信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)探索

王 嘉

（太原科技大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引 言

信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)主要研究信息技術(shù)的核心基礎(chǔ)與運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算工具高效求解科學(xué)與工程問題的數(shù)學(xué)理論與方法[1]，著重培養(yǎng)掌握信息技術(shù)和計(jì)算技術(shù)等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的應(yīng)用型人才。在本專業(yè)課程體系中，計(jì)算機(jī)課程起著將理論轉(zhuǎn)換為實(shí)踐的重要作用，而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為重要的專業(yè)課，主要用于“非數(shù)值計(jì)算”，處理字符、表格和圖像等具有一定結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)[2]，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示、存儲和運(yùn)算，形成解決特定問題的高效算法。

為適應(yīng)人工智能領(lǐng)域和大數(shù)據(jù)人才發(fā)展的需要，響應(yīng)地方高校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的要求，迎接建設(shè)“新工科”的浪潮，學(xué)院針對本專業(yè)學(xué)生計(jì)算機(jī)實(shí)踐能力薄弱，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不扎實(shí)的問題開展了教學(xué)改革，對培養(yǎng)方案和多門專業(yè)課程的教學(xué)大綱進(jìn)行了調(diào)整。對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程也不斷反思，研究如何提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，以達(dá)到應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)現(xiàn)狀

由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的抽象程度高，算法多，邏輯性強(qiáng)，實(shí)踐要求高，課程的考核通過率一直偏低，2017年本專業(yè)兩個班的卷面不及格率更是高達(dá)47.91%。分析原因，可以歸納為以下幾個方面。

（1）學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確。部分學(xué)生缺乏對專業(yè)前景的了解以及對自身的職業(yè)規(guī)劃，未能認(rèn)識到數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)實(shí)踐之間相輔相成的關(guān)系，對數(shù)據(jù)分析、人工智能算法、大數(shù)據(jù)應(yīng)用等就業(yè)方向缺少了解，一些學(xué)生直到工作面試時，被問到“樹”“排序”等熱點(diǎn)問題，才意識到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性。

（2）理論和實(shí)踐脫節(jié)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)要求學(xué)生具有較高的邏輯思維能力和抽象能力，這本該是數(shù)學(xué)系學(xué)生的優(yōu)勢，然而從理論能力到實(shí)踐能力的轉(zhuǎn)化需要不斷的實(shí)踐和總結(jié)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對編程能力要求較高，由于實(shí)踐環(huán)節(jié)課時不足，本專業(yè)學(xué)生的編程基礎(chǔ)普遍較差，邏輯概念無法順利轉(zhuǎn)換為代碼，造成后續(xù)學(xué)習(xí)的障礙。

（3）教學(xué)形式落后。單純的PPT教學(xué)內(nèi)容刻板，互動性差，學(xué)生容易開小差；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的理論比重大，機(jī)房教學(xué)也不能滿足教學(xué)要求；成長于互聯(lián)網(wǎng)時代的學(xué)生，習(xí)慣于從電腦、手機(jī)上獲得知識和互動，傳統(tǒng)課堂不能滿足其多元化的需求，頻繁使用手機(jī)更干擾著課堂教學(xué)效果。

（4）實(shí)踐環(huán)節(jié)學(xué)時不足。本專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論學(xué)時52個，上機(jī)12學(xué)時，學(xué)生只有6次上機(jī)的機(jī)會，兩個小時內(nèi)要完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型定義、操作定義和算法的學(xué)習(xí)，還要解決各種編碼錯誤，沒有扎實(shí)的編程基礎(chǔ)、不在課下抽時間鉆研是無法掌握的。同時，這些實(shí)踐內(nèi)容只能覆蓋到基礎(chǔ)知識，對于綜合案例，學(xué)生幾乎沒有時間完成。

2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程改革探索與實(shí)踐

2.1 學(xué)習(xí)目標(biāo)分級的探索

在教學(xué)過程中，教師不僅要保證授課難度的遞增，還要尊重學(xué)生之間的能力差異和個體學(xué)習(xí)過程的漸進(jìn)性。因此，教師有必要結(jié)合學(xué)生的特點(diǎn)重新評估教學(xué)內(nèi)容的適應(yīng)度，有步驟、有層次、有針對性地實(shí)施教學(xué)。

結(jié)合以上思路，教學(xué)內(nèi)容被劃分為CPS三級目標(biāo)，具體劃分如下：

C級（Concept），即概念級：要求學(xué)生掌握基礎(chǔ)概念、基本技能，能夠獨(dú)立完成基礎(chǔ)習(xí)題，熟悉運(yùn)算步驟，并能根據(jù)指導(dǎo)把偽碼轉(zhuǎn)化為程序代碼。

以線性表為例，C級要求：能獨(dú)立完成課后填空選擇題，掌握建表、判空、查找、定位、插入、刪除等基本操作的核心語句，能夠上機(jī)完成。

P級（Practice），即實(shí)踐級：在達(dá)成C級的基礎(chǔ)上，能夠獨(dú)立完成教材算法的延伸，能通過協(xié)作、討論等方式完成課后習(xí)題中低難度的算法題目。

