“数据结构”演示实验类交互式微课设计与实践

杨晓波, 陈邦泽

(1. 西藏民族大学 信息工程学院, 陕西 咸阳 712082； 2. 西藏民族大学 西藏光信息处理与可视化技术重点实验室, 陕西 咸阳 712082； 3. 西藏民族大学 教育学院, 陕西 咸阳 712082)

实验教学研究

“数据结构”演示实验类交互式微课设计与实践

杨晓波1,2, 陈邦泽3

(1. 西藏民族大学 信息工程学院, 陕西 咸阳 712082； 2. 西藏民族大学 西藏光信息处理与可视化技术重点实验室, 陕西 咸阳 712082； 3. 西藏民族大学 教育学院, 陕西 咸阳 712082)

学生对“数据结构”逻辑结构与存储结构及其经典算法理解困难,如果数据结构算法的执行过程也能像物理实验和化学实验一样直观形象地呈现在学生面前,那么情况就会大不相同。因此,将数据结构算法的执行过程用面向对象方法设计开发了数据结构可视化CAI软件,并在此基础上通过Camtasia studio、Easy Sketch、Adobe Captivate等软件制作交互式微课,学生通过微课学习解决“数据结构”课程中学习效果欠佳的根源问题。

数据结构； 演示实验； 微课

微课不仅是视频的微型化,更是一种新的微学习理念[1],人的注意力完全集中大约也就是10 min左右,微课正是抓住了这一点。精细讲解知识点更容易帮助学习者理解学习内容和建构知识体系,同时又能高效利用碎片时间学习[2]。微课使学习者能在远程教学和传统学习的预习、复习、自学等过程中提升学习效率、加强实验学习、降低单一学习形式带来的学习疲劳。微课的灵活性和针对性都非常突出[3],在实验教学中恰当地引入微课能帮助学生更加清晰学习目标,能帮助学生更好地对学习内容融会贯通,提升学习者学习兴趣。

1 “数据结构”实验教学中存在的问题

“数据结构”是计算机相关专业的一门核心课程,但同时也是一门相对难学的课程,学生需通过讲授与上机实践掌握各种类型的数据结构基本概念、逻辑结构、存储结构,以及各种基本运算的实现,并能为各种现有存储方式的应用设计相应的算法。课程理论抽象、实践性强,在实验教学中存在较严重的问题:

(1) 学生学习能力不足。“数据结构”与其入门课程“C语言程序设计”相比,教学内容的难度加大了,算法的复杂程度更是大幅度提高。学生的学习能力瓶颈凸显,产生畏难和厌烦情绪。

(2) C语言程序设计掌握不到位。常见的问题主要有指针的使用、变量定义不规范、函数及其调用、形参和实参的匹配、局部变量与全局变量的使用、调试程序能力差等。

2 构想

学生对“数据结构”逻辑结构与存储结构及其经典算法不能很好地理解,如果数据结构算法的执行过程也能像物理实验和化学实验一样直观形象地呈现在学生面前,教学效果应可以大幅度提高。因此将数据结构算法的执行过程用面向对象方法设计开发了数据结构可视化CAI软件。目前微课教学如火如荼且收到良好的教学效果,所以结合数据结构可视化CAI软件和其他微课制作技术,录制微课完成数据结构演示实验微课程。

在教学中结合微课教学资源的应用和基于翻转课堂的教学模式,学生根据自身的学习需求自主支配时间进行数据结构演示实验微课视频资源的学习。学生通过学习首先能充分理解数据逻辑结构和存储结构以及经典算法是如何执行的,然后在此基础上再培养其设计算法和综合开发解决实际问题的能力,从而解决“数据结构”实验课中教学和学习效果欠佳的问题。

3 数据结构经典算法可视化

数据结构可视化CAI软件实现的功能如图1所示,图2以双链表的插入为例展示CAI软件的具体功能,在p指向结点后插入一个新结点s,首先修改新结点s的后继指针指向p后继结点,此时会弹出一个小提示窗口，见图2(a),接着修改新结点s的前驱指针指向p,接着修改p结点后继的前驱指针同时原前驱指针失效,然后修改p的后继指向s，同时原前驱指针失效，见图2(b)。整个过程是一个动态可视化的过程,每一步指针修改都有提示窗弹出以提醒用户注意,形象生动地帮助学生理解链式存储中指针的修改。主要实现了常用的各种数据结构,如线性表、栈、队列、二叉树和图的可视化,并实现了一些经典算法的动态可视执行过程。

