基于案例驅(qū)動的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)方法研究

徐 新

（武漢科技大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430065）

0 引言

回顧我國改革開放30余年的歷史，高等教育的發(fā)展取得了很多成就，這得益于教育體制改革。在我國高等教育改革發(fā)展的過程中，我們也探索著在教學(xué)方法方面進(jìn)行改革創(chuàng)新。本科生教育既是促進(jìn)科技創(chuàng)新的主導(dǎo)因素，也是培養(yǎng)高層次人才的主要途徑。隨著科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，創(chuàng)新能力提升不僅決定了個人和單位的競爭優(yōu)勢，同時也能體現(xiàn)國家的核心競爭力。本科生教育的首要重任是加快創(chuàng)新型、實用型人才的培養(yǎng)。據(jù)國內(nèi)文獻(xiàn)報道，2015年的資格類科技人力資源中，本科學(xué)歷3 093.4萬人，占38.5%。不論是總量規(guī)模方面，還是結(jié)構(gòu)層次方面，科技人力資源都已成為我國繼勞動、資本、土地之后最為寶貴、最為豐富的戰(zhàn)略資源。我國已成為名副其實的本科生教育大國，但數(shù)量增多、規(guī)模擴大的同時也給本科生培養(yǎng)質(zhì)量帶來了極大的挑戰(zhàn)。當(dāng)前本科生培養(yǎng)質(zhì)量已遭到社會的質(zhì)疑，數(shù)量與質(zhì)量的矛盾日益凸顯。

教學(xué)方法包含教師完成教學(xué)任務(wù)所采用的教授方法和學(xué)生的學(xué)習(xí)方法。教學(xué)方法得當(dāng)才能充分實現(xiàn)教學(xué)目的，體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的思想性、科學(xué)性和系統(tǒng)性，提高學(xué)生獲得知識、掌握技能的能力。因此在本科生教學(xué)工作中重視對教學(xué)方法的研究是高等教育的一項重要工作。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計算機相關(guān)學(xué)科最基本的課程，對于相關(guān)領(lǐng)域的本科生能否順利開展課題學(xué)習(xí)至關(guān)重要。隨著近年來人工智能技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程已逐漸如同數(shù)學(xué)、外語一樣，其教學(xué)內(nèi)容不再局限于某一專業(yè)領(lǐng)域，而主要涉及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)用中的基礎(chǔ)性和通用性的概念、技術(shù)和應(yīng)用。課程涉及的技術(shù)可以為計算機、信息、機械、材料等多個不同的學(xué)科提供輔助。然而由于本科生人數(shù)的不斷增加，學(xué)生個體的差異性等原因都可能會影響到課程教學(xué)的效果。

1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的特點

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程是計算機專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，是一門理論與實踐相結(jié)合的課程，在整個計算機專業(yè)教學(xué)體系中處于舉足輕重的地位。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是程序設(shè)計（特別是非數(shù)值計算的程序設(shè)計）的基礎(chǔ)，也是設(shè)計和實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、編譯程序、操作系統(tǒng)及其他系統(tǒng)程序和相關(guān)大型應(yīng)用程序的重要基礎(chǔ)?；谠撻T課程的重要性，現(xiàn)在該課程已經(jīng)是計算機相關(guān)專業(yè)研究生考試必考專業(yè)課之一，是反映學(xué)生數(shù)據(jù)抽象能力、編程能力的重要體現(xiàn)。該課程具有以下兩個特點。

1）理論抽象， 內(nèi)容廣泛。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程不但思維邏輯性較強，并且內(nèi)容極為抽象，即使有現(xiàn)代化的教學(xué)工具的輔助也無法將課件中的理論知識很直觀地全部表現(xiàn)出來。另一方面，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容較為廣泛，但課時量少，學(xué)生如果沒有掌握和完全理解前面的知識點，就會難以跟上新的知識點，造成問題堆積，難以完成實驗內(nèi)容。

2）實踐性強，綜合能力要求高。

這門課程知識體系的構(gòu)建源于各種特色專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。在工業(yè)中，特別是在各種生產(chǎn)線上，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用非常廣泛。只有讓本科生經(jīng)歷大量的工程項目設(shè)計與實現(xiàn)，才能深切體會各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的功能及作用；另一方面，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中通過章節(jié)劃分知識點，內(nèi)容規(guī)模較小、知識針對性強，缺少一些系統(tǒng)性和連貫性，難以培養(yǎng)學(xué)生處理復(fù)雜知識問題的能力，因此當(dāng)學(xué)生面對具體問題時，很難綜合地運用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識來解決實際問題。

2 基于CBR技術(shù)的本科生數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)方法

CBR（Case-Based Reasoning, 基于案例的推理）是人工智能領(lǐng)域的重要內(nèi)容。CBR的主要思想在于“相似問題具有相似解”。近年來，CBR技術(shù)已成功應(yīng)用于計算機輔助診斷[1]、法律咨詢、電子商務(wù)、產(chǎn)品檢索[2]和醫(yī)療輔助參考[3-5]等方面。CBR模仿人類的這種問題求解行為，已經(jīng)在這些領(lǐng)域許多成功的商業(yè)軟件上得到了證明[6-7]。

