數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與實(shí)踐

張 華, 張 淼, 張 巖, 初佃輝, 鄭宏珍, 張 策

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 山東 威海 264209)

近年來,不少院校和單位從實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)等方面對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了有效探索和改革,取得了不少成果。主要有基于具體問題情境的融合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)、以經(jīng)典算法為主體的雙邊實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、基于先進(jìn)工程教育理念的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)踐教學(xué)體系研究、三層階段遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案、一種注重基礎(chǔ)訓(xùn)練并且有序深入的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)踐教學(xué)方案、一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)方案、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的分層次教學(xué)模式、以算法設(shè)計(jì)與分析為中心的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為目標(biāo)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、基于建構(gòu)主義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)自主探究教學(xué)模式、競賽化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[1-9]。

本文在參考上述相關(guān)研究基礎(chǔ)上,構(gòu)建了層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、設(shè)計(jì)了層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,并研發(fā)了開放性在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。目標(biāo)是加深學(xué)生對各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)的理解,提高問題求解能力和創(chuàng)新思維水平。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)空間安全、軟件工程以及人工智能等一級(jí)學(xué)科的核心專業(yè)課程,是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)編譯程序、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及其他系統(tǒng)程序的重要基礎(chǔ),是非數(shù)值計(jì)算程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[10],課程地位如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程地位

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系以知識(shí)學(xué)習(xí)、問題求解能力提高和創(chuàng)新思維培養(yǎng)為目標(biāo)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容突出以“問題求解”為中心,并分層設(shè)計(jì),主要包括驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和研究型實(shí)驗(yàn)；依托自主研發(fā)的在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),靈活采用以“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”和“個(gè)別指導(dǎo)”為指導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法；將ACM大賽、程序創(chuàng)新大賽、實(shí)際研究項(xiàng)目融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核環(huán)節(jié)。基于此構(gòu)建的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系如圖2所示。

(1) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)分層。實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)分為知識(shí)學(xué)習(xí)、問題求解和創(chuàng)新思維3個(gè)層次。知識(shí)學(xué)習(xí)是基礎(chǔ),強(qiáng)調(diào)常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的實(shí)現(xiàn)；問題求解是核心,強(qiáng)調(diào)綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的知識(shí)解決問題的能力；創(chuàng)新思維是靈魂,強(qiáng)調(diào)發(fā)現(xiàn)新問題或發(fā)現(xiàn)解決問題的新算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。三者之間循序漸進(jìn)、有機(jī)結(jié)合、融會(huì)貫通。

(2) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容分層。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容分為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和研究型實(shí)驗(yàn)3個(gè)內(nèi)容層次,依次對應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的3個(gè)目標(biāo)。難度由簡單到復(fù)雜,注重?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的實(shí)際運(yùn)用和興趣引導(dǎo)。

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

(3) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法以任務(wù)驅(qū)動(dòng)為主。通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)可以將實(shí)驗(yàn)教學(xué)從以基本知識(shí)學(xué)習(xí)為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詥栴}求解和創(chuàng)新思維為主,使學(xué)生能夠主動(dòng)探究實(shí)驗(yàn)任務(wù)的解決方案。學(xué)生在自主完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的過程中,遇到困難可以尋求教師個(gè)別指導(dǎo),為學(xué)生提供解決問題的有關(guān)線索；同時(shí),鼓勵(lì)學(xué)生之間、師生之間的討論和交流,用來豐富、矯正和加深對當(dāng)前實(shí)驗(yàn)問題的解決方案,具體流程如圖3所示。

(4) 以在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)為支撐。采用自主研發(fā)的在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái),這樣可以打破實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空限制,借助網(wǎng)絡(luò),學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn),有利于增強(qiáng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的自主性,保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。

