基于學習結果的工程教育模式在數據結構課程中的應用與實踐

高春曉，許晟華

（北京理工大學 計算機學院，北京 100089）

0 引 言

數據結構是計算機專業的基礎課程，也是其他專業的必修課程，比如自動化專業和通信類專業，其重要性不言而喻?，F在，國家對高校進行“雙一流”建設，“雙一流”建設首先需要對課程進行變革，于是基于學習結果的教育（outcomebased education，OBE）再度引起國內高校的重視。我們需要結合OBE 的工程教育模式對數據結構課程進行重新設計，使學生加深對課程知識點的理解，真正掌握動手編程解決問題的能力。

1 OBE教育模式

基于學習結果的教育于1981 年由Spady 等人提出[1]，Spady 對 OBE 作出如下解釋：“對教育系統中的每個環節進行清晰地聚焦和組織，確定一個學習的目標，圍繞這一目標使學生在完成學習過程之后能夠達到預期的結果。”OBE 已成為美國、英國和加拿大等國家教育改革的主流理念[2]。

OBE 理念強調要讓學生主動學習，在學習的過程中有反饋，最終達到一個好的學習效果。OBE 理念下的教學是以學習結果為導向的。那么如何評價學習結果呢？OBE 理念下的評估不再是簡單地以分數來作為評估，而是采取多樣化的評估方案。

國內研究方面，文獻[3]總結OBE 教育模式包含的“兩個目標、三個假設和四個原則”，并且指出“如果不是以這四項原則為落實的中心，它就不能被稱為真正的以結果為基礎”。文獻[4]對OBE 教育模式進行充分研究的基礎上，對在汕頭大學具體實施OBE 教育模式進行實踐和探索，為建設有彈性、高水平和可持續的 OBE 工程教育模式提供了有意義的借鑒。

2 數據結構課程特點及現狀分析

數據結構是計算機專業的基礎課程，同樣也是自動化、通信等相關專業的必修課程，數據結構課程的重要性不必多言。傳統的數據結構教學模式中的主要驅動力是理論知識的傳授，需要學生掌握迭代、遞歸、分治等算法設計方法，理解線性表、棧和隊列、數組和廣義表、樹和圖等典型數據結構，掌握數據結構的設計方法和算法復雜度的設計方法。學生在學習過程中往往難以深入理解相關概念和原理，當然這主要是與數據結構課程本身理論性較強有很大關系。由于學生往往針對課程的評價方式去針對性的學習，更導致了學生往往掌握了很強的應試能力，但實際對知識的理解還差一些。傳統的數據結構課程教學主要存在以下幾方面的問題。

2.1 先導課程基礎不牢

在上大學之前，高中有相應的課程讓大家接觸計算機知識和編程技巧，由于老師和學生的重視程度不夠，學生也并沒有掌握得很好。大學一開始會有程序語言課程，目前國內高校大多會選擇C 語言進行教授。數據結構的內容是程序設計課程的深入和延續。在剛進入大學時，學生一方面沒有意識到程序語言課程的重要性，一方面沒有編程語言的底子，對程序語言課程畏難情緒十分大，學習效果不盡人如意。當學生的先導課程沒有學好的時候，何談應用數據結構去解決實際問題呢？當學生沒掌握程序的調試方法，又如何寫出能解決問題的完整代碼呢？

2.2 在教學過程中，過于強調知識講授

傳統的數據結構教學強調知識導向的教學模式，往往造成了學生只是去單純地學習這個知識本身，而忽略了“為什么要學這個知識點”“這個知識點應該怎么用”“這個知識點和其他知識點的聯系是什么”這些問題的思考。結果就是老師一直在“輸出”，學生一直在“輸入”，中間缺乏交流和思考。具體來說數據結構課程概念抽象，從 C 語言的簡單數據類型一下子躍遷到數據結構的抽象數據類型ADT，學生不易接受這種表示方式，學習興趣難以調動，算法跟著老師能理解，但自己獨立做題時選擇數據結構和設計算法就無從下手，出現“能聽懂，不會寫”的現象[5]。從原來的程序語言課程過渡到現在的數據結構課程，代碼量也有著極大的飛躍，更是讓先導課程沒學好的同學望洋興嘆，無法通過上機實踐來加深對數據結構的理解。而當數據結構的前面線性結構都沒有真正掌握的話，那么后面的圖、樹就更加難以掌握。

