面向工程能力培養(yǎng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革探索

俞春強(qiáng) 劉鵬 梁曉萍

摘?要：為了適應(yīng)社會快速發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級，滿足行業(yè)對計(jì)算機(jī)類人才培養(yǎng)的要求?；谟?jì)算機(jī)類專業(yè)核心課程“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”開展了面向工程能力培養(yǎng)的教學(xué)改革。首先，對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容的教學(xué)要點(diǎn)進(jìn)行了分析。其次，對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分層對照，明確分析從基礎(chǔ)知識到工程創(chuàng)新不同層次與課程的對應(yīng)關(guān)系。再次，對課程的主要內(nèi)容設(shè)計(jì)了面向工程能力教學(xué)案例以及課程內(nèi)容學(xué)習(xí)的流程。最后改進(jìn)了課程考核方式由傳統(tǒng)的知識考核轉(zhuǎn)為多層次、全方位的考核模式。因此，通過對課程的教學(xué)改革有利于提高學(xué)生的解決工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；工程能力；教學(xué)改革

1?概述

我國于2016年加入《華盛頓協(xié)議》，標(biāo)志著我國的工程師培養(yǎng)取得了一個(gè)新的階段，讓在本國取得工程師資格的工程師可以與國際上其他國家互相認(rèn)證，有效的推動(dòng)我國工程師走出去，為本國的工程師參與國際工程打通了一條路子，有利于本土工程師的國際化[1]。而評價(jià)工程師的水平是通過測試他們的工程能力。不同國家對工程能力的定義有所差別，但都包含了一些基本特征，如：相關(guān)的工程專業(yè)知識，工程倫理和職業(yè)道德、團(tuán)隊(duì)合作能力、可持續(xù)發(fā)展和終生學(xué)習(xí)的能力等。其中，專業(yè)能力是工程能力的核心要素[2]。當(dāng)代大學(xué)生作為工程師后備力量，在學(xué)習(xí)專業(yè)知識的過程中也需要注重提升自身工程師相關(guān)素養(yǎng)和工程能力。特別對于新工科專業(yè)的學(xué)生，提高他們的工程能力是教師在教學(xué)過程中和最終課程考核、測評的一個(gè)重要的評價(jià)指標(biāo)[3]。為了提高學(xué)生的工程能力，我國開展了系列培養(yǎng)計(jì)劃：如卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃、四新教育（新工科、新文科、新農(nóng)科、新醫(yī)科）、工程認(rèn)證教育等，體現(xiàn)了國家對培養(yǎng)學(xué)生工程能力的重視[4]。這些培養(yǎng)項(xiàng)目是為了從人才培養(yǎng)模式、課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式等方面改革，強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，達(dá)到提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的目的。

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》是計(jì)算機(jī)類專業(yè)基礎(chǔ)課程，與后續(xù)的很多課程緊密關(guān)聯(lián)，也是低年級學(xué)生的入門課程，在人才培養(yǎng)計(jì)劃中起到承前啟后作用[5]，其是介紹數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的加工過程、表現(xiàn)方式以及存儲形式等。讓學(xué)生學(xué)會分析計(jì)算機(jī)加工的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特性，了解不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲方法和相應(yīng)的基礎(chǔ)操作（算法），當(dāng)學(xué)生面對工程中特定領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，可以選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)進(jìn)行表示，也可以根據(jù)實(shí)際需求構(gòu)造新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。前序課程《C語言程序設(shè)計(jì)》初步訓(xùn)練了學(xué)生由簡單問題到結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的，而本課程進(jìn)一步讓學(xué)生掌握數(shù)據(jù)的形態(tài)、表達(dá)等，培養(yǎng)學(xué)生對數(shù)據(jù)的表示、抽象的能力[6]。掌握好該課程對后續(xù)的《數(shù)據(jù)庫原理》、《軟件工程》等課程起到非常關(guān)鍵的作用。因此，為了提升教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，很多高校教師對該課程不斷分析教學(xué)過程中的問題，嘗試采用不同的教學(xué)方法，解決教學(xué)過程中所遇到的問題。邱勁等[7]提出以項(xiàng)目為導(dǎo)向，從實(shí)踐教學(xué)出發(fā)，以“學(xué)生通訊錄開發(fā)與設(shè)計(jì)”、“赫夫曼編碼設(shè)計(jì)”、“交通咨詢系統(tǒng)”等不同教學(xué)實(shí)踐項(xiàng)目引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生工程能力，并提出了“理論適度、注重應(yīng)用、強(qiáng)化能力、適應(yīng)需求“的實(shí)踐教學(xué)思路。袁凌等[8]為了提升學(xué)習(xí)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的學(xué)生工程實(shí)踐能力，打造了以關(guān)鍵知識點(diǎn)分析、知識點(diǎn)應(yīng)用分析和系統(tǒng)闖關(guān)式的三個(gè)層次的面向?qū)嵺`信息化平臺。

