線上線下混合教學(xué)模式在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中的實踐

董衛(wèi)萍

(紹興文理學(xué)院元培學(xué)院 信息工程系,浙江 紹興312000)

線上線下混合教學(xué)模式在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中的實踐

董衛(wèi)萍

(紹興文理學(xué)院元培學(xué)院 信息工程系,浙江 紹興312000)

針對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中存在的主要問題，結(jié)合課程特點和網(wǎng)絡(luò)教育技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對課程的教學(xué)理念、教學(xué)設(shè)計、教學(xué)方法和手段提出相應(yīng)的改革措施。自建線上課堂，豐富課外自主學(xué)習(xí)資源，實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂；借助程序設(shè)計類實驗輔助教學(xué)平臺，加強實踐環(huán)節(jié)的自主訓(xùn)練、編程作業(yè)的自動評測，優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的綜合性課程設(shè)計。以線上線下混合教學(xué)模式在兩個專業(yè)的兩輪教學(xué)實踐中進(jìn)行了初步實踐探索，克服了以往教學(xué)模式的主要弊端。

項目驅(qū)動；線上線下混合教學(xué)；Online Judge；程序設(shè)計類實驗輔助教學(xué)平臺

一、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的性質(zhì)、特點

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)兩個專業(yè)的核心骨干課程，是計算機程序設(shè)計的重要理論技術(shù)基礎(chǔ)，在計算機學(xué)科的課程體系中一直起著承上啟下的作用，也是國家計算機技術(shù)與軟件專業(yè)技術(shù)資格(水平)考試、高校考研、各大IT公司招聘時的重要考試科目之一。課程重點內(nèi)容是介紹線性表、棧、隊列、樹、圖結(jié)構(gòu)等基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和相關(guān)算法、各種檢索和排序算法，對每種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)給出C/C++語言的實現(xiàn)，并給出定性或定量的算法分析，目的是要求學(xué)生學(xué)會高效地利用計算機，有效地存儲、組織、傳遞和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，掌握各類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)功能、表示、實現(xiàn)和基本操作接口，靈活地選用各類(基本)算法及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以解決實際問題。所以學(xué)好數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對于提高學(xué)生的理論認(rèn)知水平和實踐能力有著重要的作用。

二、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)中存在的問題

(一)課時少，內(nèi)容多

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程有兩大特點：教學(xué)內(nèi)容豐富、涉及面廣；課程邏輯性強且抽象。學(xué)生普遍反映理論抽象、實踐編程難。而我院網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)、計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程每周教學(xué)學(xué)時安排為理論3課時和實驗1課時，理論與實踐課時均偏少。傳統(tǒng)的以講授為主的教學(xué)模式基本是以教師為主導(dǎo)，忽略了以學(xué)生為中心的自主學(xué)習(xí)模式。“滿堂灌”的教學(xué)模式使學(xué)生在短時間內(nèi)對所學(xué)的理論知識很難真正地消化吸收，也很難將學(xué)到的相關(guān)知識和思想方法運用到具體應(yīng)用中，遇到實際問題缺乏應(yīng)變能力，不能獨立分析解決。

(二)學(xué)生編程能力存在差異

學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和能力存在著差異，尤其反映在C/C++語言編程基礎(chǔ)上。C/C++語言是描述算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的有力工具，但是對于大二的學(xué)生，編程水平參差不齊，總體不是很好，而描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的算法需要學(xué)生熟練掌握C/C++語言這個有力的工具。這使得教師無法兼顧到能力不同的學(xué)生，難以因材施教。教師很難通過實踐教學(xué)鞏固理論知識，因此存在著理論教學(xué)與實踐運用的矛盾，而學(xué)生在學(xué)完課程后，普遍存在理論知識不夠扎實、編程實踐能力差的現(xiàn)象。

(三)傳統(tǒng)的課程評價方式欠科學(xué)

