融合智慧課堂的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)改革研究

潘蕾 侯鳳貞 胡建華

摘 ?要：課題進行了基于OBE理念、融合智慧課堂的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)改革的探索，從教學(xué)目標(biāo)定位、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計及教學(xué)評價方法制定等多個方面設(shè)計了具體的教學(xué)改革方案，并借助多個線上線下教學(xué)服務(wù)平臺嘗試全方位立體式完善和優(yōu)化“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程體系，以期在新形勢下更好地培養(yǎng)學(xué)生的基本編程思想及數(shù)據(jù)處理能力，為將來解決多領(lǐng)域相關(guān)實際問題做好能力儲備。

關(guān)鍵詞：智慧課堂;“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程;教學(xué)改革

中圖分類號：TP311.12-4;G642 ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）21-0177-04

Research on the Teaching Reform of “Data Structure” Course

Integrated with Smart Classroom

PAN Lei，HOU Fengzhen，HU Jianhua

（School of Science，China Pharmaceutical University，Nanjing ?211198，China）

Abstract：The subject explored the teaching reform of the “Data Structure” course based on the OBE concept and integrated with smart classroom，and designed specific teaching reform plans from multiple aspects such as teaching goal positioning，teaching content design and teaching evaluation method formulation. And with the help of multiple online and offline teaching service platforms to try to improve and optimize the “Data Structure” course system in an all-round way，in order to better cultivate studentsbasic programming ideas and data processing capabilities in the new situation，so they can reserve their ability to solve practical problems in many fields in the future.

Keywords：smart classroom;“Data Structure” course;teaching reform

0 ?引 ?言

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”是信息科學(xué)領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)的一門極為重要的核心專業(yè)基礎(chǔ)課。課程內(nèi)容涉及數(shù)據(jù)組織方法、算法分析方法以及各類數(shù)據(jù)處理技術(shù)，幫助學(xué)生打下扎實的算法設(shè)計和編碼能力基礎(chǔ)，是學(xué)生擁有程序開發(fā)和數(shù)據(jù)處理能力的重要保障。隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，各行各業(yè)對兼具學(xué)科背景與大數(shù)據(jù)分析與處理能力的復(fù)合型人才的需求也日益倍增。醫(yī)藥類高等院校肩負(fù)著為醫(yī)學(xué)發(fā)展、新藥研發(fā)培養(yǎng)主力軍的重任，作為中國藥科大學(xué)信管專業(yè)核心專業(yè)基礎(chǔ)課程之一的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”，也面臨著與時俱進的改革與挑戰(zhàn)。該課程的教學(xué)完成度將會直接影響學(xué)生計算思維、數(shù)據(jù)處理以及利用機器學(xué)習(xí)方法解決醫(yī)藥數(shù)據(jù)相關(guān)實際問題等多方面能力的培養(yǎng)目標(biāo)的達成。

1 ?傳統(tǒng)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)存在的問題

傳統(tǒng)的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”教學(xué)模式以課堂講授、課后作業(yè)的形式為主，常易忽視對學(xué)生自主學(xué)習(xí)熱情的激發(fā)及專業(yè)相關(guān)應(yīng)用能力的培養(yǎng)，缺乏高強度的計算思維訓(xùn)練;課程涵蓋了軟件編程技術(shù)中所有常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而針對這些基本結(jié)構(gòu)的描述大多以抽象數(shù)據(jù)類型來體現(xiàn)，沒有充分的實例背景和應(yīng)用作為支撐，學(xué)生理解起來有很大難度;隨著Python語言成為公認(rèn)的大數(shù)據(jù)分析和人工智能研究的第一語言，越來越多的高校采用了Python語言替代其他語言作為學(xué)生們首次接觸的編程工具。而目前在全國范圍內(nèi)，鮮見基于Python語言的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程設(shè)計。

2 ?融合智慧課堂的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程全新教學(xué)模式探索

鑒于上節(jié)原因，如何借助豐富的網(wǎng)絡(luò)信息資源，借助成熟的在線教學(xué)平臺及各類優(yōu)秀教學(xué)模式，充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的積極性，從而提高課程教學(xué)質(zhì)量是本課程亟待解決的問題。課題組以“新工科”“新醫(yī)科”背景下的中國藥科大學(xué)信管專業(yè)為例，開展了基于教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式等全方位的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)方案改革。

