新工科背景下“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”金課教學(xué)模式研究

何施茗 李峰 陳曦 王進(jìn)

摘要：為了提高新工科背景下信息類專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程質(zhì)量，提出基于云教學(xué)平臺的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)金科教學(xué)模式改革方法。主要內(nèi)容包括：采用翻轉(zhuǎn)課堂和研討式教學(xué)模式;梳理課程間銜接內(nèi)容，建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程模塊化教學(xué)體系;改革教學(xué)流程，以知識點(diǎn)為單元，充分安排課前、課堂、課后時(shí)間，要求學(xué)生預(yù)習(xí)課程并完成作業(yè)，結(jié)合理論、實(shí)訓(xùn)和研討教學(xué)方式，設(shè)計(jì)完整閉環(huán)六環(huán)節(jié)的教學(xué)流程;采用多樣化考核形式，將重心從理論知識考試移向?qū)嵺`和開發(fā)能力培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：新工科;數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);研討式教學(xué);教學(xué)流程

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8228（2020）07-108-04

0引言

隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的到來，工程教育作為科技進(jìn)步和創(chuàng)新的后備支撐將迎來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。自2017年2月教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)以來，各大高校開啟了工科專業(yè)教育改革的新征程。同時(shí)，教育部發(fā)布一流課程“雙萬”計(jì)劃，建設(shè)一萬門國家級一流線上線下的精品課程和打造一萬門省部級一流線上線下的精品課程。課程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到“兩性一度”：高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的主干課程，為了適應(yīng)新的發(fā)展需要，也將以新工科建設(shè)為契機(jī)，探索新的教育教學(xué)理念，建設(shè)高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的金課，培養(yǎng)能夠適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的，具有多元化、創(chuàng)新性的卓越工程人才。

計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)核心課程之一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是對學(xué)科中問題求解理論的抽象和算法設(shè)計(jì)的方法，其在學(xué)科知識體系中有重要位置。課程一般在大學(xué)一年級下學(xué)期或二年級上學(xué)期開設(shè)，不僅對前面學(xué)過的計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行總結(jié)，而且培養(yǎng)基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析能力和綜合程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)能力，體現(xiàn)著創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)過程，是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)人才素質(zhì)培養(yǎng)的核心。它承上啟下，貫通始終，對學(xué)生編程能力培養(yǎng)至關(guān)重要，受益終身。目前數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程大致存在如下問題。

（1）本科生缺乏相關(guān)解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維。課程以知識點(diǎn)傳授為主，教授和考核環(huán)節(jié)都未能體現(xiàn)對分析復(fù)雜問題、解決復(fù)雜問題的能力和思維方式的培養(yǎng)，導(dǎo)致專業(yè)人才理論基礎(chǔ)欠缺、專業(yè)實(shí)踐動手能力不夠。

（2）課程內(nèi)容未與時(shí)代前沿結(jié)合，教學(xué)形式互動性較弱，教學(xué)方式和成果缺乏個性化。課程內(nèi)容較久未更新，沒有加入前沿的問題和應(yīng)用，基本采用填鴨式、滿堂灌式教學(xué)，缺乏互動，導(dǎo)致教學(xué)效果不明顯，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣，難以融入學(xué)習(xí)中。

為了解決上述培養(yǎng)問題，在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)模式的基礎(chǔ)上，針對計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀和社會對該專業(yè)人才的需求情況，依托云教學(xué)平臺、智慧教室和Online Judge在線評測系統(tǒng)，以培養(yǎng)學(xué)生算法研發(fā)、實(shí)踐能力為目標(biāo)，深入研究基于研討的混合式教學(xué)模式和考核改革，打造具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性的金課。

