基于新工科智慧課堂建設(shè)與教學(xué)模式探討

何國(guó)良 汪紫煌

[摘 要]響應(yīng)新工科的發(fā)展，將信息技術(shù)融入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)當(dāng)中，建設(shè)依托于教學(xué)平臺(tái)的智慧課堂。智慧課堂教學(xué)以學(xué)生為中心，以培養(yǎng)學(xué)生思維和提升實(shí)踐能力為教學(xué)目標(biāo)，采用多維教學(xué)促進(jìn)立體化互動(dòng)和構(gòu)建平臺(tái)實(shí)驗(yàn)，理論實(shí)踐結(jié)合，分析實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性，提高教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]新工科;數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);智慧課堂;教學(xué)平臺(tái)

[作者簡(jiǎn)介]何國(guó)良（1984—），男，湖北武漢人，工科博士，武漢大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院教師，主要從事數(shù)據(jù)挖掘研究。

[中圖分類號(hào)] G424[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）32-0295-03[收稿日期] 2020-01-13

一、引言

根據(jù)時(shí)代發(fā)展需要和適應(yīng)國(guó)家新工程戰(zhàn)略要求，教育部提出了新工科的建設(shè)，對(duì)我國(guó)高等工程教育的改革發(fā)展具有重要指導(dǎo)示范作用。隨著5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的發(fā)展，智慧課堂逐漸走進(jìn)大家的視野。有研究表明互動(dòng)在工程教育中扮演著重要的角色，學(xué)生與學(xué)術(shù)環(huán)境的社會(huì)互動(dòng)與積極的學(xué)術(shù)成就之間存在著聯(lián)系[1]，因此智慧課堂積極促進(jìn)學(xué)習(xí)者的交流互動(dòng)。

二、傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一門重要基礎(chǔ)課程，對(duì)計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的整體學(xué)習(xí)有承上啟下的作用。其傳統(tǒng)的教學(xué)環(huán)境基本是在課堂上，課外師生溝通不暢通;教學(xué)模式主要是老師統(tǒng)一講授，學(xué)生聽(tīng)課，單一的知識(shí)傳輸，沒(méi)有多樣性輔導(dǎo);教學(xué)內(nèi)容偏重理論，對(duì)應(yīng)實(shí)踐環(huán)節(jié)以及計(jì)算思維培養(yǎng)略有不足;教學(xué)形式上大部分是靜態(tài)的模式，對(duì)于抽象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程不易透徹理解[2]。這些問(wèn)題一定程度阻礙數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的學(xué)習(xí)。那么如何突破教學(xué)在課堂的局限性？如何充分尊重學(xué)生的個(gè)性和多樣性？如何激發(fā)學(xué)生興趣和探索創(chuàng)新的欲望？如何動(dòng)態(tài)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生思維？如今蓬勃發(fā)展的信息技術(shù)應(yīng)用在智慧課堂教學(xué)中，智慧課堂教學(xué)為解決這些問(wèn)題提供了參考方法。它不僅為教學(xué)增添新鮮的活力，而且改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。

三、智慧課堂的建設(shè)探討

現(xiàn)今，MOOC教學(xué)在很多高校普及開(kāi)展，然而，MOOC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)割裂了課堂學(xué)習(xí)和線上學(xué)習(xí)，教師不能及時(shí)有效的獲取學(xué)生反饋，線上線下不易融合。MOOC上基本是純視頻化資源，仍是單向傳輸模式，雖然相對(duì)有優(yōu)勢(shì)，卻難以進(jìn)行理論實(shí)踐的整合[3]。智慧課堂教學(xué)模式彌補(bǔ)MOOC的不足，改進(jìn)單一模式，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中實(shí)行多維教學(xué)，線上實(shí)驗(yàn)和立體化交互進(jìn)行，效果大幅提升。

（一）多維教學(xué)