2.3 未養成動手實踐能力

傳統的數據結構課程教學強調以教師為中心，學生按照教師的要求完成學習任務，整個教學過程按照既定的教學計劃、時間、進度開展學習。目前多數高校重理論輕實踐體現得非常明顯，因為數據結構是理論與實踐并重的課程，所以這一重理論輕實踐的現象是非常不利于學生學好數據結構的。目前高校的解決辦法就是寄希望于學生課下準備好，但是由于大學生的學習意愿不如高中強烈，加上還有各種學生會、社團等活動牽扯大量精力，這種解決辦法在多數情況下都是失敗的。那當學生準備不足，實踐時間又比較緊張，老師又急著要學生完成作業，就會導致一種不好的風氣——學會或者應付了事，或者參考同學完成。這樣無論是老師的時間還是學生的時間都被浪費掉了。學生通過百度去查找題目，機械地重新敲一遍代碼，這樣的方式對學生又有什么真正的提高呢？當學生無法高質量地完成實踐環節，教師不得不給學生講解，那實踐課又與理論課有什么區別呢？理論和應用完全脫節，課程很難達到預期效果。實踐題目不夠靈活，也沒有針對性。不同的學生，肯定也是掌握程度不一致，那么面對掌握程度不同的學生，要有差異化教學方案。目前數據結構課程的實踐課程題目往往沿用多年前的題目，更新周期太長，并不能對學生有針對性的練習。

2.4 評價方式單一

成績考核的方式決定著學生怎樣學習。當考核方式是以期末試卷考試為主，那么就會造成學生在考前突擊，死記硬背，通過題海戰術大量練習。當考核方式以上機實驗為主，那么就會造成學生事先查找上機問題的答案，花大量的時間去撰寫實驗報告，去做所謂的“面子工作”，實際的動手能力并沒有得到真正的練習。試卷考核和上機考核的線性組合貌似科學，但這種評價方式不能真實反映學生應用知識解決實際問題的能力，容易滋生針對考核方式去練習的現象，不利于學生真正提高。

3 OBE教育模式下的數據結構課程建設

3.1 基于OBE 的教學目標

定義學生的學習產出目標是OBE 教育模式的關鍵[6]。沒有清晰的目標，整個課程建設會十分混亂，無法科學有序進行。我們主要圍繞專業認證、行業能力需求和學校畢業要求三個方面來確定產出目標。本課程的教學改革把專業認證作為一個重要參考，還與奧克蘭大學進行了大量的交流，探討了要達到OBE 效果需要設立怎樣的教學目標。我們通過走訪和調查部分專業相關的用人單位和畢業生，了解他們的具體要求。結合北京理工大學畢業要求指標點，最終確定了基于OBE 的教學目標如下。

（1）掌握迭代、遞歸、分治等算法設計方法，掌握它們與對應數據結構的關系，解決基本非數值計算問題的算法設計問題。對應于北京理工大學的畢業要求指標點：能夠運用數學和自然科學知識進行計算機算法的設計與實現。

（2）知悉和理解線性表、棧和隊列、數組和廣義表、樹和圖等數據結構的邏輯關系、存儲結構和操作特點。掌握數據結構的設計方法，解決典型工程問題的模型表示、數據邏輯結構和存儲結構的設計問題。對應于北京理工大學的畢業要求指標點：具備將數學和自然科學基礎知識應用于正確表述復雜工程問題的能力。

（3）掌握算法復雜度的定義和分析方法，形成計算思維模式。擁有根據所掌握的數據結構和算法設計方法，針對各種典型的計算機應用問題設計數據結構和算法的能力，形成算法思維模式。對應于北京理工大學的畢業要求指標點：具備數據抽象能力，能夠針對特定需求確定數據的結構、關系并設計算法，能夠對算法的計算復雜性進行正確分析。

3.2 基于OBE 的教學設計

基于OBE 的教學改革，并不是僅僅只改革數據結構這門課程，改革的是整個體系，而數據結構這門課程是知識體系中的一個節點。在整個體系中，數據結構的先導課程程序設計課程、計算機科學導論等課程要通過改革達到一定的OBE教學，這樣數據結構課程才能更好地展開。而數據結構課程又是自然語言處理、計算機視覺等應用類課程的基石。整個計算機教育體系要合理有序，逐層遞進，才能使學生教育達到OBE 結果。比如就數據結構的先導課程程序設計課來說，首先經過科學有效的討論，對標國外名牌大學，選擇合適的先導課程，是選擇C 語言還是選擇Java抑或是Python？在上數據結構課程之前還需要哪些課程？當然，整個計算機教學體系OBE 教學設計是一項十分浩大的工程，我們僅討論數據結構課程的OBE 設計。總之，我們希望有合理的教學體系，在數據結構課程之前，學生就養成了一定的編程能力和計算機基礎知識，這樣才有利于學生更好地學習數據結構與算法課程。

