工程教育認(rèn)證背景下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法教學(xué)探究

胡彩平，周國(guó)拉，王 霞，徐永華

(金陵科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，江蘇 南京 211169)

0 引言

工程教育認(rèn)證以“以學(xué)生為中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的工程教育理念為指導(dǎo)，旨在提高高等學(xué)校的工程教育質(zhì)量。教育部從2007年開(kāi)始重點(diǎn)推行“工程教育認(rèn)證”，旨在提高我國(guó)高校的工程教育質(zhì)量，同時(shí)提升我國(guó)工程人才培養(yǎng)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力[1]。2016年，我國(guó)正式成為《華盛頓協(xié)議》的第18個(gè)成員國(guó)，標(biāo)志著我國(guó)對(duì)工程人才培養(yǎng)的質(zhì)量得到國(guó)際認(rèn)同[2]。近年來(lái)，大部分高校積極開(kāi)展工程教育認(rèn)證，結(jié)合工程教育認(rèn)證的指標(biāo)體系[3]，越來(lái)越多從事計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)的學(xué)者們紛紛就基于工程教育認(rèn)證的計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)模式進(jìn)行了研究與探討。李照奎等[4]提出“課堂加機(jī)房”授課模式，構(gòu)建在線題庫(kù)以及基于CG 系統(tǒng)的多形式考核提高了學(xué)生的動(dòng)手能力；鄭麗萍等[5]構(gòu)建實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和第二課堂“三位一體”的實(shí)踐教學(xué)方式，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；林麗等[6]提出了“解決大數(shù)據(jù)技術(shù)問(wèn)題”為導(dǎo)向的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)改革實(shí)踐；常晨霞等[7]提出了結(jié)合全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽的教學(xué)課程改革；文獻(xiàn)[8]對(duì)工程教育認(rèn)證下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)改革也進(jìn)行了探討；文獻(xiàn)[9]探討了面向復(fù)雜工程問(wèn)題的C++程序設(shè)計(jì)教學(xué)改革；文獻(xiàn)[10-11]以學(xué)習(xí)產(chǎn)出(OBE)理念為指導(dǎo)，以知識(shí)與能力提升為主線，實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，探討課程教學(xué)改革。

混合式教學(xué)是線下實(shí)體課堂與在線教學(xué)的有機(jī)融合，尤其是2020 受疫情影響，混合式教學(xué)在國(guó)內(nèi)發(fā)展的步伐加速[12]。文獻(xiàn)[13]對(duì)線上線下混合式教學(xué)模式如何促進(jìn)課程思政建設(shè)進(jìn)行了探討；文獻(xiàn)[14]探究一種適應(yīng)新時(shí)代要求“同伴教學(xué)法”的基于線上線下的混合教學(xué)模式。如何在引入工程教育認(rèn)證核心理念后全面拓展混合式教學(xué)模式的內(nèi)涵，精準(zhǔn)化進(jìn)行混合式教學(xué)的設(shè)計(jì)，提高學(xué)生分析解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力顯得尤為迫切。

1 傳統(tǒng)課程教學(xué)的困境

在傳統(tǒng)課程的各種教學(xué)方法設(shè)計(jì)上均堅(jiān)持“以教師工作為主導(dǎo)、學(xué)生課堂以上課聽(tīng)講教學(xué)為主、課堂實(shí)踐較少”教學(xué)模式,受這一模式影響,學(xué)生注重對(duì)理論知識(shí)的識(shí)記與書(shū)面考試成績(jī)，缺乏對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用與練習(xí)，以及學(xué)習(xí)合理應(yīng)用于解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