無論從人才培養(yǎng)方案、人才培養(yǎng)形式還是課程內(nèi)容的改革，其最終的目的都是為了更好的提升學(xué)生專業(yè)知識水平和工程實(shí)踐能力。因此，針對專業(yè)基礎(chǔ)的核心課程，本文將探討以培養(yǎng)學(xué)生工程能力為目的的課程教學(xué)改革。

2?課程教學(xué)基本要點(diǎn)分析

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、信息安全等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生都需要學(xué)習(xí)該門課程，因此，不僅要掌握相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識，通過教學(xué)過程中的不斷訓(xùn)練，將理論知識轉(zhuǎn)化為解決工程問題的能力。因此，在學(xué)習(xí)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的過程中，需要從以下幾點(diǎn)著手改進(jìn)。

1. 加強(qiáng)學(xué)生對基本理論知識的理解和掌握。在課程的教學(xué)過程中，注重學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識，例如鏈表、棧、隊(duì)列等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，結(jié)合示例介紹這些結(jié)構(gòu)的表達(dá)形式和內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)。只有通過老師的系統(tǒng)性的介紹，學(xué)生才能理解整本書的結(jié)構(gòu)體系，從線性到非線性的結(jié)構(gòu)模式，掌握好基礎(chǔ)的理論。在學(xué)習(xí)簡單的理論知識，讓學(xué)生掌握邏輯結(jié)構(gòu)和存儲結(jié)構(gòu)的區(qū)別。不能一味的給學(xué)生灌輸知識，需要調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，多融入課堂互動(dòng)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。
2. 在教學(xué)過程中，理論知識是課程教授環(huán)節(jié)中的一小步，但也是非常重要的基礎(chǔ)。在介紹基礎(chǔ)理論知識的同時(shí)，需要強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)際操作能力的訓(xùn)練。理論知識介紹過程由簡單到復(fù)雜，從線性表、棧和隊(duì)列、串、數(shù)組和廣義表、樹與二叉樹、圖、排序、查找等知識點(diǎn)依次講解，都與實(shí)際的生產(chǎn)、生活緊密結(jié)合。例如：介紹棧和隊(duì)列的章節(jié)時(shí)，在確保學(xué)生理解基礎(chǔ)理論的前提下，加強(qiáng)學(xué)生在課堂中的編程理解，并結(jié)合在生活中的一些實(shí)際問題，包括銀行排隊(duì)、火車出站調(diào)度等，讓學(xué)生將實(shí)際問題抽象為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并轉(zhuǎn)為數(shù)學(xué)模型。從簡單的知識點(diǎn)就開始引導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、問題的抽象和轉(zhuǎn)化能力。
3. 將不同的教學(xué)方法和模式融入教學(xué)過程中。在關(guān)注課程基礎(chǔ)知識講解和基本的實(shí)踐能力訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，選用合適的教學(xué)方法、有效的教學(xué)方式對培養(yǎng)學(xué)生的工程能力有很重要的促進(jìn)作用，不同的知識使用不同的實(shí)踐案例和工程問題有助于開拓學(xué)生面對工程問題視野，提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

3面向工程能力培養(yǎng)的課程教學(xué)改革

3.1體現(xiàn)工程能力的教學(xué)內(nèi)容重組

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為一門專業(yè)課程，具有較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)和操作性。包括了理論基礎(chǔ)、實(shí)踐訓(xùn)練、綜合運(yùn)用、工程應(yīng)用和工程創(chuàng)新，難易程度和復(fù)雜程度都是逐步上升。根據(jù)課程主要內(nèi)容分為線性結(jié)構(gòu)和非線性結(jié)構(gòu)兩大塊，其中較簡單的有線性表、隊(duì)列、棧等線性結(jié)構(gòu)，較復(fù)雜的有樹、圖等非線性結(jié)構(gòu)?？傮w安排也是從簡單到復(fù)雜，從基礎(chǔ)能力到工程能力的遞進(jìn)式培養(yǎng)。

