“數據結構”課程QAE實踐教學模式的探索與實踐

黨源源 王紅梅 劉冰

摘 要：數據結構是一門應用實踐性強的課程，為加強數據結構實踐課程建設，分析了數據結構實踐課程教學中存在的問題，提出了以問題驅動為基礎、立體化進階式教學與考核為手段、時空拓展實踐教學為特色（QAE）的教學模式。從實際問題出發重新組織教學素材，完成教學內容“階”的劃分，并制定進階規則；將實踐教學拓展為四個階段，逐步培養學生的實踐能力。總結教學模式實施效果，分析改進思路。

關鍵詞：數據結構；QAE；進階；實踐教學

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A

Abstract：Data Structure is a practice-oriented application course.To strengthen the construction of this practice course，this paper analyzes the current problems in the teaching of the practice course and provides a teaching model which takes the question-driven as the basis，stereoscopic advanced teaching and evaluation as the method，space-time expansion of practical teaching as the characteristic （QAE）.Starting from actual problems，it reorganizes the teaching materials，completes the division of Steps in teaching content，and establishes the advanced rules.Moreover，it has expanded the practical teaching into four stages，cultivating the practice ability of students gradually，summarizing the teaching model and practicing effects，and analyzing the improvement ideas.

Keywords：Data Structure；QAE；advanced；practical teaching

1 引言（Introduction）

數據結構是計算機專業教學計劃中的核心課程，也是計算機及相關專業考研和水平等級考試的必考科目。要從事和計算機科學與技術相關的工作，尤其是計算機應用領域的開發和研制工作，必須具備堅實的數據結構基礎[1]。數據結構課程既有很強的理論性，又有較高的實踐要求[2]。本文針對數據結構課內實踐教學，采用以問題驅動為基礎、立體化進階式教學與考核為手段、時空拓展實踐教學為特色（QAE）的教學模式，以培養學生抽象思維、計算思維能力，提高學生運用理論知識解決實際問題的能力，達到學以致用的實踐教學目的。

課內實踐（驗）是指與理論課相捆綁的實踐教學，即嵌入到專業基礎課或專業課內的實踐教學[3]。數據結構課程具有理論抽象程度高和應用實踐性強的特點[4]。因此如何提高課內實踐教學水平，在實踐中不斷地夯實理論知識，并將理論知識運用到實際問題的解決中顯得尤為重要。但傳統數據結構實踐教學存在以下問題[5-8]：（1）課程要求理論實踐并重，學習跨度大。（2）學生學習起點、學習規律不同，統一、同一的教學設置無法滿足教學需求。（3）原有實踐題目與實際問題契合不緊密。（4）課程學時分散、學時不足、難與課程其他實踐設置相關聯。（5）考核機制平面化、考核形式單一化，難以形成激勵效果。

2 數據結構課程QAE實踐教學模式框架（The framework for data structure course QAE practice teaching model）

針對上述問題，將培養學生抽象思維、計算思維能力；提高學生運用理論知識解決實際問題的能力；因材施教拓展個人學習發展空間設定為實踐教學目標。借鑒巴特勒與拋錨式教學模式[9]，制定以問題驅動為基礎、立體化進階式教學與考核為手段、時空拓展實踐教學為特色（QAE）的教學模式，如圖1所示。

數據結構課程組通過總結多年的實踐教學經驗，結合課程組編著的《數據結構（C++）》立體化教材（“十一五”國家規劃教材），基于長春工業大學“計算機軟件基礎課程群實驗平臺”，應用QAE實踐教學模式對原有數據結構實踐課程進行了改革。將問題驅動式教學方法貫穿于整個實踐教學過程；重新組織設置實驗題目，使其層次分級、推進分階；為學生架設時空可擴展的立體化實踐學習平臺；結合進階實踐學習建立多層次立體化課程考核機制。

3 QAE中基于問題驅動的立體化進階式教學設置 （Stereoscopic advanced teaching settings based on problem-driven in QAE model）

數據結構課程涉及計算機求解問題過程的兩大基石：數據結構與算法[10]。QAE教學模式，在回歸課程主旨的同時緊扣課程內容，將實踐課程內容進行了橫向分階與縱向分層的立體化組織，并結合理論知識設置了一系列具有現實背景的實踐題目。以此為基礎開展問題驅動式實踐教學。