(5) 累加考核,鼓勵(lì)創(chuàng)新。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核方式靈活多樣,分級(jí)累加。主要包括線上自動(dòng)評(píng)測、代碼查重以及線下答辯。線下答辯主要突出對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的應(yīng)用情況、創(chuàng)新思維以及參加實(shí)際項(xiàng)目和相關(guān)大賽的認(rèn)定。評(píng)價(jià)的主要參考依據(jù)見表1。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)需要兼顧學(xué)生水平、緊密聯(lián)系實(shí)際和注重興趣引導(dǎo)。只有好的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì),才能夯實(shí)理論基礎(chǔ)、提高編程水平,并能綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法知識(shí)解決實(shí)際問題。因此,結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)了分層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,如圖4所示。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和研究型實(shí)驗(yàn)由淺入深、循序漸進(jìn),做到知識(shí)的學(xué)習(xí)、能力的提高、創(chuàng)新思維的培養(yǎng)有機(jī)結(jié)合、融會(huì)貫通。在實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和實(shí)驗(yàn)層次的規(guī)范下,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的數(shù)量和質(zhì)量需要不斷增加和提高,比如借鑒其他高校或平臺(tái)上好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、抽取學(xué)科發(fā)展的相關(guān)子問題等。

圖3 任務(wù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

實(shí)驗(yàn)類別參考比重/%參考依據(jù)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)60自動(dòng)評(píng)測結(jié)果查重結(jié)果報(bào)告規(guī)范程度設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)30問題的規(guī)模主要邏輯結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵算法及效率功能及界面團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力報(bào)告規(guī)范程度研究型實(shí)驗(yàn)10參加各類賽事、項(xiàng)目或完成指定的研究性題目中所使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的情況創(chuàng)新點(diǎn)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力個(gè)人工作量取得的成績報(bào)告規(guī)范程度

圖4 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

3 研發(fā)開放式的在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

針對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)開放性不足、評(píng)判自動(dòng)化水平低、師生互動(dòng)渠道不靈活、實(shí)驗(yàn)作品(尤其是優(yōu)秀作品)管理不集中且接觸難的問題,設(shè)計(jì)并研發(fā)了開放的在線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。平臺(tái)架構(gòu)如圖5所示,實(shí)現(xiàn)了注冊、選課、開課、發(fā)布實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、在線評(píng)測、代碼查重、實(shí)驗(yàn)問答、實(shí)驗(yàn)文檔管理、成績管理、統(tǒng)計(jì)分析、題庫管理、優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)資源推薦等功能。平臺(tái)貫穿了數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的各個(gè)環(huán)節(jié)。平臺(tái)是開放的,能夠很好地支持程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。平臺(tái)是基石,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的裝填是靈魂,目前平臺(tái)中已經(jīng)積累了一定數(shù)量的驗(yàn)證型和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn),覆蓋了線性表、棧、隊(duì)列、樹、圖、查找和排序等核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。

4 應(yīng)用效果分析及結(jié)論

通過對計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信息安全、軟件工程及數(shù)學(xué)等4個(gè)專業(yè)約420人的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的試點(diǎn)應(yīng)用,得出如表2所示的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。可以看出實(shí)驗(yàn)的參與度、完成度和實(shí)驗(yàn)層次的難易程度比較適配，而且在線實(shí)驗(yàn)方式也深受歡迎，并普遍支持累加式的考核方式,達(dá)到了讓普通的學(xué)生學(xué)得更扎實(shí),好的學(xué)生走得更遠(yuǎn)的效果。

圖5 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)

表2 應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì) %

本文提出的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系兼顧知識(shí)學(xué)習(xí)、能力提高,又可以引領(lǐng)創(chuàng)新,通過改革考試方式鼓勵(lì)創(chuàng)新,建立在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)拓展創(chuàng)新空間,能夠隨時(shí)隨地開展實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)由淺入深,層層深入,使學(xué)生對各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)的理解水平隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行而提高,問題求解能力和創(chuàng)新思維也隨著知識(shí)的貫通而形成,實(shí)驗(yàn)自主性得到提高。整體上,教學(xué)效果改觀顯著,使得學(xué)生對課程知識(shí)的把握更加系統(tǒng),并能應(yīng)用于實(shí)際問題的解決,學(xué)科視野得到開闊,對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)具有實(shí)際意義。

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