新工科背景下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程教學(xué)改革創(chuàng)新

黃鴻柳

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?近年來(lái)，國(guó)家大力推行和實(shí)施大數(shù)據(jù)發(fā)展戰(zhàn)略，推動(dòng)和促進(jìn)大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為了應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，教育部積極推行新工科建設(shè)。作為計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課程，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程傳統(tǒng)的教學(xué)已無(wú)法滿(mǎn)足新形勢(shì)下的要求。針對(duì)教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)、案例導(dǎo)向、理論向?qū)嵺`轉(zhuǎn)換的教育教學(xué)理念，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程與專(zhuān)業(yè)能力、特色育人、實(shí)踐創(chuàng)新緊密聯(lián)系。構(gòu)建了“整合教學(xué)資源、完善教學(xué)體系、創(chuàng)新教學(xué)模式、融合教學(xué)育人、突出教學(xué)效果”的創(chuàng)新舉措，全面提升學(xué)生的能力，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?新工科;數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程;教學(xué)改革

[中圖分類(lèi)號(hào)] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)] ?2096-0603（2022）28-0118-03

一、引言

近年來(lái)，由于科技以及互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的飛速發(fā)展，人們的生活方式發(fā)生了巨大的改變，獲取的信息開(kāi)始變得既快捷又豐富，也推動(dòng)我們進(jìn)入了一個(gè)“大數(shù)據(jù)時(shí)代”。國(guó)家大力推行和實(shí)施大數(shù)據(jù)的發(fā)展戰(zhàn)略，推動(dòng)和促進(jìn)大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為了應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，教育部積極推行新工科建設(shè)，為新興產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力的復(fù)合型人才[1]。物聯(lián)網(wǎng)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)等專(zhuān)業(yè)被列為新工科建設(shè)的目標(biāo)。三部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見(jiàn)》明確提出培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)技能型人才是應(yīng)用型本科院校的定位。在大數(shù)據(jù)時(shí)代的背景下，培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型技術(shù)技能人才，使其適應(yīng)時(shí)代變化，是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)的改革目標(biāo)。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法是一門(mén)核心專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，其著重培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法基本理論分析和解決問(wèn)題的能力，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)提供理論基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法教學(xué)通常是從課程的知識(shí)體系角度出發(fā)，強(qiáng)調(diào)課程的教學(xué)內(nèi)容，課程目標(biāo)的設(shè)定更多考慮的是知識(shí)的完整性，而非學(xué)生學(xué)習(xí)課程之后應(yīng)該獲得的能力[2]。加之該課程內(nèi)容較多、算法抽象、難度系數(shù)較高，學(xué)生對(duì)前期課程掌握不好，編程思維及能力較弱，致使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中逐漸失去信心。針對(duì)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出遵循以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)、案例導(dǎo)向、理論向?qū)嵺`轉(zhuǎn)換的教育教學(xué)理念，提出了解決數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法實(shí)踐教學(xué)瓶頸問(wèn)題的方案[3]，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程與專(zhuān)業(yè)能力、特色育人、實(shí)踐創(chuàng)新緊密聯(lián)系。構(gòu)建了“整合教學(xué)資源、完善教學(xué)體系、創(chuàng)新教學(xué)模式、融合教學(xué)育人、突出教學(xué)效果”的創(chuàng)新舉措，全面提升學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

二、課程基本情況與目標(biāo)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法是一門(mén)專(zhuān)業(yè)核心基礎(chǔ)課，其著重培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法基本理論分析和解決問(wèn)題的能力，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)提供理論基礎(chǔ)。其教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的知識(shí)來(lái)分析和解決問(wèn)題，擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)體系，引導(dǎo)學(xué)生自主研究和學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)興趣，鼓勵(lì)學(xué)生勇于探索，積極創(chuàng)新，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，并為學(xué)生學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)原理、數(shù)據(jù)庫(kù)原理等后繼課程奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在緊緊圍繞如何建設(shè)應(yīng)用型本科院校的前提下，積極探索課程的教學(xué)改革，完善教學(xué)大綱、授課計(jì)劃、課程標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)設(shè)計(jì)及課件等。

