數據結構在線智慧課堂的構建與實踐

方 芳 束建華 張 蕾 沈同平 歐鳳霞

（安徽中醫藥大學<醫藥信息工程學院>，安徽 合肥 230012）

0 引言

隨著移動網絡、物聯網、云計算、大數據等技術的發展與成熟，“智慧課堂” 這種新的教學模式應運而生。 智慧課堂突破傳統教學方式，使得師生在在線的互聯網課堂中完成教學實驗等各項任務。 一方面，教師運用多重教學手段，通過“雨課堂”、MOOC、“騰訊課堂”等教學工具，合理安排教學環節，引導學生學習，實現全面的教學互動，完成“課前-課中-課后”全程教學；另一方面，教師借助工具中的輔助功能，實現教學相關數據統計與分析，對教學活動進行客觀的評價與總結，促進教師進行教學反思，有助于后續的教學。

數據結構是一門重要的專業基礎課程，介紹各類經典數據結構的特性及相關算法的實現，為后續的專業課學習奠定基礎[1]。然而，數據結構課程教學課時有限，授課中有些重要知識點無法深入講解；從算法的學習到應用實踐過程，學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和交流。因此，如何合理使用“智慧課堂”教學模式，有效解決數據結構課堂教學存在的不足，這值得研究與實踐。

1 智慧課堂及研究現狀

關于“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”是打破傳統課堂的時空局限， 使用目前的信息技術手段，構建富有智慧的教學環境的一種模式。智慧主要體現在三個方面：（1）根據學習對象的特點，智能推送個性化的學習資源；（2） 教學全過程的師生高效互動；（3）動態記錄與分析教學大數據。智慧課堂，實現“以教師為中心”到“以學生為中心”的轉換，學生自主學習豐富的線上資源，師生、生生之間全過程的交流討論，促進學生個性化、創造性學習；大數據診斷、分析教學數據，客觀評價教學效果，這樣教師就能有的放矢調整教學內容和手段。智慧課堂從根本上促進師生之間教與學的高度融合，實現教學的良性循環。

目前，很多學者對智慧課堂教學模式的構建進行不同角度的研究。 學者李昕昕[3]提出智慧課堂框架是由分布式處理平臺、圖像處理平臺、云平臺和應用平臺構成，并在框架中加入人臉檢測、深度學習等技術，從而提升人臉識別的準確率，優化課堂管理效率。 學者賴曉云[4]研究智慧課堂教學模式構建，并闡述了智慧教學活動過程和個性化智慧學習過程等內容。學者吳亞軍[5]提出智慧課堂應包含智慧環境、智慧教學、智慧學習和智慧評價四個方面，全面提升學生素養。

2 智慧課堂的構建

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

智慧課堂以網絡平臺和在線資源為依托，以自動化的數據統計和智能分析功能為切入點，深度介入教師的教學全過程， 精準管理學生學習的每一個環節。持久化的學習資源便于學生隨時預習和反復溫習，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節布置各類作業任務，數據統計和分析反饋功能可以精確記錄每個學生的學習、作業、問題，并以準確的量化指標評估教學效果，以智能化的算法對數據進行分析并反饋結果。智慧課堂的模式如圖1 所示。

圖1 智慧課堂模式構建

根據教學工作和智慧課堂特點，在線智慧教學的四個階段分別構建組織對應的教學活動，實現教學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、方便高效課后復習、準確全面的教學評價。

2.1 互動式的課前準備

與傳統的線下教學或線上教學相比，基于智慧課堂的課前準備， 教師除了能有更豐富的教學資源以外，還能較好地實現與學生的互動，包括定期收集學生的反饋，實時的互動信息等，幫助教師更好地了解課程和學生的狀況。 課前準備主要包括學情分析、學習內容、預習效果三方面。針對課前的學情分析，教師可以從事先已導入平臺的信息庫中，查詢班級學生情況，比如：學生的專業特色與要求、課程學習目標、學生對先修課程的掌握情況、學生自主學習的能力與積極性等。針對學習內容，教師可根據學生的特點，設計合理的自主學習任務單。 利用學習平臺，教師在課前將自主學習任務單和豐富的學習資源 （如：MOOC、Flash 動畫、PPT、博客等）發送給學生，學生接收到自主學習任務單，結合自身情況，有選擇性地預習教師提供的學習資源。 針對預習效果，教師可利用智慧課堂，發布預習任務或測試，并針對預習布置一定量的作業。學生完成預習后可將結果和疑難問題實時反饋給在線平臺。教師上課前可查看學生的反饋和題目完成情況，以掌握學生預習的效果，對課堂教學計劃做出相應的調整。