第一部分是线性表的可视化,主要实现了顺序表的可视化、单链表的可视化、带头结点的单链表和双链表的可视化,尤其是顺序表中插入时结点后移删除时结点前移以及链表中插入、删除结点时指针的修改实现了形象生动的展示。

第二部分栈和队列的可视化,主要实现了顺序栈的可视化、链栈的可视化、循环队列的可视化和链队列的可视化,让学生充分理解栈后进先出、队列是先进先出的特点。

第三部分二叉树的可视化,主要实现了二叉树的可视化,广义表形式建立二叉树、先序次序建立二叉树、先序遍历、中序遍历、后序遍历等算法的动态执行过程展示；中序遍历建立线索二叉树的可视化实现；哈夫曼树的可视化实现,用户输入n个权值系统构造一棵哈夫曼树,并给出各权值的哈夫曼编码。

第四部分动态查找表的可视化,主要实现了二叉排序树的建立、插入和删除操作,平衡二叉树建立、插入和删除时失衡调整旋转的动态可视化过程。

第五部分图的可视化,主要实现了图的深度优先遍历、广度优先遍历；Prime算法求最小生成树、Kruskal算法求最小生成树；Dijkstra算法求最短路径；拓扑排序(提出分组拓扑排序,以便于绘制有向无环图)；关键路径等算法的动态可视化过程。

第六部分查找算法的可视化,主要实现了顺序查找和折半查找的动态可视化过程。

图1 数据结构可视化CAI软件功能展示

图2 双链表的插入操作动态可视化过程

4 演示实验

演示实验是辅助教学的一种手段[4]。实际教学中演示实验包括实体实验,也包括用以演示实验过程和现象的幻灯片、演示文稿、视频等。数据结构没有办法进行实体实验,所以本文中所提及的演示实验类微课程是以视频为载体的。

从学习成效金字塔可以看出,传统教学中经常采用的视听结合的方式,学生知识保有率并不高,但在教学中,这种方式却不可缺少[5]。在学习过程中,知识虽然不是完全靠教师的讲解就能学会的,但是讲解是学生学习基本概念和技能的基础,这个步骤对于知识的理解有很好的加速作用。因此在数据结构可视化CAI软件的基础上再加上教师的讲解旁白,制作成数据结构演示实验微课。数据结构演示实验,是学生直观感受数据结构及其经典算法的执行过程、理解概念和算法的重要手段,在创设问题情境、激发学生兴趣、引导学生挖掘知识根源、深入理解知识及实际应用等方面都有很好的效果。

5 演示实验类微课程视频的制作步骤

ADDIE模型就是从分析(analysis)、设计(design)、发展(develop)、执行(implement)到评估(evaluate)的整个过程,是一套以系统科学为基础的教学方法,内容主要有如何制定学习目标、如何运用学习策略和怎样评价学习效果,即告诉学习者要学什么、怎么去学和学得怎么样[6]。演示实验类微课程视频的制作主要参考ADDIE模型的5个步骤。以下以“平衡二叉树的平衡旋转”的微课程设计为例说明这5个步骤(见表1)。表1主要针对分析、设计和开发3个环节,实施和评估是在实际教学中微课的使用方式和评判,须根据实际情况而定。

表1 “平衡二叉树的平衡旋转”微课程设计

表1(续)

6 演示实验类微课程视频的制作技术

目前微课视频的制作方法主要有:

一是通过摄像录制,通过摄影机记录教师在教室通过黑(或白)板展示教学过程,由于考虑到教师形象的出现可能会影响学生的注意力,因此不使用此方法；

二是通过录屏软件制作,在电脑上对PPT的演示进行录制,并加上教师的录音和简单的字幕；

三是软件制作混合制作方式[7-9]。

本文采用第二、三2种方法进行录制,录屏软件选择Camtasia studio 8作为开发工具,Camtasia studio是美国TechSmith公司开发的一套专业屏幕录制软件,不仅能进行屏幕录制、视频播放,还能进行视频编辑、支持多种输出格式等工作,比较容易操作。使用Easy Sketch Pro3软件实现可汗学院模式。Easy Sketch Pro3是一款手绘视频制作软件,制作者直接在文字录入框里输入中文字或在场景中插入图片,在视频中就会自动用真实的手或笔将文字和图片以手绘的方法呈现,制作出的课程有类似可汗学院那样的手绘效果,另外还可以为手绘动画配音或融入背景音乐。Adobe Captivate 相比较其他录屏软件而言具有出色的交互功能[10-11],能够通过录屏进行仿真模拟功能的开发,能够编辑多媒体文件并添加交互性功能。利用Adobe Captivate进行交互式微课的开发,在微课视频的基础上添加交互式测试题目。