課程的知識(shí)目標(biāo)使學(xué)生掌握集合、線性表、樹(shù)、圖四種不同邏輯結(jié)構(gòu)的特征及存儲(chǔ)形式;理解了現(xiàn)實(shí)世界具有不同邏輯結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型在計(jì)算機(jī)中是如何實(shí)現(xiàn)的;能力目標(biāo)是通過(guò)本課程學(xué)習(xí)，學(xué)生理解原理，掌握方法，熟練應(yīng)用，能夠創(chuàng)造性地應(yīng)用各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法設(shè)計(jì)性能優(yōu)、效率高、可讀性強(qiáng)、易維護(hù)的程序，解決實(shí)際問(wèn)題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、探索研究的能力;價(jià)值目標(biāo)是以立德樹(shù)人為根本，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)課與思想政治教育的有機(jī)融合，將德育滲透、貫穿整個(gè)教學(xué)大綱中，幫助學(xué)生樹(shù)立社會(huì)主義核心價(jià)值觀、人生觀、政治觀、道德觀和法治觀，在教學(xué)中引入不同的實(shí)例擴(kuò)展學(xué)生知識(shí)體系，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、研究，鼓勵(lì)學(xué)生勇于探索，敢于創(chuàng)新，潛移默化地感染學(xué)生，達(dá)到育人的目的。

三、現(xiàn)有課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

（一）缺乏專(zhuān)業(yè)能力的培養(yǎng)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程是一門(mén)內(nèi)容抽象、學(xué)習(xí)難度較大的專(zhuān)業(yè)課程，針對(duì)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)一、二年級(jí)學(xué)生開(kāi)設(shè)，此階段的學(xué)生對(duì)于計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)充滿(mǎn)好奇心，大一已經(jīng)完成了計(jì)算機(jī)導(dǎo)論、高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)-C語(yǔ)言、離散數(shù)學(xué)等課程的學(xué)習(xí)，熟悉C語(yǔ)言，對(duì)算法有一定的了解，能畫(huà)出流程圖。但對(duì)是否能學(xué)習(xí)和掌握編程方法疑慮，編程能力有限，缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)際教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)課程學(xué)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生對(duì)學(xué)過(guò)的知識(shí)不知道如何應(yīng)用到實(shí)踐中，其原因在于：（1）該門(mén)課程具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，知識(shí)的理解相對(duì)比較抽象，難于掌握。（2）教師沒(méi)有注意培養(yǎng)學(xué)生的興趣，學(xué)生被動(dòng)地接受知識(shí)。（3）由于課程內(nèi)容較多，很多教師只注重各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的介紹，而忽視了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的整體性和連續(xù)性。作為核心專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，針對(duì)如何提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)技術(shù)能力，特別是實(shí)踐編程能力的應(yīng)用，體現(xiàn)應(yīng)用型目標(biāo)的培養(yǎng)是教學(xué)改革中迫切需要解決的問(wèn)題。

（二）缺乏特色育人的培養(yǎng)

在傳統(tǒng)模式教學(xué)過(guò)程中，教師通過(guò)傳統(tǒng)的傳授知識(shí)、舉例、布置實(shí)驗(yàn)等實(shí)現(xiàn)教學(xué)。課程的教學(xué)目標(biāo)在于讓學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)和培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力，對(duì)學(xué)生的思想教育教學(xué)不明顯。如何在新工科教學(xué)理念下融入育人特色，挖掘課程中蘊(yùn)含的思政元素，發(fā)揮課程育人的作用，寓價(jià)值觀引導(dǎo)于知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)中，培養(yǎng)符合社會(huì)主義建設(shè)要求的接班人也是教學(xué)改革中迫切需要解決的問(wèn)題。

（三）缺乏實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

本課程內(nèi)容的抽象性和邏輯性較強(qiáng)，有些學(xué)生在學(xué)習(xí)中會(huì)因?yàn)槔碚摳鷮?shí)踐銜接得不夠緊密，無(wú)法將所學(xué)算法融會(huì)貫通，并通過(guò)具體語(yǔ)言編碼調(diào)試出來(lái)，從而降低學(xué)習(xí)積極性。同時(shí)學(xué)生程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)薄弱，缺乏計(jì)算思維能力，對(duì)課堂實(shí)訓(xùn)重視度不夠，達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果。

