基于OBE 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)改革實踐

朱 潔，王海艷，黃海平

（南京郵電大學(xué) 計算機學(xué)院，江蘇 南京 210046）

0 引 言

工程教育是我國高等教育體系的重要組成部分。自我國成為《華盛頓協(xié)議》成員國后，高標準通過工程教育專業(yè)認證正逐漸成為國內(nèi)各大高校建設(shè)一流“新工科”專業(yè)的重要指標?；趯W(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式（Outcomes-Based Education，OBE）是工程教育的核心理念，也是工程教育專業(yè)認證貫穿始終的重要標準。OBE 以“實現(xiàn)學(xué)生特定學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育過程”推動了傳統(tǒng)內(nèi)容驅(qū)動、學(xué)科導(dǎo)向或投入導(dǎo)向的教育模式改革[1]。為適應(yīng)OBE 理念并滿足工程教育認證標準，很多高校積極開展了計算機基礎(chǔ)應(yīng)用的理論教學(xué)改革，但是僅僅依靠課堂教學(xué)方法改革來促進學(xué)生理解計算機思維并提升解決復(fù)雜工程問題的能力，成效是非常有限的，因此，基于OBE 理念梳理具體計算機課程的教學(xué)難點與重點，引入優(yōu)質(zhì)在線教學(xué)資源，并借助豐富多樣的翻轉(zhuǎn)課堂形式重構(gòu)教學(xué)環(huán)節(jié)，加強過程性教學(xué)和形成性評價，成為目前公認較為成功的教學(xué)改革方案之一[2]。

1 基于OBE的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程大綱修訂

為了將培養(yǎng)方案的制（修）訂與專業(yè)認證有機結(jié)合，應(yīng)在深刻理解專業(yè)培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)課程的具體知識結(jié)構(gòu)及其與先后修課程知識體系的關(guān)聯(lián)，修訂基于OBE 的課程教學(xué)大綱。參與基于OBE 的課程大綱修訂，對于促進教師深刻理解“以學(xué)生為中心的教與學(xué)”的OBE 核心內(nèi)涵，可以起到非常積極的作用。

1.1 課程目標對畢業(yè)要求的支撐

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對學(xué)生能力培養(yǎng)的要求是在掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，具有面向?qū)嶋H問題選擇合理的存儲結(jié)構(gòu)、進行算法設(shè)計和程序?qū)崿F(xiàn)的能力，同時能對算法的時間和空間復(fù)雜度進行分析，具有綜合的編程能力、計算機專業(yè)素質(zhì)和一定的解決復(fù)雜工程問題的能力。基于該能力培養(yǎng)要求，課程教學(xué)目標設(shè)計如下。

課程目標1：掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念，熟悉合理組織數(shù)據(jù)的基本方法，培養(yǎng)學(xué)生運用計算思維分析計算機領(lǐng)域相關(guān)工程問題的能力，為本專業(yè)后續(xù)課程學(xué)習(xí)及進一步的軟件開發(fā)打下良好的理論基礎(chǔ)。

該課程目標支撐畢業(yè)要求“工程知識”：掌握計算機軟硬件相關(guān)工程基礎(chǔ)知識，能將其用于分析計算機領(lǐng)域的相關(guān)工程問題。

課程目標2：能夠運用計算思維分析問題和解決問題，針對具體問題，分析數(shù)據(jù)元素的組成和邏輯關(guān)系，設(shè)計靈活高效的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)所需的運算，針對計算機領(lǐng)域復(fù)雜工程問題設(shè)計可行的研究方案。

該課程目標支撐畢業(yè)要求“設(shè)計/開發(fā)解決方案”：能夠根據(jù)用戶需求，選取適當(dāng)?shù)难芯糠椒ê图夹g(shù)手段，確定復(fù)雜工程問題的解決方案。

課程目標3：能綜合運用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本理論和設(shè)計方法，針對計算機領(lǐng)域復(fù)雜工程問題自主設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并能對研究方案的可行性進行論證。

