融合智慧課堂的“數據結構”課程教學改革研究

潘蕾 侯鳳貞 胡建華

摘 ?要：課題進行了基于OBE理念、融合智慧課堂的“數據結構”課程教學改革的探索，從教學目標定位、教學內容設計及教學評價方法制定等多個方面設計了具體的教學改革方案，并借助多個線上線下教學服務平臺嘗試全方位立體式完善和優化“數據結構”課程體系，以期在新形勢下更好地培養學生的基本編程思想及數據處理能力，為將來解決多領域相關實際問題做好能力儲備。

關鍵詞：智慧課堂;“數據結構”課程;教學改革

中圖分類號：TP311.12-4;G642 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）21-0177-04

Research on the Teaching Reform of “Data Structure” Course

Integrated with Smart Classroom

PAN Lei，HOU Fengzhen，HU Jianhua

（School of Science，China Pharmaceutical University，Nanjing ?211198，China）

Abstract：The subject explored the teaching reform of the “Data Structure” course based on the OBE concept and integrated with smart classroom，and designed specific teaching reform plans from multiple aspects such as teaching goal positioning，teaching content design and teaching evaluation method formulation. And with the help of multiple online and offline teaching service platforms to try to improve and optimize the “Data Structure” course system in an all-round way，in order to better cultivate studentsbasic programming ideas and data processing capabilities in the new situation，so they can reserve their ability to solve practical problems in many fields in the future.

Keywords：smart classroom;“Data Structure” course;teaching reform

0 ?引 ?言

“數據結構”是信息科學領域相關專業的一門極為重要的核心專業基礎課。課程內容涉及數據組織方法、算法分析方法以及各類數據處理技術，幫助學生打下扎實的算法設計和編碼能力基礎，是學生擁有程序開發和數據處理能力的重要保障。隨著大數據時代的來臨，各行各業對兼具學科背景與大數據分析與處理能力的復合型人才的需求也日益倍增。醫藥類高等院校肩負著為醫學發展、新藥研發培養主力軍的重任，作為中國藥科大學信管專業核心專業基礎課程之一的“數據結構”，也面臨著與時俱進的改革與挑戰。該課程的教學完成度將會直接影響學生計算思維、數據處理以及利用機器學習方法解決醫藥數據相關實際問題等多方面能力的培養目標的達成。

1 ?傳統“數據結構”課程教學存在的問題

傳統的“數據結構”教學模式以課堂講授、課后作業的形式為主，常易忽視對學生自主學習熱情的激發及專業相關應用能力的培養，缺乏高強度的計算思維訓練;課程涵蓋了軟件編程技術中所有常用的數據結構，而針對這些基本結構的描述大多以抽象數據類型來體現，沒有充分的實例背景和應用作為支撐，學生理解起來有很大難度;隨著Python語言成為公認的大數據分析和人工智能研究的第一語言，越來越多的高校采用了Python語言替代其他語言作為學生們首次接觸的編程工具。而目前在全國范圍內，鮮見基于Python語言的“數據結構”課程設計。

2 ?融合智慧課堂的“數據結構”課程全新教學模式探索

鑒于上節原因，如何借助豐富的網絡信息資源，借助成熟的在線教學平臺及各類優秀教學模式，充分激發學生學習“數據結構”課程的積極性，從而提高課程教學質量是本課程亟待解決的問題。課題組以“新工科”“新醫科”背景下的中國藥科大學信管專業為例，開展了基于教學目標、教學內容、教學模式等全方位的“數據結構”課程教學方案改革。

2.1 ?線上線下混合的翻轉課堂方案設計

課題組通過學習通、課堂派、萬維考試系統、長順江波教學管理軟件等相關教學平臺將前期建設的教學資源發布到線上教學平臺，實現在線學習指導、在線測試、在線學習反饋、實時評價等線上教學工作，以課程在學習通平臺發布實踐任務為例，如圖1所示。

將課程線上資源與線下課堂教學有機結合，實現了發布自學任務點-線上課前測試-線下重難點剖析-案例研討-課后實踐-項目設計與匯報-發布新的任務點的閉環式完整混合式教學方案的設計和使用，教學流程如圖2所示。

以階梯模式的教學方法和以項目為驅動的教學手段，通過小組項目的形式檢驗學生的實戰解決問題能力。考核成績由小組報告的實際完成情況和項目實際運行效果以及項目答辯環節共同決定，小組中的每位成員均要負責項目中的部分具體任務，全面考核項目開發全過程中學生對課程的掌握情況以及個人綜合應用能力，通過組間交互學習，促進教學相長、完成良性互動。

