新工科建設(shè)的背景下基于PBL的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)模式研究

楊雷 馬安香 張曉紅 王彤

摘? 要：為了適應(yīng)“新工科”對人才綜合性和創(chuàng)新性的培養(yǎng)需求，在分析了“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”目前現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合基于問題的學(xué)習(xí)方法（PBL），提出“傳統(tǒng)的教學(xué)方法為主，PBL教學(xué)方法為輔”的混合教學(xué)模式，并從學(xué)習(xí)方式的確定、問題設(shè)計、教學(xué)過程以及教學(xué)評價展開PBL教學(xué)法應(yīng)用方法討論。

關(guān)鍵詞：新工科;數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);PBL;教學(xué)方法

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2021）08-0105-04

Abstract： In order to meet the training needs of New Engineering Disciplinesfor comprehensive and innovative talents， based on the analysis of the current situation of Data Structure， combined with the problem-based learning method（PBL）， this paper puts forward the teaching method that traditional instruction method should be as the main method， and the problem-based learning modeas the aided one. This paper discusses the application of PBL teaching method from the determination of learning mode， problem design， teaching process and teaching evaluation.

Keywords： New Engineering Disciplines; course of Data Structure; problem-based learning mode; teaching method

引言

隨著以云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能與大數(shù)據(jù)為代表的新一代科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的興起為工程發(fā)展帶來了歷史性的機遇。為了適應(yīng)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，培養(yǎng)新型工程人才，引領(lǐng)工程教育建設(shè)強國，教育部提出了“新工科”建設(shè)要求，推動人才培養(yǎng)理念、培養(yǎng)模式等方面的改革。2017年2月以來，以教育部發(fā)布的《教育部高等教育司關(guān)于開展“新工科”研究與實踐的通知》和《關(guān)于推進新工科研究與實踐項目的通知》為起點，自此在全國各地高校以深化工程教育改革的研究實踐活動蓬勃展開，并已經(jīng)先后達成“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”，對于“新工科”建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義[1-2]。2018年10月8日，教育部聯(lián)合工業(yè)和信息化部以及中國工程院發(fā)布了《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃 2.0 的意見》，推動了“新工科”建設(shè)的深化與擴展，同時也對計算機類專業(yè)人才的能力與素質(zhì)培養(yǎng)提出了更高的要求[3]。作為涵蓋人工智能、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+和網(wǎng)絡(luò)安全等新興技術(shù)并且能夠充分體現(xiàn)新工科強調(diào)的交叉融合的新工科專業(yè)，計算機類專業(yè)應(yīng)該勇于承擔(dān)責(zé)任，緊跟“新工科”建設(shè)的步伐，履行工程教育發(fā)展賦予的使命，將培養(yǎng)工程實踐能力強、融合創(chuàng)新能力強，并具有國際競爭力的新型工程人才作為主要培養(yǎng)目標(biāo)之一[4]。

在當(dāng)前“新工科”背景下，計算機類專業(yè)課程教學(xué)改革探索受到了社會和教育界的高度重視?！稊?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程是計算機及其相關(guān)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是介于數(shù)學(xué)，計算機硬件和計算機軟件三者之間的一門核心課程[5]，在計算機科學(xué)中，《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程對于諸如微機原理、操作系統(tǒng)，編譯原理，軟件工程，人工智能等計算機專業(yè)的其他后續(xù)課程的學(xué)習(xí)都是十分有裨益的?！稊?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的教學(xué)內(nèi)容主要討論各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)以及基于相應(yīng)結(jié)構(gòu)的算法設(shè)計和算法性能分析技術(shù)。它所包含的知識以及技術(shù)方法，對于計算機專業(yè)本科生來說，無論對進一步學(xué)習(xí)計算機領(lǐng)域里的其他知識，還是將來從事理論研究、應(yīng)用開發(fā)及技術(shù)管理等工作都起著重要的作用。目前東北大學(xué)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程經(jīng)歷多年的發(fā)展，在教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方式方面進行了一系列的探索和嘗試[6-7]，也積累了一定的經(jīng)驗。然而，由于《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程知識龐雜、內(nèi)容抽象，而這門課程授課對象為大學(xué)二年級學(xué)生，很多同學(xué)由于之前并沒有工程實踐背景難以理解課程內(nèi)容與工程應(yīng)用之間的聯(lián)系。另外在“新工科”背景下授課過程中面向創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的特色不夠突出，因此如何在“新工科”背景下圍繞《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的建設(shè)要求，探索新的教學(xué)方法、提高教學(xué)效果已經(jīng)成為任課教師亟待解決的問題。

