新工科背景下“數據結構”金課教學模式研究

何施茗 李峰 陳曦 王進

摘要：為了提高新工科背景下信息類專業數據結構課程質量，提出基于云教學平臺的數據結構金科教學模式改革方法。主要內容包括：采用翻轉課堂和研討式教學模式;梳理課程間銜接內容，建立數據結構課程模塊化教學體系;改革教學流程，以知識點為單元，充分安排課前、課堂、課后時間，要求學生預習課程并完成作業，結合理論、實訓和研討教學方式，設計完整閉環六環節的教學流程;采用多樣化考核形式，將重心從理論知識考試移向實踐和開發能力培養。

關鍵詞：新工科;數據結構;研討式教學;教學流程

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8228（2020）07-108-04

0引言

隨著新一輪科技革命和產業變革的到來，工程教育作為科技進步和創新的后備支撐將迎來新的機遇和挑戰。自2017年2月教育部積極推進新工科建設以來，各大高校開啟了工科專業教育改革的新征程。同時，教育部發布一流課程“雙萬”計劃，建設一萬門國家級一流線上線下的精品課程和打造一萬門省部級一流線上線下的精品課程。課程建設標準達到“兩性一度”：高階性、創新性和挑戰度。數據結構作為計算機專業的主干課程，為了適應新的發展需要，也將以新工科建設為契機，探索新的教育教學理念，建設高階性、創新性和挑戰度的金課，培養能夠適應時代發展的，具有多元化、創新性的卓越工程人才。

計算機專業基礎核心課程之一的數據結構，是對學科中問題求解理論的抽象和算法設計的方法，其在學科知識體系中有重要位置。課程一般在大學一年級下學期或二年級上學期開設，不僅對前面學過的計算機語言進行總結，而且培養基本的數據結構分析能力和綜合程序設計實現能力，體現著創造性思維的培養過程，是計算機科學與技術人才素質培養的核心。它承上啟下，貫通始終，對學生編程能力培養至關重要，受益終身。目前數據結構課程大致存在如下問題。

（1）本科生缺乏相關解決復雜問題的綜合能力和高級思維。課程以知識點傳授為主，教授和考核環節都未能體現對分析復雜問題、解決復雜問題的能力和思維方式的培養，導致專業人才理論基礎欠缺、專業實踐動手能力不夠。

（2）課程內容未與時代前沿結合，教學形式互動性較弱，教學方式和成果缺乏個性化。課程內容較久未更新，沒有加入前沿的問題和應用，基本采用填鴨式、滿堂灌式教學，缺乏互動，導致教學效果不明顯，學生缺乏學習興趣，難以融入學習中。

為了解決上述培養問題，在現有計算機科學與技術專業培養模式的基礎上，針對計算機專業學生的學習現狀和社會對該專業人才的需求情況，依托云教學平臺、智慧教室和Online Judge在線評測系統，以培養學生算法研發、實踐能力為目標，深入研究基于研討的混合式教學模式和考核改革，打造具有高階性、創新性和挑戰性的金課。

1相關工作

華偉等Ⅲ基于小組合作的同伴教學模式，在教學實施過程、問卷調查、非標準化答案考核、多信息渠道補充等方面開展工作，以兩個實例說明數據結構與算法分析課程全方位立體化教學模式中不同教學模式的相互促進作用，并說明教學效果。龍穎波等為GIS專業的數據結構課程設計實踐教學，在教學內容上兼顧數據結構基礎知識與GIS專業問題的銜接與融合。劉曉靜等培養創新型人才的數據結構課程建設與實踐，通過混合教學改革、加大考核力度、學科項目和競賽培養學生創新實踐能力。王德興等嘲通過微信把教學資源（如課程PPT、視頻或動畫等）中的數據結構知識點進行講解和展示，學生在碎片化時間學習小知識單元，讓學生可以不受時間、地點的限制。張冰濤等為適應工程認證要求，將原有以理論教學為主的教學方式，轉換為以理論教學為基礎、實踐教學為核心的教學體系，構建6-8個科學可行的實踐教學案例，從而鍛煉和培養學生的工程實踐能力。潘磊等從教材選擇、教學內容改革、教學模式改革、考核方法等方面提出并實施了相應的教學改革方案。