1.層次遞進(jìn)教學(xué)。新時(shí)期對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)要求逐漸增高，計(jì)算思維能力是其中之一，能夠開(kāi)發(fā)學(xué)生潛能并滲透在每個(gè)人的生活中，因此在高校教學(xué)當(dāng)中，更應(yīng)著重培養(yǎng)。萬(wàn)變不離其宗，培養(yǎng)計(jì)算思維需要扎實(shí)的基礎(chǔ)，才能對(duì)事物認(rèn)知、探析有保障。在借助多信息教學(xué)平臺(tái)的智慧課堂上，將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程分層，基礎(chǔ)教學(xué)、項(xiàng)目教學(xué)、創(chuàng)新教學(xué)。平臺(tái)上多引入優(yōu)秀專業(yè)課程和分享相關(guān)邊緣的基礎(chǔ)內(nèi)容，供學(xué)生自主學(xué)習(xí)，掌握基本的理論和方法，有利于擴(kuò)展知識(shí)面，發(fā)散思維。熟悉掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論，將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)拓展拔高，理論指導(dǎo)實(shí)踐，在項(xiàng)目教學(xué)過(guò)程中，教師設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的教學(xué)項(xiàng)目，將各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)，加強(qiáng)理論與實(shí)踐的聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生的興趣，教師學(xué)生一起完成項(xiàng)目，討論項(xiàng)目設(shè)計(jì)、理論運(yùn)用、項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)等。憑借項(xiàng)目教學(xué)可以去除理論的乏味又加深對(duì)理論的理解，還方便在日后類似項(xiàng)目中駕輕就熟。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)更應(yīng)該發(fā)揮學(xué)生的主體性，老師指導(dǎo)牽引，引入前沿的方法，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行創(chuàng)新教學(xué)，發(fā)揮學(xué)生思維遷移能力，使學(xué)生善于接受新事物，嘗試新方法新理論，敢于另辟路徑對(duì)項(xiàng)目開(kāi)拓創(chuàng)新。

2.結(jié)構(gòu)可視化教學(xué)。結(jié)構(gòu)化的知識(shí)組織和可視化教學(xué)可以降低認(rèn)知負(fù)荷[5]，思維導(dǎo)圖是基于對(duì)人腦的模擬突出了思維內(nèi)容的重心和層次，強(qiáng)化了聯(lián)想功能，更有效地促進(jìn)人腦對(duì)圖像的加工記憶能力[6]，激發(fā)學(xué)生的縱向和橫向思維，被視為一種主動(dòng)學(xué)習(xí)的重要手段，有利學(xué)生對(duì)各種信息的理解吸收。相比傳統(tǒng)更具有層次邏輯感，以一種非線性的方式梳理知識(shí)點(diǎn)[7]，既可以宏觀看待整體，又可微觀上逐級(jí)深入，易于水平面上捕獲思想。因此，思維導(dǎo)圖的教學(xué)方式容易構(gòu)建知識(shí)體系，將大量信息表示為有用知識(shí)庫(kù)的圖形，將知識(shí)庫(kù)與實(shí)時(shí)場(chǎng)景連接起來(lái)，如圖形、動(dòng)畫、視屏、文檔、聲音或線上資源等，輔助可視化架構(gòu)更容易抓住同學(xué)們的視線，剝離數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抽象晦澀的部分，形象直觀地演示，有助于學(xué)生建立更好的新的想法。如圖1所示，對(duì)冒泡排序算法采用思維導(dǎo)圖的方式展示，邏輯清晰并且鏈接相關(guān)的動(dòng)圖、題目、代碼等資源，方便可視化教學(xué)調(diào)用。借助結(jié)構(gòu)可視化教學(xué)幫助同學(xué)們厘清邏輯，牢固記憶。

3.問(wèn)題式教學(xué)。高等教育中需要培養(yǎng)學(xué)生自主解決問(wèn)題的思維能力，對(duì)于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)，單純的理論輸出容易造成教師難講、學(xué)生疲勞的問(wèn)題。采用問(wèn)題式教學(xué)，就是事先設(shè)置一系列趣味情景問(wèn)題，該模式以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題為基本線索[4]，以問(wèn)題迭代問(wèn)題，牽出知識(shí)要點(diǎn)，教師對(duì)話題引導(dǎo)，與同學(xué)一起參與探究，激發(fā)同學(xué)們的興趣，一起對(duì)問(wèn)題進(jìn)行詳盡剖析，嘗試學(xué)生認(rèn)為的可能性，既提高學(xué)生參與性活躍課堂氣氛，又最終達(dá)到對(duì)有效方法的認(rèn)知和問(wèn)題的解決。問(wèn)題式教學(xué)的價(jià)值更應(yīng)在理論課程教學(xué)的整體實(shí)施中加以挖掘和把握。將問(wèn)題式教學(xué)貫穿整個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)實(shí)踐，不僅僅是教師提出問(wèn)題帶動(dòng)思考，同樣學(xué)生也可以提出問(wèn)題讓其他同學(xué)幫忙解答，教師最后做總結(jié)，對(duì)提出問(wèn)題者和回答者都予以激勵(lì)。