1.1 教學(xué)內(nèi)容比較抽象,教學(xué)手段單一

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程里多數(shù)知識(shí)內(nèi)容及所要求涉及的基本算法等都是較為抽象復(fù)雜的,需要學(xué)生熟練掌握大量離散數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)及相關(guān)程序語(yǔ)言設(shè)計(jì)理論知識(shí),并需要具備一定計(jì)算機(jī)抽象思維能力及應(yīng)用編程設(shè)計(jì)能力。傳統(tǒng)教學(xué)方法以教師講授為主，學(xué)生被動(dòng)聽(tīng)講。老師在授課時(shí)花費(fèi)大量時(shí)間對(duì)抽象的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解，而對(duì)如何解決實(shí)際工程問(wèn)題探討較少，這會(huì)導(dǎo)致有些學(xué)生只能看懂課本中的算法而不能自主編寫(xiě)程序，從而失去學(xué)習(xí)動(dòng)力、學(xué)習(xí)興趣而學(xué)不好這門重要的課程。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能滿足培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的要求

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法實(shí)驗(yàn)課題目基本也都是僅為滿足各章節(jié)和課堂上講授課程內(nèi)容教學(xué)要求而開(kāi)設(shè)的，對(duì)解決面向?qū)嶋H實(shí)踐的工程問(wèn)題體現(xiàn)不夠突出。學(xué)生只要會(huì)運(yùn)用這幾部分知識(shí)就都可以直接完成實(shí)驗(yàn)課程題目而并無(wú)須特別考慮當(dāng)前是否還會(huì)存在一些其他問(wèn)題解決方案,也根本無(wú)法自主選擇一種最佳解答方案去進(jìn)行習(xí)題求解,這也背離了當(dāng)前工程教育認(rèn)證目標(biāo),與我國(guó)工程教育認(rèn)證培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)明顯有偏差。

1.3 課程考核評(píng)價(jià)指標(biāo)單一

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法對(duì)課程有效性的考核評(píng)價(jià)往往以學(xué)生期末綜合考試表現(xiàn)為主,單一成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)直接決定一個(gè)學(xué)生整個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)情況,忽視了課程學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過(guò)程性、激勵(lì)性、反饋性等功能特點(diǎn),與工程教育認(rèn)證的理念并不很相符，從而極易產(chǎn)生學(xué)習(xí)的被動(dòng)、動(dòng)力的不足、過(guò)程中懈怠等深層次問(wèn)題,使個(gè)性化教學(xué)始終不能切實(shí)做到有效持續(xù)、高效的產(chǎn)出[15]。傳統(tǒng)教材的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程成績(jī)的量化考核評(píng)分方式設(shè)定為平時(shí)學(xué)習(xí)成績(jī)?cè)u(píng)定(30%)+期末閉卷考試得分(70%)。

2 教學(xué)內(nèi)容改革

課程教學(xué)內(nèi)容以實(shí)際工程案例為中心，理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，通過(guò)解決實(shí)踐工程案例問(wèn)題，促進(jìn)了理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的融合，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。通過(guò)課堂上基本原理的分析、關(guān)鍵操作技術(shù)的講解、拓展閱讀資源的推薦,線上課程咨詢答疑、現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)指導(dǎo)、設(shè)計(jì)作業(yè)方案并審查、開(kāi)展學(xué)生小組探究學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)課題的引導(dǎo)設(shè)計(jì)等多種實(shí)驗(yàn)方式,引導(dǎo)理解和幫助每個(gè)學(xué)生自主完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提高學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力[1]。

