面向網絡安全專業(yè)的《數據結構》混合式課程建設

尚蕾

摘要：文章結合網絡安全專業(yè)教學實際，對《數據結構》課程教學中遇到的問題進行了深入分析，闡述了在混合式課程建設中的課程開發(fā)與教學改革的措施，包括教學內容的修訂、教學模式改革、課程考核改革等內容，并給出了具體方案。通過實踐，取得了良好的教學效果，為程序設計類混合式課程的建設，以及面向安全專業(yè)的計算機基礎課程優(yōu)化提供了借鑒。

關鍵詞：網絡安全;算法;計算思維;混合式教學

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）16-0083-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

《數據結構》課程主要討論現(xiàn)實世界中數據的各種邏輯結構，對應保存到計算機存儲器中的各種存儲結構，以及對數據進行各種運算的典型方法（即算法）。通過課程的學習要求學生掌握程序設計的理論知識，培養(yǎng)編程實踐能力，為后續(xù)專業(yè)課程（操作系統(tǒng)、數據庫、軟件安全、軟件工程等）的學習和從事軟件開發(fā)、信息數據安全保護等工作打下堅實的基礎。

學習《數據結構》課程可以很好地提升學生的邏輯思維、計算思維，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。在清華MOOC（慕課）平臺“學堂在線”首批推出的5門課程中，《數據結構》即是其一。在綜合型大學，選修這門課除了計算機專業(yè)學生，也會包含其他工科專業(yè)學生，甚至文科專業(yè)學生，學生通過課程可以學會計算機科學的思想方法，培養(yǎng)計算思維，用不一樣的思路去解決問題。面對新的形勢，做好《數據結構》混合式課程的開發(fā)與改革，對于提高計算機類、網絡安全類工科專業(yè)學生的學科理論水平和計算思維有著至關重要的作用.

2 《數據結構》課程教學中存在的問題

《數據結構》作為工科課程，不僅有很深的理論知識，也要求培養(yǎng)學生的編程實踐能力和應用能力;同時又是一門承上啟下的課程，課程的講授以學生已掌握一般程序設計為基礎，是學生專業(yè)中后續(xù)學習設計和實現(xiàn)操作系統(tǒng)、數據庫系統(tǒng)及其他大型應用程序的重要基礎。當前《數據結構》教學中存在以下問題：

1）課程知識理論性抽象性強，課時不足。《數據結構》課程本身涉及的概念多、內容廣，理論性強、且高度抽象，學生在學習理解上普遍存在一定的困難。課堂教學中學生提不起學習興趣，教學過程參與程度不高，造成了教學效果的下降。

2）教學反饋不及時。傳統(tǒng)的教學模式多是灌輸式，教師面授課程結束后布置作業(yè)，再次上課時講評討論，中間的間隔少則2-3天多則1-2周，這期間學生缺失了對知識深入探索及時查漏補缺的時機，教師也未能及時得到教學反饋，調整教學工作。

3）課程實踐環(huán)節(jié)薄弱，缺乏綜合型實踐。實踐是《數據結構》課程的重要環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生設計開發(fā)復雜高效程序的技能是課程的教學要求之一。實際教學中，實驗課時不足，實驗條件有限，實驗教學內容刻板陳舊造成了課程的實踐環(huán)節(jié)較為薄弱，學生在課程學習后往往反映：“課堂內容能夠掌握，但上機編程時困難重重無從下手”。目前，課程開設的大都是驗證性的實驗，缺少綜合性和創(chuàng)新性的實驗，也難以起到培養(yǎng)學生綜合運用數據結構知識分析問題和解決問題的能力以及創(chuàng)新能力，從而無法達到課程預期的教學目的和教學效果。

4）缺乏合理的考核方式。 目前該課程的考核方式多是試卷考核，期末筆試也主要是基礎知識、基礎算法，這使得學生偏向于只掌握幾個考試重點算法，會畫圖執(zhí)行算法步驟，而忽略對動手實踐能力的訓練，這種狀況實際上不利于應用型人才的培養(yǎng)。