（二）構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為使學(xué)生能夠在解決實(shí)際問(wèn)題中融會(huì)貫通地運(yùn)用所學(xué)，需要實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可行性考核不強(qiáng)，代碼能通過(guò)就行[8]，無(wú)法數(shù)據(jù)化評(píng)估整個(gè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于難度較高的實(shí)驗(yàn)可能在實(shí)驗(yàn)室時(shí)間不充裕，因此需要構(gòu)建學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。響應(yīng)新工科理念，平臺(tái)實(shí)驗(yàn)應(yīng)以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)靈活性、開(kāi)放性及綜合性為主線，輔助以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，用于對(duì)理論的再熟悉。增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容深度和實(shí)驗(yàn)過(guò)程的實(shí)施難度，強(qiáng)化專業(yè)基本功，培養(yǎng)學(xué)生掌握專業(yè)知識(shí)能力，鍛煉學(xué)生獨(dú)立科研能力和創(chuàng)新意識(shí)。對(duì)于綜合性的大實(shí)驗(yàn)，學(xué)生分組協(xié)作完成，自主分解實(shí)驗(yàn)，分配任務(wù)，有利于同學(xué)們思想碰撞，發(fā)揮創(chuàng)造力和合作精神。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不光提供必要實(shí)驗(yàn)環(huán)境，還可以記錄多樣的數(shù)據(jù)，如實(shí)驗(yàn)的完成度、完成時(shí)間、運(yùn)行花費(fèi)時(shí)間以及空間內(nèi)存占用情況。

（三）立體化交互

交互行為是學(xué)習(xí)中非常重要一環(huán)，基于現(xiàn)有的信息技術(shù)，在傳統(tǒng)的課堂交互基礎(chǔ)上，再實(shí)現(xiàn)教師—學(xué)生、學(xué)生—學(xué)生、學(xué)生—資源、教師—平臺(tái)等，更加開(kāi)放化、多元化，實(shí)現(xiàn)信息更新即時(shí)有效，實(shí)現(xiàn)智慧課堂數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)互動(dòng)如圖2所示。

1.課前：教師在教學(xué)平臺(tái)上發(fā)布預(yù)習(xí)問(wèn)題，預(yù)習(xí)內(nèi)容以及相關(guān)的學(xué)習(xí)資料等。教學(xué)平臺(tái)以通知形式告知學(xué)生預(yù)習(xí)。各學(xué)生帶著思考問(wèn)題進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)生直接或間接通過(guò)平臺(tái)進(jìn)行交流，并且對(duì)預(yù)習(xí)問(wèn)題解答。完成預(yù)習(xí)后，在平臺(tái)上進(jìn)行預(yù)習(xí)小測(cè)試。教學(xué)平臺(tái)跟蹤學(xué)生軌跡，在教師端直接呈現(xiàn)學(xué)生課前學(xué)習(xí)情況的進(jìn)度條、曲線圖、柱狀圖、餅狀圖等，也可以知道預(yù)習(xí)小測(cè)試中的題目正確率，通過(guò)班級(jí)整體和個(gè)體情況來(lái)調(diào)整課堂教學(xué)，以期課堂教學(xué)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，達(dá)到“有的放矢”。

2.課堂：傳統(tǒng)課堂是一種有效的教學(xué)組織形式，仍是高等教育最重要的教學(xué)環(huán)境。在課堂上，表?yè)P(yáng)自主預(yù)習(xí)優(yōu)秀學(xué)生，對(duì)預(yù)習(xí)情況回顧。正式課堂上在教學(xué)平臺(tái)上展示課件，采用上述多維教學(xué)方法，對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行深化，在課堂教學(xué)過(guò)程中，可以借助實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，達(dá)到理論實(shí)踐結(jié)合。

3.課后：對(duì)于課堂上未涉及的知識(shí)或者作業(yè)講解，可以通過(guò)平臺(tái)直播講解、錄制或評(píng)論等方式遠(yuǎn)程教輔，教師挖掘網(wǎng)上學(xué)生感興趣的信息，發(fā)布符合教學(xué)目標(biāo)的優(yōu)質(zhì)資源供學(xué)習(xí)交流。課后題采用遞進(jìn)式考查，有簡(jiǎn)易題、升級(jí)題、難度題，只有當(dāng)滿足條件，才可以獲取再加分激勵(lì)。學(xué)生可以利用手機(jī)等移動(dòng)端訪問(wèn)平臺(tái)，進(jìn)行資源分享，移動(dòng)交互，知識(shí)學(xué)習(xí)，作業(yè)答題等。該平臺(tái)會(huì)對(duì)每個(gè)學(xué)生學(xué)情分析，將題目得分失分情況、學(xué)習(xí)進(jìn)度和學(xué)習(xí)軌跡等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，將班級(jí)

整體情況和學(xué)生個(gè)人情況實(shí)時(shí)發(fā)送給教師，用于教師對(duì)班級(jí)整體學(xué)習(xí)情況和學(xué)生個(gè)人情況分析，以便對(duì)共性和個(gè)性問(wèn)題有效處理。

四、總結(jié)

針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)不足，以新工科目標(biāo)為指引，本文探討智慧課堂教學(xué)模式，提出融合層次遞進(jìn)教學(xué)、問(wèn)題式教學(xué)和結(jié)構(gòu)可視化教學(xué)的多維教學(xué)方式，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，注重學(xué)生思維和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

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