鄧娜 劉永川 陳旭

摘 要：隨著信息化技術(shù)在教育行業(yè)中的應(yīng)用逐步深入，高等教育也面臨重大改革。作為教育信息化進(jìn)程中一個(gè)重要基礎(chǔ)設(shè)施，智慧教室越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外教育工作者和管理者重視。為填補(bǔ)當(dāng)前相關(guān)研究空白，為一線教育工作者提供教學(xué)參考與改革思路，在分析智慧教室功能與優(yōu)勢(shì)后，針對(duì)計(jì)算機(jī)類課程的特殊性，總結(jié)傳統(tǒng)教室場(chǎng)景下計(jì)算機(jī)類課程教學(xué)面臨的主要問(wèn)題。以數(shù)據(jù)挖掘課程中的網(wǎng)絡(luò)爬蟲章節(jié)為例，設(shè)計(jì)智慧教室場(chǎng)景下的教學(xué)過(guò)程，以探討未來(lái)智慧教室場(chǎng)景下的計(jì)算機(jī)類課程教學(xué)模式，從而不斷提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：智慧教室;計(jì)算機(jī)類課程;數(shù)據(jù)挖掘;教學(xué)模式

0 引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展及其應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，高等教育領(lǐng)域也面臨重大改革。2016年6月，教育部頒發(fā)了《教育信息化“十三五”規(guī)劃》，強(qiáng)調(diào)信息化在教育教學(xué)中的重要性[1]，鼓勵(lì)將各類信息技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)中，以期全面提升我國(guó)教育信息化水平。

近年來(lái)，教育信息化已初見(jiàn)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(xué)習(xí)平臺(tái)的廣泛使用，信息技術(shù)有效推動(dòng)了教學(xué)改革，使其向教育公平化、大眾化與泛在化邁進(jìn)了一大步[2]。

作為教育信息化進(jìn)程中的一個(gè)重要設(shè)施，智慧教室融合了多種終端設(shè)備，集成了物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)計(jì)算、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等多種先進(jìn)信息技術(shù)，現(xiàn)在越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外一線教育工作者與教育管理者重視[3-5]，學(xué)者們也對(duì)其進(jìn)行了大量研究。如文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)智慧課堂系統(tǒng)，介紹了其各個(gè)功能模塊;文獻(xiàn)[7]在分析傳統(tǒng)多媒體教室的弊端后，探索了智慧教室的應(yīng)用實(shí)踐模式;文獻(xiàn)[8]介紹江南大學(xué)的智慧教室建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，包括體系架構(gòu)建設(shè)及其與教學(xué)環(huán)節(jié)的銜接;文獻(xiàn)[9]提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算技術(shù)的智慧教室系統(tǒng)架構(gòu)，并給出具體實(shí)現(xiàn)方案;文獻(xiàn)[10]聚焦智慧教室中的聲音識(shí)別等技術(shù)，利用學(xué)生畫像協(xié)助教師實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué);文獻(xiàn)[11]介紹智慧教室的顯著特征，包括無(wú)線射頻技術(shù)使用、師生順暢交流以及用戶行為分析等，并設(shè)計(jì)一個(gè)基于Web的工作環(huán)境，其承載了智慧教室中的多種應(yīng)用，如多媒體、電子圖書等，以幫助教師感知學(xué)生注意力，輔助其作出智能決策;文獻(xiàn)[12]詳細(xì)討論了無(wú)線射頻技術(shù)在智慧教室中的應(yīng)用。

綜上，目前有關(guān)智慧教室的相關(guān)研究大多是一種泛在的研究，即關(guān)注于智慧教室本身的軟硬件設(shè)施或探索智慧教室對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式帶來(lái)的影響與變革，很少?gòu)哪硞€(gè)特定學(xué)科角度考慮智慧教室中的實(shí)際教學(xué)模式。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文將研究重點(diǎn)聚焦于計(jì)算機(jī)類課程，以數(shù)據(jù)挖掘課程為例，詳細(xì)介紹其在智慧教室場(chǎng)景下的教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)。

1 智慧教室功能

智慧教室是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)計(jì)算、云計(jì)算等各類信息技術(shù)共同發(fā)展的產(chǎn)物，是智慧校園的一個(gè)重要組成部分。自古以來(lái)，教室就是教師授課、學(xué)生學(xué)習(xí)的主要場(chǎng)所，智慧教室除保留傳統(tǒng)教室的基本屬性外，避免了傳統(tǒng)教室的諸多不足，并加入了更多智慧功能，主要體現(xiàn)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(jī)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的黑板教學(xué)，不僅能讓師生在無(wú)塵環(huán)境中學(xué)習(xí)，保護(hù)師生健康，還能方便地展示各類教學(xué)材料，使教師授課內(nèi)容更加生動(dòng)形象。