四、實(shí)際教學(xué)中的改革創(chuàng)新

針對(duì)教學(xué)中長(zhǎng)期存在的痛點(diǎn)問(wèn)題，采用“整合教學(xué)資源、完善教學(xué)體系、創(chuàng)新教學(xué)模式、融合教學(xué)育人、突出教學(xué)效果”的創(chuàng)新舉措，把數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法與專(zhuān)業(yè)能力、特色育人、實(shí)踐創(chuàng)新緊密聯(lián)系起來(lái)，全面解決教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題。

（一）整合課程資源，建立完善的課程教學(xué)體系

教學(xué)團(tuán)隊(duì)從原理課程、實(shí)踐課程、網(wǎng)絡(luò)資源等方面進(jìn)一步提煉、優(yōu)化課程教學(xué)資源，重構(gòu)資源體系。對(duì)理論部分知識(shí)，錄制相關(guān)教學(xué)視頻;挑選出經(jīng)典的題型，制作課程作業(yè)庫(kù);通過(guò)網(wǎng)頁(yè)插入式在線測(cè)試、網(wǎng)上作業(yè)提交和批改等，追蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)情況;建立課程學(xué)習(xí)教學(xué)群促進(jìn)師生之間、學(xué)生之間進(jìn)行資源共享、問(wèn)題交流和協(xié)作學(xué)習(xí)。表1為團(tuán)隊(duì)成員共同努力下的成果，經(jīng)過(guò)整合相關(guān)的教學(xué)資源，教師授課內(nèi)容變得更豐富，教學(xué)設(shè)計(jì)更有特色，考核方式更靈活，同時(shí)也大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性及主動(dòng)性。

（二）改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法，探索新的教學(xué)模式

為了更好地適應(yīng)現(xiàn)代教學(xué)模式，采用線上線下混合教學(xué)模式，線上教學(xué)以學(xué)生為中心，學(xué)生通過(guò)線上教學(xué)視頻自主學(xué)習(xí)理論知識(shí)，教師通過(guò)發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)、作業(yè)以及測(cè)驗(yàn)及時(shí)跟蹤及了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。線下教學(xué)以教師為主，教師結(jié)合學(xué)生線上學(xué)習(xí)情況，對(duì)重難點(diǎn)部分進(jìn)行更進(jìn)一步的講授，并設(shè)計(jì)實(shí)踐活動(dòng)，指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐鞏固知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)線上及時(shí)輔導(dǎo)、線下及時(shí)反饋、線上線下討論等方式促進(jìn)師生之間的交流。圖1數(shù)據(jù)反映出，經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)成員的共同努力，線上教學(xué)資源不斷增加，學(xué)生參與線上課程學(xué)習(xí)的比例也逐年增多。

（三）融入思政元素，深化特色思政建設(shè)

在課程講授過(guò)程中以教學(xué)內(nèi)容為載體，將思政案例制作成文檔、視頻、多媒體課件等形式，上傳至線上教學(xué)平臺(tái)。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，以立德樹(shù)人為根本，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)課與思想政治教育的有機(jī)融合，如以金典的算法為例，講解算法實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，展示算法研究的歷史，使學(xué)生體會(huì)到科學(xué)研究的艱辛和科學(xué)家堅(jiān)忍不拔的品質(zhì)，將德育滲透、貫穿整個(gè)教學(xué)大綱中，幫助學(xué)生樹(shù)立社會(huì)主義核心價(jià)值觀、人生觀、道德觀;在教學(xué)中引入不同的實(shí)例擴(kuò)展學(xué)生知識(shí)體系，結(jié)合學(xué)科和專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了課程思政案例，將所學(xué)內(nèi)容知識(shí)與專(zhuān)業(yè)知識(shí)緊密結(jié)合，使學(xué)生不僅認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法知識(shí)的重要意義，同時(shí)還潛移默化地進(jìn)行了專(zhuān)業(yè)教育，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在課后作業(yè)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，積極探究知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