傳統(tǒng)的課程評價方式主要是以課堂提問、考勤、課后作業(yè)、上機實踐與期末考試為主。評價沒有包括對學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)的考核，很難量化評價學(xué)生課外的自主學(xué)習(xí)。實踐編程作業(yè)也缺乏嚴(yán)格的檢查機制，例如學(xué)生程序的運行時間限制、內(nèi)存使用限制、安全限制等，學(xué)生提交的紙質(zhì)實驗也部分存在抄襲現(xiàn)象。傳統(tǒng)的教學(xué)課程考核只側(cè)重于理論知識的記憶積累，忽視了知識的運用，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決實際問題的能力。

綜上所述，傳統(tǒng)的教學(xué)模式很難達(dá)到良好的教學(xué)目的，用傳統(tǒng)的教學(xué)方法很難讓學(xué)生從抽象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和枯燥的理論性學(xué)習(xí)中產(chǎn)生對這門課程的興趣，在網(wǎng)上優(yōu)質(zhì)課程資源、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)普及化的今天，傳統(tǒng)的課程教學(xué)模式已然不具活力。因此，為了真正實現(xiàn)“能力導(dǎo)向”的應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，本項目在網(wǎng)絡(luò)工程2015級和計算機2015級開展了兩輪課改，總體上借鑒慕課等網(wǎng)絡(luò)課程和網(wǎng)絡(luò)開放教學(xué)管理的輔助教學(xué)模式，充分發(fā)揮學(xué)生的主體地位，增加學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)時間，引導(dǎo)學(xué)生主動參與、獨立思考，著力培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和解決實際問題的能力，學(xué)以致用，以提高課程教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

三、面向具體問題的教學(xué)改革措施

我院數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的基本定位是應(yīng)用型人才的理論教學(xué)。張銘、耿國華等學(xué)者[1]曾提出：“應(yīng)用型人才的理論教學(xué)重在通過典型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的學(xué)習(xí)，以及算法設(shè)計和實現(xiàn)的訓(xùn)練，養(yǎng)成敏銳的洞察力。并逐步掌握如何整合信息，提煉數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，配置相應(yīng)的運算和處理算法，完成信息化系統(tǒng)的集成”。本課程的目標(biāo)就是要讓學(xué)生知道什么叫有效的算法或者好的算法，學(xué)會算法設(shè)計的一般方法，了解掌握各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點及如何為算法選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以獲取高的效率。為了踐行學(xué)院應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)和“因材施教”、“全程育人”的教學(xué)理念，本項目通過線上線下相結(jié)合的混合教學(xué)模式，理論教學(xué)部分利用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)優(yōu)勢，采用了杭州開元數(shù)字教學(xué)平臺開展數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和教學(xué)過程的量化管理，并結(jié)合中國大學(xué)MOOC網(wǎng)絡(luò)公開課[2]的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，供學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)；實踐教學(xué)部分以任務(wù)引領(lǐng)，項目驅(qū)動，先后引入了院ACM實驗室的Online Judge在線程序評測平臺、浙江大學(xué)推廣的程序設(shè)計類實驗輔助教學(xué)平臺，并通過項目案例[3]進(jìn)行實踐教學(xué)，以促進(jìn)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木幊趟季S訓(xùn)練。

(一)教師自建線上課堂，豐富學(xué)習(xí)資源，實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂

由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)容豐富，而課時有限，所以學(xué)生完全可以利用課外時間在網(wǎng)絡(luò)課堂自主學(xué)習(xí)(預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí))有關(guān)內(nèi)容。本項目線上課堂采用了杭州開元數(shù)字教學(xué)平臺(網(wǎng)址：http://www.hzkybook.com/)開展數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。該平臺為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)改革和教學(xué)研究提供了一個互動性好、實施性強、操控性好的教學(xué)平臺，教師根據(jù)自己的教學(xué)規(guī)律，進(jìn)行碎片式教學(xué)設(shè)計，合理裁剪教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計好每章節(jié)的知識點和項目案例，制作各章的教學(xué)電子教案、微視頻、算法動態(tài)演示PPT、習(xí)題講解、隨堂作業(yè)等教學(xué)資源，上傳到教學(xué)平臺以便于學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)，實現(xiàn)課堂翻轉(zhuǎn)[4]。同時該教學(xué)平臺提供了點名、提問、搶答、答疑、問卷調(diào)查、試題庫、在線論壇的功能，并對學(xué)生的課內(nèi)外學(xué)習(xí)行為進(jìn)行實時數(shù)據(jù)記錄采集，教師據(jù)此能夠科學(xué)合理地制定學(xué)生學(xué)習(xí)的評價指標(biāo)體系，客觀公正地對學(xué)生的在線學(xué)習(xí)進(jìn)行綜合測評，解決傳統(tǒng)教學(xué)方式下單一的考核模式。為了增加學(xué)生對復(fù)雜數(shù)據(jù)模型的理解，教師制作相應(yīng)的多媒體動畫演示PPT、FLASH，像二叉樹遍歷、迷宮搜索(深搜和廣搜)、排序查找算法用多媒體動畫演示來模擬會收到良好的效果，對于一些較難的編程技術(shù)和技巧學(xué)生可以通過課后觀看教師錄制的編程技巧視頻講解來加以消化吸收，這樣提高了課堂效果，教師不再疲于趕進(jìn)度，而是將一部分學(xué)習(xí)內(nèi)容挪到課外。線上課堂突破了傳統(tǒng)教學(xué)過程中時間和空間的限制，學(xué)生可以隨時隨地進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。學(xué)生如果遇到無法解決的問題，還可以與教師在線論壇互動，教師和學(xué)生均可以在線進(jìn)行答疑，學(xué)生通過在線交流獲取教師、同伴的幫助，有效地實現(xiàn)線上線下相結(jié)合的混合教學(xué)，充分調(diào)動了學(xué)生的主觀能動性。

(二)加強實踐環(huán)節(jié)的自主訓(xùn)練、自動評測

程序設(shè)計是學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的重要基礎(chǔ)，因此，在每學(xué)期的課程教學(xué)初始，先重點給學(xué)生復(fù)習(xí)C/C++語言中的結(jié)構(gòu)體、引用、指針、函數(shù)遞歸調(diào)用等內(nèi)容，安排一到兩周的基礎(chǔ)程序訓(xùn)練以強化和彌補學(xué)生的編程能力。

好的項目案例在很大程度上可以激發(fā)出學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，因為項目案例本身就具有實用性和趣味性[5]。在實踐環(huán)節(jié)中選取一些具有實用性和趣味性強的項目案例進(jìn)行編程練習(xí)，例如：利用深度優(yōu)先或廣度優(yōu)先搜索幫助大俠走出迷宮問題、利用哈夫曼算法幫助農(nóng)夫計算將木頭鋸成N塊的最少花費、圖的深搜解決哥尼斯堡的“七橋問題”、圖的最短路徑算法進(jìn)行最優(yōu)路線的求解、最小生成樹算法求出每個村落都有公路連通所需要的最低成本等。通過一定強度的編程實踐訓(xùn)練，可以使學(xué)生加深理解和掌握課程知識體系中的理論及各類設(shè)計實現(xiàn)的方法，提高在復(fù)雜軟件系統(tǒng)中的實踐能力。鄧俊輝、殷人昆[6]曾提出：“C++模板是一種設(shè)計復(fù)用和軟件復(fù)用的有力工具”。所以在理論講授以STL(如堆棧、隊列等)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時，側(cè)重于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，在課堂引入軟件工程的思想，設(shè)計中遵循信息隱藏、抽象的原則，使學(xué)生能夠運用程序的模塊化和結(jié)構(gòu)化的方法充分表達(dá)和領(lǐng)會數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的算法思想，以利于學(xué)生提高計算機編程綜合能力。