2實施方案

2.1整體思路

采用翻轉課堂和研討式教學模式，堅決強化學生的主體地位，著力培養學生自主學習的習慣，讓學生先預習課程并完成作業，教師通過評估作業的完成情況，了解學生知識點的掌握情況，在課堂上有的放矢，節約教學時間，提高教學質量。

實踐教學是數據結構課程必不可少的環節，是培養學生動手實現能力、綜合知識運用能力的必要環節。在總學分不變情況下，調整理論和實驗課比例把節省出的理論課時全部加到討論和實踐環節上。

加強程序設計語言與數據結構的銜接內容，同時銜接避免課程之間重復的知識點設置，全面提高學生的計算思維和編程能力。重構課程內容，把課程的每一章每一節的知識點提煉出來，每周設置一節理論課、一節實驗課、一節研討課。

建立數據結構課程模塊化教學體系，包括基礎知識、關鍵技術和開發基礎知識，作業體系包括預習作業、課堂習題、研討作業（小程序開發實驗和應用軟件開發實驗）。

改革教學流程，以知識點為單元，充分安排課前課堂課后時間，結合理論、實訓和研討教學方式，設計六環節的教學流程，實現教學過程的完整閉環。

對于關鍵技術等理論知識，考慮到該課程理論性強、難度大等特點，采取深入淺出的原則，對每個教學內容結合實際應用問題，和類比其他場景的類似問題和方案，以更加生動的方式講述該課程的內容，引導學生逐步理解概念與原理之間、原理與應用之間的聯系。課堂提問常態化，提高學生上課的抬頭率。設計程序開發實驗內容，通過應用程序開發，提高學生的動手能力。

圍繞教學體系和作業體系，將到課率和整個作業體系納入到考核中，使得考核形式多樣化，將重心從理論知識考試移向實踐和開發能力培養。

2.2具體方法

采用翻轉課堂和研討式教學模式，建立數據結構課程模塊化教學體系和作業體系，體系中通過數據結構經典算法來吸引學生的興趣，通過引導式教學和圖文并茂的講解方法來幫助學生理解算法的基本思想，然后通過研討作業中的小程序開發提高學生的動手能力，最后通過考核改革將學生重心從理論知識考試移向開發能力培養，將課程考核理論和實踐占比從以前的7：3調整為4：6，達到改革目標。

借助信息化輔助云教學平臺“計通云學寶”、“OlineJudge”系統和智慧教室開展教學和考核改革。“計通云學寶”實現了教學內容和過程標準化，同時兼顧學生個性化需求;監控課堂教學全過程，量化教學質量的評估與考核;打造虛擬化的企業級實驗環境。不能上網、不能拷貝，學生在“云學寶”中編輯的每一個程序都需要學生自己輸入每一個字符。教學考核“OlineJudge”系統提供全天候的在線自動評測，學生提交程序代碼，無需人工判定，系統根據測試樣例自動給出評判結果和錯誤提示。與ACM-ICPC國際大學生程序設計競賽和CCF CSP測試采用一致的評測方式，可直接對接，是學生課后通過刷題練習提升編程能力的有效平臺。智慧教室為實踐研討式教學設計，便于學生分組進行學習、討論和研究。不同于一般教室的橫排和大圓桌的位置擺放，智慧教室包括6張小討論桌，每個討論桌上都配置42寸顯示屏，可隨時切換投影組內學生的筆記本電腦;教室前后都安裝黑板，6個小組都可同時板書思路或討論結果并進行講解，實現了靈活的電子、手寫的組內、組間的討論方式。