根據(jù)教學(xué)大綱，將授課的內(nèi)容主要分成幾大模塊，不同模塊訓(xùn)練的工程能力不相同。但理論知識和實(shí)踐訓(xùn)練都是反映學(xué)生對專業(yè)知識的學(xué)習(xí)和掌握情況，但是兩者又所有不同，其中理論知識對應(yīng)了專業(yè)知識學(xué)習(xí)能力和理解能力，反映了學(xué)生對文字的理解和想象力，而實(shí)踐訓(xùn)練對應(yīng)學(xué)生基本動(dòng)手能力，體現(xiàn)了學(xué)生模仿和復(fù)現(xiàn)能力，是其它能力的基礎(chǔ)。

綜合應(yīng)用是對課本知識進(jìn)行有效的銜接，并分析問題的相關(guān)知識點(diǎn)，對知識點(diǎn)進(jìn)行綜合的考慮它們的關(guān)聯(lián)性，是培養(yǎng)學(xué)生能否將所學(xué)知識轉(zhuǎn)為解決工程問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。教師在這一層次的引導(dǎo)非常的重要，課程教學(xué)可以結(jié)合分組討論等多種教學(xué)形式。通過小組的角色扮演，可以提升學(xué)生的工程能力中的團(tuán)隊(duì)合作能力以及成員間的協(xié)作能力。

工程應(yīng)用與工程創(chuàng)新是相輔相成的。只有通過工程應(yīng)用，學(xué)生能夠體會到將課程的知識以及平時(shí)訓(xùn)練的動(dòng)手能力應(yīng)用到解決工程問題的快樂。在其過程中，可能會碰到很多平時(shí)看不見的問題，此時(shí)需要通過教師和企業(yè)導(dǎo)師的指導(dǎo)和幫助下實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用環(huán)節(jié)的培養(yǎng)。例如，綜合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所學(xué)知識點(diǎn)，創(chuàng)建復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲工程工序，實(shí)現(xiàn)對建筑企業(yè)的各項(xiàng)工程施工工序進(jìn)行排序，在各個(gè)工序不沖突的前提下，使得整個(gè)工程進(jìn)度所花的時(shí)間最短。而工程創(chuàng)新則需要在對工程非常熟悉和知識點(diǎn)掌握得非常透徹的情況下，利用新方法、新工藝對工程應(yīng)用中創(chuàng)新式解決所遇到得問題。

3.2?課程教學(xué)案例設(shè)計(jì)和課程實(shí)施

在傳統(tǒng)的教學(xué)中，偏重于理論知識的講解，而缺乏工程實(shí)踐的環(huán)節(jié)，其中一個(gè)根本原因是教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置難以體現(xiàn)工程能力的培養(yǎng)。因此，對課程主要內(nèi)容的教學(xué)方案重新設(shè)計(jì)，適當(dāng)?shù)娜谌胼^為復(fù)雜工程訓(xùn)練項(xiàng)目，是保障教師在教學(xué)過程中實(shí)現(xiàn)對學(xué)生工程能力的培養(yǎng)的基礎(chǔ)和重要的依據(jù)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)設(shè)計(jì)在其最主要的教學(xué)內(nèi)容上必須加上含有工程性質(zhì)的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐問題。

3.2.1體現(xiàn)工程能力的教學(xué)案例設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容主要圍繞三大類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行展開，包括線性表、樹和圖幾大模塊，是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)容的最主要體現(xiàn)，其操作包括建立、查找、刪除、修改等一些共同部分。無論在內(nèi)容還是形式上，存在點(diǎn)—線—面的關(guān)系，若學(xué)生能夠掌握好這些內(nèi)容，其它的學(xué)習(xí)內(nèi)容相對容易貫通。表1列出了傳統(tǒng)教學(xué)方式中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要知識點(diǎn)存在的一些問題，同時(shí)也給出了面向工程能力的教學(xué)設(shè)計(jì)案例和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。表中給出了城市路徑規(guī)劃的例子，在教學(xué)過程中可以以本城市的路網(wǎng)為例子，結(jié)合圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行知識點(diǎn)的講解。實(shí)驗(yàn)過程中可以根據(jù)學(xué)生的能力從小城市路網(wǎng)到大城市的復(fù)雜交通線路有區(qū)分的進(jìn)行教學(xué)。案例中又引入了紅樓夢人物關(guān)系分析的教學(xué)案例，這樣可以讓學(xué)生在了解國家文學(xué)名著的同時(shí)，利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，打破了文學(xué)似乎與計(jì)算機(jī)很難聯(lián)系到一起的刻板影響。