2.1 CBR技術(shù)對于《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》本科課程教學(xué)的適用性

如前所述，CBR是一種機器學(xué)習(xí)方法，亦是一種求解問題的方法。前者一般多用于構(gòu)建專家系統(tǒng)（knowledge-based systems，基于知識的系統(tǒng)），后者則通?？梢詷?gòu)建數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)。那么CBR技術(shù)是否能適用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的本科生課程教學(xué)，并相應(yīng)地能提高教學(xué)效果呢？

對于CBR技術(shù)的適應(yīng)性問題，在過去的時間里有許多學(xué)者開展了相關(guān)研究。1993年，Kolodner的書《Case-Based Reasoning》第一章中提出了這個問題，然而并沒有給出定量的方法。1994年，Aamodt和Plaza的經(jīng)典論文中也沒有討論這個問題，不過它指出了之前對此問題進(jìn)行探討的論文，包括Schank的《Inside Case-Baded Reasoning》（1989）的 第 一 章，Slade的（1991）綜述《Case-Baded Reasoning: A Research Paradigm》，1992年 Kolodner為 她 1993的 書第一章預(yù)發(fā)表的《An introduction to case-based reasoning》，以及1989年第一屆DARPA的CBR Workshop論文集的介紹部分。

用Dr. Thomas Roth-Berghofer的話來說，“similar problems have similar solutions”（CBR 假設(shè)）僅僅是一種啟發(fā)式方法，由此獲得的解決方案并不精確，但是，正是由于容忍了這種缺陷，CBR才發(fā)揮了它的作用，并得以構(gòu)建較為強大的基于知識的系統(tǒng)。因此在實際教學(xué)中將CBR技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的本科生課程時，需要事先對案例庫進(jìn)行評估，驗證其是否符合CBR假設(shè)，進(jìn)一步來判斷CBR方法的適用性。具體的流程如圖1所示。

圖1 CBR技術(shù)流程圖

首先，根據(jù)國內(nèi)外高校的相關(guān)本科生課程教學(xué)的新形式，把握當(dāng)前計算機學(xué)科數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本科生課程教學(xué)的現(xiàn)狀。深入分析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本科生課程教學(xué)過程中，合理的學(xué)科、專業(yè)結(jié)構(gòu)、本科生個體的特點，以CBR技術(shù)為核心驅(qū)動力，開展案例描述工作。

然后，以本校本科生數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)為例，以現(xiàn)有科研項目設(shè)置專業(yè)研究方向，重組科研項目集群的研究團(tuán)隊。通過追蹤學(xué)科科技前沿與寬口徑培養(yǎng)相結(jié)合，形成新的專業(yè)增長點與現(xiàn)有研究方向相結(jié)合，統(tǒng)計分析其中最具代表性的本科生培養(yǎng)實例，開展案例選擇工作。

最后，結(jié)合本校的辦學(xué)特色，構(gòu)建適合于本科生數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)的獎勵機制，促進(jìn)本科生創(chuàng)新成果的涌現(xiàn)。提出一種切實可行的面向計算機學(xué)科、促進(jìn)創(chuàng)新能力提升的本科生培養(yǎng)方式，開展案例評價工作。

2.2 CBR系統(tǒng)實現(xiàn)

在實際應(yīng)用中我們采用目前國內(nèi)外主流的myCBR工具來進(jìn)行CBR系統(tǒng)的研發(fā)（http://mycbr-project.net/index.html）。在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)之外，我們將加強網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的多向互動。通過網(wǎng)絡(luò)上的互動，學(xué)生通過課程網(wǎng)站進(jìn)行自學(xué)，可以向同學(xué)、老師提出不明白的問題，教師或同學(xué)進(jìn)行個別回答。而對于普遍存在的問題，老師還可以利用網(wǎng)絡(luò)廣播讓全班同學(xué)進(jìn)行討論。這樣讓每個同學(xué)都得到鍛煉的同時，也培養(yǎng)了學(xué)生的協(xié)作學(xué)習(xí)精神。此外，由于網(wǎng)絡(luò)課堂的引入，學(xué)生在課程網(wǎng)站上向老師請教問題，學(xué)生之間也可以通過網(wǎng)站進(jìn)行探討。而且由于這些對話的公開性，其他的學(xué)生也可以通過查閱這些對話來達(dá)到學(xué)習(xí)的目的。這樣同時培養(yǎng)了學(xué)生查找和利用網(wǎng)上資源的意識，合作意識以及小組內(nèi)協(xié)作式學(xué)習(xí)、個人自主學(xué)習(xí)的能力。隨著目前新型網(wǎng)絡(luò)交流方式（比如微博）的興起，新的師與生、生與生、人與機的互動關(guān)系將成為可能。這種網(wǎng)站教學(xué)的多向互動的教學(xué)關(guān)系將會更加便捷，通過利用網(wǎng)站上教師或同學(xué)提供的有關(guān)資料，讓學(xué)生能夠隨時隨地收集資料、分析與總結(jié)，有效提高了教學(xué)質(zhì)量。對于討論過的問題，可以將其搜集起來，作為典型案例（case）并在網(wǎng)站上進(jìn)行備份，并根據(jù)學(xué)生今后的提問來進(jìn)行推理（reasoning）以提供類似的話題查閱。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的本科生課程教學(xué)時，必須更加科學(xué)更加有針對性，要充分結(jié)合當(dāng)前最新計算機技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用場景，根據(jù)社會發(fā)展的需要，來分析本校學(xué)生的整體水平以及學(xué)生之間的水平差異，從而構(gòu)建起適合這門學(xué)科的教學(xué)模式與教學(xué)內(nèi)容。由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程概念較多、操作性較強，同時課時又相對較少，所以可以考慮對現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)整合，抓住課程的重點難點，進(jìn)一步刪繁就簡、深入淺出地介紹最主要的概念。然后通過將這些教學(xué)實例輸入到開發(fā)的CBR系統(tǒng)，能有效幫助老師統(tǒng)計分析當(dāng)前學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并對后面的教學(xué)安排進(jìn)行調(diào)整。更為關(guān)鍵的是，借助于CBR技術(shù)強大的學(xué)習(xí)能力，在為新一屆的同學(xué)制定培養(yǎng)方案時，可以通過借鑒以往成功經(jīng)驗，CBR系統(tǒng)能為老師提供有效的學(xué)生培養(yǎng)實例。老師通過參照案例，能有望更好地制定出針對學(xué)生個體的個性化培養(yǎng)方案。