該課程目標支撐畢業(yè)要求“研究”：能基于專業(yè)理論，針對計算機領(lǐng)域復(fù)雜工程問題設(shè)計可行的研究方案。

1.2 課程重點、難點與解決方案

為了能夠有針對性地設(shè)計后續(xù)的在線視頻課程教學(xué)內(nèi)容，在修訂大綱這一環(huán)節(jié)，就需要明確課程的重點和難點。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為一個理論性較強的課程，其重點在于理解各種抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所表達的數(shù)據(jù)間的關(guān)系以及對各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的靈活應(yīng)用，而難點是如何針對實際應(yīng)用問題，選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計并實現(xiàn)有效的算法。針對課程重點和難點，具體解決方案包括以下幾方面。

（1）在教學(xué)過程中，以基礎(chǔ)為主，理解各類邏輯結(jié)構(gòu)的內(nèi)涵。

（2）重視并強化上機實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過編程實踐加強學(xué)生對各類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲表示與運算的掌握，并幫助學(xué)生進一步地理解邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)與運算結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

（3）有針對性地建設(shè)在線課程教學(xué)資源內(nèi)容，為學(xué)生提供更多種類的自學(xué)途徑和學(xué)習(xí)資源，并安排教師定期維護課程論壇，解答學(xué)生問題。

（4）通過建設(shè)課程QQ 群或微信群，與學(xué)生進行實時在線答疑；網(wǎng)絡(luò)資源與在線互動可以作為課堂教學(xué)的有效補充。

（5）編制與課程配套的課件、復(fù)習(xí)要點、例題分析、習(xí)題與思考，以組合方式提供給學(xué)生，使學(xué)生能發(fā)揮學(xué)習(xí)的自主性、啟發(fā)性以及研究性，引導(dǎo)學(xué)生深入思考和研究。

1.3 教學(xué)方法與持續(xù)改進

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程包含課堂教學(xué)環(huán)節(jié)、實驗教學(xué)環(huán)節(jié)和課外教學(xué)環(huán)節(jié)。課堂教學(xué)主要采用理論授課、習(xí)題講解分析、課內(nèi)交流討論、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)模式；實驗教學(xué)環(huán)節(jié)主要采用布置實驗題并在機房上機完成實驗的方式；課外通過在線課程網(wǎng)站、課程資源共享網(wǎng)站提供教學(xué)資源供學(xué)生自學(xué)，以使學(xué)生達成課程目標。

本課程在每輪授課過程中，根據(jù)學(xué)生作業(yè)、課堂測驗、課堂研討等過程性評價結(jié)果以及學(xué)生平時反饋、教學(xué)督導(dǎo)、同行等人員的聽課反饋情況，及時對本輪教學(xué)過程中的不足之處進行改進。課程結(jié)束后，對課程教學(xué)目標達成情況進行分析，根據(jù)分析結(jié)果，同時結(jié)合畢業(yè)生、校友、社會第三方的問卷調(diào)查、座談會、調(diào)查報告等形式的反饋，在本課程后面輪次的教學(xué)中改進提高。

2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在線資源建設(shè)

作為一種新的教育形態(tài)，“互聯(lián)網(wǎng)+”為現(xiàn)代教育提供了新的環(huán)境和手段，極大加快了教育信息化的進程[3]。為響應(yīng)國家中長期教育改革和發(fā)展綱要，以基于OBE 的教學(xué)大綱為指導(dǎo)，課程在線資源建設(shè)過程如下。

2.1 在線教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

根據(jù)教學(xué)大綱中明確的知識模塊，進行在線教學(xué)內(nèi)容設(shè)計。

明確在線課程知識點結(jié)構(gòu)，全面、系統(tǒng)涵蓋教學(xué)內(nèi)容，并突出重點和難點。在線資源應(yīng)該能夠提供學(xué)生自學(xué)所需的所有教學(xué)資源。建設(shè)在線資源的目標之一是能夠全面對外開放，使選修學(xué)生基本上能夠通過自學(xué)達到課程目標，而不僅僅使本校學(xué)生補充課堂教學(xué)內(nèi)容。所有理解起來有一定難度的概念（或者根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗，學(xué)生難以快速消化的知識），無論粒度多小，都要單獨設(shè)計視頻、課件、練習(xí)和討論，以保證學(xué)生有重點、有針對性地強化知識痛點。

