“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”演示實(shí)驗(yàn)類交互式微課設(shè)計(jì)與實(shí)踐

楊曉波, 陳邦澤

(1. 西藏民族大學(xué) 信息工程學(xué)院, 陜西 咸陽 712082； 2. 西藏民族大學(xué) 西藏光信息處理與可視化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 咸陽 712082； 3. 西藏民族大學(xué) 教育學(xué)院, 陜西 咸陽 712082)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”演示實(shí)驗(yàn)類交互式微課設(shè)計(jì)與實(shí)踐

楊曉波1,2, 陳邦澤3

(1. 西藏民族大學(xué) 信息工程學(xué)院, 陜西 咸陽 712082； 2. 西藏民族大學(xué) 西藏光信息處理與可視化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 咸陽 712082； 3. 西藏民族大學(xué) 教育學(xué)院, 陜西 咸陽 712082)

學(xué)生對(duì)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”邏輯結(jié)構(gòu)與存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及其經(jīng)典算法理解困難,如果數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法的執(zhí)行過程也能像物理實(shí)驗(yàn)和化學(xué)實(shí)驗(yàn)一樣直觀形象地呈現(xiàn)在學(xué)生面前,那么情況就會(huì)大不相同。因此,將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法的執(zhí)行過程用面向?qū)ο蠓椒ㄔO(shè)計(jì)開發(fā)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化CAI軟件,并在此基礎(chǔ)上通過Camtasia studio、Easy Sketch、Adobe Captivate等軟件制作交互式微課,學(xué)生通過微課學(xué)習(xí)解決“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程中學(xué)習(xí)效果欠佳的根源問題。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)； 演示實(shí)驗(yàn)； 微課

微課不僅是視頻的微型化,更是一種新的微學(xué)習(xí)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(diǎn)。精細(xì)講解知識(shí)點(diǎn)更容易幫助學(xué)習(xí)者理解學(xué)習(xí)內(nèi)容和建構(gòu)知識(shí)體系,同時(shí)又能高效利用碎片時(shí)間學(xué)習(xí)[2]。微課使學(xué)習(xí)者能在遠(yuǎn)程教學(xué)和傳統(tǒng)學(xué)習(xí)的預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、自學(xué)等過程中提升學(xué)習(xí)效率、加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)、降低單一學(xué)習(xí)形式帶來的學(xué)習(xí)疲勞。微課的靈活性和針對(duì)性都非常突出[3],在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中恰當(dāng)?shù)匾胛⒄n能幫助學(xué)生更加清晰學(xué)習(xí)目標(biāo),能幫助學(xué)生更好地對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容融會(huì)貫通,提升學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)興趣。

1 “數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的一門核心課程,但同時(shí)也是一門相對(duì)難學(xué)的課程,學(xué)生需通過講授與上機(jī)實(shí)踐掌握各種類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本概念、邏輯結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu),以及各種基本運(yùn)算的實(shí)現(xiàn),并能為各種現(xiàn)有存儲(chǔ)方式的應(yīng)用設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法。課程理論抽象、實(shí)踐性強(qiáng),在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在較嚴(yán)重的問題:

(1) 學(xué)生學(xué)習(xí)能力不足。“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”與其入門課程“C語言程序設(shè)計(jì)”相比,教學(xué)內(nèi)容的難度加大了,算法的復(fù)雜程度更是大幅度提高。學(xué)生的學(xué)習(xí)能力瓶頸凸顯,產(chǎn)生畏難和厭煩情緒。

(2) C語言程序設(shè)計(jì)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(diào)用、形參和實(shí)參的匹配、局部變量與全局變量的使用、調(diào)試程序能力差等。

2 構(gòu)想

學(xué)生對(duì)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”邏輯結(jié)構(gòu)與存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及其經(jīng)典算法不能很好地理解,如果數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法的執(zhí)行過程也能像物理實(shí)驗(yàn)和化學(xué)實(shí)驗(yàn)一樣直觀形象地呈現(xiàn)在學(xué)生面前,教學(xué)效果應(yīng)可以大幅度提高。因此將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法的執(zhí)行過程用面向?qū)ο蠓椒ㄔO(shè)計(jì)開發(fā)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化CAI軟件。目前微課教學(xué)如火如荼且收到良好的教學(xué)效果,所以結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化CAI軟件和其他微課制作技術(shù),錄制微課完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)演示實(shí)驗(yàn)微課程。

在教學(xué)中結(jié)合微課教學(xué)資源的應(yīng)用和基于翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式,學(xué)生根據(jù)自身的學(xué)習(xí)需求自主支配時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)演示實(shí)驗(yàn)微課視頻資源的學(xué)習(xí)。學(xué)生通過學(xué)習(xí)首先能充分理解數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以及經(jīng)典算法是如何執(zhí)行的,然后在此基礎(chǔ)上再培養(yǎng)其設(shè)計(jì)算法和綜合開發(fā)解決實(shí)際問題的能力,從而解決“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實(shí)驗(yàn)課中教學(xué)和學(xué)習(xí)效果欠佳的問題。