此外，考慮到本科生個體差異較大、外部影響因素多，但培養(yǎng)年限較短，項目實施工程中擬將團(tuán)隊教師的科研項目進(jìn)行整合，提取其中的關(guān)鍵科學(xué)問題作為本科生的課題背景，針對不同的應(yīng)用來開展培養(yǎng)工作。在將CBR技術(shù)應(yīng)用于本科生培養(yǎng)時，本科生培養(yǎng)案例可以表示為不同特征的非線性組合，案例間的相似度可以根據(jù)特征之間的相似度來定義?？紤]到案例特征具有高維度和異構(gòu)性，項目組擬使用深度學(xué)習(xí)中的ResNet卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來學(xué)習(xí)包含高層語義信息的案例特征，進(jìn)而測度案例特征之間的相似度。

綜上所述，CBR引導(dǎo)模式能輔助教師針對性地培養(yǎng)本科生的創(chuàng)新能力，同時幫助教師改進(jìn)自身的本科生培養(yǎng)方法。具體表現(xiàn)如下：

（1）在培養(yǎng)初期，教師可以借助CBR技術(shù)來參考往屆學(xué)生的類似培養(yǎng)案例，為當(dāng)前本科生制定培養(yǎng)方案。

（2）培養(yǎng)過程中，教師可以逐步細(xì)化本科生的個體特征，將其與以往案例特征進(jìn)行對比，根據(jù)教學(xué)反饋改進(jìn)之前的培養(yǎng)方案。

（3）培養(yǎng)周期結(jié)束時，教師可以將該本科生培養(yǎng)案例表示為高維特征的非線性組合，作為經(jīng)驗的一部分保留下來。

（4）教師還可以借助CBR技術(shù)檢索國內(nèi)外其他教師的相似本科生培養(yǎng)案例，進(jìn)一步改進(jìn)本科生培養(yǎng)方案。

（5）基于特征學(xué)習(xí)方法分析不同本科生案例間的特征異構(gòu)性，教師之間可以協(xié)同改進(jìn)本科生培養(yǎng)方案。

3 結(jié)語

隨著國家的發(fā)展，我國高等院校的本科生教育規(guī)模有了前所未有的增長和發(fā)展，本科生教育已從過去的“精英教育”向著“大眾化教育”轉(zhuǎn)變。本科生教育要根據(jù)建立創(chuàng)新型國家的需要，構(gòu)建科學(xué)的人才培養(yǎng)體系，明確目標(biāo)，面向未來、指向社會需要，通過實施知識、能力、素質(zhì)教育，來提高本科生課堂教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)而培養(yǎng)新一代優(yōu)秀的創(chuàng)新型人才。

高等院校承擔(dān)著為國家培養(yǎng)高級人才的任務(wù),而加強素質(zhì)和能力的培養(yǎng)是提高人才質(zhì)量的關(guān)鍵。計算機學(xué)科的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課堂教學(xué)的實施，其教學(xué)目標(biāo)的宗旨就是強調(diào)培養(yǎng)實際應(yīng)用能力及如何結(jié)合計算機前沿技術(shù)與相關(guān)學(xué)科并運用于實踐。鑒于計算機學(xué)科知識更新速度快的特點，在今后的課堂教學(xué)中我們必須在過往課堂教學(xué)案例的基礎(chǔ)上，基于CBR技術(shù)不斷改進(jìn)和完善教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容，與時俱進(jìn)，才能不斷地適應(yīng)新形勢下的新要求，持續(xù)為國家培養(yǎng)出優(yōu)秀的高質(zhì)量的專業(yè)人才。