新工科背景下《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

李鵬 閔慧 丁長(zhǎng)松

摘要： 為了應(yīng)對(duì)新工科環(huán)境下計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)的挑戰(zhàn)，文中以《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程為例，探索了《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案。在分析該課程現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案不足的基礎(chǔ)上，提出了“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、線上線下、過(guò)程互動(dòng)、創(chuàng)新培養(yǎng)”四位一體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，將該模式運(yùn)用到《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全過(guò)程，有效地解決了理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)的問(wèn)題，提升了教學(xué)效果和學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，可為其他專業(yè)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞： 新工科;數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);實(shí)驗(yàn)教學(xué);改革

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）22-0132-02

在計(jì)算機(jī)發(fā)展的初期，使用計(jì)算機(jī)的主要目的是解決數(shù)值計(jì)算問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷地被拓展，非數(shù)值計(jì)算問(wèn)題已經(jīng)占到了計(jì)算機(jī)所要解決問(wèn)題的90%以上。解決這類問(wèn)題的關(guān)鍵是對(duì)問(wèn)題中所涉及的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)之間的關(guān)系加以正確的表示和存儲(chǔ)，進(jìn)而能設(shè)計(jì)出合適的算法以高效地解決問(wèn)題。而《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》正是研究非數(shù)值計(jì)算問(wèn)題中所出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)操作對(duì)象以及它們之間的關(guān)系和操作的學(xué)科，時(shí)至今日，《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》已經(jīng)成為全國(guó)所有高校計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的一門(mén)核心專業(yè)課。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的知識(shí)也是后續(xù)學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程（例如，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)原理和操作系統(tǒng)等） 的重要基礎(chǔ)。通過(guò)學(xué)習(xí)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程，可以使學(xué)生了解計(jì)算處理對(duì)象的特性，將實(shí)際問(wèn)題所涉及的對(duì)象在計(jì)算機(jī)中表示出來(lái)并加以處理，同時(shí)通過(guò)算法訓(xùn)練來(lái)提高學(xué)生的邏輯思維能力，促進(jìn)學(xué)生綜合應(yīng)用能力的提升。

新工科[1]是新時(shí)代工程教育改革的新方向。高等院校中的工程類教育作為培養(yǎng)新工科人才的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)于推動(dòng)技術(shù)革新、引領(lǐng)科技發(fā)展具有重要的作用[2]。因此，在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的教學(xué)中，我們應(yīng)該考慮新工科背景下計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)所面臨的新挑戰(zhàn)，重視教學(xué)思維和教學(xué)方法的研究，特別是對(duì)于這樣一門(mén)注重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的專業(yè)課程，積極推動(dòng)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革十分必要，以順應(yīng)新工科環(huán)境下對(duì)于信息類人才的需求，著力培養(yǎng)出思維敏捷、邏輯清晰、極具創(chuàng)造性和先進(jìn)性的高素質(zhì)人才[3-5]。

1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為一門(mén)理論與實(shí)踐性都很強(qiáng)的專業(yè)課，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法存在著較多不足，概括起來(lái)包括以下四個(gè)方面[6-8]：

（1）教學(xué)方式不合理?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法大多是一種“作業(yè)式”的教學(xué)模式，主要由教師根據(jù)當(dāng)前的理論課教學(xué)進(jìn)度來(lái)給學(xué)生布置上機(jī)的作業(yè)，例如，在學(xué)習(xí)基本線性結(jié)構(gòu)這一章節(jié)，上機(jī)作業(yè)可以布置為：用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)單鏈表的建立、插入、刪除和查找等操作。這種模式過(guò)于教條化，限制了學(xué)生的創(chuàng)造性思維，上機(jī)期間，學(xué)生只需按照書(shū)中給出的算法偽代碼實(shí)現(xiàn)一遍即可，得到鍛煉的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，也無(wú)法激發(fā)學(xué)生的熱情和主觀能動(dòng)性。

（2）學(xué)時(shí)設(shè)置不合理。以湖南中醫(yī)藥大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院為例，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的開(kāi)課時(shí)間是在大一的第二學(xué)期，共計(jì)64學(xué)時(shí)。其中理論教學(xué)占了48個(gè)學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)只有16個(gè)學(xué)時(shí)，嚴(yán)重不足?？紤]到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程具有知識(shí)點(diǎn)多而雜、抽象、部分內(nèi)容難度大等特點(diǎn)，這樣的學(xué)時(shí)設(shè)置過(guò)于側(cè)重理論教學(xué)，忽略了對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的指導(dǎo)，明顯不符合新工科背景下對(duì)于計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)的要求。