3 《數據結構》課程建設沿革

針對數據結構教學中存在的問題，許多學者專家在課程建設中探索改進，既有教學內容的修訂也有教學方法上的改革。2013年北京大學張銘教授在Coursera 上開設了“數據結構與算法”（https：//class.coursera.org/dsalgo-001），是國內首批中文MOOC課程;徐衛(wèi)、劉端陽等在課堂教學環(huán)節(jié)提出基于PBL（Problem-Based Learning，問題式學習）的數據結構課堂教學思路、實施流程，并設計了PBL教學實例;陳川等提出基于微課的案例教學法，探討了以微課為技術手段制作案例，將案例應用于《數據結構》教學的混合式教學模式，可以充分調動學生的主動性，實現(xiàn)良好的師生互動和反饋;戴成秋提出基于 MOOC+SPOC （Small Private Online Course）的混合式教學思路，既融合大規(guī)模在線開放課程的優(yōu)點，同時也彌補傳統(tǒng)課堂的不足;李清等提出以問題驅動教學法培養(yǎng)學生計算思維和計算技能，并給出了《數據結構》課程中的教學實施路徑;李高云等對課程的無紙化考試方式做了探索。這些研究成果推動了《數據結構》課程的建設，對教學改革有很大的借鑒作用，作為應用型高校要結合自己的專業(yè)定位和人才培養(yǎng)目標開展《數據結構》混合式課程的建設。

4 《數據結構》混合式課程改革實例

4.1修訂教學內容，突出安全特色

《數據結構》課程是計算機學科知識結構的核心和技術體系的基石，計算機類專業(yè)本科生都要學習，很多高校在研究生入學考試時設為必考課程、主要復試課程，各類軟件、系統(tǒng)架構職業(yè)資格類證書考試中也對數據結構知識有所涵蓋。雖然課程教學中存在著課時不夠的情況，但教學內容不能壓縮，否則會影響學生的后續(xù)專業(yè)科學習、繼續(xù)深造和職業(yè)發(fā)展。課程內容多，理論知識豐富，抽象性強，如何變抽象為直觀，在課程內容優(yōu)化上我們將知識點與生活場景結合，與學生的安全專業(yè)結合，理論與實踐相結合，來激發(fā)學生的學習興趣和實踐動力。例如字符串部分的模式匹配算法是學習重點，基本算法有BF（Brute Force）、KMP（Knuth-Morris-Pratt），單一的學習和驗證實驗比較枯燥，我們在算法講解后鼓勵學生開發(fā)“作業(yè)查重程序”，課下拓展學習“多模匹配算法與入侵檢測系統(tǒng)”，以實際應用和專業(yè)應用激勵學生的實踐。經過兩輪的教學實踐，將數據結構與網絡安全內容結合，我們做了以下教學內容的調整和優(yōu)化。

4.2教學方法改革

1）MOOC+翻轉課堂

混合式教學，是將在線教學和傳統(tǒng)教學的優(yōu)勢結合起來的一種“線上”+“線下”的教學，最終目的是有效提升學生的學習深度。混合式教學中的關鍵是教學設計，課內外學習任務分配、問題反饋機制設計、課堂學習活動設計、課外作業(yè)輔導、考核等。

在教學內容的面授和網絡學習劃分上，我們將課程的重點、難點放在課上，由老師引導學生構建課程的完整知識框架，實施翻轉課堂，鼓勵學生分享思考過程、學習方法;對線上學習任務的設計，一部分是學生在前導課中已接觸過的知識如單鏈表建立、棧結構、隊列結構特點等，再就是往“安全”方向算法拓展學習的背景知識。我們?yōu)閷W生明確了自主學習任務單，并在大綱、教案、授課計劃中得以體現(xiàn)，做到課前任務有的放矢，與慕課視頻內容和翻轉課堂有效對接。同時，為線上、線下學習設計了問題反饋機制（圖2）。教師要善用網絡學習數據挖掘學生的學習規(guī)律，發(fā)揮好引導、啟發(fā)、監(jiān)控教學過程的作用，充分調動學生作為學習主體的主動性、積極性與創(chuàng)造性，獲得最佳的學習效果。

