楊曉波, 陳邦澤

(1. 西藏民族大學 信息工程學院, 陜西 咸陽 712082； 2. 西藏民族大學 西藏光信息處理與可視化技術重點實驗室, 陜西 咸陽 712082； 3. 西藏民族大學 教育學院, 陜西 咸陽 712082)

實驗教學研究

“數(shù)據(jù)結構”演示實驗類交互式微課設計與實踐

楊曉波1,2, 陳邦澤3

(1. 西藏民族大學 信息工程學院, 陜西 咸陽 712082； 2. 西藏民族大學 西藏光信息處理與可視化技術重點實驗室, 陜西 咸陽 712082； 3. 西藏民族大學 教育學院, 陜西 咸陽 712082)

學生對“數(shù)據(jù)結構”邏輯結構與存儲結構及其經(jīng)典算法理解困難,如果數(shù)據(jù)結構算法的執(zhí)行過程也能像物理實驗和化學實驗一樣直觀形象地呈現(xiàn)在學生面前,那么情況就會大不相同。因此,將數(shù)據(jù)結構算法的執(zhí)行過程用面向對象方法設計開發(fā)了數(shù)據(jù)結構可視化CAI軟件,并在此基礎上通過Camtasia studio、Easy Sketch、Adobe Captivate等軟件制作交互式微課,學生通過微課學習解決“數(shù)據(jù)結構”課程中學習效果欠佳的根源問題。

數(shù)據(jù)結構； 演示實驗； 微課

微課不僅是視頻的微型化,更是一種新的微學習理念[1],人的注意力完全集中大約也就是10 min左右,微課正是抓住了這一點。精細講解知識點更容易幫助學習者理解學習內容和建構知識體系,同時又能高效利用碎片時間學習[2]。微課使學習者能在遠程教學和傳統(tǒng)學習的預習、復習、自學等過程中提升學習效率、加強實驗學習、降低單一學習形式帶來的學習疲勞。微課的靈活性和針對性都非常突出[3],在實驗教學中恰當?shù)匾胛⒄n能幫助學生更加清晰學習目標,能幫助學生更好地對學習內容融會貫通,提升學習者學習興趣。

1 “數(shù)據(jù)結構”實驗教學中存在的問題

“數(shù)據(jù)結構”是計算機相關專業(yè)的一門核心課程,但同時也是一門相對難學的課程,學生需通過講授與上機實踐掌握各種類型的數(shù)據(jù)結構基本概念、邏輯結構、存儲結構,以及各種基本運算的實現(xiàn),并能為各種現(xiàn)有存儲方式的應用設計相應的算法。課程理論抽象、實踐性強,在實驗教學中存在較嚴重的問題:

(1) 學生學習能力不足?！皵?shù)據(jù)結構”與其入門課程“C語言程序設計”相比,教學內容的難度加大了,算法的復雜程度更是大幅度提高。學生的學習能力瓶頸凸顯,產(chǎn)生畏難和厭煩情緒。

(2) C語言程序設計掌握不到位。常見的問題主要有指針的使用、變量定義不規(guī)范、函數(shù)及其調用、形參和實參的匹配、局部變量與全局變量的使用、調試程序能力差等。

2 構想

學生對“數(shù)據(jù)結構”邏輯結構與存儲結構及其經(jīng)典算法不能很好地理解,如果數(shù)據(jù)結構算法的執(zhí)行過程也能像物理實驗和化學實驗一樣直觀形象地呈現(xiàn)在學生面前,教學效果應可以大幅度提高。因此將數(shù)據(jù)結構算法的執(zhí)行過程用面向對象方法設計開發(fā)了數(shù)據(jù)結構可視化CAI軟件。目前微課教學如火如荼且收到良好的教學效果,所以結合數(shù)據(jù)結構可視化CAI軟件和其他微課制作技術,錄制微課完成數(shù)據(jù)結構演示實驗微課程。

在教學中結合微課教學資源的應用和基于翻轉課堂的教學模式,學生根據(jù)自身的學習需求自主支配時間進行數(shù)據(jù)結構演示實驗微課視頻資源的學習。學生通過學習首先能充分理解數(shù)據(jù)邏輯結構和存儲結構以及經(jīng)典算法是如何執(zhí)行的,然后在此基礎上再培養(yǎng)其設計算法和綜合開發(fā)解決實際問題的能力,從而解決“數(shù)據(jù)結構”實驗課中教學和學習效果欠佳的問題。