3.1 問題驅動式教學設置

為解決學生遇問題無想法的問題，設置具有實際背景的問題（表1），并通過“解決問題”推進教學進程。

實踐題目設置原則：（1）理論知識覆蓋范圍明確。（2）問題求解目標明確。（3）難度分級明確。（4）背景生動簡潔。

教學設置：（1）針對訓練內容由實際問題出發，將學生帶入問題情境。（2）引導學生應用所學理論知識構建問題模型。（3）引導學生針對問題模型設計數據存儲結構。（4）指導學生基于存儲結構完成設計算法。（5）指導學生進行算法分析。（6）引導學生進行算法實現。

問題驅動式實踐教學以應用計算機解決實際問題為主旨，通過“問題”的解決對學生進行問題模型抽象、算法設計分析的訓練。來源于生活的問題具有親和力，通過由易到難的問題導入可使學生的學習進行平滑過渡。通過“問題”的不斷解決，使學生自然形成計算思維，最終到達遇“問題”有“想法”的教學目的。

3.2 立體化進階式課程組織

將實踐課程內容進行橫向分階與縱向分層的立體化組織（限于篇幅截取部分章節），如表1所示。并在此基礎上進行立體化進階式實踐教學。

（1）課程內容層次化設置：分層教學即根據不同專業和不同水平層次的受教育對象，制定不同的教學體系及與之相適應的教學方法[11]。QAE教學模式將教學內容進行了四個層次的劃分，分別為：章節基礎進階層、章節探索進階層、章節應用進階層、課程綜合進階層。四個層次由單知識點基礎訓練到課程知識綜合訓練由淺及深逐層遞進。層次化教學設置可提供多樣化的學習方式，在完成基本學習的前提下學生可選擇單點深入學習也可選擇分層迭代學習，以應對學生學習起點、學習能力、學習目標的差異，滿足個性化教與學的需求。QAE教學模式層次設置：①章節基礎進階層，緊扣章節教學內容，設置章節基礎訓練題目，題目類型分為基礎驗證實驗和基礎設計實驗兩部分。其中基礎驗證試驗在理論課教學中詳細講解，設置為預習實驗在課前完成。②章節探索進階層，基于章節內容設置與實際問題相結合的實踐題目，并設定課程考核基線和層次拓展基線。章節考核基線（*號標識）為本章節學習的基礎要求，層次拓展基線（+號標識）為通往下一層次的解鎖控制（兩條基線可根據學生的學習情況動態調整）。③章節應用進階層，設置以本章節內容為主并結合其他章節知識的具有實際背景的綜合性應用題，并設定層次拓展基線。④課程綜合進階層，設置具有一定難度和規模的課程綜合性題目。

（2）課程內容進階設置。為降低實踐課程學習門檻，解決學生學習跨度大的問題，對課程內容進行進階設置。“進階”機制可平滑推進教學進程、激發學生的學習積極性。進階也將階與階之間進行了有效聯通，使其獨立而不孤立。

定義1：階。將知識模塊與知識考核相結合，內聚而獨立的學習單元稱之為“階”。

定義2：進階。課程學習中“階”的推進、迭代過程為“進階”。

QAE教學模式中階的建設，以章節“圖”為例。（1）將內容劃分為知識模塊：圖的存儲結構、圖的遍歷、最小生成樹、最短路徑、拓撲排序、關鍵路徑、圖的其他應用。（2）針對知識模塊設置不同難度等級的實踐題目，形成“階”（如表1：圖、階）。1階，知識模塊：圖的存儲結構。難度：基礎。2階，知識模塊：圖的遍歷、圖的其他應用。難度：基礎。3階，知識模塊：圖的遍歷。難度：中等。4階，知識模塊：圖的遍歷。難度：較難。5階，知識模塊：拓撲排序、圖的其他應用。難度：較難。6階，知識模塊：最小生成樹。難度：難。7階，知識模塊：最短路徑。難度：難。8階，知識模塊：拓撲排序。難度：難。9階，知識模塊：關鍵路徑、圖的其他應用。難度：難。

QAE教學模式中進階設置。結合層次劃分，進階設置分為兩部分：（1）課程學習進階。隨課程學習的推進而推進，在“章節基礎進階”和“章節探索進階”中完成。達到章節考核基線視為章節學習通過。當前章節學習通過方可進行下一章節的學習。（2）章節層次進階。層次進階考察學習的深度，通過四個拓展層次來體現。除“章節基礎進階”（必修）外，達到進階基線可進入下一層次的學習。

3.3 QAE教學模式中時空拓展式實踐教學設置

當前實踐課程存在學時分散、學時不足等問題。為解決上述問題課程組進行了數據結構課程教學改革，應用實驗平臺，打破教學硬件資源的限制，對原有的10學時課上實踐教學進行時空拓展。結合“立體化進階式課程組織”將原有單一的實踐課程分為四個階段：課前實踐、課上實踐、課后實踐、課程延伸實踐。教學設置如表2所示。