本項目在第一輪網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)2015級課改實施階段的訓(xùn)練平臺是院ACM實驗室的OJ(Online Judge)在線程序評測平臺，學(xué)生提交的程序在OJ評測系統(tǒng)下執(zhí)行時將受到比較嚴(yán)格的限制，包括運行時間限制，內(nèi)存使用限制、安全限制[7]，這種形式能有效地促使學(xué)生全面細(xì)致地思考問題，提高了編程的準(zhǔn)確性和增強程序查錯、調(diào)試的能力，也有效地改變了以往學(xué)生的上機編程作業(yè)的評價機制。學(xué)生提交的程序完全正確時，OJ就會給出Accepted成功標(biāo)志，對于不正確的程序，OJ會給出不同的錯誤狀態(tài)提示,如Wrong Answer、Time Limit Exceeded、Memory Limit Exceeded等，其中Time Limit Exceeded錯誤信息提示學(xué)生程序運行超時，Memory Limit Exceeded表示程序運行超出指定內(nèi)存空間，學(xué)生需要對其算法的時間復(fù)雜度或空間復(fù)雜度進(jìn)行重新改進(jìn)、調(diào)試、提交直到成功。

但是，采用OJ作為實驗平臺也存在著一定問題：首先是題型單一，只有編程題，沒有其他類型的題型，比如選擇、判斷、函數(shù)題；其次是判題方式嚴(yán)苛，只有正確、錯誤兩種結(jié)果，即使程序部分正確也通不過，這對一部分基礎(chǔ)較差的學(xué)生容易失去信心，就會抄襲他人的代碼；再次是題目本來要考核學(xué)生的某個知識點，比如用鏈表來完成任務(wù)，但是學(xué)生用數(shù)組也同樣能完成任務(wù)，這樣就不能約束學(xué)生按指定要求完成任務(wù)，達(dá)不到考核的目的。陳越，何欽銘等學(xué)者[8]曾提出過：“OJ競賽題目難度較大，判題方式嚴(yán)苛,會使程序設(shè)計能力一般的學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒,這種方式對初學(xué)者打擊比較大”。所以第二輪對計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)2015級課改實施的訓(xùn)練平臺由OJ在線程序評測平臺轉(zhuǎn)移到“程序設(shè)計類實驗輔助教學(xué)平臺”(簡稱“PTA”，網(wǎng)址：http://pta.patest.cn/)，該平臺是由浙江大學(xué)聯(lián)合網(wǎng)易共同開發(fā)的，其優(yōu)勢在于：由242所高校協(xié)力參與平臺建設(shè)；5920道高質(zhì)量題目可供甄選；題目類型豐富，除了編程題外，還有判斷題、選擇題、程序填空題、函數(shù)題等共千余道題，而且面向教師提供了出題、布置作業(yè)、設(shè)置考試、收作業(yè)(成績一鍵導(dǎo)出)等教學(xué)組織的功能，題目可靈活地與課程知識點關(guān)聯(lián)，教師可以布置針對單一知識點的實踐訓(xùn)練，也能關(guān)聯(lián)多個知識點來進(jìn)行設(shè)計綜合性題目。題目都有難度標(biāo)記，教師可以組織不同層次學(xué)生的實踐訓(xùn)練。函數(shù)題和編程題的測試用例還有“要點提示”，如果教師發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生都不能正確通過某些測試用例時，就可以提供針對該測試用例的要點提示，這對保持初學(xué)者的自信心非常有幫助。另外還有監(jiān)考和查重兩個系統(tǒng)平臺，教師可組織相應(yīng)強度、難度的考試，借助于平臺的查重功能，保證實踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練和考核的真實性，針對那些抄襲代碼的不誠實行為給予扣分。

