基于PBL教學模式的數據結構課程改革初探

郭小波 劉永平

摘要：數據結構課程在計算機專業的教學體系中處于承上啟下的中心地位。本文結合該課程的特點和我國普通本科高校的教學實際，針對教師教學和學生學習現狀，基于PBL教學模式對該課程的教學進行改革，提出了具有高度可行性的教學設計方法、考核評價體系和學習策略，對于激發學生的積極性，改善學習效果，促進學生全面發展具有現實意義。

關鍵詞：PBL教學模式；教學評價；數據結構；學習動機

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）11-0122-04

Abstract： The course of data structure plays a central role in the teaching system of computer specialty. Combined on the characteristics of the course and the teaching practice of ordinary undergraduate colleges in China， this paper aims at the reform of the teaching of the teacher and the status quo of the students， this paper proposes a highly feasible teaching design method， evaluation system and Learning strategy based on the PBL teaching mode， which is of great practical significance to stimulate students enthusiasm， improve their learning effect and promote their all-round development.

Key words： PBL teaching mode； teaching evaluation ；data structure； learning motivation

《數據結構》課程在計算機學科中處于重要的地位，該課程的主要目標是使學生學會從問題入手，分析研究計算機加工的數據的特性，能夠為在實踐應用中所涉及的數據選擇合適的邏輯結構、存儲結構及對這些數據的加工算法，培養良好的程序設計技能，編制高效可靠的程序[1]。由于該課程知識體系繁雜，對學生的現實問題抽象能力、計算思維能力、編程能力具有較高的要求，不少學生感覺課程學習枯燥、乏味，在學習的過程中逐漸對課程失去了興趣。由于該課程知識點之間存在較強的相關性，導致其學習中遇到的障礙和壓力越來越大，厭學情緒嚴重，陷入惡性循環。從教師的角度看，該課程需要教師具有非常強的跨學科知識和經驗以及超強的課堂組織和教學技能，要能夠緊抓學生的學習痛點，使理論和現實問題充分融合，進而高效激發出學生內在的學習動力。丹麥奧爾堡大學提出的PBL（problem-basedlearning）是一種新型的教學和學習模式，它以問題為導向，由項目來實施，重視學生主觀能動性的發揮，由學生自己提出問題，完成基于團隊協作的項目，在實施項目的過程中通過反思和評價等環節完成知識的建構過程[2]。這對培養學生的理論水平、實踐技能和綜合素質都有非常好的作用。

1 《數據結構》課程教學的現狀及存在的問題

1.1 課程與社會現實聯系不緊密

教師在教學過程中往往注重理論知識的推理，歸納，分析，綜合，對理論知識與現實世界的結合性重視不夠，在課程上應用的案例或者過于陳舊，導致學生缺乏興趣，或者不夠貼切，容易使學生產生困惑。這種情況產生的主要原因是一部分高校教師本身缺乏工程實踐經驗，很難將豐富而又存在嚴密邏輯關系的理論知識應用于實際。有的教師缺乏授課藝術，往往參照教科書或者學習資料中的主體內容完成知識的傳授和推理，所用案例很多也來自教材，教師本人缺乏直觀和深刻的體驗。另一方面，有的學生學習目標不明確，課余時間不能主動廣泛深入的進行文獻閱讀和研究，對課堂知識的學習和吸收缺乏全面性和綜合性，沒有對知識進行靈活遷移和高效應用的意識，不重視實踐課程學習和實踐技能培養，部分高校大學生對社會生活和工程技術實際了解不深，造成理論知識與現實應用脫節，甚至有的學生認為該課程對專業發展和今后工作沒有實質作用，從而放棄課程學習。

1.2 學生學習動力不足

《數據結構》課程諸多知識點之間具有較強的內在聯系，對學生前期的程序設計能力具有一定的要求，但有的學生在大學一年級還沒有構建好計算思維理念，對程序設計缺乏深度認知，問題的建模和抽象能力不強，甚至不具備編寫簡單程序和進行程序調試的能力，又不善于利用互聯網時代大量高質量的教學和學習資源，在《數據結構》課程學習中遇到新的更大的學習障礙時束手無策，當問題積累到一定量時，新的知識就無法學習，久之造成學習能力下降，失去學習積極性。這在一定程度上是由于我國大部分高校的教學模式是教師占主導地位，知識的學習、消化、吸收、應用、考核都是在教師的支配下完成的，學生處于被動的被灌輸的地位，教學內容無法抓住學生的興趣，或者初步引起的興趣得不到加強和拓展，學生認為通過考試便達到了學習目標，在這種低學習目標下容易導致學習動力下降，應付教師、應付考試的情緒上升，造成“低分低能”或“高分低能”現象普遍。

