基于OBE理念的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革研究

路 紅 劉紅英

（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院，江蘇 南京 210023）

1 引言

隨著工程教育認證體系的逐步完善與成熟，其對高校的教育質(zhì)量提出了更高的要求，已成為各大高校提升教育質(zhì)量的重要途徑之一。工程教育的核心是成果導(dǎo)向教育（Outcome-based Education，OBE），是以學(xué)生學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向的教育理念，即教學(xué)活動的目標是學(xué)生通過一段時間學(xué)習(xí)后所取得的成果[1-3]。與傳統(tǒng)的以學(xué)習(xí)內(nèi)容為驅(qū)動的教學(xué)模式不同的是，成果導(dǎo)向教育更看重學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程結(jié)束后所具備的能力和水平。OBE教學(xué)理念要求根據(jù)完成職業(yè)崗位工作任務(wù)所需要的知識、技術(shù)以及素質(zhì)要求確定教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生在工作之前明確自己應(yīng)該學(xué)些什么、做些什么，使學(xué)生能夠持續(xù)職業(yè)發(fā)展。

應(yīng)用型本科院校的計算機相關(guān)專業(yè)重點關(guān)注培養(yǎng)和增強學(xué)生實踐能力，這與OBE教育理念相吻合。因此，在應(yīng)用型本科院校的計算機課程中應(yīng)用OBE教育理念實施教學(xué)可以提高學(xué)生的編程能力，并能使學(xué)生具備依據(jù)所學(xué)知識解決實際應(yīng)用問題的能力，且提高自身就業(yè)競爭力和今后崗位適應(yīng)能力。為此，目前已有很多高校基于OBE理念開展計算機課程教學(xué)改革，通過教改制定“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”課程目標，梳理支撐課程目標的教學(xué)知識點，建設(shè)優(yōu)質(zhì)線上線下教學(xué)資源，開展各種豐富的教學(xué)活動，并注重過程評價和形成性評價考核方式，以達提升教育質(zhì)量的目的，已成為應(yīng)用型本科院校開展課程教學(xué)改革的重要趨勢之一[4,5]。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一門計算機類相關(guān)專業(yè)的專業(yè)核心課程，主要是培養(yǎng)學(xué)生的計算思維和數(shù)據(jù)抽象能力，要求學(xué)生掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本知識點之后，能夠根據(jù)實際問題選擇恰當?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計合理的算法和存儲結(jié)構(gòu)，并對算法的時間和空間復(fù)雜度進行分析[6]。而傳統(tǒng)的教學(xué)模式以教師課堂講授為主、以理論知識為主要內(nèi)容，學(xué)生學(xué)習(xí)課程的主動性較差，課程學(xué)習(xí)結(jié)束后不能獨立自主地運用所學(xué)知識解決實際問題[7]。OBE教學(xué)理念倡導(dǎo)一種以學(xué)生為中心、以成果導(dǎo)向為目標的課程教學(xué)模式，可以有效解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存在的問題。為此，本文以提高數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的學(xué)習(xí)效果為目標，借助OBE教學(xué)理念針對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程實施教學(xué)改革，使學(xué)生能夠利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所學(xué)知識點獨立解決實際應(yīng)用問題，完成深度學(xué)習(xí)，并以期達到優(yōu)化教學(xué)的目的。

2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)現(xiàn)狀

結(jié)合筆者自身在應(yīng)用型本科院校多年數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)實踐情況，總結(jié)目前數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)現(xiàn)狀如下：

（1）注重理論教學(xué)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的教學(xué)中較注重理論教學(xué)，課上教師主要講解各類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本運算及經(jīng)典應(yīng)用算法，且考核方式通常為卷面考試，學(xué)生大都以通過期末考試為目標[8]。通常學(xué)生僅僅知道數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的課程地位以及是一門重要的考研課程，但通過一學(xué)期學(xué)習(xí)后，大部分學(xué)生僅僅掌握了能順利通過期末考試的知識點，并不清楚如何在實際應(yīng)用中使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的知識點，更有很多同學(xué)不能獨立將所學(xué)經(jīng)典算法通過編程方式在電腦中調(diào)試實現(xiàn)。