2.2 ?基于Python語言的“數據結構”課程教學內容改革

隨著大數據和人工智能時代的開啟，越來越多的高校選擇開設簡潔優雅、功能強大的Python程序設計課程，據IEEE Sepctrum發布的2019最受歡迎的編程語言Python排名首位。對于非計算機專業的醫藥類高校的信管專業來說，由于該專業培養目標多是聚焦在多學科交叉的復合型人才的培養上，選擇Python作為學生首次接觸的入門語言后，非常有利于基于Python的醫藥大數據處理等后續課程的開展，若仍然選擇其他語言作為數據結構的依托語言，則還需要開展其他語言的教學工作，而“數據結構”課程只能推后，這勢必影響整個課程體系的設置與發展，因此，基于Python的“數據結構”課程改革勢在必行。

目前國內外基于Python的“數據結構”課程已有發布[1，2]，但還比較少見，本課題在全面掌握Python語言程序設計特點的基礎上，參考傳統的基于C、C++語言的“數據結構”課程，基于Python的面向對象機制，考慮到Python語言的自身特色，揚長避短完成了全套基本數據結構的邏輯結構內容及物理結構實現相關的教學環節設計，并結合目前程序設計實踐領域特別關注的內容及生命健康與醫藥大數據處理的特點，完成了全部實驗內容的設計。

將理論內容按章節設計成一個個相對獨立的知識單元，每個單元包括線上自學任務點、在線測試題、線下教學內容、經典算法解析和拓展案例設計等環節，分別應用于上節中介紹的線上線下混合式教學流程中的各個教學階段。以“第五章 棧和隊列”為例，具體教學安排為：（1）教師提前一周在學習通平臺發布第五章教學任務點，學生課前自學并完成預習報告。（2）教師發布課前測，上課前學生完成十五分鐘課前測5，課前測內容的50%為上一章線性表的復習，50%為本章預習檢查，課前測5，如圖3所示。（3）課上教師針對課前測的問題進行講解，并拓展本章重難點，進行深度剖析，讓學生全面了解兩種操作受限的線性結構的概念、抽象數據類型、基本操作的Python實現。（4）教師隨堂發布棧結構的研討案例為：進制轉換、括號匹配、表達式求值問題;隊列結構研討案例為：約瑟夫問題。師生現場互動解決這些問題，學生利用Python編程實現。（5）教師發布分組講解任務：迷宮問題的三種不同解決方案，下次課學生完成分組講解任務。（6）教師總結，并發布下周全新教學任務。

課題組在完成全新的基于Python語言的“數據結構”課程的教學過程中，通過定期座談和課間走訪的形式聽取學生意見，從實踐教學效果中提取出各類經驗，結合前導后繼課程的反饋結果，仍在不斷嘗試提升課程內容改革效果。

2.3 ?基于OBE理念的逆向教學改革

成果導向教育是指基于學習產出的教育模式（Outcomes- based Education，OBE），最早出現在美國和澳大利亞的基礎教育改革中。美國學者斯派帝撰寫的《基于產出的教育模式：爭議與答案》一書中把OBE定義為“清晰地聚焦和組織教育系統，使之圍繞確保學生在未來生活中獲得實質性成功的經驗。”[3]

因此課題組嘗試以各類信息學科競賽、求職升學等需求來驅動教學內容改革。通過把競賽，大型IT公司筆、面試中的相關案例和經典算法貫穿到平時的教學活動中，以提高學生的學習興趣，激發他們的學習熱情。例如：在問題求解過程介紹中引入《九章算術》手動開平方根問題、天平找偽幣問題;在線性結構中引入約瑟夫問題、背包問題、八皇后問題、迷宮問題;在非線性結構引入哈夫曼編碼問題、貨郎擔問題;在擴展項目中結合了醫藥信息數據處理的熱點，如化合物分子式結構處理、天然產物研究熱點分析等，體現了較強的專業特點和學科相關性。

在教學過程中，當完成了線下重難點剖析后，就會依據不同的基本數據結構，引導學生研究這些經典案例的解決方法，并采用Python語言在課后實踐環節將它們一一實現，對于難度較大的案例，會將其作為分組項目分配給學生小組，讓學生們通過團隊合作的形式完成問題的分析、研討和解決，并最終在班級做公開匯報，以全方位提升學生解決專業相關實際問題的能力。