3 數(shù)據(jù)結構經(jīng)典算法可視化

數(shù)據(jù)結構可視化CAI軟件實現(xiàn)的功能如圖1所示,圖2以雙鏈表的插入為例展示CAI軟件的具體功能,在p指向結點后插入一個新結點s,首先修改新結點s的后繼指針指向p后繼結點,此時會彈出一個小提示窗口，見圖2(a),接著修改新結點s的前驅指針指向p,接著修改p結點后繼的前驅指針同時原前驅指針失效,然后修改p的后繼指向s，同時原前驅指針失效，見圖2(b)。整個過程是一個動態(tài)可視化的過程,每一步指針修改都有提示窗彈出以提醒用戶注意,形象生動地幫助學生理解鏈式存儲中指針的修改。主要實現(xiàn)了常用的各種數(shù)據(jù)結構,如線性表、棧、隊列、二叉樹和圖的可視化,并實現(xiàn)了一些經(jīng)典算法的動態(tài)可視執(zhí)行過程。

第一部分是線性表的可視化,主要實現(xiàn)了順序表的可視化、單鏈表的可視化、帶頭結點的單鏈表和雙鏈表的可視化,尤其是順序表中插入時結點后移刪除時結點前移以及鏈表中插入、刪除結點時指針的修改實現(xiàn)了形象生動的展示。

第二部分棧和隊列的可視化,主要實現(xiàn)了順序棧的可視化、鏈棧的可視化、循環(huán)隊列的可視化和鏈隊列的可視化,讓學生充分理解棧后進先出、隊列是先進先出的特點。

第三部分二叉樹的可視化,主要實現(xiàn)了二叉樹的可視化,廣義表形式建立二叉樹、先序次序建立二叉樹、先序遍歷、中序遍歷、后序遍歷等算法的動態(tài)執(zhí)行過程展示；中序遍歷建立線索二叉樹的可視化實現(xiàn)；哈夫曼樹的可視化實現(xiàn),用戶輸入n個權值系統(tǒng)構造一棵哈夫曼樹,并給出各權值的哈夫曼編碼。

第四部分動態(tài)查找表的可視化,主要實現(xiàn)了二叉排序樹的建立、插入和刪除操作,平衡二叉樹建立、插入和刪除時失衡調整旋轉的動態(tài)可視化過程。

第五部分圖的可視化,主要實現(xiàn)了圖的深度優(yōu)先遍歷、廣度優(yōu)先遍歷；Prime算法求最小生成樹、Kruskal算法求最小生成樹；Dijkstra算法求最短路徑；拓撲排序(提出分組拓撲排序,以便于繪制有向無環(huán)圖)；關鍵路徑等算法的動態(tài)可視化過程。

第六部分查找算法的可視化,主要實現(xiàn)了順序查找和折半查找的動態(tài)可視化過程。

圖1 數(shù)據(jù)結構可視化CAI軟件功能展示

圖2 雙鏈表的插入操作動態(tài)可視化過程

4 演示實驗

演示實驗是輔助教學的一種手段[4]。實際教學中演示實驗包括實體實驗,也包括用以演示實驗過程和現(xiàn)象的幻燈片、演示文稿、視頻等。數(shù)據(jù)結構沒有辦法進行實體實驗,所以本文中所提及的演示實驗類微課程是以視頻為載體的。

從學習成效金字塔可以看出,傳統(tǒng)教學中經(jīng)常采用的視聽結合的方式,學生知識保有率并不高,但在教學中,這種方式卻不可缺少[5]。在學習過程中,知識雖然不是完全靠教師的講解就能學會的,但是講解是學生學習基本概念和技能的基礎,這個步驟對于知識的理解有很好的加速作用。因此在數(shù)據(jù)結構可視化CAI軟件的基礎上再加上教師的講解旁白,制作成數(shù)據(jù)結構演示實驗微課。數(shù)據(jù)結構演示實驗,是學生直觀感受數(shù)據(jù)結構及其經(jīng)典算法的執(zhí)行過程、理解概念和算法的重要手段,在創(chuàng)設問題情境、激發(fā)學生興趣、引導學生挖掘知識根源、深入理解知識及實際應用等方面都有很好的效果。