為了使學(xué)生發(fā)揮各自的潛能，取得更好的學(xué)習(xí)效果，達(dá)到提升整體教學(xué)水平的目的，在教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)上增加相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課時(shí)和算法設(shè)計(jì)的模塊，根據(jù)線上線下模式對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化以及改進(jìn)。應(yīng)構(gòu)造全類型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系，支撐不同課程目標(biāo)，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行等級(jí)化劃分。將實(shí)驗(yàn)題目劃分成不同等級(jí)，共設(shè)置了3種級(jí)別:驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)，如表1所示，分別由低到高，其中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要目標(biāo)是學(xué)習(xí)基本算法，針對(duì)基礎(chǔ)弱的同學(xué)以及鞏固基礎(chǔ)準(zhǔn)備，這是要求大家必須完成的部分，同時(shí)加深同學(xué)們對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)及算法的深刻理解，從而達(dá)到“學(xué)以致用”，牢固地掌握已學(xué)內(nèi)容；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是根據(jù)每一題的具體要求編寫(xiě)相應(yīng)的算法程序，實(shí)現(xiàn)某個(gè)問(wèn)題；綜合性實(shí)驗(yàn)是一個(gè)課題，以實(shí)際問(wèn)題為背景完成具有一定復(fù)雜性的課程設(shè)計(jì)，同學(xué)們可以由2～3個(gè)人一組共同去解決這個(gè)問(wèn)題，并且根據(jù)實(shí)驗(yàn)的課題要求編寫(xiě)出程序。

表1 實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和方式

3 教學(xué)模式改革

教學(xué)模式改革就是要整合線上線下資源為教學(xué)服務(wù)，充分利用傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式與線上教學(xué)模式的相互優(yōu)點(diǎn)，采用線上線下混合教學(xué)模式。利用線上線下混合教學(xué)模式使該班學(xué)生于開(kāi)學(xué)時(shí)注冊(cè)學(xué)習(xí)賬號(hào)，完成學(xué)校認(rèn)證后，以二維碼和邀請(qǐng)碼等方式使其參加本班學(xué)習(xí)。為了保證每一節(jié)課程都可以順利地開(kāi)展，老師需要做好充分的準(zhǔn)備工作，首先是制定好教學(xué)計(jì)劃，其次是做好課堂教學(xué)組織安排工作。課前準(zhǔn)備，老師需要事先上傳下一節(jié)課所講解到的課件以及預(yù)習(xí)視頻內(nèi)容，這樣學(xué)生們就可以事先預(yù)習(xí)好知識(shí)點(diǎn)，課上講解這節(jié)課后，再剩15 min左右的時(shí)間來(lái)練習(xí)這節(jié)課所涉及的習(xí)題，通過(guò)檢測(cè)學(xué)生這節(jié)課所涉及的知識(shí)內(nèi)容就可以總結(jié)出這節(jié)課學(xué)生的具體掌握情況，這樣就可以優(yōu)化調(diào)整下一節(jié)課所涉及的內(nèi)容。完成某一階段課程任務(wù)后，老師可在線上安排部分相關(guān)算法設(shè)計(jì)題、應(yīng)用大題、填空題和選擇題，并設(shè)定截止時(shí)間供學(xué)生獨(dú)立完成，線下課時(shí)復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容并對(duì)學(xué)生易錯(cuò)內(nèi)容進(jìn)行針對(duì)性講解。因?yàn)殄e(cuò)誤的題目是針對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)的，所以學(xué)生很自然就能集中精力認(rèn)真聽(tīng)課，教學(xué)效果非常明顯。另外老師還可以根據(jù)課堂反饋及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略和方法，不斷提高課堂教學(xué)質(zhì)量。該模式下，從以授課教師講授為主的“滿堂灌”式的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)方式,轉(zhuǎn)變?yōu)橐栽搶W(xué)生自身為主體建構(gòu)的開(kāi)放式課堂互動(dòng)式教學(xué),有效地實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)雙向互動(dòng)交流與互動(dòng)式教學(xué)互動(dòng)相長(zhǎng)。表2列舉了面向課程目標(biāo)的課上課下師生的責(zé)任分配，通過(guò)線上線下講解、線上預(yù)習(xí)與自測(cè)等多種教學(xué)方法相結(jié)合，既可以發(fā)揮教學(xué)的引領(lǐng)與指導(dǎo)作用，又可以增強(qiáng)課下教師與學(xué)生的溝通與交流。