3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)經(jīng)典算法可視化

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化CAI軟件實(shí)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(jié)點(diǎn)后插入一個(gè)新結(jié)點(diǎn)s,首先修改新結(jié)點(diǎn)s的后繼指針指向p后繼結(jié)點(diǎn),此時(shí)會(huì)彈出一個(gè)小提示窗口，見圖2(a),接著修改新結(jié)點(diǎn)s的前驅(qū)指針指向p,接著修改p結(jié)點(diǎn)后繼的前驅(qū)指針同時(shí)原前驅(qū)指針失效,然后修改p的后繼指向s，同時(shí)原前驅(qū)指針失效，見圖2(b)。整個(gè)過程是一個(gè)動(dòng)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(dòng)地幫助學(xué)生理解鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)中指針的修改。主要實(shí)現(xiàn)了常用的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),如線性表、棧、隊(duì)列、二叉樹和圖的可視化,并實(shí)現(xiàn)了一些經(jīng)典算法的動(dòng)態(tài)可視執(zhí)行過程。

第一部分是線性表的可視化,主要實(shí)現(xiàn)了順序表的可視化、單鏈表的可視化、帶頭結(jié)點(diǎn)的單鏈表和雙鏈表的可視化,尤其是順序表中插入時(shí)結(jié)點(diǎn)后移刪除時(shí)結(jié)點(diǎn)前移以及鏈表中插入、刪除結(jié)點(diǎn)時(shí)指針的修改實(shí)現(xiàn)了形象生動(dòng)的展示。

第二部分棧和隊(duì)列的可視化,主要實(shí)現(xiàn)了順序棧的可視化、鏈棧的可視化、循環(huán)隊(duì)列的可視化和鏈隊(duì)列的可視化,讓學(xué)生充分理解棧后進(jìn)先出、隊(duì)列是先進(jìn)先出的特點(diǎn)。

第三部分二叉樹的可視化,主要實(shí)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(dòng)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(shí)現(xiàn)；哈夫曼樹的可視化實(shí)現(xiàn),用戶輸入n個(gè)權(quán)值系統(tǒng)構(gòu)造一棵哈夫曼樹,并給出各權(quán)值的哈夫曼編碼。

第四部分動(dòng)態(tài)查找表的可視化,主要實(shí)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(shí)失衡調(diào)整旋轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)可視化過程。

第五部分圖的可視化,主要實(shí)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?fù)渑判?提出分組拓?fù)渑判?以便于繪制有向無環(huán)圖)；關(guān)鍵路徑等算法的動(dòng)態(tài)可視化過程。

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

圖1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化CAI軟件功能展示

圖2 雙鏈表的插入操作動(dòng)態(tài)可視化過程

4 演示實(shí)驗(yàn)

演示實(shí)驗(yàn)是輔助教學(xué)的一種手段[4]。實(shí)際教學(xué)中演示實(shí)驗(yàn)包括實(shí)體實(shí)驗(yàn),也包括用以演示實(shí)驗(yàn)過程和現(xiàn)象的幻燈片、演示文稿、視頻等。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)沒有辦法進(jìn)行實(shí)體實(shí)驗(yàn),所以本文中所提及的演示實(shí)驗(yàn)類微課程是以視頻為載體的。

從學(xué)習(xí)成效金字塔可以看出,傳統(tǒng)教學(xué)中經(jīng)常采用的視聽結(jié)合的方式,學(xué)生知識(shí)保有率并不高,但在教學(xué)中,這種方式卻不可缺少[5]。在學(xué)習(xí)過程中,知識(shí)雖然不是完全靠教師的講解就能學(xué)會(huì)的,但是講解是學(xué)生學(xué)習(xí)基本概念和技能的基礎(chǔ),這個(gè)步驟對(duì)于知識(shí)的理解有很好的加速作用。因此在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化CAI軟件的基礎(chǔ)上再加上教師的講解旁白,制作成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)演示實(shí)驗(yàn)微課。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)演示實(shí)驗(yàn),是學(xué)生直觀感受數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(shè)問題情境、激發(fā)學(xué)生興趣、引導(dǎo)學(xué)生挖掘知識(shí)根源、深入理解知識(shí)及實(shí)際應(yīng)用等方面都有很好的效果。

