智慧教室場景下計算機類課程教學模式探索

鄧娜 劉永川 陳旭

摘 要：隨著信息化技術在教育行業中的應用逐步深入，高等教育也面臨重大改革。作為教育信息化進程中一個重要基礎設施，智慧教室越來越受到國內外教育工作者和管理者重視。為填補當前相關研究空白，為一線教育工作者提供教學參考與改革思路，在分析智慧教室功能與優勢后，針對計算機類課程的特殊性，總結傳統教室場景下計算機類課程教學面臨的主要問題。以數據挖掘課程中的網絡爬蟲章節為例，設計智慧教室場景下的教學過程，以探討未來智慧教室場景下的計算機類課程教學模式，從而不斷提高教學質量。

關鍵詞：智慧教室;計算機類課程;數據挖掘;教學模式

0 引言

隨著信息技術的快速發展及其應用范圍的不斷擴大，高等教育領域也面臨重大改革。2016年6月，教育部頒發了《教育信息化“十三五”規劃》，強調信息化在教育教學中的重要性[1]，鼓勵將各類信息技術應用于教育教學中，以期全面提升我國教育信息化水平。

近年來，教育信息化已初見成效，從多媒體教室的普及到慕課、云課堂等各種形式在線學習平臺的廣泛使用，信息技術有效推動了教學改革，使其向教育公平化、大眾化與泛在化邁進了一大步[2]。

作為教育信息化進程中的一個重要設施，智慧教室融合了多種終端設備，集成了物聯網、移動計算、大數據、云計算、人工智能等多種先進信息技術，現在越來越受到國內外一線教育工作者與教育管理者重視[3-5]，學者們也對其進行了大量研究。如文獻[6]設計并實現了一個智慧課堂系統，介紹了其各個功能模塊;文獻[7]在分析傳統多媒體教室的弊端后，探索了智慧教室的應用實踐模式;文獻[8]介紹江南大學的智慧教室建設經驗，包括體系架構建設及其與教學環節的銜接;文獻[9]提出一種基于物聯網與云計算技術的智慧教室系統架構，并給出具體實現方案;文獻[10]聚焦智慧教室中的聲音識別等技術，利用學生畫像協助教師實現個性化教學;文獻[11]介紹智慧教室的顯著特征，包括無線射頻技術使用、師生順暢交流以及用戶行為分析等，并設計一個基于Web的工作環境，其承載了智慧教室中的多種應用，如多媒體、電子圖書等，以幫助教師感知學生注意力，輔助其作出智能決策;文獻[12]詳細討論了無線射頻技術在智慧教室中的應用。

綜上，目前有關智慧教室的相關研究大多是一種泛在的研究，即關注于智慧教室本身的軟硬件設施或探索智慧教室對傳統教學模式帶來的影響與變革，很少從某個特定學科角度考慮智慧教室中的實際教學模式。針對這一現狀，本文將研究重點聚焦于計算機類課程，以數據挖掘課程為例，詳細介紹其在智慧教室場景下的教學過程設計。

1 智慧教室功能

智慧教室是當前物聯網技術、移動計算、云計算等各類信息技術共同發展的產物，是智慧校園的一個重要組成部分。自古以來，教室就是教師授課、學生學習的主要場所，智慧教室除保留傳統教室的基本屬性外，避免了傳統教室的諸多不足，并加入了更多智慧功能，主要體現在以下幾方面：

（1）電子白板與觸控投影功能。智慧教室安裝了帶有電子白板功能的觸控投影機，代替傳統的黑板教學，不僅能讓師生在無塵環境中學習，保護師生健康，還能方便地展示各類教學材料，使教師授課內容更加生動形象。

（2）教學視頻錄制與云存儲。智慧教室配備高清錄像機，能將課程全過程錄制下來并存儲在云端，學生可通過觀看視頻對知識溫故知新，教師也能通過回看課程視頻自查教學過程中的不足，查漏補缺。

（3）電子考勤。傳統教室中的學生考勤只能通過教師點名的方式完成，不僅浪費時間，還容易出現學生代簽的情況。在智慧教室中，教室門外安裝有電子考勤系統，能通過指紋、人臉識別等形式完成考勤工作，省時且高效。

（4）基于問答器或移動設備的師生互動。在傳統教室中，師生互動通常是由教師點名個別學生進行回答，在該形式下，教師只能掌握部分學生的知識掌握情況。在智慧教室中，學生可通過桌上的問答器或移動設備（手機、平板電腦）回答問題，教師能迅速掌握全體學生的答題情況，了解學生共性問題，從而有針對性地調整教學內容與教學進度。

（5）教室設備互聯與智能化。智慧教室構建在物聯網技術基礎上，教室中的各類設備互聯互通且具有智能。例如，照明設備通過判斷教室中是否有人從而自動開關，空調設備能根據室溫自動調節溫度，通風換氣系統能根據空氣質量自動換氣，窗簾控制器也能通過當前照明情況控制窗簾動作等，從而創造一個舒適、節能的教學環境。