1.3 課程考核評價體系不科學

課程考核作為教學過程的重要組成部分，不僅是評價教學效果的重要手段，也對整個教學活動具有強化、檢測和反饋功能[3]。高效的課程考核方式可以檢驗學生的知識和技能水平，大幅提高學習者的課程參與度，激發學生的學習動力，最大程度幫助學習者從課程中獲益。我國大部分院?！稊祿Y構》課程的考核主要分為平時成績和期末考試兩個部分，平時成績主要考核學生的出勤情況，作業完成情況，課堂表現，實驗完成情況，期末考試主要的考核形式是閉卷答題，考查學生對基本理論、基本概念的掌握，以及應用這些理論解決抽象問題的能力。這種考核方式容易造成學生因考而學，不考不學，在課程學習過程中人到心不到，抄襲作業和實驗結果的現象難以得到有效遏制，甚至出現考試作弊現象。這些現象本質上看是考核評價體系不科學造成的，這種傳統的考核方式難以真正科學考查出學生的知識能力和應用水平，學生的自主性、創新性得不到充分滿足，學生的學習態度和情緒受到抑制，綜合素養如團隊協作精神，分享與互助精神，表達與思辨能力，跨學科知識的綜合運用和解決現實問題的能力難以在這種考評體系下得到真正體現。

2 PBL教學模式的主要特點及優勢

2.1 以學生為中心的教學理念

PBL教學模式強調以學生為中心的教學理念，教學的核心目標圍繞學生本體的學習意識和學習行為，其理論依據是建構主義學習理論[4]。在以學生為中心的啟發式、合作式、參與式教學和學習過程中，學生能夠深刻掌握知識的豐富內涵。在課堂教學中，教師的作用不再是傳授知識，而是啟發引導學生，和學生一起設計和討論問題，并做好輔助、檢查、督促、考核的工作。這種教學理念能夠激發和促使學生深刻分析實際問題，規劃學習目標和學習方式，認真總結和回顧已有的知識體系和經驗技能，進行深度思考和知識遷移，努力學習新的、復雜的跨學科知識并進行交叉融合，這種理念的應用對學生的復雜問題分析能力、協調組織能力、自律自查能力、批判質疑精神、創新能力的培養都具有很重要的作用。

2.2 以問題為導向，以項目為驅動組織教學

PBL教學模式的教學安排從現實問題出發，且圍繞問題展開，學習的主體是學生，通常由學生自己提出、分析和解決問題，課程教學將學習設置到復雜的、有意義的問題情境中，在項目實施過程中，學生自主管理項目，自主決定項目的組成要素，教師確保項目工作符合課程的教學目標。這種教學模式最大的優勢是能夠充分調動學生的積極性，學生學習的目標和為達到該目標而需要解決的問題來自學生自身，由于學習源于興趣的驅動和解決自身問題的需要，學生對自己應該學習哪些知識以及怎樣學習知識，如何應用和擴展這些知識具有強烈的學習欲望，這為激發學生內在的學習動力提供了先決條件。學生圍繞問題，開展個體學習和小組學習，掌握問題背后的知識，并在界定、分析和解決問題的過程中，培養溝通、表達、團隊協作以及解決實際問題等能力。

2.3 實施團隊學習，重視教學反思

在傳統的教學模式中學生以個體學習為主，但PBL教學模式的基本學習形式是團隊學習，一般根據班級學生人數和學習任務的復雜性，由3～8名學生組成一個學習小組，組內成員分工協作，廣泛深入交流思想，討論問題，共同解決問題，通過小組學習、組間學習、小組討論和師生互動等途徑協作完成項目，解決現實性問題，并學習隱含于問題背后的科學知識，形成自主學習和解決問題的能力[5]。這種方式能使學生在充分利用已有的知識體系的基礎上，通過團隊協作學習和應用新知識，對學生的創新能力、實踐應用能力、團隊協作能力、溝通能力、質疑和分享精神進行充分有效的鍛煉。

2.4 科學高效的考評體系

PBL教學考核辦法是過程性考核和結果性考核相結合，但更加注重對過程的考核，過程考核側重考查學生學習的過程，包括理論學習過程和項目完成過程[6]。過程考核的成績在總成績中占有相當大的比重（通常高于50%），其目標是以考促學，更加客觀的對學生本人和學習小組的學習過程進行評價，并以過程考核促進學習過程更加有效地進行。也就是說，考核評價不僅關注學生對知識的掌握情況，更加注重他們的能力是否得到了培養[7]。以解決問題的能力為例，考核時注重的不是他們解決了多少問題，而是看他們是否掌握了解決問題的方法。通過這種方式培養的學生社會適應能力較強，通常能夠較好把學科理論和相關技術應用到生產和生活實踐，并具有較強的專業轉換和知識遷移能力，以及較高的人文素養。