（3）教學(xué)過(guò)程呆板。現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程完全依賴于教師的主觀意愿，教師怎么布置，學(xué)生就怎么做，缺乏有效的師生互動(dòng)，不利于綜合人才的培養(yǎng)。此外，當(dāng)前雖然有諸多的在線教學(xué)平臺(tái)（例如：超星學(xué)習(xí)通、騰訊課堂、雨課堂等） ，但大多只能用于理論課教學(xué)，如何真正地將這些線上平臺(tái)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中去，以豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程還存在諸多困難。

（4）考核模式單一。現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核模式主要關(guān)注學(xué)生提交上來(lái)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容來(lái)對(duì)學(xué)生成績(jī)做出不同的評(píng)價(jià)。這種模式過(guò)于強(qiáng)調(diào)結(jié)果而無(wú)法評(píng)價(jià)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。此外，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)大多是算法實(shí)踐題，而現(xiàn)有的教學(xué)機(jī)制還很難對(duì)所有學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和報(bào)告結(jié)果進(jìn)行重復(fù)性檢測(cè)，因此實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)是否能真實(shí)地反映學(xué)生的真實(shí)水平還值得商榷[9]。

2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

為了彌補(bǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，我們?cè)诜治鲈撜n程現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、線上線下、過(guò)程互動(dòng)、創(chuàng)新培養(yǎng)”四位一體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，如圖1所示。

2.1 基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的啟發(fā)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)

基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的啟發(fā)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)如圖2所示。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)該以解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題為目標(biāo)，教師應(yīng)該將實(shí)際問(wèn)題和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，以項(xiàng)目思維為導(dǎo)向，對(duì)上機(jī)的實(shí)驗(yàn)題目進(jìn)行多樣化設(shè)計(jì)，結(jié)合班上同學(xué)的實(shí)際情況對(duì)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目分組，以小組為單位開(kāi)展項(xiàng)目實(shí)踐，通過(guò)完成一個(gè)一個(gè)的項(xiàng)目來(lái)帶動(dòng)學(xué)生理解書(shū)中理論知識(shí)，并學(xué)會(huì)靈活運(yùn)用這些知識(shí)，從而不斷提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力，消除算法設(shè)計(jì)思路和代碼實(shí)現(xiàn)之間的鴻溝。例如，棧的應(yīng)用通過(guò)要求學(xué)生求解迷宮問(wèn)題來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn);多個(gè)村莊之間鋪設(shè)通信電纜的成本費(fèi)用問(wèn)題要求學(xué)生利用最小生成樹(shù)來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)等。

2.2 線上和線下的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)

為了解決現(xiàn)有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)短缺這一問(wèn)題，我們擬采用線上和線下的混合式教學(xué)方法來(lái)對(duì)整個(gè)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，以突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)的現(xiàn)有時(shí)空約束。例如，就線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分而言，在有限的課時(shí)內(nèi)，教師依托實(shí)驗(yàn)室提供的硬件資源來(lái)搭載數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)踐環(huán)境，并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容講解和重要部分的代碼演示，同時(shí)借鑒“同伴教學(xué)法[10]”和“以賽促學(xué)法[11]”的理念來(lái)引導(dǎo)學(xué)生，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

就線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分而言，可以采用本院自己設(shè)計(jì)和上線的湖南中醫(yī)藥大學(xué)OJ（Online Judge）系統(tǒng)來(lái)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。OJ系統(tǒng)是一個(gè)在線的判題系統(tǒng)，教師可以在系統(tǒng)的后臺(tái)發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)，學(xué)生通過(guò)在線提交程序源代碼來(lái)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，系統(tǒng)對(duì)源代碼進(jìn)行編譯和執(zhí)行，并通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)檢驗(yàn)程序源代碼的正確性。此外，還可以采用騰訊課堂、超星學(xué)習(xí)通等平臺(tái)來(lái)深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的細(xì)節(jié)，例如，主動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)教學(xué)回放記錄，使得學(xué)生可以隨時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的重點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行反復(fù)觀看和揣摩，從而提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

2.3 面向過(guò)程的互動(dòng)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)