（6）教育大數據分析。不論是考勤系統，還是問答器或移動設備提供的數據，都能成為教育大數據分析對象，這些數據能幫助教師了解學生學習態度與對知識的掌握情況。

智慧教室智能組成部分如圖1所示。

2 智慧教室優勢

與傳統教室相比，智慧教室在以下幾方面具有明顯優勢：

（1）空間自由。智慧教室通常采用小班教學，桌子能自由拼組，椅子能360度旋轉，方便教師使用各種新型教學模式組織教學，如翻轉課堂、SPOC、對分課堂等。學生能夠很方便地組成小組，并通過旋轉椅子與周圍同學進行討論，這在傳統教室里是難以實現的。

（2）信息保存時間持久。在智慧教室中，教學信息能被持久保存。電子白板上的板書、整個教學過程以及考勤與師生互動信息都被保存下來，這些保存的信息不僅是教育大數據分析的數據來源，還能成為提升教學質量的歷史參考信息。

（3）配套設施智能化。照明、空調、通風換氣、窗簾等各種配套設施的智能化能為師生創造一個節能、舒適的教學環境。

智慧教室的功能、優勢及其對傳統教室不足之處的改進如表1所示。

3 傳統教室場景下計算機類課程教學面臨的問題

計算機類課程的理論性與操作性都非常強。絕大部分計算機類課程，如數據結構、數據庫、高級程序語言設計（如Java、Python等）、軟件工程、數據挖掘、網頁制作等，掌握相關理論只是基本教學目標，更重要的是能將理論應用于實踐進行軟件項目開發或科學研究。在傳統教室里，教師教學側重于理論，操作實踐在實驗課上完成。學生在課堂上只能學習理論知識，而不能同步進行實踐，教學效果通常不好，容易造成理論與實踐脫節。

此外，傳統教室里的師生互動大多只能以理論知識提問的形式開展，教師只能了解部分學生對知識的掌握情況。另外，對于計算機類課程，教師不僅希望了解學生對理論知識的掌握情況，同時也希望了解學生的動手實踐能力。

在智慧教室中，每位學生桌上都配備了平板電腦等設備，學生能跟隨教師授課進度一邊聽講，一邊在電腦上操作。智慧教室的無線投影功能可對每位學生的實踐情況進行投影，讓教師能清晰地了解全班學生的實踐情況。

4 智慧教室場景下的教學過程——以數據挖掘課程為例

數據挖掘是計算機課程中的一門專業課程，通過該課程的學習，要求學生掌握海量數據的采集、分析與挖掘方法，具備采集與挖掘特定領域數據的能力。在傳統教學中，在課堂上進行數據挖掘理論知識講解，實踐通過上機完成，教學效果不佳。以數據挖掘中的網絡爬蟲章節為例，在智慧教室場景下，一次完整的教學過程設計如下：

（1）課前。Python語言由于具有簡單易學、安裝簡單、功能強大等特點，已逐步替代了Java語言，成為計算機行業內應用最廣的語言之一。為了與時代接軌，在數據挖掘課程中，教師放棄沿用多年的Java語言，而選擇Python語言進行授課。Python安裝簡單，其逐行執行的特點使其特別適合于在課堂上進行教學與演示。在課前，教師需確保智慧教室中覆蓋有互聯網，每臺電腦上安裝有Python編程環境，并且學生已通過電子考勤設備完成考勤。在教師和學生進入教室前，教室里的燈光、空調、通風系統、窗簾等智能設施已自動調節至最佳狀態。

（2）課中。針對網絡爬蟲章節，以某網站網頁爬取為例，教師將理論與實踐融合在一起進行教學。教師首先利用智慧教室的電子白板和投影設備為學生講解爬蟲基本原理，然后教師在教師用機上使用Python語言編寫網絡爬蟲代碼。爬蟲代碼包括網站連接、網頁獲取、網頁內容保存、網頁內容解析等方面內容。在代碼編寫過程中，教師對代碼進行講解，并對需要導入的Python包、調用函數、輸入參數、容易出錯的地方進行著重強調。學生一邊在投影上觀看教師編碼過程，一邊在自己的電腦上編寫代碼，與教師保持同步。為了考查學生對爬蟲的掌握情況與舉一反三的能力，教師在課堂上布置一個任務：爬取指定網站網頁，并對網頁內容進行保存與解析。通過智慧教室的無線投影功能，教師可將任何一位學生的電腦投影出來，檢查其任務完成情況。這一舉措能激勵學生在課堂上保持注意力高度集中。此外，教師可以針對一些有爭議的問題設置互動環節，如互聯網企業如何限制第三方爬蟲？反爬蟲和反反爬蟲有哪些技巧？學生在各自的問答器或移動設備中答題，教師能迅速收集全班學生的回答并有針對性地進行答疑。

（3）課后。課程結束后，各種智能配套設施自動關閉。整個課堂教學過程都被錄制為視頻存儲在云端，學生可以在課后跟隨視頻進行復習，教師也能回看視頻自查不足，并對考勤、課堂互動等數據進行統計分析，對學習落后的學生加以重點關注。

5 結語

雖然目前智慧教室在我國應用尚不多，但隨著物聯網、人工智能、移動計算技術的發展，以及教育管理者對智慧教室的日益重視，相信在不久的將來，智慧教室能逐步替代傳統教室成為新一代主流教學場所。下一步研究將聚焦于智慧教室場景下的實踐教學效果評估。

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（責任編輯：黃 健）