面向新工科的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程改革與實(shí)踐

楊嫘

摘要：本文研究和分析面向新工科的教育改革方法，結(jié)合廣西師范大學(xué)漓江學(xué)院計(jì)算機(jī)類專業(yè)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)，在新工科背景下對(duì)整個(gè)教學(xué)方案進(jìn)行了改造和優(yōu)化，重新設(shè)計(jì)了基于OBE的課程學(xué)習(xí)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容框架、教學(xué)實(shí)施方法以及突出過(guò)程性考核的評(píng)價(jià)方式。改革后的教學(xué)方案體現(xiàn)產(chǎn)出導(dǎo)向的教學(xué)思想，關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，注重工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，對(duì)工科類應(yīng)用型課程建設(shè)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);OBE;? 線上線下混合;實(shí)踐教學(xué)

Abstract： This paper studies and analyzes the educational reform methods for the new engineering， combined with the data structure teaching of the computer science major and the related majors in Lijiang College of Guangxi Normal University， reforms and optimizes the whole teaching plan under the background of the new engineering. Based on OBE，It redesigns the curriculum learning objectives， teaching content framework， teaching implementation methods and evaluation methods that highlight the process assessment.After the reform， the teaching plan reflects the outcome-based education teaching idea， pays attention to the learning effect of students， and the cultivation of engineering practice ability， which has certain reference value for the construction of engineering applied courses.

Key words： data structure;OBE;mix of online and offline;practical teaching

1引言

隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等新信息技術(shù)的興起與發(fā)展，人類社會(huì)從工業(yè)社會(huì)全面進(jìn)入信息化社會(huì)。社會(huì)的變革必將導(dǎo)致教育的變革。為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新經(jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式，教育部高教司推動(dòng)“新工科建設(shè)”。2018年3月15日，教育部辦公廳印發(fā)了關(guān)于公布首批“新工科”研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知，認(rèn)定612個(gè)項(xiàng)目為國(guó)家級(jí)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目[1]。這些項(xiàng)目全面覆蓋工科優(yōu)勢(shì)高校、綜合性高校和地方高校?？梢?jiàn)，新形勢(shì)下的工程教育變革已悄然展開(kāi)。工程教育的根本任務(wù)是培養(yǎng)工程技術(shù)人才，人才培養(yǎng)的重點(diǎn)是專業(yè)建設(shè)，而專業(yè)建設(shè)的落腳點(diǎn)是課程建設(shè)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)類專業(yè)非常重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在學(xué)科體系中起著承上啟下的作用。如何在新形勢(shì)下提高該課程的教學(xué)質(zhì)量是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。朱潔、高春曉、趙蕓、曲超[2-5]等人對(duì)OBE理念下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程改革進(jìn)行了有益的探索，主要改革形式有在線課程建設(shè)、翻轉(zhuǎn)課堂、綜合計(jì)算機(jī)軟件能力認(rèn)證內(nèi)容等。本文借鑒以上學(xué)者結(jié)合OBE教育理念進(jìn)行課程改革的成功經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)本校應(yīng)用型人才培養(yǎng)定位，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)方案進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，改革后的教學(xué)方案體現(xiàn)產(chǎn)出導(dǎo)向的教學(xué)思想，更關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