4 多層次立體化實踐課程考核（Multi-level and stereoscopic practice course evaluation）

借鑒智豬博弈理論[12]，結合進階學習過程，采用減量加移位與分層考核相結合的立體化考核方式。對應課程實施的四個階段，課程考核也分為課前實踐考核、課上實踐考核、課后實踐考核、課程延伸實踐考核四個層次。再將四個層次應用在不同的章節實踐中，形成立體化考核體系。考核設定為百分制延伸考核，所有考核在實驗平臺中完成，考核成績由實驗平臺自動生成并進行累加。課前實踐考核為實踐課的門檻考核，只設置通過標識不記入分數統計，通過者方可進行課上實踐。課上實踐考核，要求通過章節考核基線，應用實驗平臺自動評判實踐分數，并累計平臺中實驗報告評判分數（教師給出），得出課上實驗分數，滿分為70分。課后實踐考核，依據進階規則實驗平臺自動累計分數，滿分為30分。課程延伸實踐考核，依據進階規則實驗平臺自動累計分數，成績累計入數據結構課程設計，成績突出者計入創新學分。

各層考核標準（考核基線、進階基線）可根據學生的學習情況在實驗平臺中動態調整。分層進階、逐層遞進、多次考核、成果延伸的考核形式將原有分散的實踐課程有機的結合起來，并有效的延伸到相關的實踐教學中，充分激發了學生的學習積極性。同時實驗平臺的自動化評價考核管控機制大大節省了教師的工作時間，使教師有更多的時間用于學生的學習指導。

5 結論（Conclusion）

從2015年開始針對“計算機科學與技術”專業學生進行實踐課程教學改革，并不斷完善QAE教學模式。應用課題組編著教材，基于實驗平臺重新組織教學內容、教學形式和考核形式。經過三年多的積累，通過學生橫縱向考核比較，QAE實踐教學模式在培養學生實踐能力上有明顯效果。在實驗完成的數量、深度均有較大幅度提高，據實驗平臺數據跟蹤，學生知識繼承轉化（創新實踐、競賽）也取得了較好的效果。

參考文獻（References）

[1] 王紅梅，胡明，王濤.數據結構（C++版）第2版[M].北京：清華大學出版，2016.

[2] 郭瑞波，王夢菊.基于CDIO理念的數據結構課程體系研究與實踐[J].實驗技術與管理，2016，33（10）：213-216.

[3] 楊曉波，陳邦澤.“數據結構”演示實驗類交互式微課設計與實踐[J].實驗技術與管理，2017，34（08）：153-157.

[4] 王翔.用MOOC來實現《數據結構》課程CDIO教改的探討[J].軟件工程，2018，21（03）：54-56.

[5] 劉曉靜，王曉英，張玉安，等.以創新人才培養為目標的數據結構實驗教學改革[J].實驗技術與管理，2014，31（11）：184-187.

[6] 張安勤，葉文珺，田秀霞，等.數據結構課程教學改革方案和應用效果[J].軟件工程，2017，20（12）：57-59.

[7] 吳長偉，鄭曉霞，鄧紅，等.應用型本科數據結構課程多維度實踐教學體系改革[J].中國冶金教，2015，（4）：63-66.

[8] 王卓，黃安，陳愛.一種基于階段式的數據結構課程教學探索與實踐[J].計算機教育，2016（5）：48-51.

[9] 郭琳.技能大賽與常規教學相結合的網絡技術專業實踐教學模式改革[J].實驗技術與管理，2016，33（12）：233-236.

[10] 賈海洋，楊博，虞強源，等.教學與科研關系的思考及其在數據結構課程建設中的實踐[J].計算機教育，2017（02）：38-40.

[11] 王精明，李君燕.基于PDCA理論的《數據結構》實踐教學的探索和實踐[J].滁州學院學報，2016，18（05）：114-116.

[12] 李登，陳志剛.基于智豬博弈的數據結構課程理論與實踐教學研究[J].湖南師范大學教育科學學報，2012，11（4）：96-98.

作者簡介：

黨源源（1980-），女，碩士，副教授.研究領域：數據挖掘，計算機教育.

王紅梅（1968-），女，碩士，教授.研究領域：數據挖掘，計算機教育.

劉 冰（1978-），男，碩士，副教授.研究領域：軟件開發，計算機教育.