數據結構實踐課程的研究性學習及創新實踐能力的教改探索

孟凡榮　張斌　楊雷

摘要：為培養大學生的研究性學習與創新實踐能力，高等教育要堅持走以質量提升為核心、以提高實踐能力為重點的內涵式發展道路。本文提出了以能力結構培養目標為驅動，構建支持研究性學習與創新實踐能力的實踐課程教學體系，以提高創新實踐能力為重點，完善實踐課程教學平臺，以能力結構目標分解為依據，實施技能知識單元模塊化教學的措施來實現具體的教學目標。

關鍵詞：實踐課程；能力結構；研究性學習；創新實踐能力；模塊化教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）49-0135-03

“十五”期間，國家教育部計算機科學與技術專業教學指導委員會發表了《高等學校計算機本科專業發展戰略研究報告暨專業規范（試行）》。《規范》中提出了“專業方向分類”發展的基本思想和三個輔助建議，輔助建議其中之一是“加強學生實踐和動手能力的培養”。

數據結構課程是計算機科學與技術專業的一門專業基礎課。該課程的任務是學會從解決問題入手，為所加工的數據選取適宜的邏輯結構、存儲結構及其算法。初步掌握算法的時間與空間復雜性的分析方法，同時進行復雜程序設計的訓練，使編寫的程序代碼結構清晰、易讀理解，符合軟件工程的規范。教學計劃是一個整體，實踐教學體系是整體教學計劃的一部分。數據結構實踐課程是數據結構課程的重要組成部分。本文從支持研究性學習及創新實踐能力的數據結構實踐課程教學體系的構建、以提高創新實踐能力為重點的數據結構實踐平臺的完善以及以能力結構教學目標為依據的知識單元模塊化教學的具體實施等三個方面進行實踐課程的教改探索。

一、以能力結構培養目標為驅動，構建數據結構實踐課程教學體系

知識結構、能力結構和綜合素質是人才培養與人才評價的三個主要因素。其中，能力結構是第一位的，知識結構與綜合素質都是為能力結構做支撐服務的。要強化學生的能力結構，就必須形成較完備的實踐教學體系，將實踐課程教學體系作為一個系統來構建。理論課程體系的設計主要體現專業結構、知識結構的培養目標要求，從而確定理論課程的知識領域、核心知識單元和知識點。而實踐課程體系的設計應主要體現能力結構的培養目標要求，從而確定實踐課程體系的各個單元目標和具體指標。數據結構課程的能力結構目標主要包括：學會從解決問題入手，識別典型的數據結構的邏輯結構特性的能力；能夠為所加工的數據選取適宜的存儲結構的能力；設計及實現問題求解主算法和主函數的能力；基本掌握算法的時間與空間復雜性的分析能力；基于高級編程語言，編寫復雜軟件的程序代碼的基本能力等。數據結構實踐課程的教學體系由六個部分構成：課程實習、課程實驗、課程設計、課程社會實踐、實踐教學評測和實踐教學文檔及資源。

1.課程實習是指對課程實驗和課程設計的基本技能和綜合技能的研究性學習和實踐技能的訓練。課程實習的基本技能包括：高級程序設計語言編輯器及語言的使用；程序的模塊化劃分的技能；常用人機交互界面的簡單設計等。綜合技能包括：應用抽象數據類型的設計思想，在實現數據結構基本操作的基礎上，確定功能模塊間必要的聯系，設計、調試主算法和主函數，系統的可視化界面的初步設計，對所完成的算法進行時間和空間的性能評價，從而完成數據結構的基本應用。

2.課程實驗是指配合課堂理論教學、以增強學生能力結構為目標的專業技能訓練。實驗課題的基本內容包括：線性表類應用實驗、棧和隊列類應用實驗、樹和圖類應用實驗、查找和排序類應用實驗以及自主研究性應用實驗等。通過課程實驗，使學生加深對課程內容的理解，培養將原理應用于實際的能力。

3.課程設計是指對理論課程的核心知識點以及能力結構的綜合技能的專業訓練。課程設計的課題包括：綜合訓練性題目和研究學習性及創新設計性題目兩大類。例如，立體化停車場管理、電梯運行模擬、二進制堆及其應用、線段樹及其應用等。課程設計的目的是全面落實課程教學大綱，激發學生自主研究性學習及完成創新性實驗的積極性，提升學生軟件設計的綜合實踐技能。

4.課程社會實踐。課程社會實踐是指對課程實驗及課程設計的課題所進行的社會調研與實踐。課程實驗的調研主要是對設計性和研究性課題做調研，課程設計則主要是對應用性和創新性課題做調研，為提高創新實踐能力打基礎。