近年來，基于問題的學(xué)習(xí)方法（Problem-Based Learning，簡稱PBL）在國際上受到廣泛關(guān)注，國內(nèi)外許多大學(xué)采用該教學(xué)方法并取得了較好的教學(xué)效果。與以教師課堂講授的傳統(tǒng)教學(xué)方法不同，基于問題的學(xué)習(xí)方法將教學(xué)內(nèi)容與專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的問題整合起來，以問題為驅(qū)動，強調(diào)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)，著重培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，創(chuàng)新實踐能力和團隊協(xié)作的能力。在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)過程中使用PBL教學(xué)法能讓學(xué)生在提出問題、 分析問題、解決問題的過程中深刻理解所學(xué)知識，從而有助于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、批判思維、自我管理、團隊合作和創(chuàng)新實踐的能力。

一、PBL教學(xué)法

PBL教學(xué)法起源于1969年加拿大的麥克馬斯特大學(xué)醫(yī)學(xué)院，是一種以問題為基礎(chǔ)的教學(xué)方法[8]。基于問題的學(xué)習(xí)方法是一種以學(xué)生為主體、把問題作為學(xué)習(xí)起點，以問題為核心規(guī)劃學(xué)習(xí)內(nèi)容，圍繞問題尋求解決方案的一種學(xué)習(xí)方法。在基于問題的教學(xué)方法執(zhí)行過程中，教師從原來的教學(xué)活動的引領(lǐng)者轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W(xué)活動的推動者，不再通過課堂講授將知識教給學(xué)生，而是為學(xué)生設(shè)計專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)開放性的問題，鼓勵學(xué)生自主研究以及爭論，學(xué)生在解決問題的過程中，通過“做中學(xué)”來獲取知識、培養(yǎng)能力。教師的責(zé)任是提供學(xué)習(xí)材料，給予學(xué)生適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)，營造良好的學(xué)習(xí)氛圍，監(jiān)控整個學(xué)習(xí)過程，保證學(xué)習(xí)過程順利地進行。與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，基于問題的學(xué)習(xí)方法強調(diào)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)為主，多種學(xué)習(xí)途徑相結(jié)合，重視交流與協(xié)作、鼓勵爭論與反思。目前基于問題的學(xué)習(xí)方法已經(jīng)從醫(yī)學(xué)領(lǐng)域走向其他學(xué)科教育領(lǐng)域，隨著相關(guān)研究的不斷深入與完善，該方法日漸成熟，能夠充分滿足提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、批判思維、自我管理、團隊合作和創(chuàng)新實踐的能力的需求。

二、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程現(xiàn)狀分析

東北大學(xué)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程主要授課對象是計算機科學(xué)與技術(shù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等三個計算機相關(guān)專業(yè)的大學(xué)二年級本科生。課程的教學(xué)時長是72學(xué)時，其中理論教學(xué)56學(xué)時，實驗教學(xué)16學(xué)時。課程內(nèi)容主要包括兩大部分：（1）各種基本類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用;（2）查找和排序的各種實現(xiàn)方法及其綜合分析比較。目前的課程現(xiàn)狀具有以下特點：

1. 課程內(nèi)容繁雜，知識點多，邏輯性、抽象性強。首先《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程內(nèi)容包括線性表、棧和隊列、串、數(shù)組和廣義表、樹和二叉樹、圖、查找、排序等，相對于56授課學(xué)時，課程內(nèi)容繁雜，知識點多。其次，《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》是理論知識與實踐訓(xùn)練相結(jié)合，是從實踐抽象到理論，又用理論來指導(dǎo)實踐的一門學(xué)科。每種基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)的運算三部分內(nèi)容，課程所涉及到的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是從抽象數(shù)據(jù)類型的角度展開討論，而且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)解決實際問題的過程分為兩個階段：從實際問題中和抽象數(shù)據(jù)類型到具體物理存儲實現(xiàn)的過程。由于本校大學(xué)二年級秋季學(xué)期之前學(xué)生尚未接觸計算機物理存儲結(jié)構(gòu)等相關(guān)知識，并且課程內(nèi)容對學(xué)生的問題抽象能力和邏輯分析能力都有一定的要求，因此學(xué)生對于《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的理解和學(xué)習(xí)存在一定難度。