首先准备好PPT,启动数据结构可视化CAI软件就可以开始录制微课视频了。根据表1中知识点细化教学设计,用Camtasia studio 8软件对数据结构可视化CAI软件进行操作并录制,并且加上语音旁白解说。录制过程需要整合串联前期所准备的各种资源,并熟练操作相关屏幕录制软件、数据结构可视化CAI软件的操作和硬件设备,所以需要在前期先进行一些练习以熟悉整个流程,并且一定要保证有一个安静的录制环境。为保证清晰高质的语音,录音时尽量不宜太靠近话筒以避免噪音等现象。图3所示为Easy Sketch Pro3制作手绘视频,模仿教师板书讲解平衡二叉树概念；图4所示为PPT课件录制视频,讲解平衡旋转调整方案；图5 所示为可视化CAI软件运行录制视频,讲解平衡二叉树删除根结点时的调整方案；图6所示为Adobe Captivate可以制作的测试题类型；图7所示为用Adobe Captivate制作的选择题交互画面。

图3 Easy Sketch Pro3制作手绘视频

图4 录制PPT讲解视频

图5 可视化CAI软件运行录制视频

图6 Adobe Captivate的测试题类型

图7 用Adobe Captivate制作的选择题交互画面

7 结语

微课具有短小精悍的特点，学生可以随时随地利用碎片时间学习,其內容精彩、主题突出、针对性强,且具有较强的交互性,用途广泛。教师由演员转型到导演,学生由学习型转型到开发型、创新型。本文是在数据结构可视化软件系统的基础上,对数据结构经典算法进行录屏加教师旁白讲解制作演示实验型微课,并增加了交互式题型设计,学生可以通过微课学习相应知识点[12],并可对所学内容进行自我测试评价,另外学生还可在线运行数据结构可视化软件系统进行交互式学习。将微课与翻转课堂教学模式结合,学生课前通过微课学习,在课堂上就有更多的机会问教师更有创造性的问题,师生共同交流提高,将对教学内容的理解提高到新的层次。这种翻转模式很好地利用了移动互联网和传统课堂的优势,将它们进行结合,优化了实验课堂。

References)

[1] 王觅.面向碎片化学习时代微视频课程的内容设计[D].上海:华东师范大学,2013.

[2] 董博清.基于思维导图的中学物理教学实证研究[D].长春:东北师范大学,2013.

[3] 艾元元.微课在高中信息技术技能课中的应用研究[D].南京:南京师范大学,2014.

[4] 张冬梅,高中物理演示实验的设计方法研究与实践[D].济南:山东师范大学,2008:5-6.

[5] 姜艳玲,徐彤.学习成效金字塔理论在翻转课堂中的应用与实践[J].中国电化教育,2014(7):133-138.

[6] 黄伯平.远程教育环境下的微课程资源开发与应用研巧[J].福建广播电视大学学报,2015(1):8-15.

[7] 靳旭莹,申巍.翻转课堂教学模式探讨机[J].中国信息技术教育,2014(1):39.

[8] 张金磊,王颖,张宝辉.翻转裸堂教学模式研究[J].远程教育杂志,2012(4):46-51.

[9] 季敏婷,王海艳,张成龙.翻转课堂教学模式在教学中的应用分析的[J].中国教育技术装备,2014,21(11) :17-18.

[10] 卢行伟,李庆,田茂毅.基于微课特点的大学计算机实验教学改革实践[J].实验技术与管理,2017,33(1):175-180.

[11] 崔小洛.多媒体制作软件类交互式微课程设计与开发研究[D].济南:山东师范大学,2015.

[12] 苏小兵,管珏琪,钱冬明,等.微课概念辨析及其教学应用研究[J].中国电化教育,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

全国教育科学规划项目(FCB150516)；国家自然科学基金项目(41361044)；西藏民族大学重点课程 (3dsMax动画设计)

杨晓波(1970—)，女,甘肃景泰,硕士,教授,研究方向为虚拟现实、数据结构与算法、计算机辅助教学.E-mail：hzyangxb@126.com

G642.0

A

1002-4956(2017)08-0153-05