1相關(guān)工作

華偉等Ⅲ基于小組合作的同伴教學(xué)模式，在教學(xué)實(shí)施過程、問卷調(diào)查、非標(biāo)準(zhǔn)化答案考核、多信息渠道補(bǔ)充等方面開展工作，以兩個實(shí)例說明數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析課程全方位立體化教學(xué)模式中不同教學(xué)模式的相互促進(jìn)作用，并說明教學(xué)效果。龍穎波等為GIS專業(yè)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)，在教學(xué)內(nèi)容上兼顧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識與GIS專業(yè)問題的銜接與融合。劉曉靜等培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程建設(shè)與實(shí)踐，通過混合教學(xué)改革、加大考核力度、學(xué)科項(xiàng)目和競賽培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。王德興等嘲通過微信把教學(xué)資源（如課程PPT、視頻或動畫等）中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識點(diǎn)進(jìn)行講解和展示，學(xué)生在碎片化時(shí)間學(xué)習(xí)小知識單元，讓學(xué)生可以不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制。張冰濤等為適應(yīng)工程認(rèn)證要求，將原有以理論教學(xué)為主的教學(xué)方式，轉(zhuǎn)換為以理論教學(xué)為基礎(chǔ)、實(shí)踐教學(xué)為核心的教學(xué)體系，構(gòu)建6-8個科學(xué)可行的實(shí)踐教學(xué)案例，從而鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。潘磊等從教材選擇、教學(xué)內(nèi)容改革、教學(xué)模式改革、考核方法等方面提出并實(shí)施了相應(yīng)的教學(xué)改革方案。

2實(shí)施方案

2.1整體思路

采用翻轉(zhuǎn)課堂和研討式教學(xué)模式，堅(jiān)決強(qiáng)化學(xué)生的主體地位，著力培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，讓學(xué)生先預(yù)習(xí)課程并完成作業(yè)，教師通過評估作業(yè)的完成情況，了解學(xué)生知識點(diǎn)的掌握情況，在課堂上有的放矢，節(jié)約教學(xué)時(shí)間，提高教學(xué)質(zhì)量。

實(shí)踐教學(xué)是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程必不可少的環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生動手實(shí)現(xiàn)能力、綜合知識運(yùn)用能力的必要環(huán)節(jié)。在總學(xué)分不變情況下，調(diào)整理論和實(shí)驗(yàn)課比例把節(jié)省出的理論課時(shí)全部加到討論和實(shí)踐環(huán)節(jié)上。

加強(qiáng)程序設(shè)計(jì)語言與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的銜接內(nèi)容，同時(shí)銜接避免課程之間重復(fù)的知識點(diǎn)設(shè)置，全面提高學(xué)生的計(jì)算思維和編程能力。重構(gòu)課程內(nèi)容，把課程的每一章每一節(jié)的知識點(diǎn)提煉出來，每周設(shè)置一節(jié)理論課、一節(jié)實(shí)驗(yàn)課、一節(jié)研討課。

建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程模塊化教學(xué)體系，包括基礎(chǔ)知識、關(guān)鍵技術(shù)和開發(fā)基礎(chǔ)知識，作業(yè)體系包括預(yù)習(xí)作業(yè)、課堂習(xí)題、研討作業(yè)（小程序開發(fā)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用軟件開發(fā)實(shí)驗(yàn)）。

改革教學(xué)流程，以知識點(diǎn)為單元，充分安排課前課堂課后時(shí)間，結(jié)合理論、實(shí)訓(xùn)和研討教學(xué)方式，設(shè)計(jì)六環(huán)節(jié)的教學(xué)流程，實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程的完整閉環(huán)。

對于關(guān)鍵技術(shù)等理論知識，考慮到該課程理論性強(qiáng)、難度大等特點(diǎn)，采取深入淺出的原則，對每個教學(xué)內(nèi)容結(jié)合實(shí)際應(yīng)用問題，和類比其他場景的類似問題和方案，以更加生動的方式講述該課程的內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生逐步理解概念與原理之間、原理與應(yīng)用之間的聯(lián)系。課堂提問常態(tài)化，提高學(xué)生上課的抬頭率。設(shè)計(jì)程序開發(fā)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通過應(yīng)用程序開發(fā)，提高學(xué)生的動手能力。

圍繞教學(xué)體系和作業(yè)體系，將到課率和整個作業(yè)體系納入到考核中，使得考核形式多樣化，將重心從理論知識考試移向?qū)嵺`和開發(fā)能力培養(yǎng)。