2.1 ?線上線下混合的翻轉(zhuǎn)課堂方案設(shè)計

課題組通過學(xué)習(xí)通、課堂派、萬維考試系統(tǒng)、長順江波教學(xué)管理軟件等相關(guān)教學(xué)平臺將前期建設(shè)的教學(xué)資源發(fā)布到線上教學(xué)平臺，實現(xiàn)在線學(xué)習(xí)指導(dǎo)、在線測試、在線學(xué)習(xí)反饋、實時評價等線上教學(xué)工作，以課程在學(xué)習(xí)通平臺發(fā)布實踐任務(wù)為例，如圖1所示。

將課程線上資源與線下課堂教學(xué)有機結(jié)合，實現(xiàn)了發(fā)布自學(xué)任務(wù)點-線上課前測試-線下重難點剖析-案例研討-課后實踐-項目設(shè)計與匯報-發(fā)布新的任務(wù)點的閉環(huán)式完整混合式教學(xué)方案的設(shè)計和使用，教學(xué)流程如圖2所示。

以階梯模式的教學(xué)方法和以項目為驅(qū)動的教學(xué)手段，通過小組項目的形式檢驗學(xué)生的實戰(zhàn)解決問題能力?？己顺煽冇尚〗M報告的實際完成情況和項目實際運行效果以及項目答辯環(huán)節(jié)共同決定，小組中的每位成員均要負(fù)責(zé)項目中的部分具體任務(wù)，全面考核項目開發(fā)全過程中學(xué)生對課程的掌握情況以及個人綜合應(yīng)用能力，通過組間交互學(xué)習(xí)，促進教學(xué)相長、完成良性互動。

2.2 ?基于Python語言的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)內(nèi)容改革

隨著大數(shù)據(jù)和人工智能時代的開啟，越來越多的高校選擇開設(shè)簡潔優(yōu)雅、功能強大的Python程序設(shè)計課程，據(jù)IEEE Sepctrum發(fā)布的2019最受歡迎的編程語言Python排名首位。對于非計算機專業(yè)的醫(yī)藥類高校的信管專業(yè)來說，由于該專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)多是聚焦在多學(xué)科交叉的復(fù)合型人才的培養(yǎng)上，選擇Python作為學(xué)生首次接觸的入門語言后，非常有利于基于Python的醫(yī)藥大數(shù)據(jù)處理等后續(xù)課程的開展，若仍然選擇其他語言作為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的依托語言，則還需要開展其他語言的教學(xué)工作，而“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程只能推后，這勢必影響整個課程體系的設(shè)置與發(fā)展，因此，基于Python的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程改革勢在必行。

目前國內(nèi)外基于Python的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程已有發(fā)布[1，2]，但還比較少見，本課題在全面掌握Python語言程序設(shè)計特點的基礎(chǔ)上，參考傳統(tǒng)的基于C、C++語言的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程，基于Python的面向?qū)ο髾C制，考慮到Python語言的自身特色，揚長避短完成了全套基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu)內(nèi)容及物理結(jié)構(gòu)實現(xiàn)相關(guān)的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計，并結(jié)合目前程序設(shè)計實踐領(lǐng)域特別關(guān)注的內(nèi)容及生命健康與醫(yī)藥大數(shù)據(jù)處理的特點，完成了全部實驗內(nèi)容的設(shè)計。