以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第4 章“數(shù)組”為例，在進行教學(xué)知識點結(jié)構(gòu)設(shè)計時，根據(jù)上述設(shè)計思想，一共設(shè)計了9 個知識點，見表1。

2.2 教學(xué)視頻制作

明確知識點結(jié)構(gòu)并細化重點、難點后，進入教學(xué)視頻制作環(huán)節(jié)。

首先需要針對每一個小知識點，設(shè)計錄制視頻所需課件。為錄制視頻所制作的課件，與課堂教學(xué)課件有著明顯區(qū)別，體現(xiàn)在：文字部分應(yīng)更加簡潔；內(nèi)容呈現(xiàn)盡可能生動，以動畫為主；考慮視頻獨立性，應(yīng)盡可能增加一些知識點簡單回顧環(huán)節(jié)，以滿足學(xué)生自學(xué)需求。此外，該課程教學(xué)中存在大量算法代碼講解內(nèi)容，在制作視頻課件時需要對大段程序進行功能分解和關(guān)鍵步驟講解，為了避免視頻內(nèi)容過于枯燥，應(yīng)該盡量以流程圖的方式進行內(nèi)容呈現(xiàn)。為了保持每個視頻內(nèi)容的連貫性和獨立性，課件內(nèi)容結(jié)構(gòu)應(yīng)該保持統(tǒng)一：①前一個知識點的簡單回顧；②本節(jié)知識點在章節(jié)中的位置和作用；③知識點講解；④具體案例分析或習(xí)題解析；⑤本節(jié)知識點的難點與重點；⑥下一個知識點簡介。

表1 數(shù)組的知識結(jié)構(gòu)

其次，根據(jù)課件內(nèi)容，撰寫錄制腳本。每個知識點錄制時間以10 min 為上限，按照1 min 200 字的念稿速度，腳本字數(shù)不超過2 000 字。如果撰寫腳本過程中發(fā)現(xiàn)字數(shù)超過2 000 字，說明知識點細分不夠，需要將該知識點進行進一步的拆分。在撰寫腳本的過程中，注意語言盡量口語化，避免大量書面語和公式。在腳本上可以標注課件上動畫的位置、間隔時間等，以方便視頻制作公司進行同步。

在錄制視頻時，呈現(xiàn)在教師面前的是放大的腳本，教師錄制視頻的過程主要是念稿。為了避免畫面中教師念稿痕跡嚴重，需要在錄制之前熟讀腳本，錄制時眼神最好定在腳本上的一點，避免明顯的眼球左右移動，此外，根據(jù)講述內(nèi)容，設(shè)計一定的手勢也是很有必要的。

2.3 配套資源建設(shè)

除了視頻資源之外，一個完整的在線課程還需要全套多元化的輔助資源，幫助學(xué)生達到學(xué)習(xí)目標。例如，針對每一個視頻，設(shè)計一定數(shù)量的彈題，輔助學(xué)生強化知識；對每一個知識點，設(shè)計練習(xí)題和討論；對每一章設(shè)計測試題庫和作業(yè)。這些資源可以幫助教師及時發(fā)現(xiàn)教學(xué)中的問題，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并產(chǎn)生形成性評價。

以中國大學(xué)MOOC 的南京郵電大學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在線開放課程為例，為了保證在線資源的豐富性，針對每個知識點的所有考核題型，設(shè)計了自動習(xí)題生成系統(tǒng)，可以批量生成大量習(xí)題，以保證練習(xí)強度和滿足學(xué)生自學(xué)需求。

