基于工程教育認證與STEAM教育的數據結構實踐教學探索

摘要：本文從工程教育認證與STEAM教育的視角出發(fā)，對目前數據結構實踐教學存在的問題進行深入分析，并通過整合工程教育認證的核心要求，融入STEAM教育的跨學科理念，提出基于案例驅動的啟發(fā)式教學、學生為中心的分享研討式教學和注重多元融合的教學評價體系的教學改革思路，旨在優(yōu)化數據結構實踐教學，提升學生的實踐能力和跨學科素養(yǎng)。該教學思路不僅為數據結構實驗教學的改革提供了有益參考，而且為培養(yǎng)符合現代工程教育需求的高素質人才奠定了基礎。

關鍵詞：工程教育認證；STEAM教育；數據結構；實踐教學改革

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）16-0109-04

引言

自教育部2017年2月發(fā)布《關于開展新工科研究與實踐的通知》后，高校正式啟動了“新工科”建設。[1-2]隨著計算機相關學科成為新工科的核心專業(yè)，計算機專業(yè)復合型人才的培養(yǎng)變得更加迫切。數據結構是計算機相關專業(yè)的核心課程，其實驗教學在提升學生的實踐能力與創(chuàng)新思維上發(fā)揮著舉足輕重的作用。隨著工程教育認證的不斷推進，將工程教育認證與STEAM教育理念相結合，對數據結構實驗教學進行改革，具有重要的現實意義和應用價值。在數據結構領域，也有學者開始探索將STEAM教育理念應用于實驗教學中，通過設計綜合性實驗項目、引入跨學科內容等方式，嘗試打破傳統(tǒng)實驗教學的局限，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新思維。然而，目前這一領域的研究仍處于起步階段，需要進一步深入研究和探索。

數據結構實踐教學現狀

1.學生在學習中存在的問題

基礎知識掌握不扎實：部分學生在進入數據結構課程前，對先修課程如編程語言、算法邏輯等知識掌握不夠牢固，導致在學習數據結構時有畏難心理。

實踐動手能力不足：數據結構課程強調理論與實踐的結合，但學生課程實踐參與不夠，大部分學生更偏向于理論學習，對編程實現和算法設計缺乏興趣，導致實踐動手能力不足。

缺乏主動學習意識：由于課程在理論上比較抽象，實踐操作要求又比較高，部分學生在面對復雜的數據結構和算法時，出現畏難心理，不積極尋找解決問題方案，而是選擇逃避，缺乏主動克服困難的積極心理。

2.教師在教學中存在的問題

教學方法單一：部分教師在教學方式和手段上仍然采用傳統(tǒng)的灌輸式教學，在實踐教學過程中，仍以教師演示過程為主，只讓學生將實驗項目重復實踐一遍，這種教學方式限制了學生的探索和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，導致學生在學習的過程中逐漸失去興趣和主動性。

項目設計不合理，缺乏跨學科融合：數據結構作為計算機科學的核心課程，與其他學科領域有著密切的聯系，在實踐教學中，項目的設計至關重要。然而，現有的實驗教學過于注重驗證性實驗， 設計性、綜合性、創(chuàng)新性實驗項目相對較少，限制了學生的視野和創(chuàng)新能力。