將理論內(nèi)容按章節(jié)設(shè)計成一個個相對獨立的知識單元，每個單元包括線上自學(xué)任務(wù)點、在線測試題、線下教學(xué)內(nèi)容、經(jīng)典算法解析和拓展案例設(shè)計等環(huán)節(jié)，分別應(yīng)用于上節(jié)中介紹的線上線下混合式教學(xué)流程中的各個教學(xué)階段。以“第五章 棧和隊列”為例，具體教學(xué)安排為：（1）教師提前一周在學(xué)習(xí)通平臺發(fā)布第五章教學(xué)任務(wù)點，學(xué)生課前自學(xué)并完成預(yù)習(xí)報告。（2）教師發(fā)布課前測，上課前學(xué)生完成十五分鐘課前測5，課前測內(nèi)容的50%為上一章線性表的復(fù)習(xí)，50%為本章預(yù)習(xí)檢查，課前測5，如圖3所示。（3）課上教師針對課前測的問題進行講解，并拓展本章重難點，進行深度剖析，讓學(xué)生全面了解兩種操作受限的線性結(jié)構(gòu)的概念、抽象數(shù)據(jù)類型、基本操作的Python實現(xiàn)。（4）教師隨堂發(fā)布棧結(jié)構(gòu)的研討案例為：進制轉(zhuǎn)換、括號匹配、表達式求值問題;隊列結(jié)構(gòu)研討案例為：約瑟夫問題。師生現(xiàn)場互動解決這些問題，學(xué)生利用Python編程實現(xiàn)。（5）教師發(fā)布分組講解任務(wù)：迷宮問題的三種不同解決方案，下次課學(xué)生完成分組講解任務(wù)。（6）教師總結(jié)，并發(fā)布下周全新教學(xué)任務(wù)。

課題組在完成全新的基于Python語言的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)過程中，通過定期座談和課間走訪的形式聽取學(xué)生意見，從實踐教學(xué)效果中提取出各類經(jīng)驗，結(jié)合前導(dǎo)后繼課程的反饋結(jié)果，仍在不斷嘗試提升課程內(nèi)容改革效果。

2.3 ?基于OBE理念的逆向教學(xué)改革

成果導(dǎo)向教育是指基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式（Outcomes- based Education，OBE），最早出現(xiàn)在美國和澳大利亞的基礎(chǔ)教育改革中。美國學(xué)者斯派帝撰寫的《基于產(chǎn)出的教育模式：爭議與答案》一書中把OBE定義為“清晰地聚焦和組織教育系統(tǒng)，使之圍繞確保學(xué)生在未來生活中獲得實質(zhì)性成功的經(jīng)驗?！盵3]

因此課題組嘗試以各類信息學(xué)科競賽、求職升學(xué)等需求來驅(qū)動教學(xué)內(nèi)容改革。通過把競賽，大型IT公司筆、面試中的相關(guān)案例和經(jīng)典算法貫穿到平時的教學(xué)活動中，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情。例如：在問題求解過程介紹中引入《九章算術(shù)》手動開平方根問題、天平找偽幣問題;在線性結(jié)構(gòu)中引入約瑟夫問題、背包問題、八皇后問題、迷宮問題;在非線性結(jié)構(gòu)引入哈夫曼編碼問題、貨郎擔(dān)問題;在擴展項目中結(jié)合了醫(yī)藥信息數(shù)據(jù)處理的熱點，如化合物分子式結(jié)構(gòu)處理、天然產(chǎn)物研究熱點分析等，體現(xiàn)了較強的專業(yè)特點和學(xué)科相關(guān)性。

在教學(xué)過程中，當(dāng)完成了線下重難點剖析后，就會依據(jù)不同的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生研究這些經(jīng)典案例的解決方法，并采用Python語言在課后實踐環(huán)節(jié)將它們一一實現(xiàn)，對于難度較大的案例，會將其作為分組項目分配給學(xué)生小組，讓學(xué)生們通過團隊合作的形式完成問題的分析、研討和解決，并最終在班級做公開匯報，以全方位提升學(xué)生解決專業(yè)相關(guān)實際問題的能力。