2 OBE教育理念

OBE（Outcome-Based Education）教育理念是1981年由William Spady率先提出[6]，并逐漸成為美國(guó)、歐盟等國(guó)家教育改革的主流理念，美國(guó)工程教育認(rèn)證協(xié)會(huì)將其貫穿于工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的始終。隨著2016年6月，我國(guó)加入《華盛頓協(xié)議》組織，OBE成為我國(guó)工程教育認(rèn)證體系的核心理念。這一理念關(guān)注：學(xué)生的學(xué)習(xí)成果是什么（學(xué)習(xí)目標(biāo)）、為什么是這些成果（設(shè)計(jì)依據(jù)）、如何有效地幫助他們?nèi)〉眠@些學(xué)習(xí)成果（教學(xué)設(shè)計(jì)）、如何知道學(xué)生已經(jīng)取得了預(yù)定的學(xué)習(xí)成果（學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)）以及為了達(dá)到預(yù)定的學(xué)習(xí)成果需要不斷改進(jìn)教學(xué)過(guò)程（持續(xù)改進(jìn)）。顯然，在這樣的理念指導(dǎo)下，以學(xué)科知識(shí)體系為核心的課程組織模式已經(jīng)不能適應(yīng)新工科背景下的工程教育，應(yīng)該轉(zhuǎn)向以學(xué)習(xí)效果為目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的模式。該模式強(qiáng)調(diào)反向設(shè)計(jì)[7]，即首先要準(zhǔn)確定義需求，然后由需求確定培養(yǎng)目標(biāo)，再由培養(yǎng)目標(biāo)確定畢業(yè)要求，最后由畢業(yè)要求決定課程體系。同理，課程設(shè)計(jì)也需要遵循反向設(shè)計(jì)原則，歸納其設(shè)計(jì)路線如下：首先課程學(xué)習(xí)目標(biāo)的確定需支撐畢業(yè)要求的達(dá)成，然后倒推課程學(xué)習(xí)目標(biāo)需要哪些教學(xué)內(nèi)容作為依托，接著為了讓學(xué)生掌握這些內(nèi)容，需要進(jìn)行怎樣的教學(xué)設(shè)計(jì)，最后針對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行評(píng)判，即設(shè)計(jì)能夠客觀反映學(xué)生學(xué)習(xí)成果的課程評(píng)價(jià)方式。

3 基于OBE的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 學(xué)習(xí)目標(biāo)

我校屬于應(yīng)用型本科院校，計(jì)算機(jī)類專業(yè)實(shí)行大類招生，下設(shè)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)等三個(gè)專業(yè)。專業(yè)大類的培養(yǎng)目標(biāo)是學(xué)生具有良好的道德與修養(yǎng)，遵守法律法規(guī)，具有社會(huì)和環(huán)境意識(shí)，掌握數(shù)學(xué)與自然科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)以及計(jì)算系統(tǒng)相關(guān)的基本理論、基本知識(shí)、基本技能和基本方法，具備包括計(jì)算思維在內(nèi)的科學(xué)思維能力，能清晰表達(dá)，在團(tuán)隊(duì)中有效發(fā)揮作用，綜合素質(zhì)良好，能通過(guò)繼續(xù)教育或其他的終身學(xué)習(xí)途徑拓展自己的能力，了解和緊跟學(xué)科專業(yè)發(fā)展，在計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、部署與應(yīng)用等相關(guān)領(lǐng)域具有就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，能夠立足于廣西面向珠三角區(qū)域，成為高素質(zhì)應(yīng)用型技術(shù)人才。結(jié)合計(jì)算機(jī)類專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，進(jìn)一步明確如下學(xué)生畢業(yè)要求。

GR1：知識(shí)要求

GR1.1：掌握基本的人文和社會(huì)科學(xué)知識(shí);

GR1.2：掌握從事計(jì)算機(jī)類專業(yè)工作所需的數(shù)學(xué)和其他相關(guān)的自然科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)知識(shí);

GR1.3：理解計(jì)算學(xué)科的基本概念、知識(shí)結(jié)構(gòu)、典型方法，建立數(shù)字化、算法、模塊化與層次化等核心專業(yè)意識(shí);

GR1.4：掌握計(jì)算學(xué)科的基本思維方法和研究方法;

GR1.5： 了解與計(jì)算機(jī)類專業(yè)相關(guān)的職業(yè)和行業(yè)的重要法律法規(guī)及方針政策，理解工程技術(shù)與信息技術(shù)應(yīng)用相關(guān)的倫理基本要求，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠綜合考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、法律、安全、健康、倫理等制約因素;

GR1.6：了解計(jì)算學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)。

GR2：能力要求

GR2.1：具有運(yùn)用辯證唯物主義的基本觀點(diǎn)及方法認(rèn)知、分析和解決問(wèn)題的能力，能夠綜合運(yùn)用所掌握的知識(shí)、方法和技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題;

GR2.2： 具有組織管理能力、表達(dá)能力、獨(dú)立工作能力、人際交往能力和團(tuán)隊(duì)合作能力;