2. 課程以教師課堂講授為主，授課內(nèi)容重視理論教學(xué)，對于應(yīng)用思維與應(yīng)用能力的培養(yǎng)重視不夠?！稊?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程主要評價方式以筆試為主，主要考察學(xué)生對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本概念、方法，以及算法的考察。很多學(xué)生缺少主動進行編程實踐的機會，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的提高。同時，課程對于如何與實際問題相結(jié)合，處理實際問題的能力重視不夠。盡管課程包括16學(xué)時實驗，但是實驗題目的設(shè)計往往是對于基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)以及簡單應(yīng)用的訓(xùn)練和考察。實驗題目缺乏應(yīng)用創(chuàng)新性。同時，教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，有的學(xué)生即便課程取得較好的成績，仍然感到本課程抽象不易理解，更不知如何在實際問題中如何進行應(yīng)用。這樣，在“新工科”的發(fā)展背景下，課程體系建設(shè)因為缺乏對學(xué)生綜合問題解決能力的培養(yǎng)，導(dǎo)致學(xué)生往往僅重視理論內(nèi)容而忽略應(yīng)用思維和能力的提高。

三、基于PBL模式的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)

針對計算機類專業(yè)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程現(xiàn)狀，有必要以“新工科”理念為指引進行相應(yīng)的改革和實踐，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，提高《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生的工程實踐能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。為達到上述目標(biāo)，我們將基于PBL教學(xué)方法應(yīng)用于《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)活動中。我們選取2018級計算機科學(xué)技術(shù)專業(yè)直博班為研究對象。直博班學(xué)生數(shù)量較少，屬于小班授課，而且直博班的學(xué)生是通過選拔產(chǎn)生，大多具備基本的計算機編程技能，有較好的學(xué)習(xí)主動性以及一定的團隊合作意識。在實踐基于PBL模式的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)活動中，我們主要解決了以下四個關(guān)鍵任務(wù)：學(xué)習(xí)方式的確定、問題設(shè)計、教學(xué)過程組織以及完善教學(xué)評價。

（一）學(xué)習(xí)方式的確定

學(xué)習(xí)方式就是要明確傳統(tǒng)課堂講授教學(xué)方式和問題導(dǎo)向教學(xué)方式的結(jié)合方式。根據(jù)薩文巴登的界定，將基于問題學(xué)習(xí)方法分為兩種模式：完全PBL模式和混合PBL模式[10]。所謂完全PBL模式是一種純粹的基于問題進行學(xué)習(xí)的模式，整個的學(xué)習(xí)過程中沒有教師的課堂教授知識，學(xué)生完全依靠自學(xué)并在解決問題的過程中掌握知識。而混合PBL模式則是教師講授學(xué)習(xí)和問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式。傳統(tǒng)教學(xué)方法和PBL方法各自具有其特點和優(yōu)勢，二者不應(yīng)該是非此即彼的關(guān)系，而且由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程具有知識點多且內(nèi)容繁雜的特點，而學(xué)生學(xué)習(xí)能力差異是存在的，完全舍棄傳統(tǒng)的課堂講授也現(xiàn)實，因此在實踐中，將傳統(tǒng)課程教學(xué)方法和PBL教學(xué)法進行集成，確定了以“傳統(tǒng)的教學(xué)方式為主，PBL 教學(xué)方法為輔”的這一相互促進，辯證統(tǒng)一混合教學(xué)模式。通過教師對知識點的系統(tǒng)梳理與講授，讓學(xué)生了解基本的理論知識和主要的學(xué)術(shù)觀點，然后在此過程中結(jié)合基于問題的教學(xué)法，提出一些開放性的問題，通過適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)并且營造良好的學(xué)習(xí)氛圍。學(xué)生通過組成學(xué)習(xí)小組，充分發(fā)揮自主學(xué)習(xí)并且利用組間討論，根據(jù)自身的知識體系來進行分析問題和解決問題，學(xué)生在這個過程中來獲取知識以及培養(yǎng)能力。

（二）問題設(shè)計

問題設(shè)計是《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》應(yīng)用PBL，問題設(shè)計是PBL成功的關(guān)鍵因素。設(shè)計問題時不僅要考慮問題是否涵蓋課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)要求，還要考慮問題是否具有開放性、現(xiàn)實性，以及一定的復(fù)雜性與挑戰(zhàn)性。為此我們根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗結(jié)合目前計算機領(lǐng)域發(fā)展前沿，對教學(xué)內(nèi)容進行深入系統(tǒng)的研究和分析，設(shè)計合理的問題情境。當(dāng)講授到線性表的時候，作為第一個引入抽象數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為了便于學(xué)生深刻理解，可以結(jié)合學(xué)校的實際情況，組織學(xué)生設(shè)計信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)信息存儲，查詢、插入、刪除等功能?？梢赃x擇圖書管理、學(xué)生成績管理、選課管理等學(xué)生容易理解的問題情境。當(dāng)進行到課程的中后階段，學(xué)生對各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有了一定的了解，此時引入簡易全文搜索引擎實現(xiàn)問題。一方面該問題為綜合設(shè)計性問題，需要利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中多個基本結(jié)構(gòu)以及算法，通過該問題的解決可以建立知識點間的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對于基本概念將有進一步深入理解。另一方面，搜索引擎技術(shù)是目前的一種重要Web應(yīng)用，通過對該問題的解決也將讓學(xué)生了解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用方向，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性與求知欲。圖1展示了簡易中文搜索引擎與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)章節(jié)及所屬知識點的脈絡(luò)關(guān)系。