2.2具體方法

采用翻轉(zhuǎn)課堂和研討式教學(xué)模式，建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程模塊化教學(xué)體系和作業(yè)體系，體系中通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)經(jīng)典算法來吸引學(xué)生的興趣，通過引導(dǎo)式教學(xué)和圖文并茂的講解方法來幫助學(xué)生理解算法的基本思想，然后通過研討作業(yè)中的小程序開發(fā)提高學(xué)生的動手能力，最后通過考核改革將學(xué)生重心從理論知識考試移向開發(fā)能力培養(yǎng)，將課程考核理論和實(shí)踐占比從以前的7：3調(diào)整為4：6，達(dá)到改革目標(biāo)。

借助信息化輔助云教學(xué)平臺“計(jì)通云學(xué)寶”、“OlineJudge”系統(tǒng)和智慧教室開展教學(xué)和考核改革?！坝?jì)通云學(xué)寶”實(shí)現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容和過程標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)兼顧學(xué)生個性化需求;監(jiān)控課堂教學(xué)全過程，量化教學(xué)質(zhì)量的評估與考核;打造虛擬化的企業(yè)級實(shí)驗(yàn)環(huán)境。不能上網(wǎng)、不能拷貝，學(xué)生在“云學(xué)寶”中編輯的每一個程序都需要學(xué)生自己輸入每一個字符。教學(xué)考核“OlineJudge”系統(tǒng)提供全天候的在線自動評測，學(xué)生提交程序代碼，無需人工判定，系統(tǒng)根據(jù)測試樣例自動給出評判結(jié)果和錯誤提示。與ACM-ICPC國際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽和CCF CSP測試采用一致的評測方式，可直接對接，是學(xué)生課后通過刷題練習(xí)提升編程能力的有效平臺。智慧教室為實(shí)踐研討式教學(xué)設(shè)計(jì)，便于學(xué)生分組進(jìn)行學(xué)習(xí)、討論和研究。不同于一般教室的橫排和大圓桌的位置擺放，智慧教室包括6張小討論桌，每個討論桌上都配置42寸顯示屏，可隨時(shí)切換投影組內(nèi)學(xué)生的筆記本電腦;教室前后都安裝黑板，6個小組都可同時(shí)板書思路或討論結(jié)果并進(jìn)行講解，實(shí)現(xiàn)了靈活的電子、手寫的組內(nèi)、組間的討論方式。

重構(gòu)專業(yè)基礎(chǔ)課內(nèi)容，把課程的每一章每一節(jié)的知識點(diǎn)提煉出來，每周設(shè)置一節(jié)理論課、一節(jié)實(shí)驗(yàn)課、一節(jié)研討課。改革教學(xué)流程，以知識點(diǎn)為單元，充分安排課前課堂課后時(shí)間，結(jié)合理論、實(shí)訓(xùn)和研討教學(xué)方式，設(shè)計(jì)六環(huán)節(jié)的教學(xué)流程，實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程的完整閉環(huán)，如圖1所示。教與學(xué)流程為：教師布置教學(xué)任務(wù)→學(xué)生預(yù)習(xí)并提交第一預(yù)習(xí)作業(yè)→教師根據(jù)學(xué)生完成的預(yù)習(xí)作業(yè)進(jìn)行重點(diǎn)知識講解→學(xué)生學(xué)習(xí)并修正第一次預(yù)習(xí)作業(yè)→教師組織OJ實(shí)訓(xùn)與討論→學(xué)生參與OJ訓(xùn)練與討論。培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力、研討能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、交流能力。

2.3建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程模塊化教學(xué)體系

對c++語言的知識進(jìn)行復(fù)習(xí)，C++語言程序設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)的好壞將直接影響數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程學(xué)習(xí)的效果，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程開課的第一周的課上，任課老師對c++語言課程中類、封裝和繼承進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹?fù)習(xí)，對這部分內(nèi)容進(jìn)行梳理和強(qiáng)化，為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的講解奠定基礎(chǔ)。具體參見表1。

