台的各种多媒体教学资源和互动程序进行授课。教师在上课开始，需要引导学生积极地进入课程学习中，在课程开始，可以播放多媒体，运行程序，直接访问与课程内容相关联的网站以展示教学内容，激发学生学习兴趣，让学生很快进入本次课学习的情境中。授课途中，教师可以利用在线平台的作业功能，布置针对某个重难点的测试题目让学生完成，并实时观察学生的掌握情况，并适时做出调整。而在线平台提供的互动功能，也能够让师生进行短暂的交流讨论，从而实现线下教学所无法实现的沟通交流。

使用智慧教学平台，师生之间的互动非常方便。比如在线平台配备的“弹幕”功能，学生可以进行匿名发言，教师即可实时获得学生的反馈，了解班级的学习情绪，从而灵活机动地调整教学，或者可以课后进行线上答疑。提问环节，可以通过学习平台的“随机点名”或“抢答”功能；也可以让学生通过“投票”方式答题。

2.2.2 教学内容丰富化

基于智慧教学平台，教师将原本抽象、枯燥的知识点以多种方式展现，较常规的内容如录制小视频、动画、互动小程序等。同时教师还可以直接利用智慧平台上的资源，例如慕课等在线课堂进一步补充教学内容，让学生体会对同一知识点从不同角度、不同风格的讲授。丰富多样的教学内容使得知识点的讲解变得更加直观形象和充实丰满，激发了学生学习的兴趣，同时，也有助于学生对知识的联想与重构，在此基础上，教师积极引导学生，对知识做进一步延伸，从而课堂内容不拘泥于课本，拓宽了学生的视野，鼓励学有余力的学生课后能主动搜索并学习更多相关资料。

2.2.3 课堂任务多样化

基于任务式的教学活动对于启发学生思维，调动课堂积极性非常有效。教师通过“主题讨论”功能发布一个学习任务，考核课堂讲解知识点与现实应用的融合，学生分组讨论，共同协作，最终给出任务解决方案。在这个过程中，学生不断深化所学的知识，并与原有知识进行整合，产生新思路，创新地解决实际应用问题，从而完成知识的深度学习。而在智慧课堂中，课堂任务能够以多种不同的方式布置，例如以单个任务或题目的方式布置给个人，随后集中收集分析班级每个人的完成情况。也可以按照传统的小组方式，并且不会受到地点、座位等因素的限制，学生可利用在线资源和程序，充分交流沟通，查阅相关资料，并以更丰富的形式、更详细的内容提交任务结果。还可以直接布置在线平台的任务，观察个人或小组的实时完成情况，这些都是以往的线下教学和单一在线平台所无法完成的工作。

2.3 方便高效的课后复习

课后的复习是巩固课堂所学知识的重要阶段。以往的课后复习，学生主要凭借笔记或教材。现在如果学生课上注意力不集中，没有跟上老师讲课速度，或者没来得及做好笔记，可以使用智慧教学平台的“课程回放”功能，这样学生可以进行根据个人情况，反复观看学习，并做好笔记，实现有效地复习。

智慧课堂还有助于帮助教师批改作业，收集作业信息。教师通过智慧教学平台发布作业资源给学生，同时设置作业要求，例如完成作业的截止时间、发布作业答案的时间等。学生在教学平台上即可做题。学生完成作业后，系统会自动呈现正确答案，并给出该学生做题的正确程度以及得分。智慧教学平台提供了所有学生完成作业情况的详细统计数据，并以统计图的方式进行显示，学生完成作业情况一目了然。

教师整理学生作业中的问题，对于共性问题，教师组织学生在线集中讲解；对于个别问题，可以进行线上一对一的个性化辅导。另外，教师可以在平台上发起讨论，围绕某个主题，可以是知识难点或者知识的应用，适当地拔高，鼓励学生们讨论交流，激发学生积极思考，提高分析与解决问题的能力。学生之间也可以在平台上发问与答疑。

2.4 准确全面的教学评价

以往学生的平时成绩多数都以作业和课堂考勤情况进行评价，这种评分标准忽略了学生在这门课程中学习的过程，导致部分学生为了“提交作业”而“完成作业”，为了应付考试而突击学习。智慧课堂对课程形成性评价指标是多元化的，详细记录每位学生在课程学习中的全过程，包含作业、测验、签到、在线学习课程时长、实验时长、课堂讨论、课堂积分等，从而对学生的成绩评判更具客观和公正性，也有助于形成积极良好的学习氛围。

智慧学习平台为教师提供课堂报告、学情统计和成绩统计，并形成可视化的分析结果，为教师进行教学总结提供了便捷。教师可以从宏观上统计某个班级的学习情况，也可以查看任一个学生的成绩及其具体构成。

3 智慧课堂教学实践

智慧教学平台可借助目前成熟的学习通、雨课堂、钉钉等混合式在线教学软件来实施，部分高校也自行开发或购买了线上教学实验平台，这些教学软件为线上教学提供了丰富的资源和教学环境，有助于实现教学中师生之间全程互动，学习全过程数据的记录、统计与分析。