例如，“數(shù)組”章節(jié)中的難點是特殊矩陣的地址計算題，設(shè)計幾乎覆蓋該知識點所有考核要點的填空題題干：

“設(shè)有W階X矩陣A，其中矩陣元素用a（i，j）表示，將A按照Y優(yōu)先順序存儲Z三角元素的方式存儲至一維數(shù)組B，則數(shù)組B[M]中存儲的矩陣元素是a（___，___）?！?/p>

在隨機生成具體題目時，令W為5～10 的隨機數(shù)、X為“對稱”或“三角”、Y為“行”或“列”、Z為“上”或“下”，M是取值為0至（1+W）×W/2 的一個隨機整數(shù)。

例如，隨機生成題目：“設(shè)有7 階對稱矩陣A，其中矩陣元素用a（i，j）表示，將A按照行優(yōu)先順序存儲下三角元素的方式存儲至一維數(shù)組B，則數(shù)B[11]中存儲的矩陣元素是a（___，___）?！?/p>

2.4 在線課程維護

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在線課程在中國大學(xué)MOOC 上線，南京郵電大學(xué)校內(nèi)SPOC 課程已經(jīng)運行2 學(xué)期。在線課程開課階段也需要投入較大精力進行維護，這樣才能讓選課學(xué)生擁有一個好的學(xué)習(xí)體驗。采取任課教師輪值承擔(dān)在線課程維護任務(wù)的方法，除了根據(jù)教學(xué)計劃定期發(fā)布教學(xué)內(nèi)容（視頻、課件、測試、作業(yè)等）之外，還需要及時回復(fù)學(xué)生在論壇上提出的問題，根據(jù)學(xué)生回復(fù)給予點贊或補充說明；定期向任課教師反饋學(xué)生學(xué)習(xí)情況，分析測試題錯誤情況和作業(yè)情況，以輔助任課教師在課堂上實施有針對性的教學(xué)。

3 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)實施

根據(jù)文獻[4-5]中提出的經(jīng)典翻轉(zhuǎn)課堂實施結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)由50%學(xué)時的自學(xué)和50%學(xué)時的見面課組成。學(xué)生通過觀看在線課程、完成測驗和作業(yè)來完成自學(xué)任務(wù)，教師通過學(xué)生在線課程完成情況進行有針對性的課題教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，布置小組課外活動或作業(yè)，并對學(xué)生進行形成性評價。

3.1 課堂教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

課堂教學(xué)內(nèi)容要區(qū)別于在線教學(xué)視頻內(nèi)容，應(yīng)該是有針對性的重點、難點的講解，其定位應(yīng)該是基于學(xué)生已經(jīng)按要求完成自學(xué)任務(wù)為前提的進一步知識鞏固與豐富。課堂教學(xué)環(huán)節(jié)主要包括如下幾方面。

（1）基礎(chǔ)知識鞏固。該環(huán)節(jié)主要設(shè)置在課程前期階段，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計算機專業(yè)學(xué)生大二學(xué)習(xí)的課程，學(xué)生大概率初次接觸翻轉(zhuǎn)課堂，因此可以設(shè)置一個短暫的適應(yīng)過程。在這一階段，在學(xué)生還未具備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)邏輯思維能力時，可適當(dāng)放慢節(jié)奏，并督促學(xué)生按時完成自學(xué)任務(wù)。

（2）重點、難點講解。教師根據(jù)以往教學(xué)經(jīng)驗、學(xué)生完成在線測驗和作業(yè)情況，將得分率較低的考核點及對應(yīng)的知識點進行重點解析。

（3）師生討論互質(zhì)?？梢砸髮W(xué)生在上課前向老師提出指定數(shù)量的問題，由教師從中挑選質(zhì)量高的問題作為討論題，在課堂上進行探討；也可以在重點、難點講解完畢后，和學(xué)生進行現(xiàn)場互質(zhì)互問，以達到活躍課堂氣氛，促進思考的效果。

（4）課堂練習(xí)。利用自動習(xí)題生成系統(tǒng)組卷，在課堂上發(fā)給學(xué)生進行現(xiàn)場練習(xí)，教師可以給予現(xiàn)場指導(dǎo)，如學(xué)習(xí)“二叉平衡樹的插入與刪除”“B 樹的插入與刪除”“哈夫曼樹的構(gòu)造”“最小代價生成樹”等操作性很強的知識難點時，通過一定強度的練習(xí)，可以幫助學(xué)生很好地掌握這些知識。