（2）知識點抽象難懂

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具有知識點繁多、經(jīng)典算法抽象難懂的特點。學(xué)生在學(xué)習(xí)時經(jīng)常會出現(xiàn)上課時感覺自己能聽懂老師課上講的算法和例子，但是在課下練習(xí)時發(fā)現(xiàn)所學(xué)算法解決所做題目時出現(xiàn)障礙，或者不能獨立完成練習(xí)中類似較復(fù)雜的題目。在遇到上述問題時，學(xué)生課下又無法及時與教師或同學(xué)確認課上所講的內(nèi)容，造成不能完全掌握知識點，久而久之就會出現(xiàn)“厭學(xué)”的問題。

（3）課程評價通常以考試為主

受傳統(tǒng)課程評價方式影響，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程評價通常是期末卷面考試，試卷內(nèi)容以理論知識點為主，編程應(yīng)用較少。課程評價方式?jīng)Q定了學(xué)生如何學(xué)習(xí)，為順利通過期末考試，學(xué)生往往采用題海戰(zhàn)術(shù)，對經(jīng)典算法的編程實現(xiàn)甚至出現(xiàn)考前突擊、死記硬背。

3 基于OBE理念的教學(xué)改革

基于OBE理念的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程改革實施過程如圖1所示。首先，依據(jù)國家工程認證標準、IT行業(yè)發(fā)展需求、專業(yè)培養(yǎng)目標、人才培養(yǎng)方案確定畢業(yè)要求，在深刻理解畢業(yè)要求基礎(chǔ)上，結(jié)合OBE教育標準要求，制定基于OBE的“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”課程教學(xué)目標；其次，深入剖析所設(shè)定的教學(xué)目標，梳理要完成各個子目標所需要的知識點，以此來確定課程內(nèi)容并選定合適的參考教材；然后，在課程實施過程中，教師運用恰當?shù)慕虒W(xué)方法和教學(xué)手段開展教學(xué)，例如線上線下混合教學(xué)法，引導(dǎo)學(xué)生獨立自主使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所授知識點解決實際應(yīng)用問題，以實現(xiàn)事先所設(shè)定的教學(xué)目標；最后，依據(jù)所制定的課程目標，建立一套形成性教學(xué)評價指標，以此衡量學(xué)生學(xué)習(xí)效果和發(fā)現(xiàn)教學(xué)中所出現(xiàn)的問題，并由此產(chǎn)生如圖1中兩個循環(huán)以實現(xiàn)課程優(yōu)化。

圖1 基于OBE理念的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程改革流程圖

3.1 制定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”目標

“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”目標是支撐OBE課程改革的關(guān)鍵部分，它定義了畢業(yè)要求中的工程基礎(chǔ)知識，以及課程思政的要求，為課程內(nèi)容選定、教學(xué)實施和課程評價提供的重要依據(jù)。因此，在課程改革初始階段，我們首先制定出符合工程認證標準、行業(yè)發(fā)展需求、專業(yè)培養(yǎng)目標、人才培養(yǎng)方案和課程思政要求的課程目標，使學(xué)生能夠通過學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程，掌握線性結(jié)構(gòu)和非線性結(jié)構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)以及基本運算，并理解經(jīng)典算法的實現(xiàn)過程，從而學(xué)會在實際應(yīng)用中能根據(jù)實際問題選擇合適的數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)和存儲結(jié)構(gòu)，并能設(shè)計相應(yīng)算法。通過一系列的實踐任務(wù)，逐步達到具備分析問題、數(shù)據(jù)抽象和解決問題的能力，并能養(yǎng)成良好的程序撰寫習(xí)慣，為后續(xù)的課程和工作打下良好的基礎(chǔ)。具體課程目標如下：

3.1.1 工程基礎(chǔ)知識目標

（1）掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本理論和方法；

（2）掌握數(shù)據(jù)關(guān)系的四種基本結(jié)構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)和操作運算；