GR2.3：具有終身學(xué)習(xí)意識(shí)，能夠運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)獲取相關(guān)信息和新技術(shù)、新知識(shí)，持續(xù)提高自己的能力;

GR2.4：具有創(chuàng)新意識(shí)，并能夠?qū)夹g(shù)和產(chǎn)品進(jìn)行初步創(chuàng)新;

GR2.5：具有初步的外語(yǔ)應(yīng)用能力，能閱讀本專業(yè)的外文材料，熟悉本專業(yè)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，具有國(guó)際視野和跨文化交流、競(jìng)爭(zhēng)與合作能力。

GR3：素質(zhì)要求

GR3.1：具有人文社會(huì)科學(xué)素養(yǎng)、職業(yè)道德和心理素質(zhì)，社會(huì)責(zé)任感強(qiáng);

GR3.2：具備健康的體魄、良好的身體及心理素質(zhì)，具有正確的世界觀、人生觀與價(jià)值觀。

我校計(jì)算機(jī)類專業(yè)實(shí)行大類招生，前1.5年所開(kāi)設(shè)的課程相同，在培養(yǎng)方案中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程在一年級(jí)第二學(xué)期開(kāi)設(shè)，包括51個(gè)理論課時(shí)和34個(gè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)。根據(jù)OBE反向設(shè)計(jì)原則，該課程需要對(duì)學(xué)生培養(yǎng)起到支撐作用，結(jié)合我校的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求定義如下課程學(xué)習(xí)目標(biāo)。

LO1：理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法基本概念和基礎(chǔ)知識(shí);

LO2：掌握算法的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度分析方法，具備算法的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度分析能力;

LO3：掌握線性表、棧、隊(duì)列、樹(shù)、圖、查找和排序等基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其相關(guān)算法的設(shè)計(jì)， 理解遞歸、貪心、分治等程序設(shè)計(jì)方法;

LO4：掌握從邏輯結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)到基本運(yùn)算算法設(shè)計(jì)的流程，能夠編寫程序?qū)崿F(xiàn)相關(guān)的算法;

LO5：初步了解線性表、棧、隊(duì)列、樹(shù)、圖和排序的相關(guān)算法的應(yīng)用;

LO6：具備個(gè)人工作和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力;

LO7：能夠進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，運(yùn)用不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法提高解決問(wèn)題的效率。

OBE教育理念更關(guān)注學(xué)生學(xué)什么，學(xué)會(huì)了多少。不同于傳統(tǒng)以學(xué)科知識(shí)體系為核心設(shè)計(jì)課程教學(xué)目標(biāo)，我們需要設(shè)計(jì)的是課程學(xué)習(xí)目標(biāo)。而學(xué)習(xí)目標(biāo)需要與專業(yè)的畢業(yè)要求相關(guān)聯(lián)，表1是課程能力支撐矩陣，給出了課程目標(biāo)與畢業(yè)要求的映射關(guān)系，它們之間是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，如課程目標(biāo)LO2支撐著畢業(yè)要求GR1.2的達(dá)成，LO1支撐著畢業(yè)要求GR1.3的達(dá)成。

3.2 教學(xué)內(nèi)容

對(duì)于應(yīng)用型本科院校，課程學(xué)習(xí)更應(yīng)該突出實(shí)踐能力和工程能力的培養(yǎng)，學(xué)生的動(dòng)手能力定位要高于研究型本科院校。于是，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)以項(xiàng)目為載體的工程化教學(xué)框架（表2），將與達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)相關(guān)的學(xué)科知識(shí)融入其中。