（5）小組活動。為了活躍課堂氣氛，可以設(shè)計一定的小組活動環(huán)節(jié)，讓每名學(xué)生都能夠參與活動，促進交流和學(xué)習(xí)。

3.2 課外小組活動設(shè)計

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，可設(shè)計3 個課外小組活動作業(yè)，給每個小組布置演練內(nèi)容，在課堂驗收并打分。

（1）各類鏈表操作演練：排練8 種鏈表（不帶表頭單向非循環(huán)鏈表、帶表頭單向非循環(huán)鏈表、不帶表頭雙向非循環(huán)鏈表、帶表頭雙向非循環(huán)鏈表、不帶表頭單向循環(huán)鏈表、帶表頭單向循環(huán)鏈表、不帶表頭雙向循環(huán)鏈表、帶表頭雙向循環(huán)鏈表）的插入、刪除操作過程，要求每位學(xué)生都參與操作過程中，扮演一個重要角色，每組可以有一個總指揮進行全局操作；要求考慮插入、刪除中的特殊情況。

（2）堆棧與隊列操作演練：小組每位學(xué)生扮演不同的操作算子或變量，通過人工演示的方式，展示堆棧、循環(huán)隊列和表達式計算的操作過程。

（3）排序算法過程演練：要求學(xué)生按照各自的題目排練排序算法的實施過程，每個組員都要承擔(dān)算法算子角色，如快速排序的時候需要一名學(xué)生扮演i標識、一位學(xué)生扮演j標識、一名學(xué)生扮演分割點等。

3.3 基于形成性評價的考核

實施翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的班級，學(xué)生成績應(yīng)該以形成性評價為主。通過形成性評價，教師可以隨時了解學(xué)生在學(xué)習(xí)上的進展情況，獲得教學(xué)過程中的連續(xù)反饋，并以此為隨時調(diào)整教學(xué)計劃、改進教學(xué)方法提供參考。

以本課程實施翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)班級的考核方式為例，總評成績由平時成績（50%）和期末成績（50%）組成。平時成績以形成性評價為主，包含在線作業(yè)（30%）、在線測驗（30%）、課堂參與情況（20%）和課內(nèi)實驗情況（20%），其中，課堂參與情況需綜合考慮學(xué)生參與在線課程學(xué)習(xí)情況（如視頻觀看比例、參與論壇討論情況等）和翻轉(zhuǎn)課堂見面課的表現(xiàn)情況（小組活動情況、討論參與情況等）。

4 結(jié) 語

南京郵電大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)從2014 年起開始籌備申請工程教育專業(yè)認證，并于2018 年成功通過認證。為達到工程教育專業(yè)認證標準，作為核心課程之一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)課程組從2014 年起開展了基于OBE 的課程建設(shè)改革，期間經(jīng)歷了新大綱修訂、新教材編寫、在線課程制作、翻轉(zhuǎn)課堂實施等環(huán)節(jié)，積累了一定的改革經(jīng)驗。

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式是對傳統(tǒng)教學(xué)模式的顛覆。實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂的目標是為了能夠貫徹OBE的教育理念，讓學(xué)生達到課程目標和與之相對應(yīng)的畢業(yè)要求，能夠初步具備解決復(fù)雜工程問題的能力，為后續(xù)算法類課程打下堅實的基礎(chǔ)。從傳統(tǒng)課堂到實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂的過程并不是一蹴而就的，南京郵電大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)經(jīng)過了長達4 年的探索，改革才得以實施，目前所取得的成效符合預(yù)期。下一階段教學(xué)改革重心將落在課程實踐環(huán)節(jié)，引入Online Judge 系統(tǒng)進行實驗驗收，以產(chǎn)生學(xué)生實踐環(huán)節(jié)的形成性評價。