（3）掌握常用的查找、排序算法的基本原理和實現(xiàn)步驟。

工程基礎(chǔ)知識目標主要是讓學(xué)生掌握常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的邏輯關(guān)系、存儲結(jié)構(gòu)、操作特點及有關(guān)應(yīng)用，從而深入理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的基本概念、經(jīng)典算法解決問題的基本思想，以及優(yōu)缺點。

3.1.2 問題分析目標

在理解經(jīng)典數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法設(shè)計的基礎(chǔ)上，能夠根據(jù)實際問題的應(yīng)用場景抽象出所解決問題的定義，且能恰當選擇和設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)元素的構(gòu)成和邏輯關(guān)系，形成計算思維模式，并能靈活高效地解決各種計算機典型應(yīng)用問題，具備計算思維能力。

3.1.3 研究目標

針對計算機領(lǐng)域復(fù)雜工程問題，會綜合運用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本理論和設(shè)計方法，獨立自主設(shè)計合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，具備抽象思維能力，并能對所設(shè)計實現(xiàn)方案進行可行性驗證和評估。

3.2 依據(jù)“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”目標設(shè)定教學(xué)內(nèi)容

“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”目標為學(xué)生設(shè)計了學(xué)習(xí)成果藍圖之后，教師需設(shè)計符合完成所制定的學(xué)習(xí)目標的教學(xué)內(nèi)容。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程包含的知識點較多，課程需要講解線性和非線性等十幾個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及具體的運算實現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建，數(shù)據(jù)的增、刪、改、查找和排序等，這些運算中有許多算法（如圖型關(guān)系中的算法）比較抽象難懂。此外，由于課程知識點較多，傳統(tǒng)以教師講授為主的教學(xué)模式，師生互動較少，學(xué)生興趣不足，即使是那些編程能力較好的學(xué)生，在實現(xiàn)和調(diào)試這些算法時也有一定難度，久而久之，學(xué)生習(xí)慣于接受，不善于思考。因此，在教學(xué)內(nèi)容上，借助案例教學(xué)法，在重難點部分增加相應(yīng)算法案例，由教師選擇典型且難度適宜的項目，以恰當?shù)男问桨褜W(xué)生帶入一種特定的真實項目或模擬項目情境中，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生利用已有的知識背景，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，達到培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容與教學(xué)目標的關(guān)系，如表1所示。

表1 課程內(nèi)容與教學(xué)目標的關(guān)系

目標A，針對所涉及的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過多項式操作、迷宮問題、銀行業(yè)務(wù)操作流程、家譜系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、排行榜系統(tǒng)等案例引入，導(dǎo)出其定義、存儲結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法，讓學(xué)生了解其應(yīng)用場景，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

目標B，經(jīng)過學(xué)習(xí)基本知識點后，運用所學(xué)內(nèi)容完成目標A中的實際案例，讓學(xué)生學(xué)會分析所要解決的問題的定義，根據(jù)問題目標使用恰當?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法實現(xiàn)，并分析實現(xiàn)方法的優(yōu)缺點。通過完成這些案例，讓學(xué)生掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本理論和實現(xiàn)方法。

目標C，在講授完基本知識點后，引入一定的綜合案例的實現(xiàn)，例如，醫(yī)院叫號系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、暢通工程等，讓學(xué)生會綜合運用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的理論和實現(xiàn)方法解決計算機領(lǐng)域較復(fù)雜的問題，幫助學(xué)生獲得最大程度的成果感。