仍以線性表為例，學(xué)生能夠模仿C級算法，獨(dú)立完成循環(huán)鏈表、雙向鏈表帶頭結(jié)點(diǎn)和不帶頭結(jié)點(diǎn)情況下的延伸算法以及習(xí)題中尾插法創(chuàng)建單鏈表、線性表的就地逆置這類難度較低的算法。

S級（Solve），即應(yīng)用級：在達(dá)成P級的基礎(chǔ)上，鼓勵學(xué)生完成課后習(xí)題中較高難度的算法題目，能通過協(xié)作和討論完成案例的分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

線性表S級要求：寫出無序表和有序表的合并算法，實(shí)現(xiàn)一元多項(xiàng)式的運(yùn)算、設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個通訊錄。

三級學(xué)習(xí)目標(biāo)將教學(xué)內(nèi)容從整體分解為小目標(biāo)，最后再回到整體，既便于教師實(shí)施階段性考核，也符合學(xué)生的學(xué)習(xí)認(rèn)知過程。

2.2 實(shí)踐環(huán)節(jié)的探索和改革

針對實(shí)踐教學(xué)中存在的諸多問題，有必要對原有實(shí)踐內(nèi)容進(jìn)行改革，建立理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的分層次、開放性、多渠道交流的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提高實(shí)驗(yàn)課程的利用率，充分達(dá)到應(yīng)用型本科教育的目的[3]。實(shí)踐的具體內(nèi)容被編寫為上機(jī)指導(dǎo)，發(fā)布在教師博客，供學(xué)生預(yù)習(xí)和參考。上機(jī)指導(dǎo)原有6章，分別是：①順序表和鏈表；②棧和隊(duì)列；③二叉樹；④圖；⑤查找；⑥排序。最新修改的17級大綱中增加了2個機(jī)時，補(bǔ)充了串、矩陣和廣義表的內(nèi)容，作為第4章。每章內(nèi)容包括從易到難的三個模塊，與CPS學(xué)習(xí)目標(biāo)相對應(yīng)，見表1。

表1 CPS三級學(xué)習(xí)目標(biāo)與實(shí)踐能力對照

Part1：基礎(chǔ)內(nèi)容的實(shí)踐。要將教材內(nèi)的算法轉(zhuǎn)化為代碼，并編寫主函數(shù)完成調(diào)用和測試。該模塊起著將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)踐、鞏固大綱知識點(diǎn)的重要作用，要求所有學(xué)生必須獨(dú)立完成，對應(yīng)學(xué)習(xí)目標(biāo)的C級。

Part2：教材內(nèi)容的延伸。基于C級實(shí)現(xiàn)的自定義結(jié)構(gòu)類型，擴(kuò)展算法的操作。該模塊引導(dǎo)學(xué)生從模仿到思考，起著提升學(xué)習(xí)興趣的作用，對應(yīng)學(xué)習(xí)目標(biāo)的P級。

Part3：解決案例問題。該模塊需要學(xué)生從問題出發(fā)，建立抽象模型、定義數(shù)據(jù)模型、定義操作函數(shù)，到最后解決問題，以團(tuán)隊(duì)為單位，完成一篇小論文。這一過程可以極大地提升學(xué)生實(shí)踐能力，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作性，對應(yīng)學(xué)習(xí)目標(biāo)的S級。

為確保在有限的機(jī)時內(nèi)完成編碼和測試，可要求學(xué)生預(yù)習(xí)第1模塊，提前完成數(shù)據(jù)類型的定義部分，在機(jī)房完成第2模塊。第3模塊由16級學(xué)生自選完成，17級大綱新增了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，可以進(jìn)行充分實(shí)踐。

2.3 教學(xué)信息化的實(shí)踐

2017年10月，本校鼓勵全校教師通過“微助教”平臺推進(jìn)信息化教學(xué)。教師可以創(chuàng)建課堂、實(shí)施多元化教學(xué)或者進(jìn)行課堂資源管理。課堂專屬二維碼在課堂首頁左下角，教師點(diǎn)擊此處會彈出引導(dǎo)學(xué)生掃碼加入課堂的完整頁面，學(xué)生根據(jù)提示打開微信掃碼即可快速加入課堂，無需再手動輸入課堂編號[4]。一個基于CPS三級目標(biāo)、完整的線上線下教學(xué)流程如圖1所示。

圖1 基于“微助教”的教學(xué)流程

1）課前準(zhǔn)備。

教師登錄—開啟校方認(rèn)證課堂—通知學(xué)生加入班級—上傳并開放課件—創(chuàng)建題庫和答案—開啟預(yù)習(xí)題目—規(guī)定答題時間—查看答題情況。

學(xué)生登錄—加入課堂—預(yù)習(xí)課件—完成前測—系統(tǒng)根據(jù)答案打分。

教師提前上傳課件和題庫，學(xué)生預(yù)習(xí)指定章節(jié)，完成相應(yīng)知識點(diǎn)的前測題目，前測對應(yīng)學(xué)習(xí)目標(biāo)的C級，用以增進(jìn)學(xué)習(xí)動力，檢驗(yàn)學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的認(rèn)知程度，進(jìn)而調(diào)整教學(xué)內(nèi)容的難易程度，可通過提問、測驗(yàn)、討論等多種方式進(jìn)行[5]，其中“微助教”答題的形式最為便捷。