5 演示實驗類微課程視頻的制作步驟

ADDIE模型就是從分析(analysis)、設計(design)、發(fā)展(develop)、執(zhí)行(implement)到評估(evaluate)的整個過程,是一套以系統(tǒng)科學為基礎的教學方法,內容主要有如何制定學習目標、如何運用學習策略和怎樣評價學習效果,即告訴學習者要學什么、怎么去學和學得怎么樣[6]。演示實驗類微課程視頻的制作主要參考ADDIE模型的5個步驟。以下以“平衡二叉樹的平衡旋轉”的微課程設計為例說明這5個步驟(見表1)。表1主要針對分析、設計和開發(fā)3個環(huán)節(jié),實施和評估是在實際教學中微課的使用方式和評判,須根據(jù)實際情況而定。

表1 “平衡二叉樹的平衡旋轉”微課程設計

表1(續(xù))

6 演示實驗類微課程視頻的制作技術

目前微課視頻的制作方法主要有:

一是通過攝像錄制,通過攝影機記錄教師在教室通過黑(或白)板展示教學過程,由于考慮到教師形象的出現(xiàn)可能會影響學生的注意力,因此不使用此方法；

二是通過錄屏軟件制作,在電腦上對PPT的演示進行錄制,并加上教師的錄音和簡單的字幕；

三是軟件制作混合制作方式[7-9]。

本文采用第二、三2種方法進行錄制,錄屏軟件選擇Camtasia studio 8作為開發(fā)工具,Camtasia studio是美國TechSmith公司開發(fā)的一套專業(yè)屏幕錄制軟件,不僅能進行屏幕錄制、視頻播放,還能進行視頻編輯、支持多種輸出格式等工作,比較容易操作。使用Easy Sketch Pro3軟件實現(xiàn)可汗學院模式。Easy Sketch Pro3是一款手繪視頻制作軟件,制作者直接在文字錄入框里輸入中文字或在場景中插入圖片,在視頻中就會自動用真實的手或筆將文字和圖片以手繪的方法呈現(xiàn),制作出的課程有類似可汗學院那樣的手繪效果,另外還可以為手繪動畫配音或融入背景音樂。Adobe Captivate 相比較其他錄屏軟件而言具有出色的交互功能[10-11],能夠通過錄屏進行仿真模擬功能的開發(fā),能夠編輯多媒體文件并添加交互性功能。利用Adobe Captivate進行交互式微課的開發(fā),在微課視頻的基礎上添加交互式測試題目。

首先準備好PPT,啟動數(shù)據(jù)結構可視化CAI軟件就可以開始錄制微課視頻了。根據(jù)表1中知識點細化教學設計,用Camtasia studio 8軟件對數(shù)據(jù)結構可視化CAI軟件進行操作并錄制,并且加上語音旁白解說。錄制過程需要整合串聯(lián)前期所準備的各種資源,并熟練操作相關屏幕錄制軟件、數(shù)據(jù)結構可視化CAI軟件的操作和硬件設備,所以需要在前期先進行一些練習以熟悉整個流程,并且一定要保證有一個安靜的錄制環(huán)境。為保證清晰高質的語音,錄音時盡量不宜太靠近話筒以避免噪音等現(xiàn)象。圖3所示為Easy Sketch Pro3制作手繪視頻,模仿教師板書講解平衡二叉樹概念；圖4所示為PPT課件錄制視頻,講解平衡旋轉調整方案；圖5 所示為可視化CAI軟件運行錄制視頻,講解平衡二叉樹刪除根結點時的調整方案；圖6所示為Adobe Captivate可以制作的測試題類型；圖7所示為用Adobe Captivate制作的選擇題交互畫面。