（三）教學(xué)過程組織

根據(jù)PBL教學(xué)模式的指導(dǎo)思想，在任課教師的引導(dǎo)下，圍繞《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程中的核心內(nèi)容和問題，按照“提出問題→分析問題→解決方案設(shè)計→評價與反饋”的迭代過程。具體實施的過程如下：將學(xué)生按照自愿的原則進行分組。首先由教師引入問題，介紹項目的情境與需求。學(xué)生提出自己的初步解決方案，接著教師講述相關(guān)的知識點。之后，學(xué)生根據(jù)課堂領(lǐng)悟情況，進行問題分析，給出問題的初步解決思路。課堂講授結(jié)束后，有一至數(shù)天的間歇，各小組在此期間可以通過教材、參考書、互聯(lián)網(wǎng)等學(xué)習(xí)手段進行解決方案設(shè)計。之后再次組織各小組對其解決方案進行討論和評價。教師對各小組提出的共性問題進行總結(jié)，提出新的問題并引出新的知識點，接入第二次迭代過程。根據(jù)項目的不同每個項目迭代周期也有長有短。一般來說，平均每個項目周期為3周。圖2展示了混合教學(xué)模式的實施路線。

（四）完善教學(xué)評價

由于引入PBL教學(xué)方法，原有的教學(xué)評價方法也將相應(yīng)的進行改變。原來《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》考試的評價方式是“平時+實驗+期末考試”的評價方法，這種評價方法是靜態(tài)的，體現(xiàn)的學(xué)生成績評定的功能，而缺乏評價的問題發(fā)現(xiàn)和改進功能。而引入PBL混合教學(xué)模式后，評價方式改為“項目評價+期末考試”。其中項目評價包括每個項目進行的不同階段進行評價，評價的方式包括學(xué)生自評、學(xué)生互評以及教師的總結(jié)和點評。根據(jù)各小組的完成情況和個人在項目中的表現(xiàn)進行打分。伴隨PBL項目展開評價活動是一個動態(tài)的評價過程，可以將整個課程的教學(xué)過程看成是一個包含若干部分的整體過程。每一部分之間是相互聯(lián)系的，每個階段的項目評價作為一個過渡性的評價，可以用來及時發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的問題，改進教學(xué)，又為下一個部分的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。另外為了提高課程整體的整合和學(xué)生評估的公平透明，評價中可以使用一些工具和交流評估指標(biāo)。例如，可以使用項目執(zhí)行時間、所占存儲空間等項目評價指標(biāo)以及Github中報告的質(zhì)量缺陷以及Github Wiki[11]中的日常會議報告等工具提供的功能。

四、結(jié)束語

隨著以網(wǎng)絡(luò)化、信息化和智能化的深度融合為核心第四次工業(yè)革命的到來，傳統(tǒng)課堂講授方式已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)今《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的教學(xué)目標(biāo)和方法。如何培養(yǎng)出適應(yīng)“新工科”要求的具有綜合素質(zhì)以及創(chuàng)新能力的人才，對高等學(xué)校任課教師提出了新的挑戰(zhàn)。我們將PBL教學(xué)模式引入《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的教學(xué)實踐中來，充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)的積極性和主動性，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)新性思維，把握理論知識和實際工程應(yīng)用問題的共性，培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識分析和解決實際工程問題的能力。通過教學(xué)實踐證明，學(xué)生能夠積極的投身整個教學(xué)過程，課堂師生互動更加活躍，學(xué)生對這門課的反映也好于以往。目前基于PBL的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)改革尚處于探索階段，從學(xué)習(xí)方式、問題設(shè)計、過程組織以及問題評價等各方面，還需要進一步經(jīng)驗的積累， 充分發(fā)揮 PBL 教學(xué)法的高效，取得更好的教學(xué)效果。

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