2）創(chuàng)新實踐教學、支撐學科競賽

《數據結構》是一門理論與實踐并重的課程，在課程的實踐教學方面，我們引入了綜合性課程設計這一模式，設計了“驗證實驗—〉應用實驗—〉創(chuàng)新項目實驗”的實驗教學體系。使學生不僅得到良好的程序設計實踐，更重要的是初步感受到軟件開發(fā)過程的項目管理方法與規(guī)范，獲得工作經驗。具體的改革措施有：借助虛實結合的在線實驗環(huán)境，滿足教師和學生“任何時間、任何地點”開展實驗的需求;通過交互可視化的形式動態(tài)展示算法的執(zhí)行過程，使學生更容易理解算法思想;基于 ACM 競賽和在線評測系統(tǒng)，激勵學生提高編程能力。

實踐教學內容的課堂活動中，主要有學生實踐成果的展示，鼓勵學生做實踐經驗的分享，教師引導學生分組、做好學生學習過程的監(jiān)測和記錄、作品講評等，對于項目設計類實驗不鼓勵單人完成，而要鼓勵學生強弱組合、加強團隊協(xié)作。

4.3課程中的人文素質教育

網絡強國戰(zhàn)略，實質是網絡人才強國戰(zhàn)略，對網絡人才的要求除了技術扎實，更要政治過硬、道德高尚，這也是對安全專業(yè)“課程思政”的具體要求，以立德樹人為根本，培養(yǎng)德智體美全面發(fā)展的網絡安全人才。教師在課堂教學中不僅要注重學生知識和能力的培養(yǎng)，更要做好學生思想引領和價值觀的塑造工作。一方面教師在講授課程知識本身之外，也要努力發(fā)掘并讓學生領略到課程中蘊含的美。抽象是數據結構的特點，有的學生摸不透害怕抽象，在講述相關知識的時候，可以結合具體的例子，如圖部分，可以從數學家歐拉研究著名的德國哥尼斯堡七橋問題引出，讓學生領略數學抽象思維的魅力。“數據結構”中每個結構都有其嚴謹之處，每個過程都可以用數學推導，學習過程就是提升學生的邏輯思維，培養(yǎng)創(chuàng)新思維的過程。

另一方面，激勵學生積極響應網絡強國戰(zhàn)略，扎實專業(yè)學習，激發(fā)學生的專業(yè)使命感、自豪感，確立努力學習，為國家安全、民族復興奮斗的愛國主義情懷。

4.4課程考核改革

與《數據結構》混合式教學相對應的是建立多層次的評價機制，一方面要提高平時成績在課程總成績中的比重，這樣可以調動學生線上學習的積極性，重視學習過程。教師需要健全完善過程性評價的指標，如對線上學習情況的跟蹤和評估，課堂學習過程的評價和記錄，學習小組內成員間的評價等;另一方面，探索試卷考試以外的課程考核形式，如程序在線評測、線上考試等。

5 結束語

網絡空間安全領域的研究中離不開數據結構和算法分析等基礎知識的支撐，相對于傳統(tǒng)的計算機類專業(yè)，該專業(yè)的《數據結構》課程在內容設計和實踐教學方面有其自身特色。混合式課程建設中我們將“網絡安全”的特色貫穿于理論教學和實驗教學，突出教學內容的特色和先進性，為學生帶來前沿的學科知識，提升課程品質，促進應用型網絡安全人才培養(yǎng)目標的實現(xiàn)。未來，還將在微課制作、教材建設、在線考試等方面積極探索，完善課程。

參考文獻：

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【通聯(lián)編輯：王力】