圖3 Easy Sketch Pro3制作手繪視頻

圖4 錄制PPT講解視頻

圖5 可視化CAI軟件運行錄制視頻

圖6 Adobe Captivate的測試題類型

圖7 用Adobe Captivate制作的選擇題交互畫面

7 結語

微課具有短小精悍的特點，學生可以隨時隨地利用碎片時間學習,其內容精彩、主題突出、針對性強,且具有較強的交互性,用途廣泛。教師由演員轉型到導演,學生由學習型轉型到開發(fā)型、創(chuàng)新型。本文是在數(shù)據(jù)結構可視化軟件系統(tǒng)的基礎上,對數(shù)據(jù)結構經(jīng)典算法進行錄屏加教師旁白講解制作演示實驗型微課,并增加了交互式題型設計,學生可以通過微課學習相應知識點[12],并可對所學內容進行自我測試評價,另外學生還可在線運行數(shù)據(jù)結構可視化軟件系統(tǒng)進行交互式學習。將微課與翻轉課堂教學模式結合,學生課前通過微課學習,在課堂上就有更多的機會問教師更有創(chuàng)造性的問題,師生共同交流提高,將對教學內容的理解提高到新的層次。這種翻轉模式很好地利用了移動互聯(lián)網(wǎng)和傳統(tǒng)課堂的優(yōu)勢,將它們進行結合,優(yōu)化了實驗課堂。

References)

[1] 王覓.面向碎片化學習時代微視頻課程的內容設計[D].上海:華東師范大學,2013.

[2] 董博清.基于思維導圖的中學物理教學實證研究[D].長春:東北師范大學,2013.

[3] 艾元元.微課在高中信息技術技能課中的應用研究[D].南京:南京師范大學,2014.

[4] 張冬梅,高中物理演示實驗的設計方法研究與實踐[D].濟南:山東師范大學,2008:5-6.

[5] 姜艷玲,徐彤.學習成效金字塔理論在翻轉課堂中的應用與實踐[J].中國電化教育,2014(7):133-138.

[6] 黃伯平.遠程教育環(huán)境下的微課程資源開發(fā)與應用研巧[J].福建廣播電視大學學報,2015(1):8-15.

[7] 靳旭瑩,申巍.翻轉課堂教學模式探討機[J].中國信息技術教育,2014(1):39.

[8] 張金磊,王穎,張寶輝.翻轉裸堂教學模式研究[J].遠程教育雜志,2012(4):46-51.

[9] 季敏婷,王海艷,張成龍.翻轉課堂教學模式在教學中的應用分析的[J].中國教育技術裝備,2014,21(11) :17-18.

[10] 盧行偉,李慶,田茂毅.基于微課特點的大學計算機實驗教學改革實踐[J].實驗技術與管理,2017,33(1):175-180.

[11] 崔小洛.多媒體制作軟件類交互式微課程設計與開發(fā)研究[D].濟南:山東師范大學,2015.

[12] 蘇小兵,管玨琪,錢冬明,等.微課概念辨析及其教學應用研究[J].中國電化教育,2014(7):94-99.

Design and practice of interactive micro-class of demonstration experiment for Data Structure course

Yang Xiaobo1,2, Chen Bangze3

(1. Department of Information Engineering, Tibet University for Nationalities, Xianyang 712082, China;2. Tibet Key Laboratory of Optical Information Processing and Visualization Technology, Tibet University for Nationalities, Xianyang 712082, China; 3. Department of Education, Tibet University for Nationalities, Xianyang 712082, China)

The students have difficulty in understanding the logical structure and the storage structure of the Data Structure course and its classical algorithm. If the implementation process of the data structure algorithm can be visually presented in front of the students in the same way as physical and chemical experiments, the situation will be very different. Therefore, the CAI software of data structure visualization is developed by the object-oriented method for the implementation process of data structure algorithm. On this basis, an interactive micro-class is set up through the Camtasia studio, Easy Sketch, Adobe Captivate and other software, and through micro-class learning, the students can solve the basic problems of poor learning effect in the Data Structure course.

data structure; demonstration experiment; micro-class

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.038

2017-03-10

全國教育科學規(guī)劃項目(FCB150516)；國家自然科學基金項目(41361044)；西藏民族大學重點課程 (3dsMax動畫設計)

楊曉波(1970—)，女,甘肅景泰,碩士,教授,研究方向為虛擬現(xiàn)實、數(shù)據(jù)結構與算法、計算機輔助教學.E-mail：hzyangxb@126.com

G642.0

A

1002-4956(2017)08-0153-05