2.2 多元化的課堂教學

智慧課堂教學講究以學生為中心，鼓勵學生積極參與到課堂教學活動中， 形成良好氛圍的師生互動、生生協作，學生學習知識化被動為主動。 根據這些要求，可以充分利用智慧課堂的各種資源，實現教學方法多樣化，教學內容豐富化，課堂任務多樣化。通過豐富的教學形式，拓展學生的視野，學生真正領會知識，實現創新性地運用。

2.2.1 教學方法多樣化

由于是在線學習，教師和學生雙方都利用電腦或移動端設備，能夠較好地完成平時線下無法實現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資源和互動程序進行授課。教師在上課開始， 需要引導學生積極地進入課程學習中，在課程開始，可以播放多媒體，運行程序，直接訪問與課程內容相關聯的網站以展示教學內容，激發學生學習興趣， 讓學生很快進入本次課學習的情境中。授課途中，教師可以利用在線平臺的作業功能，布置針對某個重難點的測試題目讓學生完成，并實時觀察學生的掌握情況，并適時做出調整。 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，從而實現線下教學所無法實現的溝通交流。

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

2.2.2 教學內容豐富化

基于智慧教學平臺，教師將原本抽象、枯燥的知識點以多種方式展現， 較常規的內容如錄制小視頻、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內容，讓學生體會對同一知識點從不同角度、不同風格的講授。豐富多樣的教學內容使得知識點的講解變得更加直觀形象和充實豐滿， 激發了學生學習的興趣，同時，也有助于學生對知識的聯想與重構，在此基礎上，教師積極引導學生，對知識做進一步延伸，從而課堂內容不拘泥于課本，拓寬了學生的視野，鼓勵學有余力的學生課后能主動搜索并學習更多相關資料。

2.2.3 課堂任務多樣化

基于任務式的教學活動對于啟發學生思維，調動課堂積極性非常有效。教師通過“主題討論”功能發布一個學習任務，考核課堂講解知識點與現實應用的融合，學生分組討論，共同協作，最終給出任務解決方案。在這個過程中，學生不斷深化所學的知識，并與原有知識進行整合，產生新思路，創新地解決實際應用問題，從而完成知識的深度學習。而在智慧課堂中，課堂任務能夠以多種不同的方式布置，例如以單個任務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。 也可以按照傳統的小組方式，并且不會受到地點、座位等因素的限制，學生可利用在線資源和程序，充分交流溝通，查閱相關資料，并以更豐富的形式、更詳細的內容提交任務結果。 還可以直接布置在線平臺的任務，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 方便高效的課后復習

課后的復習是鞏固課堂所學知識的重要階段。以往的課后復習，學生主要憑借筆記或教材。 現在如果學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，可以使用智慧教學平臺的“課程回放”功能，這樣學生可以進行根據個人情況，反復觀看學習，并做好筆記，實現有效地復習。

智慧課堂還有助于幫助教師批改作業，收集作業信息。 教師通過智慧教學平臺發布作業資源給學生，同時設置作業要求，例如完成作業的截止時間、發布作業答案的時間等。 學生在教學平臺上即可做題。 學生完成作業后，系統會自動呈現正確答案，并給出該學生做題的正確程度以及得分。智慧教學平臺提供了所有學生完成作業情況的詳細統計數據，并以統計圖的方式進行顯示，學生完成作業情況一目了然。

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

2.4 準確全面的教學評價

以往學生的平時成績多數都以作業和課堂考勤情況進行評價，這種評分標準忽略了學生在這門課程中學習的過程，導致部分學生為了“提交作業”而“完成作業”，為了應付考試而突擊學習。智慧課堂對課程形成性評價指標是多元化的，詳細記錄每位學生在課程學習中的全過程，包含作業、測驗、簽到、在線學習課程時長、實驗時長、課堂討論、課堂積分等，從而對學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習氛圍。