重構專業基礎課內容，把課程的每一章每一節的知識點提煉出來，每周設置一節理論課、一節實驗課、一節研討課。改革教學流程，以知識點為單元，充分安排課前課堂課后時間，結合理論、實訓和研討教學方式，設計六環節的教學流程，實現教學過程的完整閉環，如圖1所示。教與學流程為：教師布置教學任務→學生預習并提交第一預習作業→教師根據學生完成的預習作業進行重點知識講解→學生學習并修正第一次預習作業→教師組織OJ實訓與討論→學生參與OJ訓練與討論。培養學生自學能力、研討能力、團隊協作能力、交流能力。

2.3建立數據結構課程模塊化教學體系

對c++語言的知識進行復習，C++語言程序設計課程學習的好壞將直接影響數據結構課程學習的效果，在數據結構課程開課的第一周的課上，任課老師對c++語言課程中類、封裝和繼承進行適當的復習，對這部分內容進行梳理和強化，為數據結構課程的講解奠定基礎。具體參見表1。

任課老師在講解算法時需要采用多種教學手段，如啟發式教學，在教學過程中根據教學任務和學習的客觀規律，從學生的實際出發，采用多種方式，以啟發學生的思維為核心，調動學生的學習主動性和積極性。在數據結構的授課過程中，引導學生掌握解決問題的方法，讓學生參與到探索教學的過程中，激勵學生自我思考，充分發揮主觀能動性，開發創造能力，使學生在學習過程中有成就感，這樣有利于培養他們確立科學的態度和掌握科學的方法。

實踐和案例教學，案例式教學，是通過模擬和重現真實工程應用中的一些問題或事件的案例，讓學生把自己納入案例場景，通過討論或者研討來進行學習的一種教學方法。教學中既可以通過分析、比較，研究各種各樣案例的成功和失敗。此種方式，有助于培養和發展學生主動參與課堂討論。

在課堂上，除了用PowerPoint進行演示外，還可以利用Word直接進行案例設計與講解，另外結合編程環境，直接在課堂進行算法的編寫與調試，讓學生身臨其境，對知識點有更加感性的認識。研討課上，學生分組實踐答題，每組派學生代表，用黑板或教師機解題。學生理論學習之后立即實踐，能夠多角度的理解所學的知識，并應用到解決實際問題，有利于鍛煉學生的綜合性的分析與解決問題的能力。

2.4課程考核評價體系

考核形式多樣化，圍繞課程內容，考核形式包括到課率、課堂提問、預習作業、基礎實驗作業、綜合實驗報告、期中考試等等。具體參見表2、表3。本課程考核擬采用平時考核與期終考核結合的方式。平時考核成績占總成績的70%，期終考核成績占總成績的30%。平時考核成績合格才能參加期終考核，平時考核和期終考核都達到及格才為有效，兩項分數合計為課程最終成績。

3建設與改革成效

改革從2017級學生開始試行，并且要求2017級之后所有學生必須參加CCF計算機軟件能力認證（cCF CSP認證）。2017年第十一次認證參與121人獲全國17名，2018年第十三次認證參與100人獲全國28名，第十四次認證參與316人獲全國7名，第十五次認證參與411人獲全國22名，2019年第十七CCF次認證參與306人獲全國7名（第十六次CCF未公布排名）。大學生計算機系統與程序設計競賽（cCF CCSP競賽）成績2016年獲得第六名，2017年獲得第七名，2018年獲得第三名，2019年獲得第十五名。相關教學改革獲得2019年湖南省教學成果三等獎。

4結束語

經過四年課程建設與改革，人才培養質量顯著提高，學生實踐創新能力大幅度提升，取得了良好的教學成效。在數據結構課程的建設中，依托云教學平臺和OnlineJudge、翻轉教學和研討教學，結果單元模塊和六環節的教學過程，建立科學的課程體系，實現創新型人才培養目標。引導學生自主學習，參與教學的全部環節之中，實現實踐創新能力培養。