任課老師在講解算法時(shí)需要采用多種教學(xué)手段，如啟發(fā)式教學(xué)，在教學(xué)過程中根據(jù)教學(xué)任務(wù)和學(xué)習(xí)的客觀規(guī)律，從學(xué)生的實(shí)際出發(fā)，采用多種方式，以啟發(fā)學(xué)生的思維為核心，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的授課過程中，引導(dǎo)學(xué)生掌握解決問題的方法，讓學(xué)生參與到探索教學(xué)的過程中，激勵學(xué)生自我思考，充分發(fā)揮主觀能動性，開發(fā)創(chuàng)造能力，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中有成就感，這樣有利于培養(yǎng)他們確立科學(xué)的態(tài)度和掌握科學(xué)的方法。

實(shí)踐和案例教學(xué)，案例式教學(xué)，是通過模擬和重現(xiàn)真實(shí)工程應(yīng)用中的一些問題或事件的案例，讓學(xué)生把自己納入案例場景，通過討論或者研討來進(jìn)行學(xué)習(xí)的一種教學(xué)方法。教學(xué)中既可以通過分析、比較，研究各種各樣案例的成功和失敗。此種方式，有助于培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生主動參與課堂討論。

在課堂上，除了用PowerPoint進(jìn)行演示外，還可以利用Word直接進(jìn)行案例設(shè)計(jì)與講解，另外結(jié)合編程環(huán)境，直接在課堂進(jìn)行算法的編寫與調(diào)試，讓學(xué)生身臨其境，對知識點(diǎn)有更加感性的認(rèn)識。研討課上，學(xué)生分組實(shí)踐答題，每組派學(xué)生代表，用黑板或教師機(jī)解題。學(xué)生理論學(xué)習(xí)之后立即實(shí)踐，能夠多角度的理解所學(xué)的知識，并應(yīng)用到解決實(shí)際問題，有利于鍛煉學(xué)生的綜合性的分析與解決問題的能力。

2.4課程考核評價(jià)體系

考核形式多樣化，圍繞課程內(nèi)容，考核形式包括到課率、課堂提問、預(yù)習(xí)作業(yè)、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)作業(yè)、綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告、期中考試等等。具體參見表2、表3。本課程考核擬采用平時(shí)考核與期終考核結(jié)合的方式。平時(shí)考核成績占總成績的70%，期終考核成績占總成績的30%。平時(shí)考核成績合格才能參加期終考核，平時(shí)考核和期終考核都達(dá)到及格才為有效，兩項(xiàng)分?jǐn)?shù)合計(jì)為課程最終成績。

3建設(shè)與改革成效

改革從2017級學(xué)生開始試行，并且要求2017級之后所有學(xué)生必須參加CCF計(jì)算機(jī)軟件能力認(rèn)證（cCF CSP認(rèn)證）。2017年第十一次認(rèn)證參與121人獲全國17名，2018年第十三次認(rèn)證參與100人獲全國28名，第十四次認(rèn)證參與316人獲全國7名，第十五次認(rèn)證參與411人獲全國22名，2019年第十七CCF次認(rèn)證參與306人獲全國7名（第十六次CCF未公布排名）。大學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與程序設(shè)計(jì)競賽（cCF CCSP競賽）成績2016年獲得第六名，2017年獲得第七名，2018年獲得第三名，2019年獲得第十五名。相關(guān)教學(xué)改革獲得2019年湖南省教學(xué)成果三等獎。

4結(jié)束語

經(jīng)過四年課程建設(shè)與改革，人才培養(yǎng)質(zhì)量顯著提高，學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力大幅度提升，取得了良好的教學(xué)成效。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的建設(shè)中，依托云教學(xué)平臺和OnlineJudge、翻轉(zhuǎn)教學(xué)和研討教學(xué)，結(jié)果單元模塊和六環(huán)節(jié)的教學(xué)過程，建立科學(xué)的課程體系，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)。引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，參與教學(xué)的全部環(huán)節(jié)之中，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)。