智慧學習平臺為教師提供課堂報告、學情統計和成績統計，并形成可視化的分析結果，為教師進行教學總結提供了便捷。教師可以從宏觀上統計某個班級的學習情況，也可以查看任一個學生的成績及其具體構成。

3 智慧課堂教學實踐

智慧教學平臺可借助目前成熟的學習通、 雨課堂、釘釘等混合式在線教學軟件來實施，部分高校也自行開發或購買了線上教學實驗平臺，這些教學軟件為線上教學提供了豐富的資源和教學環境，有助于實現教學中師生之間全程互動， 學習全過程數據的記錄、統計與分析。

數據結構[6-7]課程作為計算機專業基礎課，培養學生對抽象理論的理解， 對算法的應用與實踐的能力，是一門理論與實驗并重的課程。 因此，根據本門課程的特點，授課選擇的是“雨課堂+錄屏軟件+微信”混合智慧教學平臺， 智慧課堂在線教學對象是18 屆醫學信息工程專業的學生。

3.1 課前預習

授課前，教師了解了學生的專業特點以及學生的基礎條件，通過在線平臺查閱該班以往的信息，發現學生基礎不錯，自學能力較強，班級學習氛圍良好。預習內容難度可以適當拔高。 為了調動學生學習興趣，根據每節課的知識點， 教師將事先下載和制作的動畫、視頻插入到預習PPT 中，并和自主學習任務單一起上傳到在線平臺。 學生按照自主學習任務單的要求，進行預習。 學生在學習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習。教師通過雨課堂看到學生的反饋，相應地對教學計劃做些調整，預留一些課上時間，對學生預習不懂的地方加以解釋。

3.2 理論教學

數據結構課程講解線性表、棧、隊列、樹、圖等常用的數據模型及其相關算法的實現，理論抽象，算法不易理解，學生學習容易被動。因此，教師為加強學生參與度和師生互動，活躍課堂氣氛，提高教學效果，采用以下教學手段：

（1）基本的教學內容講授。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制作視頻，在課上播放，并分享給學生，課下復習使用。

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

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

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

以“棧”章節內容為例，課堂教學活動簡單概述如表1 所示。

表1 課堂教學活動舉例

3.3 實驗教學

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

3.4 課后知識鞏固

課后學生在規定時間內完成教師布置的作業或小測驗， 教師在雨課堂平臺查看學生完成作業的情況，進行整理總結，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。 此外，教師可以選擇一兩份具有代表性的實驗作業，與學生共同討論。

3.5 學習評價與教學總結

智慧課堂對教學全過程進行了數據統計和分析，教師可以確定學生對知識的掌握程度，量化學生的學習效果，根據作業完成情況，課堂在線時長，實驗完成情況等，結合平臺給出的分數，為學生的學習水平給出全面客觀的評價。

4 智慧課堂教學效果分析

2018 屆醫信班的數據結構課程使用智慧教學平臺線上教學，通過平臺匯總的數據及圖示，授課教師能較易地發現學生存在的共性和個性問題，方便教學總結。 比如：開課初期存在個別學生上課遲到或聽課時長不足等問題，課后教師及時聯系學生，了解學生學習存在的困難并給予幫助，保證全班滿勤及學生在線聽課時長。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生，從數據來看，在線測試提交率基本達到100%，主題討論平均每周2～3 次，參與討論的學生約達到80%，隨機點名有效防止學生聽課思想“溜號”，如果被點名學生回答不甚理想，會有其他學生以語音或彈幕方式補充，課堂氣氛較好。 從課后作業數據來看，學生知識掌握情況良好，與2017屆學生相比，特別是作業中難度較大的題目完成得不錯。通過智慧教學平臺線上教學，師生、生生之間的互動與協作，較之線下教學增多，有效地提升了教學效果。 在不同教學方式下，學生對課程的興趣和教學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 不同教學模式下數據結構課程考試成績對比

5 結語

實踐表明， 智慧課堂教學模式實現了“課前-課中-課后”教學全過程的師生互動與協作，智慧平臺的數據記錄與分析可以看出每一位學生的學習情況，教師可以有針對性地給予指導，有效地彌補線下教學的不足。 智慧課堂教學效果良好。 相信智慧課堂教學模式會越來越完善，發揮不可估量的教學效果。