表2 課上課下師生責(zé)任分配

在線上線下混合教學(xué)模式的影響下，課程內(nèi)容是抽象的這個(gè)問(wèn)題就相對(duì)容易解決。很多同學(xué)無(wú)法理解具體的執(zhí)行過(guò)程，解決這個(gè)問(wèn)題最好的方式就是通過(guò)一些案例進(jìn)行引入學(xué)習(xí)和分析，在線上平臺(tái)上傳具體知識(shí)點(diǎn)的演示過(guò)程幫助學(xué)生理解，課上通過(guò)動(dòng)畫(huà)演示具體的執(zhí)行過(guò)程就不會(huì)顯得那么抽象。老師對(duì)這部分內(nèi)容的講解也變得輕松許多，這也是線上線下結(jié)合模式的一個(gè)好處。如圖1所示，該網(wǎng)站地址為https://visualgo.net/，網(wǎng)站有諸多的演示案例，包括鏈表、樹(shù)、圖等,老師可以自行安排同學(xué)們學(xué)習(xí)或選擇其中的知識(shí)點(diǎn)，上傳至線上平臺(tái)供同學(xué)們學(xué)習(xí)教學(xué)計(jì)劃中的一部分。

圖1 網(wǎng)站展示

4 考核方式改革

本課程采用過(guò)程性評(píng)價(jià)+終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的考核機(jī)制，不以期末考試成績(jī)作為唯一的考核標(biāo)準(zhǔn)。過(guò)程性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)之比可從以往的3∶7改為5∶5。過(guò)程性技能評(píng)價(jià)的得分主要由出勤、實(shí)驗(yàn)、作業(yè)情況、線上學(xué)習(xí)以及互動(dòng)情況和考試情況組成。其中，考試考核占50%，實(shí)驗(yàn)考核占20%，線上學(xué)習(xí)考核占10%，平時(shí)作業(yè)考核占15%以及出勤占5%。課程考核方式及依據(jù)如表3 所示。

表3 課程考核方式及依據(jù)

5 教學(xué)改革效果

本次教學(xué)改革方案針對(duì)2020級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)共計(jì)91人開(kāi)展，以滿意度問(wèn)卷調(diào)查的方式請(qǐng)學(xué)生對(duì)本次課程改革進(jìn)行評(píng)價(jià)。調(diào)查內(nèi)容包括對(duì)理論教學(xué)滿意程度、對(duì)實(shí)踐教學(xué)滿意程度、能夠獨(dú)立給出案例的算法設(shè)計(jì)方案、能夠獨(dú)立完成案例程序的編寫(xiě)調(diào)試以及能夠獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)等5個(gè)方面。共發(fā)出問(wèn)卷91份，收回有效問(wèn)卷89份，問(wèn)卷統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。調(diào)查結(jié)果顯示，通過(guò)本學(xué)期的學(xué)習(xí)，92%的學(xué)生能夠獨(dú)立對(duì)每章的實(shí)驗(yàn)任務(wù)給出解決方案和算法設(shè)計(jì)，78%的學(xué)生能夠獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)，學(xué)生對(duì)理論和實(shí)踐教學(xué)的平均滿意度達(dá)到94%。這說(shuō)明了廣大學(xué)生對(duì)課程改革方案的認(rèn)可，但對(duì)解決復(fù)雜工程的實(shí)踐能力還有待在后面的教學(xué)過(guò)程中加強(qiáng)和改進(jìn)。

圖2 教學(xué)效果學(xué)生滿意度調(diào)查

6 結(jié)語(yǔ)

本文深入分析了工程教育認(rèn)證背景下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法教學(xué)工程中出現(xiàn)的問(wèn)題和不足，提出了基于實(shí)際工程案例驅(qū)動(dòng)的線上線下混合式教學(xué)模式。本文圍繞解決實(shí)踐工程案例問(wèn)題，改革教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式以及評(píng)價(jià)體系，促進(jìn)了理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的融合，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。實(shí)踐證明，采用線上線下混合式教學(xué)模式便于實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的因材施教，提升學(xué)生的專業(yè)能力和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。