5.實踐教學評測。實踐教學評測是指對實踐課程教學效果的評價和對學生實踐課程成績的評定。實踐教學評測的目的是依據課程的能力結構培養目標，科學合理的評定學生的實踐課程成績，使課程教學效果得到及時反饋，以促進實踐課程教學的不斷改進。

6.實踐教學文檔及資源。實踐教學文檔及資源是指為了保證實踐課程教學體系的各個環節有機結合、正常運轉的課程教學文件和參考資料。實踐教學文檔及資源包括：課程實習、課程實驗、課程設計、課程社會實踐的教學大綱和實施方案，實踐課程教學考核與評價的實施方案，以及實踐課程教材與多媒體實踐課件等。

數據結構實踐課程的教學體系要從自身的特點出發，對課程實習、課程實驗、課程設計、課程社會實踐、實踐教學評測等諸多教學環節進行整體、系統的優化組合。以能力結構培養目標為驅動，并將支持學生的研究性學習及創新實踐能力機制納入到體系中。

二、以提高創新實踐能力為重點，完善實踐課程教學平臺

大學生的實踐能力包括基礎性實踐能力、綜合性實踐能力和創新性實踐能力。如何在數據結構實踐課程教學體系中，通過日常的教學活動和過程管理，形成以提高創新實踐能力為重點的教學機制，是實踐課程教學體系建設的中心任務。研究性學習是指在教師指導下，根據所選擇的課題，主動地獲取和應用知識、解決問題的教學活動。創新的基礎在于研究性學習，研究性學習的核心活動是實踐和創新，創新能力的培養在于實踐。課程實驗和課程設計的研究性學習是以研究和設計為中心的實踐性教學活動。在構建實踐課程教學體系的基礎上，通過設計課題項目、組建課題項目團隊、開展項目教學法、注重項目過程管理、鼓勵研究性學習和實踐創新能力、實施創新評測機制等，逐步完善以提高創新實踐能力為重點的實踐課程創新實踐平臺。圖1是基于數據結構實踐課程教學體系，以提高創新實踐能力為重點的實踐課程創新實踐平臺的總體框架設計。其中，課程實習、課程實驗、課程設計是創新實踐平臺的核心內容。

1.開展項目教學法，注重項目過程管理。項目教學法是通過實施一個完整的項目而進行的教學工作。在數據結構實踐課程教學中，將項目教學法應用到課程實習、課程實驗、課程設計等各個教學活動中，培養學生良好的科研素質。通過課題的立項與開題、組建課題小組、方案分析、方案設計、方案實現和項目驗收的工作流程對學生進行科技創新活動的工程實踐訓練。抓好課題項目的過程管理是十分重要的工作任務。其中，抓好課題組長的業務培訓、課題組項目的認定、課題的階段驗收是項目過程管理的重點。

2.重視課題項目設計，促進拔尖創新人才發展。依據培養目標的能力結構和教學規律，科學、合理的設計課題項目，是開展項目教學法和項目過程管理的第一要素，也是教師發揮教學活動中的主導地位的首要任務和關鍵環節。課程實驗的課題類型有驗證性實驗、應用性實驗和創新設計性實驗。驗證性實驗屬于學生自主研究性學習的課下實驗；設計應用性試驗和自主創新性實驗是課上實驗，還要完成相應的實驗課題報告。課程設計的課題類型有綜合訓練型和研究創新型。遵從教育規律和認知規律，將課程設計的課題項目分級分類設計，以促進學生的階梯式發展。

3.組建課題小組，形成研究性學習氛圍。根據多元智能理論，每個人都擁有不同程度的八種智能，由于智能組合形式以及每種智能的表現形式不同，每個人的智能是獨一無二的，這也體現了個體的差異性。以學生自愿為原則，組建課題小組。課題小組的人員構成要考慮學生的氣質和性格差異，達到智能互補和優勢互補，促進學生的個性發揮和全面發展。通過組建項目團隊，競爭項目負責人，在課題組長的帶領下，開展課題項目研究，協同合作、相互交流，體現團隊精神，營造研究性學習氛圍，還可以使拔尖創新人才脫穎而出。

4.建立創新評測機制，激勵創新人才。建立一套完善的實踐教學的評測機制是十分重要的，實踐課程教學評測的指標中，應有創新人才的激勵機制。只有將學生的課程實習、課程實驗、課程設計、課程社會實踐等實踐教學環節都納入到評測機制中，才能對學生進行綜合全面的考核和評價。