相比于理論教學(xué)而言，實(shí)驗(yàn)教學(xué)更需要師生間的互動(dòng)。特別就《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的特點(diǎn)而言，如果在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中師生之間缺乏有效的交流和溝通，教學(xué)效果必然不理想。鑒于此，我們有必要展開(kāi)面向過(guò)程的互動(dòng)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。具體而言，教師可以從某一實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題入手來(lái)引導(dǎo)學(xué)生切入實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，并采用一定激勵(lì)手段來(lái)鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立地設(shè)計(jì)問(wèn)題解決方案，通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂模式開(kāi)展學(xué)生之間或師生之間的反復(fù)討論，使得學(xué)生對(duì)于整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程有深刻的理解，具有強(qiáng)烈的參與感，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)課產(chǎn)生濃厚的興趣。

此外，教師還可以采用騰訊課堂、超星學(xué)習(xí)通等平臺(tái)來(lái)展開(kāi)廣泛的實(shí)驗(yàn)教學(xué)互動(dòng)（如搶答、簽到、評(píng)論區(qū)發(fā)言討論等），主動(dòng)生成回放記錄，使得學(xué)生可以對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的重點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題反復(fù)進(jìn)行觀看，提升教學(xué)質(zhì)量。最后，教師還可以根據(jù)線上平臺(tái)提供的實(shí)驗(yàn)教學(xué)歷史記錄進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，進(jìn)一步優(yōu)化互動(dòng)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的細(xì)節(jié)，以達(dá)到因材施教的目的。

2.4 面向創(chuàng)新培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)對(duì)于人才培養(yǎng)具有重要的指導(dǎo)意義，應(yīng)該以學(xué)生為中心，以是否有利于提升學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力為基本準(zhǔn)則。為此，評(píng)價(jià)方法主要有：（1）多元化評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告是學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的主要依據(jù)。教師在評(píng)價(jià)學(xué)生完成的實(shí)驗(yàn)質(zhì)量時(shí)，不應(yīng)該僅僅關(guān)注代碼是否已經(jīng)實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)功能是否完善等細(xì)節(jié)，也應(yīng)該從多元化的角度看待學(xué)生是否形成了自己的邏輯思路、是否打破了傳統(tǒng)方法的界限而提出了新穎的問(wèn)題解決方案等，避免結(jié)果評(píng)價(jià)的片面化。（2）階段化過(guò)程考核。主要是指學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的參與度、興趣度、實(shí)驗(yàn)完成度和出勤率等，通過(guò)階段化考查學(xué)生的日常表現(xiàn)來(lái)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。（3）學(xué)生之間自評(píng)、互評(píng)。教師可以提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，有目的地設(shè)計(jì)出調(diào)查問(wèn)卷，然后要求每個(gè)學(xué)生對(duì)其在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的自我表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外，教師還可以在學(xué)生之間相互發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷或采用訪談的方式來(lái)了解不同學(xué)生的實(shí)驗(yàn)具體情況，要求每個(gè)學(xué)生真實(shí)地反饋和評(píng)價(jià)其他學(xué)生的整體表現(xiàn)，從而完成對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的總體評(píng)價(jià)。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革成效

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程面向本院的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、醫(yī)學(xué)信息工程和信息管理和信息系統(tǒng)等三個(gè)專業(yè)進(jìn)行開(kāi)設(shè)，我們隨機(jī)選擇了其中的200名本科生作為研究對(duì)象，對(duì)文中提出的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案進(jìn)行了教學(xué)滿意度的綜合調(diào)查，調(diào)查結(jié)果如下表1所示。

從表1可以明顯看到，有89%的學(xué)生對(duì)于自己的理論知識(shí)掌握情況感到滿意;有84%的學(xué)生認(rèn)為確實(shí)提升了自己的編程能力;有76%的學(xué)生則認(rèn)為有助于鍛煉自己解決實(shí)際問(wèn)題的能力;最后，有96.5%的學(xué)生都對(duì)改革后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案感到滿意。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了充分適應(yīng)新工科背景下計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)的需要，探索了《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案。該方案主要采用了基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的啟發(fā)式教學(xué)、線上和線下的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)、面向過(guò)程的互動(dòng)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)和面向創(chuàng)新培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)等四位一體的新模式，教學(xué)反饋結(jié)果良好，學(xué)生接受程度高，便于實(shí)現(xiàn)，可以為其他高校的工科類課程改革提供有意義的參考。

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【通聯(lián)編輯：王力】