在上述重構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容框架中，項(xiàng)目難度分為初級(jí)和高級(jí)。初級(jí)項(xiàng)目是必須完成的任務(wù)，否則實(shí)驗(yàn)成績(jī)記不合格，而高級(jí)項(xiàng)目是選做項(xiàng)目，項(xiàng)目組可根據(jù)小組情況決定是否完成該任務(wù)。一個(gè)項(xiàng)目組由3～5名學(xué)生組成，項(xiàng)目需要通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作的方式完成任務(wù)。項(xiàng)目開(kāi)展過(guò)程中，教師全程參與，一方面以項(xiàng)目為載體講授內(nèi)容，把兩大技術(shù)（排序和查找）和五種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其算法內(nèi)化在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，另一方面錄制項(xiàng)目代碼視頻，便于學(xué)生能夠“手把手”地完成初級(jí)項(xiàng)目，但高級(jí)項(xiàng)目?jī)H提供部分視頻，即在教師部分“放開(kāi)手”的情況下，學(xué)生嘗試獨(dú)立完成項(xiàng)目。這種任務(wù)明確，情境真實(shí)的教學(xué)內(nèi)容框架設(shè)計(jì)既能培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，又能保證學(xué)習(xí)的趣味性和成就感，從而增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

3.3 教學(xué)實(shí)施

在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，我們關(guān)注的核心問(wèn)題是：如何讓學(xué)生達(dá)到預(yù)定的學(xué)習(xí)目標(biāo)。進(jìn)一步分解，就需要回答怎么做才能保證每個(gè)學(xué)習(xí)小目標(biāo)的達(dá)成。我們采取的做法大致如圖1所示。首先以周為單位下發(fā)學(xué)習(xí)任務(wù)單，接著學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)單學(xué)習(xí)、參與教學(xué)活動(dòng)，教學(xué)活動(dòng)結(jié)束后，學(xué)生需要對(duì)自己的學(xué)習(xí)效果做出評(píng)價(jià)以及參與階段性測(cè)試，最后結(jié)合學(xué)生的主觀評(píng)價(jià)和客觀測(cè)試情況對(duì)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行必要的調(diào)整，以達(dá)到持續(xù)改進(jìn)的目的。

學(xué)習(xí)任務(wù)單是每周學(xué)習(xí)的向?qū)?，?dāng)中列出一周內(nèi)需要完成的各項(xiàng)任務(wù)，并且明確每個(gè)任務(wù)必須完成的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。這種依照任務(wù)單開(kāi)展學(xué)習(xí)的方式，能夠量化學(xué)習(xí)目標(biāo)，讓學(xué)生更明確某段時(shí)間內(nèi)需要學(xué)習(xí)的知識(shí)。同時(shí)，任務(wù)單也是學(xué)生對(duì)自己學(xué)習(xí)成效主觀判斷的依據(jù)，即學(xué)生可以根據(jù)任務(wù)清單，對(duì)各項(xiàng)任務(wù)的完成度和完成效果進(jìn)行判斷，一方面梳理知識(shí)框架，另一方面提醒自己還有哪些不足之處。

在任務(wù)的設(shè)計(jì)上，我們將任務(wù)劃分為“3+2”的形式： “3”是課前、課中和課后三個(gè)階段，“2”是線上、線下兩種形式。具體的教學(xué)實(shí)施主要依托線上線下混合式教學(xué)和基于Online Judge的實(shí)踐教學(xué)。

（1）線上線下混合式教學(xué)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程存在抽象、術(shù)語(yǔ)多、理解難度大等特點(diǎn)，學(xué)生學(xué)習(xí)有一定的難度。我們將陳述性知識(shí)以SPOC形式發(fā)布供學(xué)生課前學(xué)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，課上通過(guò)教學(xué)平臺(tái)發(fā)布互動(dòng)答題對(duì)學(xué)習(xí)效果進(jìn)行檢測(cè)。SPOC依托微課呈現(xiàn)知識(shí)打破時(shí)間和空間的限制，使得學(xué)生可以根據(jù)自身的學(xué)習(xí)情況，進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)。對(duì)于程序性知識(shí)，則開(kāi)展以項(xiàng)目為載體的線下課堂教學(xué)。在作業(yè)的設(shè)計(jì)方面，我們采取小組作業(yè)和個(gè)人作業(yè)相結(jié)合的形式。小組作業(yè)要求線下合作討論開(kāi)展項(xiàng)目并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，而個(gè)人作業(yè)是線上基于Online Judge（簡(jiǎn)稱OJ）平臺(tái)開(kāi)展的編程作業(yè)。

（2）基于OJ的實(shí)踐教學(xué)