3.3 教學(xué)實施

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)過程主要包括課內(nèi)教學(xué)和課外教學(xué)兩個環(huán)節(jié)，其中課內(nèi)教學(xué)包括課堂教學(xué)和課內(nèi)實驗；課外教學(xué)包括課后練習(xí)和實戰(zhàn)、在線課程資源學(xué)習(xí)等。由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本運算較多且經(jīng)典數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法較難理解，經(jīng)過多年教學(xué)，學(xué)生普遍反映難以在課堂中快速消化所講的算法。即使學(xué)習(xí)成績較好的同學(xué)，在課堂學(xué)習(xí)時間內(nèi)僅能掌握課堂所講算法，很難達到舉一反三，導(dǎo)致課后做練習(xí)和實驗時無從下手。為解決該問題，在課堂理論授課時使用線上和線下混合的教學(xué)模式，利用“知識回放”方法，解決學(xué)生有針對性地強化知識難點的理解和掌握的問題，幫助學(xué)生在有限的時間內(nèi)較好完成繁重的學(xué)習(xí)任務(wù)。線上，教師事先錄制好重難點知識的微課視頻，如經(jīng)典算法及應(yīng)用實例講解過程，然后將微課視頻和課程所需PPT上傳至線上平臺，例如釘釘群，讓學(xué)生能在課前預(yù)習(xí)、課后練習(xí)和復(fù)習(xí)時通過“知識回放”鞏固強化難點，以保證學(xué)生有針對性地鞏固知識難點。線上階段，教師可以通過釘釘群簽到進行考勤，還可以通過視頻回放時間記錄學(xué)生學(xué)習(xí)情況。線下課堂教學(xué)，教師講解所學(xué)知識的應(yīng)用場景以及實現(xiàn)方法，并讓學(xué)生參與討論實現(xiàn)方法的優(yōu)缺點。

此外，為加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解，教師需建設(shè)一套練習(xí)題集和實驗訓(xùn)練題庫。習(xí)題集可以每次課后通過線上平臺實施在線練習(xí)，以檢測學(xué)生的掌握情況，根據(jù)學(xué)生完成情況調(diào)整教學(xué)進度和教學(xué)方法。實驗訓(xùn)練題庫提供相應(yīng)編程題目，可供學(xué)生實驗課使用，幫助學(xué)生鍛煉算法運用。通過完成習(xí)題集和實驗訓(xùn)練題庫，學(xué)生掌握了數(shù)據(jù)組織方法和常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與實現(xiàn)方法，從而培養(yǎng)了學(xué)生高級程序設(shè)計技能。

3.4 教學(xué)評價

教學(xué)評價主要是檢驗學(xué)生學(xué)習(xí)狀況是否達到了所制定的“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”目標，而OBE教學(xué)理念注重課程學(xué)習(xí)過程中和結(jié)束后的所取得的學(xué)習(xí)成果，因此在教學(xué)評價時應(yīng)以過程性評價形式進行考核。以本課程實施教學(xué)考核為例，課程總成績由平時成績、實驗成績和期末成績組成（如表2所示），其中平時成績占30%，包括課堂考勤、課堂討論參與情況和作業(yè)完成情況；實驗成績占20%，主要考核實際應(yīng)用能力和獨立思考能力；期末成績占總成績的50%，該成績通過期末考試給出。

表2 課程考核評價表

4 結(jié)語

本文以成果導(dǎo)向教育理念為指導(dǎo)，結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存在的問題，實施了課程教學(xué)改革。首先制定了“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”式教學(xué)目標。然后，依據(jù)教學(xué)目標制定了相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，應(yīng)用經(jīng)典的項目案例引導(dǎo)學(xué)生開展課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)，促使學(xué)生積極主動地參與到課程學(xué)習(xí)活動，并體驗到課程學(xué)習(xí)的樂趣。其次，因數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識點繁多、經(jīng)典算法難懂等問題，教師建設(shè)在線課程視頻資源和習(xí)題庫，通過知識回放形式，幫助學(xué)生掌握在課堂講授時未消化的知識點，從而培養(yǎng)學(xué)生的計算思維和解決復(fù)雜工程問題的實踐能力。最后，打破傳統(tǒng)課程評價方式，在課程考核中加入了過程性考核，調(diào)動了學(xué)生積極性，以達到畢業(yè)要求的各個標準?；贠BE的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程改革在加強學(xué)生應(yīng)用能力的基礎(chǔ)上，改善了教學(xué)效果，提升了教學(xué)質(zhì)量，達到了優(yōu)化教學(xué)的目的。