以在各大競賽和面試題庫中的常考內容“迷宮問題”為例，在介紹操作受限線性表棧和隊列的概念及基本操作的Python實現之后，就可引入該問題進行案例研討，具體步驟為：（1）教師在線上知識點學習的拓展部分提出迷宮問題的概念，讓學生提前準備相關資料。（2）線下教學時，教師在介紹完棧和隊列的基本概念和應用后，引入迷宮問題。首先，介紹問題背景：迷宮是一類常見的智力游戲，也是許多實際問題的反映和抽象，例如，在公路網或鐵路網上找可行或最優路線，電子地圖路徑檢索，計算機網絡的路由檢索，情況都與此類似。迷宮問題即對于給定的一個迷宮（包括一個迷宮圖，一個入口點和一個出口點），設法找到一條從入口到出口的路徑。（3）教師利用引導、啟發式提問，讓學生體會到：搜索從入口到出口的路徑的問題具有遞歸性質，并給出問題及解決方案的實例，在此基礎上讓學生嘗試不同狀態空間搜索路線，如圖4所示。（4）請學生針對不同的解決問題方式，完成分組討論、問題解決、報告撰寫等準備工作，并將成果在課上向全班同學展示匯報，全班同學及教師通過學習通為各個小組完成評分操作。（5）教師總結基于遞歸、基于非遞歸的深度優先、基于隊列的寬度優先三種解決迷宮問題策略，并讓學生通過八皇后問題等引申問題徹底掌握解決該類問題的方法，在后期遇到樹和圖的遍歷問題時，引導學生仿照前面的三種思路，設計不同的策略自行解決同類問題，通過線上線下、翻轉課堂等混合式教學的多輪訓練，學生再去處理狀態空間搜索方面的競賽題時完成度和效率都很高。

2.4 ?基于過程性評價的考核方案改革

過程性評價是斯克利文于1967年在其著作《評價方法論》中提出的概念。過程性評價是在學習過程中完成，它強調學習者作為主體適當的參與，是能夠全面促進學習者發展的過程[4]。在課程中引入過程性評價，能夠通過增強師生互動和多任務點分配，充分調動學生的學習興趣和積極性，并根據實時監控對教學過程進行良性調整，避免學生產生畏難退縮情緒，有效提高學習效率，而合理有效的過程性評價方案需要不斷打磨和實踐，從而獲得最佳效果。

本課題按照教學環節包含的三部分內容（線上線下理論教學、實驗教學、分組項目匯報）設計了最終的考核方案。將學生線上學習、課堂出勤、平時作業、實驗成績等多個環節作為課程過程化考核指標，最終的總評成績構成如表1所示。

2.5 ?使用在線評測系統輔助實驗教學開展

非計算機專業的“數據結構”課程普遍存在知識點繁多、結構和算法復雜、總課時偏少的現象，因此，留給學生的動手實踐的課時非常有限，而各類結構及其基本操作要想讓學生熟練掌握并能夠進行實際應用，又不得不需要大量的實操練習來鞏固。針對這樣的現實問題，在教學中嘗試采用了洛谷答題等免費的在線評測系統來輔助實驗教學的開展，學生通過評測系統提交高階作業，在線評測系統能夠自動評判代碼的正確性，并能將評判結果及時反饋給學生，不僅大大降低了教師的工作量，有效提升了學生處理實際問題的能力，也為學生額外加分提供了依據，幫助完善了過程性評價方案中的平時表現加分項等環節，洛谷平臺使用界面如圖5所示。

3 ?結 ?論

課題研究了非計算機專業中開展新形勢下“數據結構”課程教學改革的實施方案。后期還可以在豐富教學案例資源庫、完善過程性評價方案、建設滿足不同類型院校特點的在線評測系統實驗平臺等方面加強和完善課程建設。該教學改革方案可以作為其他綜合性大學非計算機專業學生“數據結構”課程教學改革的參考借鑒。

參考文獻：

[1] LEE K D，HUBBARD S. Data structures and Algorithms with Python [M].Berlin：Springer，2015.

[2] 裘宗燕.基于Python的數據結構課程 [J].計算機教育，2017（12）：32-35.

[3] 申天恩，斯蒂文·洛克.論成果導向的教育理念 [J].高校教育管理，2016，10（5）：47-51.

[4] MICHAEL S. The Methodology of evaluation [M]//TYLER R W，GAGNE R M.Perspectives of Curriculum Evaluation：AERA Monograph Series on Curriculum Evaluation，No.1.Chicago：Rand MeNally，1967：39-83.

作者簡介：潘蕾（1979—），女，漢族，安徽安慶人，講師，碩士研究生，研究方向：深度學習、生物醫藥數據挖掘。