5 演示實(shí)驗(yàn)類微課程視頻的制作步驟

ADDIE模型就是從分析(analysis)、設(shè)計(jì)(design)、發(fā)展(develop)、執(zhí)行(implement)到評(píng)估(evaluate)的整個(gè)過程,是一套以系統(tǒng)科學(xué)為基礎(chǔ)的教學(xué)方法,內(nèi)容主要有如何制定學(xué)習(xí)目標(biāo)、如何運(yùn)用學(xué)習(xí)策略和怎樣評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)效果,即告訴學(xué)習(xí)者要學(xué)什么、怎么去學(xué)和學(xué)得怎么樣[6]。演示實(shí)驗(yàn)類微課程視頻的制作主要參考ADDIE模型的5個(gè)步驟。以下以“平衡二叉樹的平衡旋轉(zhuǎn)”的微課程設(shè)計(jì)為例說明這5個(gè)步驟(見表1)。表1主要針對(duì)分析、設(shè)計(jì)和開發(fā)3個(gè)環(huán)節(jié),實(shí)施和評(píng)估是在實(shí)際教學(xué)中微課的使用方式和評(píng)判,須根據(jù)實(shí)際情況而定。

表1 “平衡二叉樹的平衡旋轉(zhuǎn)”微課程設(shè)計(jì)

表1(續(xù))

6 演示實(shí)驗(yàn)類微課程視頻的制作技術(shù)

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(jī)記錄教師在教室通過黑(或白)板展示教學(xué)過程,由于考慮到教師形象的出現(xiàn)可能會(huì)影響學(xué)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(duì)PPT的演示進(jìn)行錄制,并加上教師的錄音和簡(jiǎn)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(jìn)行錄制,錄屏軟件選擇Camtasia studio 8作為開發(fā)工具,Camtasia studio是美國(guó)TechSmith公司開發(fā)的一套專業(yè)屏幕錄制軟件,不僅能進(jìn)行屏幕錄制、視頻播放,還能進(jìn)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(shí)現(xiàn)可汗學(xué)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(chǎng)景中插入圖片,在視頻中就會(huì)自動(dòng)用真實(shí)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(xué)院那樣的手繪效果,另外還可以為手繪動(dòng)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(jìn)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(jìn)行交互式微課的開發(fā),在微課視頻的基礎(chǔ)上添加交互式測(cè)試題目。

首先準(zhǔn)備好PPT,啟動(dòng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(shí)點(diǎn)細(xì)化教學(xué)設(shè)計(jì),用Camtasia studio 8軟件對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化CAI軟件進(jìn)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(zhǔn)備的各種資源,并熟練操作相關(guān)屏幕錄制軟件、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化CAI軟件的操作和硬件設(shè)備,所以需要在前期先進(jìn)行一些練習(xí)以熟悉整個(gè)流程,并且一定要保證有一個(gè)安靜的錄制環(huán)境。為保證清晰高質(zhì)的語音,錄音時(shí)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(zhuǎn)調(diào)整方案；圖5 所示為可視化CAI軟件運(yùn)行錄制視頻,講解平衡二叉樹刪除根結(jié)點(diǎn)時(shí)的調(diào)整方案；圖6所示為Adobe Captivate可以制作的測(cè)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(yùn)行錄制視頻

圖6 Adobe Captivate的測(cè)試題類型

圖7 用Adobe Captivate制作的選擇題交互畫面

7 結(jié)語

微課具有短小精悍的特點(diǎn)，學(xué)生可以隨時(shí)隨地利用碎片時(shí)間學(xué)習(xí),其內(nèi)容精彩、主題突出、針對(duì)性強(qiáng),且具有較強(qiáng)的交互性,用途廣泛。教師由演員轉(zhuǎn)型到導(dǎo)演,學(xué)生由學(xué)習(xí)型轉(zhuǎn)型到開發(fā)型、創(chuàng)新型。本文是在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)經(jīng)典算法進(jìn)行錄屏加教師旁白講解制作演示實(shí)驗(yàn)型微課,并增加了交互式題型設(shè)計(jì),學(xué)生可以通過微課學(xué)習(xí)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)[12],并可對(duì)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行自我測(cè)試評(píng)價(jià),另外學(xué)生還可在線運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化軟件系統(tǒng)進(jìn)行交互式學(xué)習(xí)。將微課與翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式結(jié)合,學(xué)生課前通過微課學(xué)習(xí),在課堂上就有更多的機(jī)會(huì)問教師更有創(chuàng)造性的問題,師生共同交流提高,將對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解提高到新的層次。這種翻轉(zhuǎn)模式很好地利用了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和傳統(tǒng)課堂的優(yōu)勢(shì),將它們進(jìn)行結(jié)合,優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)課堂。

References)

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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(guó)教育科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目(FCB150516)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41361044)；西藏民族大學(xué)重點(diǎn)課程 (3dsMax動(dòng)畫設(shè)計(jì))

楊曉波(1970—)，女,甘肅景泰,碩士,教授,研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué).E-mail：hzyangxb@126.com

G642.0

A

1002-4956(2017)08-0153-05