反饋與指導不足，課程評價方式單一：在實踐教學過程中，部分教師不能對學生提交的項目設計進行及時反饋和指導，導致學生無法及時了解自己的不足并進行改進。

工程教育認證與STEAM教育理念的融合

“以學生為中心、成果導向、持續(xù)改進”是工程教育認證的核心理念。以產出為導向培養(yǎng)工科人才才能適應社會復合型人才需求，因此要打破傳統(tǒng)的以學科為導向的人才培養(yǎng)模式，轉為以能力提升為主的多學科融合的人才培養(yǎng)模式，才能滿足社會經濟發(fā)展的需要。STEAM教育則注重科學、技術、工程、藝術和數學的跨學科融合，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和綜合素養(yǎng)，其核心理念在于跨學科思維，強調從做中學，注重培養(yǎng)學生在解決實際問題過程中對多學科知識的綜合應用能力，這與工程教育認證所強調的解決復雜工程問題的能力不謀而合。[3-4]因此，筆者提出要以工程教育認證為目標和指導，將STEAM教育理念作為具體實現途徑，通過改進實踐教學模式，進一步提高學生的高階思維能力，打破傳統(tǒng)的以教師為主導的教學模式，樹立起“以學生為中心”的理念，在實踐教學和訓練過程中，充分發(fā)揮學生的主體性和創(chuàng)造性。

數據結構實踐教學模式改革

筆者基于數據結構在教學過程中存在的問題，在工程教育認證的框架下，依據STEAM教育理念，設計了如下的教學模式：

依據工程教育認證所賦予的課程地位及其支撐作用，分析畢業(yè)時學生應達成的各項目標，并在此基礎上制訂針對性的課程目標。

在明確教學目標的基礎上，進一步設定相應的教學內容。主要以實際生活中的問題為起點，深入展現復雜的工程問題，旨在通過以問題為核心的教學方法，實現數學、科學、工程知識的有機融合。構建以實踐項目為單元的課程體系，以進一步增強學生的實踐能力和跨學科素養(yǎng)。

針對各個教學環(huán)節(jié)展開全面評估，并緊密結合工程教育持續(xù)改進的核心理念，不斷引導教學目標和教學內容的改革，滿足社會和行業(yè)的不斷發(fā)展需求。具體框架如下圖所示。

1.基于工程教育認證設計課程目標

在工程教育認證中，課程目標要圍繞“以學生為中心、產出導向、持續(xù)改進”進行設計，才能夠準確有效地支撐畢業(yè)要求達成。

在知識目標上，要求學生深入理解并掌握數據結構的基本概念、原理和應用，掌握算法設計的基本方法和步驟，了解如何對算法進行優(yōu)化和評估。

在能力目標方面，要注重培養(yǎng)學生的實踐能力、創(chuàng)新思維，以及解決復雜工程問題的能力。因此在教學過程中，教師要激發(fā)學生主動學習的能動性，在項目實踐訓練中，項目內容應緊扣工程教育認證中解決復雜工程問題和綜合性問題的要求進行設計，將多學科知識、多領域進行深度融合，真實反映復雜的工程問題本質，確保學生能夠學到企業(yè)所需的工程技術。

在素質目標上，要關注學生的綜合素質和職業(yè)道德的培養(yǎng)。通過課程學習，學生應認識到數據結構在工程實踐中的重要性，并具備高度的責任心和敬業(yè)精神，有團隊合作意識及溝通協(xié)作能力，并爭取成為具有創(chuàng)新精神和國際視野的高素質工程人才。

2.以STEAM教育理念設計實踐教學內容和模式

要想達到工程教育認證產出的效果，必須做好實踐項目的設計。

首先，教師應根據工程教育認證的要求和行業(yè)需求，結合STEAM教育要求解決真實社會問題的特點，對實踐教學內容進行優(yōu)化和調整。增加具有工程背景的實踐項目，將數據結構的應用與實際工程問題相結合，同時，邀請企業(yè)工程師進行指導，使學生在工程實踐能力和應用創(chuàng)新能力方面都得到提升。

其次，注重實驗內容的層次性和遞進性，滿足不同水平學生的需求。圍繞學生實踐能力和工程能力的培養(yǎng)，以問題為研究對象，從問題出發(fā)，按照提出問題、分析問題、總結問題的步驟進行設計。實踐教學內容按照循序漸進螺旋式上升的方式設計，實踐教學環(huán)節(jié)按照從易到難的點、線、面的理念設計實驗項目，具體分為基礎驗證型實驗、設計型實驗、綜合型實驗三個層次。