(三)優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的綜合性課程設(shè)計

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計一般是在理論教學(xué)的下一個學(xué)期開展,其目的使學(xué)生進(jìn)一步加強對所學(xué)知識的理解和掌握，檢驗學(xué)生利用各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析和解決問題的能力，檢驗學(xué)生是否能夠根據(jù)數(shù)據(jù)對象的特性需求進(jìn)行分析、數(shù)學(xué)建模，選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與有效地算法把現(xiàn)實世界中的實際問題在計算機內(nèi)部表示出來并加以解決[9]。陳越，何欽銘等學(xué)者[10]曾提出：“設(shè)計較大規(guī)模的綜合性課程設(shè)計時就必須注意兩個方面：第一，課程設(shè)計題目覆蓋的知識點應(yīng)盡可能避免單一；第二，題目的規(guī)模應(yīng)充分大，并且努力使學(xué)生對規(guī)范性的軟件開發(fā)有初步體驗，在一定程度上使得學(xué)生的工程化能力和團(tuán)隊合作能力得到鍛煉。”因此，課程設(shè)計不同于一般上機實驗，要強調(diào)設(shè)計性和綜合性，難度和份量都較大。教師需選擇設(shè)計合適的難度層次不同的綜合性課題，使學(xué)生初步感受到軟件開發(fā)規(guī)范，并引導(dǎo)學(xué)生通過查找與分析有關(guān)資料，進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識和綜合設(shè)計能力，同時鼓勵學(xué)生去參加計算機程序設(shè)計能力考試(Programming Ability Test，簡稱PAT)。PAT通過統(tǒng)一組織的在線考試及自動評測方法客觀地評判考生的算法設(shè)計與程序設(shè)計實現(xiàn)能力，科學(xué)的評價計算機程序設(shè)計人才，為企業(yè)選拔人才提供一定的參考標(biāo)準(zhǔn)。凡參加考試并取得合格或優(yōu)秀證書者獎勵措施是給予換算綜合性課程設(shè)計2.5學(xué)分，目前已經(jīng)有部分學(xué)生參加PAT并通過考試。

四、結(jié)束語

通過線上線下混合教學(xué)模式在兩輪的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)實踐中進(jìn)行了探索，初步改變了以往教學(xué)模式的主要弊端，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和編程興趣。大部分學(xué)生能夠接受并積極參與到新的教學(xué)模式中來，教師借助在線工具，轉(zhuǎn)變了以往單一的教學(xué)方式，不再疲于趕進(jìn)度，而是將學(xué)習(xí)的主動權(quán)交給學(xué)生，從原先的教師忙轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生忙。教學(xué)模式以學(xué)生為中心，注重培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力。相信通過不斷地教學(xué)改革和教學(xué)實踐探索，能切實有效地提高數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)的質(zhì)量。

[1]張銘,耿國華,陳衛(wèi)衛(wèi),等.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程教學(xué)實施方案[J].中國大學(xué)教學(xué),2011(3):56-60.

[2]李曉明.慕課[M].北京：高等教育出版社，2015.

[3]龐曉瓊.案例驅(qū)動的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計教學(xué)改革實踐[J].計算機教育,2009(1):53-55+64.

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[10]陳越,何欽銘,馮雁.“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”綜合性課程設(shè)計教學(xué)探索與實踐[J].計算機教育,2008(8):54-55.

(責(zé)任編輯魯越青)

ThePracticeandExplorationofOnlineandOfflineBlendingTeachingModeinCourseofDataStructure

Dong Weiping

(Department ofInformation Engineering, College of Yuanpei, Shaoxing University, Shaoxing, Zhejiang 312000)

This paper discusses the main problems existing in the traditional Data Structure course teaching. According to the characteristics of the course and the development of the network education technology, the paper puts forward the corresponding reform measures for the teaching idea, teaching design, and teaching methods and means of the course. Teachers have already achieved certain results with online classes, flipped classroom and Programming Teaching Assistant, and with the line under the blending teaching mode in the teaching practice of nearly two rounds of practice and exploration, thereby having eliminated the main drawbacks of the traditional teaching mode, improved the students’ learning initiative and comprehensive programming ability, thus effectively improving the teaching with quality and quantity.

project-driven; online and offline blending teaching; Online Judge; Programming Teaching Assistant

10.16169/j.issn.1008-293x.j.2017.12.009

G642.4

A

1008-293X(2017)12-0055-05

2017-04-25

紹興文理學(xué)院元培學(xué)院課程改革項目“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”(kg160103)，紹興文理學(xué)院元培學(xué)院重點課程群建設(shè)項目“計算機科學(xué)與技術(shù)”(kcq1603)，紹興市高等教育課堂教學(xué)改革項目“混合教學(xué)模式在‘?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)’課程中的研究與實踐”(紹市教高[2016]28號)

董衛(wèi)萍(1967- )，女，山西萬榮人，紹興文理學(xué)院元培學(xué)院講師，主要研究方向：算法設(shè)計與分析。