2）課堂管理。

常用課堂管理包括分組和簽到，教師可以按班級分組，或指定更小的組別。學(xué)生在手機(jī)上進(jìn)行簽到，沒有帶手機(jī)或者不能上網(wǎng)的學(xué)生可手動修改狀態(tài)[4]。系統(tǒng)自動在姓名旁顯示超距離的定位，如500 m，以防學(xué)生作弊。簽到結(jié)束后可公示人數(shù)、出勤率、名次等信息。教師可以導(dǎo)出整個學(xué)期的簽到結(jié)果為Excel表格，分?jǐn)?shù)自動匯總，便于考核。

3）多元化教學(xué)。

多元化教學(xué)是常規(guī)教學(xué)的補(bǔ)充，目的是強(qiáng)化學(xué)生的注意力，調(diào)動學(xué)習(xí)積極性。教師需要結(jié)合前測結(jié)果有針對性地實(shí)施授課內(nèi)容，并在學(xué)生有疑問、學(xué)習(xí)效果不理想、課堂氣氛不活躍的時候介入多元化的教學(xué)，本課程的多元化教學(xué)方式包括算法動畫演示、點(diǎn)答、討論和游戲。

動畫：本課程使用的教材提供了微視頻教學(xué)資源，每個算法旁邊都有一個二維碼，學(xué)生用手機(jī)掃描就能觀看算法的步驟和效果。

點(diǎn)答：教師在“微助教”上使用點(diǎn)答功能，指定學(xué)生回答問題，點(diǎn)答包括手工點(diǎn)答、搶答和隨機(jī)點(diǎn)答，學(xué)生姓名下方顯示搶答次數(shù)和評分。

討論：教師在“微助教”上創(chuàng)建討論，學(xué)生在手機(jī)上輸入觀點(diǎn)或問題，討論結(jié)果以彈幕或詞云的形式呈現(xiàn)，頻率最高的詞匯代表了大多數(shù)人的想法，可以引導(dǎo)學(xué)生歸納出某個結(jié)論。討論結(jié)束后可以導(dǎo)出Excel表格，便于進(jìn)行評分。

游戲：算法的動畫演示雖然直觀，有助于理解，但要熟練掌握需要反復(fù)練習(xí)或模擬，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的很多算法都可以進(jìn)行現(xiàn)場的模擬，比如讓學(xué)生充當(dāng)數(shù)據(jù)元素演示隊(duì)列的入隊(duì)和出隊(duì)、二叉樹的平衡化、排序等過程。

4）后測。

后測包括隨堂測驗(yàn)、課后大作業(yè)和單元考核，用以檢驗(yàn)教學(xué)效果與教學(xué)目標(biāo)的吻合度。

授課完畢就可以在“微助教”上開啟練習(xí)進(jìn)行隨堂測驗(yàn)，難度較前測有所提高，教師立刻可以獲知某個知識點(diǎn)的掌握度。大作業(yè)每章一次，共7次，為筆答題目，難度為P級。單元考核可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行，本課程分為3個單元：線性結(jié)構(gòu)、樹和圖、排序和查找。通過“微助教”的題庫可以直接創(chuàng)建組卷，考核難度主要對應(yīng)學(xué)習(xí)目標(biāo)的C、P級和少量S級。

3 結(jié) 語

近兩年，學(xué)院逐漸加大了本專業(yè)“應(yīng)用型”人才的培養(yǎng)力度，引入校企合作，協(xié)同育人模式，從大一開始為學(xué)生樹立正確的就業(yè)觀進(jìn)行職業(yè)規(guī)劃，致力于強(qiáng)化學(xué)生的計(jì)算機(jī)實(shí)踐能力。在此形勢下，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程積極開展了探索和改革。學(xué)習(xí)目標(biāo)和實(shí)踐的分級是本次教學(xué)改革的基礎(chǔ)，圍繞這個基礎(chǔ)需要不斷完善教學(xué)資源，包括PPT課件、線上平臺的前測、后測題目以及用于引導(dǎo)式學(xué)習(xí)的討論題目、上機(jī)指導(dǎo)等。

借助“微助教”平臺，分級化教學(xué)的理念得以落實(shí)，學(xué)生在線上預(yù)習(xí)基礎(chǔ)內(nèi)容并完成前測，教師則有更多時間進(jìn)行深入教學(xué)，多元的教學(xué)形式和導(dǎo)學(xué)方式有助于培養(yǎng)學(xué)生思考和解決問題的能力。

今后還計(jì)劃完成基于“微助教”的導(dǎo)學(xué)模塊的建設(shè)，利用簡答題引導(dǎo)學(xué)生填寫上機(jī)記錄，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)的信息化；利用填空題實(shí)現(xiàn)“算法導(dǎo)寫”，指導(dǎo)編碼能力薄弱的學(xué)生填寫算法語句，根據(jù)注釋填寫語句，根據(jù)函數(shù)填寫代碼段，最終培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立編碼的能力。