数据结构[6-7]课程作为计算机专业基础课，培养学生对抽象理论的理解，对算法的应用与实践的能力，是一门理论与实验并重的课程。因此，根据本门课程的特点，授课选择的是“雨课堂+录屏软件+微信”混合智慧教学平台，智慧课堂在线教学对象是18 届医学信息工程专业的学生。

3.1 课前预习

授课前，教师了解了学生的专业特点以及学生的基础条件，通过在线平台查阅该班以往的信息，发现学生基础不错，自学能力较强，班级学习氛围良好。预习内容难度可以适当拔高。为了调动学生学习兴趣，根据每节课的知识点，教师将事先下载和制作的动画、视频插入到预习PPT 中，并和自主学习任务单一起上传到在线平台。学生按照自主学习任务单的要求，进行预习。学生在学习PPT 中，遇到“不懂”的地方，可以在PPT 上做标记，也可以自主搜索资料学习。教师通过雨课堂看到学生的反馈，相应地对教学计划做些调整，预留一些课上时间，对学生预习不懂的地方加以解释。

3.2 理论教学

数据结构课程讲解线性表、栈、队列、树、图等常用的数据模型及其相关算法的实现，理论抽象，算法不易理解，学生学习容易被动。因此，教师为加强学生参与度和师生互动，活跃课堂气氛，提高教学效果，采用以下教学手段：

（1）基本的教学内容讲授。按照课件讲义，利用在线平台实施授课。

（2）事先录制讲解动画。针对重难点问题实现制作视频，在课上播放，并分享给学生，课下复习使用。

（3）课上任务布置测试题。利用在线平台布置小型测试题，当堂完成，实时了解学生掌握情况。

（4）课上布置分组任务。事先组成小组，课堂布置分组讨论任务，各小组分别利用自建的群当堂讨论，并由组长给出讨论结果。

（5）课堂互动交流。利用在线平台的弹幕，讨论功能发起实时讨论，观察学生反馈。利用测试题布置功能，设计若干小调查题目，利用平台进行分析查看。

以“栈”章节内容为例，课堂教学活动简单概述如表1 所示。

表1 课堂教学活动举例

3.3 实验教学

实验教学是学生实践学习部分，对理论知识进行巩固和求证的过程。由于一个班的学生对数据结构课程的掌握情况、领悟能力和动手能力不相同，因此，本门课程的实验教学，教师使用录屏软件录制实验教学视频，详细讲解实验内容、相关知识点的复习、实验的步骤、算法设计的思路等。录好后，教师上传视频到雨课堂平台，学生根据个人情况，进行有选择性的学习。数据结构的实验分有验证性实验和应用设计性实验。对于验证性实验，要求学生通过观看实验教学视频，独立思考并完成。实验课中，教师开启雨课堂的“弹幕”，学生遇到困难，可发送弹幕，教师进行答疑讲解。对于应用设计性实验，提供有15 道实验题，学生根据自己的兴趣进行选题，并以小组为单位协作完成。通过“数据结构微信群”，教师可以实时了解每组学生完成实验的进程，学生在群里提问，教师或其他同学都可以进行答疑。

3.4 课后知识巩固

课后学生在规定时间内完成教师布置的作业或小测验，教师在雨课堂平台查看学生完成作业的情况，进行整理总结，对于共性问题，在雨课堂上进行集中讲解，对于个性问题，将在微信中进行一对一的有针对辅导。此外，教师可以选择一两份具有代表性的实验作业，与学生共同讨论。

3.5 学习评价与教学总结

智慧课堂对教学全过程进行了数据统计和分析，教师可以确定学生对知识的掌握程度，量化学生的学习效果，根据作业完成情况，课堂在线时长，实验完成情况等，结合平台给出的分数，为学生的学习水平给出全面客观的评价。

4 智慧课堂教学效果分析

2018 届医信班的数据结构课程使用智慧教学平台线上教学，通过平台汇总的数据及图示，授课教师能较易地发现学生存在的共性和个性问题，方便教学总结。比如：开课初期存在个别学生上课迟到或听课时长不足等问题，课后教师及时联系学生，了解学生学习存在的困难并给予帮助，保证全班满勤及学生在线听课时长。课堂在线测试、随机点名、主题讨论等多种课堂互动很好地激励学生，从数据来看，在线测试提交率基本达到100%，主题讨论平均每周2～3 次，参与讨论的学生约达到80%，随机点名有效防止学生听课思想“溜号”，如果被点名学生回答不甚理想，会有其他学生以语音或弹幕方式补充，课堂气氛较好。从课后作业数据来看，学生知识掌握情况良好，与2017届学生相比，特别是作业中难度较大的题目完成得不错。通过智慧教学平台线上教学，师生、生生之间的互动与协作，较之线下教学增多，有效地提升了教学效果。在不同教学方式下，学生对课程的兴趣和教学活动的参与度明显提高，试卷难度类似的情况下，考试成绩也有所提高，如图2 所示。