最后，為了培養(yǎng)學生的跨學科素養(yǎng)和綜合能力，需要將數據結構實驗教學與其他學科領域相結合。例如，可以與計算機科學、數學、物理等學科進行合作，共同設計綜合性實驗項目，讓學生在跨學科的環(huán)境中學習和實踐。以圖的實踐為例，題目設計如表1所示。

在教學模式的創(chuàng)新上，要打破傳統(tǒng)以教師為中心、學生被動接受知識的固有模式，積極探索并建立以學生為中心的教學模式。為了更好地實施這一教學模式，筆者采用了基于雨課堂平臺的線上線下混合式教學模式，這種模式實現了課前、課中、課后全方位的價值素質和全過程的能力素質提升。課前，教師通過平臺發(fā)布預習資料和任務，引導學生提前了解學習內容和需要完成的任務；課中，教師利用平臺實時互動功能，激發(fā)學生的學習興趣和參與度；課后，教師則通過平臺對小組任務進行管理，開展多元評價和學情數據分析，及時了解學生的學習情況并給予反饋。同時，在教學過程中，注重融入“以賽促學，以賽促教，賽教融合”的理念，大力鼓勵和支持學生積極參加相關的學科競賽，將競賽的相關內容巧妙地融入到日常教學中。學生在學習的過程中不僅能夠掌握基礎知識，還能夠體驗到學科競賽的魅力和挑戰(zhàn)，進一步提升學習興趣和實踐能力。

3.建立以能力評價為主的多維度課程考核方式

教師要以工程教育認證為依據，構建多樣化、多元化的課程評價體系（如表2）。將學生的實踐能力、創(chuàng)新能力和跨學科素養(yǎng)等三方面的能力納入課程考察中，即要在評價體系中體現出學生理論聯系實際、解決復雜工程問題的能力以及科學、工程、技術、數學綜合能力。同時，可以增加課外評價，讓學生主動參與到課程評價中，充分發(fā)揮學生的主體作用。

結語

基于工程教育認證與STEAM教育的數據結構實踐教學改革，旨在通過加強實踐教學與理論教學的融合、豐富實踐教學內容、創(chuàng)新實踐教學方式以及融入STEAM教育理念等措施，優(yōu)化數據結構實踐教學，提升學生的實踐能力和跨學科素養(yǎng)。這一改革策略不僅有助于提高學生的綜合素質和就業(yè)競爭力，還能為培養(yǎng)具備創(chuàng)新精神和跨學科素養(yǎng)的工程人才提供有力支持。

參考文獻：

[1]教育部高等教育教學評估中心.中國工程教育質量報告——面向工業(yè)界 面向世界 面向未來[M].北京：教育科學出版社，2014.

[2]《中國制造 2025》與工程技術人才培養(yǎng)研究課題組.《中國制造 2025》與工程技術人才培養(yǎng)[J].高等工程教育研究，2015（06）：6-10+82.

[3]郭延輝，潘明華，孫洪峰.工程教育認證與STEM教育融合的實踐教學改革[J].計算機教育，2023（07）：35-40.

[4]趙慧臣，陸曉捧.開展STEAM教育，提高學生創(chuàng)新能力——訪美國STEAM教育知名學者格雷特·亞克門教授[J].開放教育研究，2016，22（05）：4-10.

作者簡介：羅富貴（1984—），女，壯族，廣西來賓人，碩士，副教授，主要研究方向為數字圖像處理、模式識別；李明珍 （1986—），通訊作者，女，漢族，河南新鄉(xiāng)人，講師，博士，主要研究方向為網絡安全、隱私保護。

基金項目：廣西教育科學“十四五”規(guī)劃專項課題“工程認證視域下基于STEAM教育的計算機專業(yè)實踐教學研究”（2023ZJY569）;廣西高等教育本科教學改革項目（2023JGA299）;中國高校產學研創(chuàng)新基金——新一代信息技術創(chuàng)新項目（2021ITA11017）。