以在各大競賽和面試題庫中的?？純?nèi)容“迷宮問題”為例，在介紹操作受限線性表棧和隊列的概念及基本操作的Python實現(xiàn)之后，就可引入該問題進行案例研討，具體步驟為：（1）教師在線上知識點學(xué)習(xí)的拓展部分提出迷宮問題的概念，讓學(xué)生提前準(zhǔn)備相關(guān)資料。（2）線下教學(xué)時，教師在介紹完棧和隊列的基本概念和應(yīng)用后，引入迷宮問題。首先，介紹問題背景：迷宮是一類常見的智力游戲，也是許多實際問題的反映和抽象，例如，在公路網(wǎng)或鐵路網(wǎng)上找可行或最優(yōu)路線，電子地圖路徑檢索，計算機網(wǎng)絡(luò)的路由檢索，情況都與此類似。迷宮問題即對于給定的一個迷宮（包括一個迷宮圖，一個入口點和一個出口點），設(shè)法找到一條從入口到出口的路徑。（3）教師利用引導(dǎo)、啟發(fā)式提問，讓學(xué)生體會到：搜索從入口到出口的路徑的問題具有遞歸性質(zhì)，并給出問題及解決方案的實例，在此基礎(chǔ)上讓學(xué)生嘗試不同狀態(tài)空間搜索路線，如圖4所示。（4）請學(xué)生針對不同的解決問題方式，完成分組討論、問題解決、報告撰寫等準(zhǔn)備工作，并將成果在課上向全班同學(xué)展示匯報，全班同學(xué)及教師通過學(xué)習(xí)通為各個小組完成評分操作。（5）教師總結(jié)基于遞歸、基于非遞歸的深度優(yōu)先、基于隊列的寬度優(yōu)先三種解決迷宮問題策略，并讓學(xué)生通過八皇后問題等引申問題徹底掌握解決該類問題的方法，在后期遇到樹和圖的遍歷問題時，引導(dǎo)學(xué)生仿照前面的三種思路，設(shè)計不同的策略自行解決同類問題，通過線上線下、翻轉(zhuǎn)課堂等混合式教學(xué)的多輪訓(xùn)練，學(xué)生再去處理狀態(tài)空間搜索方面的競賽題時完成度和效率都很高。

2.4 ?基于過程性評價的考核方案改革

過程性評價是斯克利文于1967年在其著作《評價方法論》中提出的概念。過程性評價是在學(xué)習(xí)過程中完成，它強調(diào)學(xué)習(xí)者作為主體適當(dāng)?shù)膮⑴c，是能夠全面促進學(xué)習(xí)者發(fā)展的過程[4]。在課程中引入過程性評價，能夠通過增強師生互動和多任務(wù)點分配，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，并根據(jù)實時監(jiān)控對教學(xué)過程進行良性調(diào)整，避免學(xué)生產(chǎn)生畏難退縮情緒，有效提高學(xué)習(xí)效率，而合理有效的過程性評價方案需要不斷打磨和實踐，從而獲得最佳效果。

本課題按照教學(xué)環(huán)節(jié)包含的三部分內(nèi)容（線上線下理論教學(xué)、實驗教學(xué)、分組項目匯報）設(shè)計了最終的考核方案。將學(xué)生線上學(xué)習(xí)、課堂出勤、平時作業(yè)、實驗成績等多個環(huán)節(jié)作為課程過程化考核指標(biāo)，最終的總評成績構(gòu)成如表1所示。

2.5 ?使用在線評測系統(tǒng)輔助實驗教學(xué)開展

非計算機專業(yè)的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程普遍存在知識點繁多、結(jié)構(gòu)和算法復(fù)雜、總課時偏少的現(xiàn)象，因此，留給學(xué)生的動手實踐的課時非常有限，而各類結(jié)構(gòu)及其基本操作要想讓學(xué)生熟練掌握并能夠進行實際應(yīng)用，又不得不需要大量的實操練習(xí)來鞏固。針對這樣的現(xiàn)實問題，在教學(xué)中嘗試采用了洛谷答題等免費的在線評測系統(tǒng)來輔助實驗教學(xué)的開展，學(xué)生通過評測系統(tǒng)提交高階作業(yè)，在線評測系統(tǒng)能夠自動評判代碼的正確性，并能將評判結(jié)果及時反饋給學(xué)生，不僅大大降低了教師的工作量，有效提升了學(xué)生處理實際問題的能力，也為學(xué)生額外加分提供了依據(jù)，幫助完善了過程性評價方案中的平時表現(xiàn)加分項等環(huán)節(jié)，洛谷平臺使用界面如圖5所示。

3 ?結(jié) ?論

課題研究了非計算機專業(yè)中開展新形勢下“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)改革的實施方案。后期還可以在豐富教學(xué)案例資源庫、完善過程性評價方案、建設(shè)滿足不同類型院校特點的在線評測系統(tǒng)實驗平臺等方面加強和完善課程建設(shè)。該教學(xué)改革方案可以作為其他綜合性大學(xué)非計算機專業(yè)學(xué)生“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)改革的參考借鑒。

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作者簡介：潘蕾（1979—），女，漢族，安徽安慶人，講師，碩士研究生，研究方向：深度學(xué)習(xí)、生物醫(yī)藥數(shù)據(jù)挖掘。