3 基于PBL教學模式對《數據結構》課程改革的手段和措施

3.1 普及新型教學和學習理念，轉換教師角色

傳統的教學過程以教師為主體和中心，強調知識的傳授、理解、應用過程，教師處于控制和主導地位，學生被灌輸知識，處于被動學習的地位，這種模式無法促進學生進行深層學習。PBL教學模式倡導以學習者為中心的教學[8]，由學生發現、提出和解決問題，學生學習的動機很強，目標很明確，能夠在通過完成團隊項目解決問題的過程中完成多領域、跨學科知識的學習，由于學習本身是為了解決問題，因此學習過程本身就是應用知識的過程。教師更重要的是起到啟發、引導、組織、觀察、解惑、反饋、評價的作用，而不是傳統教學模式下的傳授，學生提出的問題以及項目工作的實際表現會被用作評估的主要依據。教師還要應用自己的學科知識和經驗技能判斷學生提出問題的質量以及基于學生現狀和可期待的學習過程判斷問題解決的可行性，給學生提出合理化的建議和供參考的思路，給學生提供輔助性學習材料和參考資源等，并控制學生為解決問題而學習的知識的深度和廣度，為學生提供方便的環境和條件，通過小組會議、教師提問、學生表達、重要節點匯報等形式做好過程檢查和過程控制。針對《數據結構》課程的教學和學習，教師要認真轉換自己的角色和職能，將學習的主動權交給學生，啟發學生基于典型的線性表、樹、圖、散列等數據結構的特點聯系現實世界中的問題，深度學習學科知識，活學活用，這樣才能從根本上提高人才培養的質量。

3.2 做好教學設計，更新教學和學習方式

《數據結構》課程知識體系龐大，教學內容具有一定的抽象性，這對教師的教學水平提出了很高的要求。教師在有限的時間內要促使學生深度學會這些廣泛和抽象的知識，就要合理規劃理論教學和實驗教學的安排，對知識點之間的銜接、貫通不僅要做到了然于胸，還要通過最高效和最合理的方式促使學生完全掌握，尤其針對《數據結構》課程中較難掌握的知識點，如在學習AVL平衡樹、遞歸、快速排序、線索二叉樹、紅黑樹、B-樹、AOE網等理論與算法的同時，一定要引導學生構建恰當貼切的問題場景，基于數據模型和算法設計案例，并根據學生的學習基礎、興趣愛好、性格特長等因素組建學習小組，教師做好知識的梳理和問題的引導，盡量少講繁雜抽象的理論，而由學習小組發揮成員特長，合理實施分工，做好目標規范和進度安排，學習、吸收和應用項目所涉及的知識點，編制為解決項目實際問題所需的軟件程序和撰寫項目報告，并在班級內進行匯報交流展示，教師和其他小組成員可進行評價、反饋。這種教學設計的基本教學和學習流程如圖1所示。

這種學習流程實施的前提是師生對PBL教學和學習模式的高效性具有高度的認可和共識，學生已經鍛煉出了較強的自主學習能力，能夠充分利用課余時間進行自主學習和同伴學習，學習小組具有約定或協議保證成員之間能夠合作順暢。通過這種模式，學生的學習任務和作業的強度會非常高，但由于解決的都是學生感興趣的實際問題，學生仍然能保持較高的學習動機，經過較長時間的訓練，學生的學習能力和綜合素養會得到全面的大幅度的提升。

3.3 改進課程的考核方法

許多研究者認為：恰當的評估標準和考核辦法能高效的將學生引向預期或超出預期的學習結果，提高教學質量[9]。對于學生來說，評價其學習過程往往結合自我評價、組員評價、他組評價、教師評價來完成，自我評價能夠引發學生反思自己的學習過程和學習結果，有助于使學生客觀真實地認識到自己的成績和差距，激發學生的動機，促進學生完成下一階段的學習。組員評價有助于在學生中形成相互督促，不甘落后，積極進取和樂于分享、樂于奉獻的團隊力量，形成一種內化在小組團隊中的強大驅動力。在學生進行分組討論后，教師要引導學生進行組間交流，在進行分組匯報展示成果時，教師也要組織對立小組針對匯報小組進行質疑和討論，通過這種方式可以充分分享知識，從多個側面和多個角度深入考察問題，有助于對問題的全面透徹理解。對立小組和班級其他小組也會根據該組的平時工作、任務完成情況和整體表現給予一定的成績評定，這能更加真實有效的反映該小組的學習情況，并在各小組間自然形成一種競爭上進的機制，從而發揮小組整體的最大潛能。教師評價主要包含教師對個體和對整個小組的評價，旨在及時對學生的學習過程和學習成效做出反饋，激勵學生和小組更加積極主動的學習，對多種解決問題的方法主動進行全面深刻的認識和分析，從而尋找解決問題的最優辦法、知識和方案，遇到經過努力仍然難以克服的困難和障礙時，積極向教師請教和討論，克服學習過程中的攔路虎。經過對奧爾堡大學、華東交通大學等國內外大學《數據結構》課程的調研、分析和論證，結合作者授課實際，提出對該課程的考核評價方式如表1所示。

這種考核方式充分考慮了學生的學習態度、學習過程和學習效果，能夠刺激學生相互增進了解，相互協作，共同努力達成課程學習目標。

4 結語

本文從分析研究大學本科《數據結構》課程教學和學習存在的主要問題出發，引入PBL教學模式對教師教學和學生學習的基本過程進行改革，提出了具體的手段和措施，其目標是大幅度提高學生的學習動機，提升該課程的教學效果和學生的綜合素質。在具體的實施過程中，教師應根據本校教學的特點、教學條件和學習資源，充分分析學生的特點并采取針對性的方案措施，最大程度地改善教學和學習效果。

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【通聯編輯：王力】