（2）教學(xué)視頻錄制與云存儲(chǔ)。智慧教室配備高清錄像機(jī)，能將課程全過(guò)程錄制下來(lái)并存儲(chǔ)在云端，學(xué)生可通過(guò)觀看視頻對(duì)知識(shí)溫故知新，教師也能通過(guò)回看課程視頻自查教學(xué)過(guò)程中的不足，查漏補(bǔ)缺。

（3）電子考勤。傳統(tǒng)教室中的學(xué)生考勤只能通過(guò)教師點(diǎn)名的方式完成，不僅浪費(fèi)時(shí)間，還容易出現(xiàn)學(xué)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(tǒng)，能通過(guò)指紋、人臉識(shí)別等形式完成考勤工作，省時(shí)且高效。

（4）基于問(wèn)答器或移動(dòng)設(shè)備的師生互動(dòng)。在傳統(tǒng)教室中，師生互動(dòng)通常是由教師點(diǎn)名個(gè)別學(xué)生進(jìn)行回答，在該形式下，教師只能掌握部分學(xué)生的知識(shí)掌握情況。在智慧教室中，學(xué)生可通過(guò)桌上的問(wèn)答器或移動(dòng)設(shè)備（手機(jī)、平板電腦）回答問(wèn)題，教師能迅速掌握全體學(xué)生的答題情況，了解學(xué)生共性問(wèn)題，從而有針對(duì)性地調(diào)整教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)進(jìn)度。

（5）教室設(shè)備互聯(lián)與智能化。智慧教室構(gòu)建在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上，教室中的各類設(shè)備互聯(lián)互通且具有智能。例如，照明設(shè)備通過(guò)判斷教室中是否有人從而自動(dòng)開(kāi)關(guān)，空調(diào)設(shè)備能根據(jù)室溫自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度，通風(fēng)換氣系統(tǒng)能根據(jù)空氣質(zhì)量自動(dòng)換氣，窗簾控制器也能通過(guò)當(dāng)前照明情況控制窗簾動(dòng)作等，從而創(chuàng)造一個(gè)舒適、節(jié)能的教學(xué)環(huán)境。

（6）教育大數(shù)據(jù)分析。不論是考勤系統(tǒng)，還是問(wèn)答器或移動(dòng)設(shè)備提供的數(shù)據(jù)，都能成為教育大數(shù)據(jù)分析對(duì)象，這些數(shù)據(jù)能幫助教師了解學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度與對(duì)知識(shí)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(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)教室相比，智慧教室在以下幾方面具有明顯優(yōu)勢(shì)：

（1）空間自由。智慧教室通常采用小班教學(xué)，桌子能自由拼組，椅子能360度旋轉(zhuǎn)，方便教師使用各種新型教學(xué)模式組織教學(xué)，如翻轉(zhuǎn)課堂、SPOC、對(duì)分課堂等。學(xué)生能夠很方便地組成小組，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)椅子與周圍同學(xué)進(jìn)行討論，這在傳統(tǒng)教室里是難以實(shí)現(xiàn)的。

（2）信息保存時(shí)間持久。在智慧教室中，教學(xué)信息能被持久保存。電子白板上的板書、整個(gè)教學(xué)過(guò)程以及考勤與師生互動(dòng)信息都被保存下來(lái)，這些保存的信息不僅是教育大數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)來(lái)源，還能成為提升教學(xué)質(zhì)量的歷史參考信息。

（3）配套設(shè)施智能化。照明、空調(diào)、通風(fēng)換氣、窗簾等各種配套設(shè)施的智能化能為師生創(chuàng)造一個(gè)節(jié)能、舒適的教學(xué)環(huán)境。

智慧教室的功能、優(yōu)勢(shì)及其對(duì)傳統(tǒng)教室不足之處的改進(jìn)如表1所示。

3 傳統(tǒng)教室場(chǎng)景下計(jì)算機(jī)類課程教學(xué)面臨的問(wèn)題

計(jì)算機(jī)類課程的理論性與操作性都非常強(qiáng)。絕大部分計(jì)算機(jī)類課程，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫(kù)、高級(jí)程序語(yǔ)言設(shè)計(jì)（如Java、Python等）、軟件工程、數(shù)據(jù)挖掘、網(wǎng)頁(yè)制作等，掌握相關(guān)理論只是基本教學(xué)目標(biāo)，更重要的是能將理論應(yīng)用于實(shí)踐進(jìn)行軟件項(xiàng)目開(kāi)發(fā)或科學(xué)研究。在傳統(tǒng)教室里，教師教學(xué)側(cè)重于理論，操作實(shí)踐在實(shí)驗(yàn)課上完成。學(xué)生在課堂上只能學(xué)習(xí)理論知識(shí)，而不能同步進(jìn)行實(shí)踐，教學(xué)效果通常不好，容易造成理論與實(shí)踐脫節(jié)。

此外，傳統(tǒng)教室里的師生互動(dòng)大多只能以理論知識(shí)提問(wèn)的形式開(kāi)展，教師只能了解部分學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況。另外，對(duì)于計(jì)算機(jī)類課程，教師不僅希望了解學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握情況，同時(shí)也希望了解學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。