對于學生實踐環節的成績認定，要依據能力結構指標考核并單設成績計入學分，不合格的同樣需要補考或重修。以課題組為單位，組員和組長間都可以互評，作為考評依據。

三、以能力結構目標分解為依據，實施技能知識單元模塊化教學

計算機科學與技術專業學生的能力要求可以歸納為計算機思維能力、算法設計與分析能力、程序設計與實現能力和系統能力。數據結構實踐課程的能力結構要求在上述能力結構中都有相應的體現。可以按能力結構培養目標的要求，將目標分解，采用分階段的技能知識單元模塊化教學。

1.能力結構教學目標分解。采用質量目標管理方法，將實踐課程能力結構的教學目標以計算思維能力為基礎，通過層次分解，將數據結構課程教學目標分解為理論知識單元和技能知識單元，再分解為若干知識模塊，每個知識模塊又蘊含若干知識點。例如，可以將數據結構課程中線性表的基本技能知識目標分解為靜態順序表、動態順序表、單鏈表、雙鏈表、循環鏈表等具體的存儲結構、基本操作和簡單應用等實踐教學目標。通過對實踐教學目標的分解，使得師生都清楚具體的質量目標定位，掌握學習進度，激發教師的主動性、學生的自主性及研究性學習熱情，將充分的精力投入到提升創新實踐能力的活動中。

2.技能知識單元模塊化教學。依據分解的數據結構實踐課程的能力結構教學目標，打破傳統的以理論知識為中心的學科式課程內容體系，取消章節限制，把密切相關的理論和實際操作技能有機地結合起來，組成知識領域，建立若干知識模塊，每個知識模塊又可由若干子模塊構成。每個子模塊又由若干個知識單元或課題組成，從而使實踐課程的教學形成一個“積木組合式”的模塊化教學模式。例如，數據結構實驗課程的基本技能模塊包括：線性表子模塊、棧和隊列子模塊、樹和圖子模塊、查找和排序子模塊及自主研究性應用子模塊等。線性表子模塊又包括順序表子模塊和鏈表子模塊。子模塊的內容又根據目標分解的技能指標構成。技能知識單元模塊化教學是以技能訓練為核心的一種教學模式。通過技能模塊化教學方法的實施，可以強化學生的技能訓練，促進學生動手能力的提高。

3.打造實踐課程教學團隊。建設一支由課程主講教師、實驗指導老師、實驗基地組成的實踐課程教學團隊，針對實踐課程教學的各個環節，從課程實習與實驗指導、實踐環境維護管理、課程設計與課程社會實踐、研究性學習與創新實踐能力等方面全力指導，由團隊負責課題項目的設計、組織和實施，統一于教學目標，服務于教學質量。

4.搞好實踐課程教學評測與教學資源建設。構建實踐課程教學體系及完善實踐課程教學平臺，這是培養創新人才的硬件要素；搞好實踐課程教學評測與教學資源建設，則是培養創新人才的軟件要素，二者缺一不可。對數據結構實踐課程引入技能單元模塊化教學后，每個模塊是一個相對獨立的能力實體，每個模塊結束后，都可以進行考核，及時檢驗模塊化教學的學習效果。課程實驗成績的評定可以采用百分制，由平時實驗課成績、實驗報告成績、實驗程序驗收成績組成，按一定的比例折算到實踐課程的總成績。

四、結語

實踐課程教學改革在計算機科學與技術專業2010級的學生中試行，在2011～2012級的兩個年級中實施，實際受益人數達600余人。經過兩個年度的實踐課程教改探索，確定了數據結構實踐課程的總體改革方案以及實施方案，精心準備并完善了課程實驗和課程設計實踐課題，組建了課題小組，培訓學生課題組骨干，完成了相關的教學文檔建設和課程資源建設。綜上所述，通過對數據結構實踐課程體系的分析和研究，論述了以能力結構培養目標為驅動出發，構建研究性學習與創新實踐能力的實踐課程教學體系，以提高創新實踐能力為重點，完善實踐課程教學平臺，以能力結構教學目標分解為依據，實施知識單元模塊化教學的措施，從而實現數據結構實踐課程的具體教學目標，推進計算機專業的整體化教學改革。

參考文獻：

[1]教育部高等學校計算機科學與技術專業教學指導委員會.高等學校計算機科學與技術專業發展戰略研究報告暨專業規范（試行）[M].北京：高等教育出版社，2006.

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[3]謝書良.創設“多元”條件，激發學生潛能[J].計算機教育，2010，1（109）：17-20.