OJ是指在線的判題系統(tǒng)，它支持源代碼程序的在線提交，對(duì)源代碼可以進(jìn)行編譯和執(zhí)行，并能通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)源代碼程序進(jìn)行自動(dòng)評(píng)測(cè)。這種方式不僅極大減輕了教師批改程序類作業(yè)的負(fù)擔(dān)，還做到了對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程的實(shí)時(shí)反饋。OBE教育理念更關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，基于OJ布置編程作業(yè)，能夠?qū)W(xué)生的編程過(guò)程做出反饋，這樣未通過(guò)的學(xué)生可針對(duì)反饋信息進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，直到通過(guò)為止。此外，系統(tǒng)后臺(tái)提供代碼查重、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等功能，便于我們使用信息化手段對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行有效監(jiān)督。

3.4 評(píng)價(jià)方法

基于OBE理念的教學(xué)始終圍繞著學(xué)生的學(xué)習(xí)效果展開(kāi)設(shè)計(jì)和實(shí)施。傳統(tǒng)以知識(shí)記憶為主、期末一次考核的方式不適合衡量學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成度。因此，我們需要針對(duì)上述課程實(shí)施過(guò)程，設(shè)計(jì)一種新的評(píng)價(jià)方法，多角度、全方位地檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。定義如下表3所示的評(píng)價(jià)方法。

考核成績(jī)由原來(lái)期末一個(gè)總體的評(píng)價(jià)劃分為三個(gè)階段，且同時(shí)兼顧線上和線下學(xué)習(xí)效果檢測(cè)。SPOC成績(jī)是課前觀看完視頻，參與話題討論的得分;階段測(cè)試是針對(duì)概述、線性結(jié)構(gòu)、樹(shù)、圖等知識(shí)學(xué)習(xí)效果的測(cè)試，允許學(xué)生反復(fù)測(cè)試，直到通過(guò)為止;期末測(cè)試類似于傳統(tǒng)考核的期末考試，是對(duì)所有知識(shí)的綜合測(cè)評(píng);針對(duì)SPOC學(xué)習(xí)效果的檢測(cè)通過(guò)互動(dòng)答題體現(xiàn)。根據(jù)專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求，需要突出工程實(shí)踐能力，我們將實(shí)驗(yàn)設(shè)置為單獨(dú)考核。在實(shí)驗(yàn)考核的成績(jī)構(gòu)成上，小組實(shí)驗(yàn)報(bào)告主要評(píng)價(jià)團(tuán)隊(duì)溝通和協(xié)作能力;對(duì)于個(gè)人編程能力的評(píng)價(jià)，分為OJ閉卷測(cè)試和OJ開(kāi)卷測(cè)試，閉卷測(cè)試是針對(duì)線性結(jié)構(gòu)、排序和查找等基礎(chǔ)內(nèi)容的測(cè)試，可迭代測(cè)評(píng);OJ開(kāi)卷測(cè)試類似于期末實(shí)驗(yàn)考試的機(jī)試。

4 結(jié)語(yǔ)

新工科建設(shè)是國(guó)家主動(dòng)應(yīng)對(duì)新科技革命與產(chǎn)業(yè)變革在教育上的戰(zhàn)略行動(dòng)，高等院校工科類專業(yè)教育教學(xué)改革應(yīng)緊緊圍繞這一行動(dòng)展開(kāi)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為計(jì)算機(jī)類專業(yè)的一門核心基礎(chǔ)課，在新形勢(shì)下傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)無(wú)法取得良好的教學(xué)效果。因此，我們基于OBE教育理念對(duì)課程進(jìn)行改革，改革采用反向設(shè)計(jì)原則，從專業(yè)人才培養(yǎng)和畢業(yè)要求倒推課程學(xué)習(xí)目標(biāo)，構(gòu)建課程能力支撐矩陣，重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，實(shí)施以學(xué)習(xí)效果為中心的教學(xué)設(shè)計(jì)，提出突出過(guò)程、迭代式的評(píng)價(jià)方式。后續(xù)，我們需要對(duì)改革效果進(jìn)行更詳盡的分析，探索更多有效的教學(xué)設(shè)計(jì)，對(duì)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成。

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