3.2.2課程的教學(xué)實(shí)施

根據(jù)目前人才培養(yǎng)方案的設(shè)置，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一般為64課時(shí)，理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)部分各為32課時(shí)。課程的教學(xué)時(shí)間非常有限，如果只依靠課堂教學(xué)課時(shí)實(shí)現(xiàn)學(xué)生工程能力的培養(yǎng)，顯然是不夠的。因此，不同于傳統(tǒng)的教學(xué)模式。講授課程時(shí)，采取網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和課堂學(xué)習(xí)的混合教學(xué)模式，讓學(xué)生提前在線上預(yù)先了解知識點(diǎn)，有利于學(xué)生快速理解課程的內(nèi)容，在課堂中老師可以著重介紹所學(xué)知識點(diǎn)如何與工程問題相結(jié)合。在實(shí)際教學(xué)過程中，教師可以預(yù)先告知學(xué)生所用知識點(diǎn)，布置線上編程實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步加深知識點(diǎn)的理解和記憶。待具備一定的基礎(chǔ)知識，再布置相對較大的工程問題，利用課余時(shí)間，采用課程設(shè)計(jì)的方式以及分組模式對工程應(yīng)用問題進(jìn)行分析和解決，這樣也有利于培養(yǎng)學(xué)生相互討論、相互學(xué)習(xí)以及相互協(xié)調(diào)的能力，體現(xiàn)團(tuán)隊(duì)合作精神。

3.3體現(xiàn)工程能力的考核模式

傳統(tǒng)的課程教學(xué)考核通常包括70%理論知識考核，20%實(shí)踐考核和10%平時(shí)分，實(shí)踐考核的占比較低，并且實(shí)踐考核也只是簡單的編程實(shí)驗(yàn)，無法體現(xiàn)學(xué)生對知識的綜合運(yùn)用能力。因此，由傳統(tǒng)的試卷考核轉(zhuǎn)為分層次考核。

由于學(xué)時(shí)的限制，將傳統(tǒng)的知識點(diǎn)考核分別融入到了線上學(xué)習(xí)和基礎(chǔ)知識兩部分，在基礎(chǔ)知識考核中，注重考核學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握情況和分析問題的能力。線上學(xué)習(xí)主要是體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生學(xué)會在課前預(yù)習(xí)知識點(diǎn)，通常在該層次學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)生基本課自行學(xué)會簡單的知識點(diǎn)，騰出更多時(shí)間講解更難的知識點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)部分除了考核學(xué)生的基礎(chǔ)編程能力，同時(shí)在項(xiàng)目課程設(shè)計(jì)和線上學(xué)習(xí)部分也會體現(xiàn)學(xué)生的編程實(shí)踐能力，只是難以程度有所區(qū)別。項(xiàng)目課程設(shè)計(jì)主要是體現(xiàn)學(xué)生在課程學(xué)習(xí)后期對課程知識在綜合的工程問題上的應(yīng)用能力，以項(xiàng)目報(bào)告和項(xiàng)目答辯的形式進(jìn)行考核，體現(xiàn)了學(xué)生問題分析、報(bào)告撰寫以及口頭表達(dá)的能力。不同的部分具有不同的權(quán)重，具體分配如表2所示

結(jié)語

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》是計(jì)算機(jī)大類專業(yè)中的一門核心課程，也是其它專業(yè)課程的基礎(chǔ)，具有較強(qiáng)的實(shí)踐性。因此，通過對課程內(nèi)容的重構(gòu)，教學(xué)案例的設(shè)計(jì)以及考核方式的轉(zhuǎn)變，能夠有效的將工程能力培養(yǎng)融入該門課程的教學(xué)過程中。只有通過不斷的訓(xùn)練和應(yīng)用，才能夠體會數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的重要性。

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作者簡介：?俞春強(qiáng)（1988年—?），男，漢族，江西上饒人，博士，副研究員，研究方向：計(jì)算機(jī)教育與圖像處理。

*通訊作者：劉鵬（1979—??），男，漢族，山西臨汾人，博士，教授，研究方向：人工智能與信息安全。