數據結構課程的理論部分要以學習效果為導向，不以知識教授為導向。往往大學里的教育都強調“教”，老師按照自己的教學大綱，依照教學計劃，將課程的知識按部就班地“介紹”完，就算教完一門課程。這樣做的一大弊端就是忽略了“學”，忽略了學生的學習效果。萬丈高樓平地起，試想在課程伊始，學生沒有學懂，而老師只是一味地“教”，學生愈發聽不懂。所以需要對整個教學進行改革設計。在教學內容上，通過結合具體項目案例來講授知識點，案例的選取要貼近生活，具有一定實際應用價值，而不是講抽象的數據結構知識。案例的設計需要花費大量的精力，要做到生動有趣，是學生們日常所見、觸手可及的，這樣學生才能真正地參與進來。在教學方式上，采用學生知識講授、指導建模、自主學習、小組討論等多樣化的教學手段，充分調動學習積極性，有效實現OBE。

數據結構課程的上機部分要考慮到每位同學對知識的掌握程度不相同，上機題目要有層次性，可以分為多個子問題，難度漸升。在上機的過程中，要注重于學生的交流，給予學生具體的指導。當教師資源不夠的時候，可以采用學長幫扶的形式去完成上機實踐。

3.3 基于OBE 的教學效果評價

傳統的教學評價往往是期末考試與上機成績的線性組合，這種方式可能導致學生進行針對性的練習，出現“高分低能”的現象。我們需要設計多元化的評價方式來達到OBE 效果。在理論環節，我們需要考查識記能力、理解能力和表達能力。在實踐環節，我們需要考查動手能力、人際交往與合作能力和創新意識。在考查的過程中增加學生自評、組內互評和組間互評環節，還可以通過在教學過程中交流來確定學習效果。

4 OBE教育模式下的數據結構課程實踐

在具體的數據結構教學中，我們會遇到一個不可避免的問題，那就是如何在有限的時間內達到一個較好的教學效果？

在實踐中需要采用學生知識講授、指導建模、自主學習、小組討論等多樣化的教學手段。

關于學生知識講授。通常來講，學生有時也很難判斷自己是否真正掌握了一個知識點，可能會出現這樣的一種情況：學生想當然地以為自己掌握了這個知識點，但是掌握得深度是不夠的。所以我們采用這樣一種形式：學生用半個課時來講授知識點，接著同學自由提問，最后由老師進行總結。講解的學生通過講解和答疑，一定會加深這個知識的理解。而提問的同學更是開動腦筋，一是對知識點有了初步的了解，二是帶著問題去學接下來老師講授的知識，學習效果更好。

指導建模指的是老師為了鞏固學生所學知識，提出一個實際問題，讓學生去編程解決，但考慮到教師資源有限，可以通過學長幫扶、指導建模這樣一個形式去幫助學生完成這個任務。因為學長們肯定比學生理解得更加深入，也更熟悉學生在哪些點上會遇到困難，哪些點上容易犯錯誤。學長們也會比教師更有熱情，這也是這種形式的另一個優點。

自主學習指的是課后學生去了解知識點背后的趣味歷史。我們希望學生不僅僅只學到這個知識本身，更希望學生學到為什么產生了這個知識點。而獲得這種能力的一個有效途徑就是去了解發展的歷史，而且考慮到我們也不能給學生課后布置太難的任務，不然會打擊其學習積極性。然后每次上課在最后讓學生分享給大家，一方面增加課程的趣味性，一方面讓學生清楚知識點的來龍去脈，還可以鍛煉學生的表達能力。

小組討論指的是在每講授一個知識點之后，讓學生自由討論自己的疑惑，并嘗試著給其他同學解答疑惑。在實際的學習過程中，每個人都有著不同的疑問，指望老師在備課時考慮到所有的情況是不現實的。所以我們讓學生自己去提問，找同學去解答，同學解答不出的由老師講解。這樣一方面解放教師在答疑方面所花費的精力，另一方面鍛煉了學生思考問題的深度以及如何給別人講解的能力。

以上的方式，形式上多種多樣，但最終的目的都是將數據結構課程的重點從“教”變成“學”。當然形式上不局限于上面的形式，只要是基于OBE 的教學創新都可以去嘗試，結果要通過實踐來檢驗。

在教學效果的評價上，我們通過學生互評，組長打分，學長打分收集學生的平時成績。在這里我們根據平時成績得分獲取平時成績的排名，然后我們將排名映射到正態分布，這樣無論采用什么考核問題、得分形式，對學生來說都是公平的，學生都是在和身邊人去比較，也不會存在整體得分偏高和整體偏低的情況。最后我們根據得到的平時成績，上機成績和試卷成績進行加權，最終獲得學生的課程成績。我們可以采用F1 score 評價方式，對這三個成績加權。

5 結 語

基于OBE 數據結構課程設計，以學生為教學主體，采用知識講授、指導建模、自主學習、小組討論等多樣化的教學手段，將數據結構課程的教學與專業實踐應用相結合，相信會在提高數據結構課程的教學質量和提高學生程序設計的實踐能力方面取得了較好的效果。以后我們還要在課外教學過程控制和組織方面進一步探索和實踐，以期教學的各個環節都得到有效的控制和評價。