在智慧教室中，每位學(xué)生桌上都配備了平板電腦等設(shè)備，學(xué)生能跟隨教師授課進(jìn)度一邊聽(tīng)講，一邊在電腦上操作。智慧教室的無(wú)線投影功能可對(duì)每位學(xué)生的實(shí)踐情況進(jìn)行投影，讓教師能清晰地了解全班學(xué)生的實(shí)踐情況。

4 智慧教室場(chǎng)景下的教學(xué)過(guò)程——以數(shù)據(jù)挖掘課程為例

數(shù)據(jù)挖掘是計(jì)算機(jī)課程中的一門專業(yè)課程，通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握海量數(shù)據(jù)的采集、分析與挖掘方法，具備采集與挖掘特定領(lǐng)域數(shù)據(jù)的能力。在傳統(tǒng)教學(xué)中，在課堂上進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘理論知識(shí)講解，實(shí)踐通過(guò)上機(jī)完成，教學(xué)效果不佳。以數(shù)據(jù)挖掘中的網(wǎng)絡(luò)爬蟲章節(jié)為例，在智慧教室場(chǎng)景下，一次完整的教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)如下：

（1）課前。Python語(yǔ)言由于具有簡(jiǎn)單易學(xué)、安裝簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，已逐步替代了Java語(yǔ)言，成為計(jì)算機(jī)行業(yè)內(nèi)應(yīng)用最廣的語(yǔ)言之一。為了與時(shí)代接軌，在數(shù)據(jù)挖掘課程中，教師放棄沿用多年的Java語(yǔ)言，而選擇Python語(yǔ)言進(jìn)行授課。Python安裝簡(jiǎn)單，其逐行執(zhí)行的特點(diǎn)使其特別適合于在課堂上進(jìn)行教學(xué)與演示。在課前，教師需確保智慧教室中覆蓋有互聯(lián)網(wǎng)，每臺(tái)電腦上安裝有Python編程環(huán)境，并且學(xué)生已通過(guò)電子考勤設(shè)備完成考勤。在教師和學(xué)生進(jìn)入教室前，教室里的燈光、空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)、窗簾等智能設(shè)施已自動(dòng)調(diào)節(jié)至最佳狀態(tài)。

（2）課中。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)爬蟲章節(jié)，以某網(wǎng)站網(wǎng)頁(yè)爬取為例，教師將理論與實(shí)踐融合在一起進(jìn)行教學(xué)。教師首先利用智慧教室的電子白板和投影設(shè)備為學(xué)生講解爬蟲基本原理，然后教師在教師用機(jī)上使用Python語(yǔ)言編寫網(wǎng)絡(luò)爬蟲代碼。爬蟲代碼包括網(wǎng)站連接、網(wǎng)頁(yè)獲取、網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容保存、網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容解析等方面內(nèi)容。在代碼編寫過(guò)程中，教師對(duì)代碼進(jìn)行講解，并對(duì)需要導(dǎo)入的Python包、調(diào)用函數(shù)、輸入?yún)?shù)、容易出錯(cuò)的地方進(jìn)行著重強(qiáng)調(diào)。學(xué)生一邊在投影上觀看教師編碼過(guò)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(xué)生對(duì)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(gè)任務(wù)：爬取指定網(wǎng)站網(wǎng)頁(yè)，并對(duì)網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容進(jìn)行保存與解析。通過(guò)智慧教室的無(wú)線投影功能，教師可將任何一位學(xué)生的電腦投影出來(lái)，檢查其任務(wù)完成情況。這一舉措能激勵(lì)學(xué)生在課堂上保持注意力高度集中。此外，教師可以針對(duì)一些有爭(zhēng)議的問(wèn)題設(shè)置互動(dòng)環(huán)節(jié)，如互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)如何限制第三方爬蟲？反爬蟲和反反爬蟲有哪些技巧？學(xué)生在各自的問(wèn)答器或移動(dòng)設(shè)備中答題，教師能迅速收集全班學(xué)生的回答并有針對(duì)性地進(jìn)行答疑。

（3）課后。課程結(jié)束后，各種智能配套設(shè)施自動(dòng)關(guān)閉。整個(gè)課堂教學(xué)過(guò)程都被錄制為視頻存儲(chǔ)在云端，學(xué)生可以在課后跟隨視頻進(jìn)行復(fù)習(xí)，教師也能回看視頻自查不足，并對(duì)考勤、課堂互動(dòng)等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)學(xué)習(xí)落后的學(xué)生加以重點(diǎn)關(guān)注。

5 結(jié)語(yǔ)

雖然目前智慧教室在我國(guó)應(yīng)用尚不多，但隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、移動(dòng)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，以及教育管理者對(duì)智慧教室的日益重視，相信在不久的將來(lái)，智慧教室能逐步替代傳統(tǒng)教室成為新一代主流教學(xué)場(chǎng)所。下一步研究將聚焦于智慧教室場(chǎng)景下的實(shí)踐教學(xué)效果評(píng)估。

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