（四）“以賽促學(xué)、以賽促教”，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力

在新工科教育理念下，高校的人才培養(yǎng)更偏向培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的應(yīng)用型人才，而技能大賽是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最好途徑。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的理論知識(shí)在ACM程序設(shè)計(jì)大賽能得到很好的應(yīng)用。在近幾年的教學(xué)中，為了提高學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力，鼓勵(lì)學(xué)生多參加本學(xué)科內(nèi)的技能大賽。教師和學(xué)生都能在大賽中成長(zhǎng)。大賽表面上是賽學(xué)生，實(shí)際是在賽教師，大賽要求指導(dǎo)教師具有扎實(shí)的理論知識(shí)、更高的專(zhuān)業(yè)實(shí)踐能力和技能水平。教師通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生參加大賽，實(shí)踐教學(xué)能力和水平都得到相應(yīng)的提高，教學(xué)理念得到更新，教學(xué)觀念得到轉(zhuǎn)變，學(xué)習(xí)新知識(shí)、新設(shè)備、新技能;通過(guò)大賽，學(xué)生能把課堂上所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際比賽中，在比賽中不斷地磨煉、升華。

五、課程教學(xué)創(chuàng)新成果

（一）學(xué)生的學(xué)習(xí)效果顯著提升

經(jīng)過(guò)教學(xué)創(chuàng)新改革，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性大大增強(qiáng)，期末綜合成績(jī)優(yōu)良率有所提高，學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神、編程思維及編程能力明顯提高，學(xué)生對(duì)課程滿(mǎn)意度、對(duì)任課教師的評(píng)價(jià)較高。通過(guò)圖2三年教學(xué)創(chuàng)新改革成效對(duì)比發(fā)現(xiàn)，課程的及格率、優(yōu)秀率顯著提升。

（二）學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力得到提升

在課程教學(xué)創(chuàng)新改革中，授課教師通過(guò)精心設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，不斷改變教學(xué)方法，將課堂的主動(dòng)權(quán)慢慢還給學(xué)生，提倡自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，提高教學(xué)質(zhì)量。在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的過(guò)程中，更多學(xué)生參與到大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、技能競(jìng)賽中，獲獎(jiǎng)項(xiàng)目和人數(shù)逐年增加。近三年來(lái)，學(xué)生參加“泰迪杯”數(shù)據(jù)挖掘比賽獲得二等獎(jiǎng);2019、2020年參加廣西大學(xué)生人工智能設(shè)計(jì)大賽獲得一等獎(jiǎng)7項(xiàng)、二等獎(jiǎng)12項(xiàng)。學(xué)生還參加計(jì)算機(jī)相關(guān)的其他學(xué)科競(jìng)賽項(xiàng)目，如大學(xué)生程序設(shè)計(jì)大賽、計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)軟件測(cè)試技能、藍(lán)橋杯等各種級(jí)別的賽事，成績(jī)喜人。

（三）教師的教研水平明顯提高

在課程教學(xué)創(chuàng)新改革中，教師的教學(xué)理念不斷更新，教學(xué)觀念得到轉(zhuǎn)變，學(xué)習(xí)新知識(shí)、新設(shè)備、新技能，運(yùn)用先進(jìn)的多層次的教學(xué)方法改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式。近三年來(lái)，團(tuán)隊(duì)教師共主持參與科研教研項(xiàng)目5余項(xiàng)，撰寫(xiě)科研教研論文10余篇;課程也被列為校級(jí)優(yōu)質(zhì)示范性課程及校級(jí)課程思政示范性建設(shè)項(xiàng)目;教師獲得區(qū)級(jí)青賽二等獎(jiǎng)。

六、結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程經(jīng)過(guò)幾年教學(xué)創(chuàng)新的探索和實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)課堂向智慧課堂、知識(shí)課堂向能力課堂、灌輸課堂向?qū)嵺`課堂、封閉課堂向開(kāi)放課堂的轉(zhuǎn)變。在今后的教學(xué)中，要充分利用“互聯(lián)網(wǎng)+”的時(shí)代特色，整合教學(xué)資源，完善教學(xué)體系，創(chuàng)新教學(xué)模式，使學(xué)生樂(lè)學(xué)、愛(ài)學(xué)。

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編輯 栗國(guó)花