面向新工科的數據結構課程改革與實踐

楊嫘

摘要：本文研究和分析面向新工科的教育改革方法，結合廣西師范大學漓江學院計算機類專業的數據結構教學，在新工科背景下對整個教學方案進行了改造和優化，重新設計了基于OBE的課程學習目標、教學內容框架、教學實施方法以及突出過程性考核的評價方式。改革后的教學方案體現產出導向的教學思想，關注學生的學習效果，注重工程實踐能力的培養，對工科類應用型課程建設具有一定的參考價值。

關鍵詞：數據結構;OBE;? 線上線下混合;實踐教學

Abstract： This paper studies and analyzes the educational reform methods for the new engineering， combined with the data structure teaching of the computer science major and the related majors in Lijiang College of Guangxi Normal University， reforms and optimizes the whole teaching plan under the background of the new engineering. Based on OBE，It redesigns the curriculum learning objectives， teaching content framework， teaching implementation methods and evaluation methods that highlight the process assessment.After the reform， the teaching plan reflects the outcome-based education teaching idea， pays attention to the learning effect of students， and the cultivation of engineering practice ability， which has certain reference value for the construction of engineering applied courses.

Key words： data structure;OBE;mix of online and offline;practical teaching

1引言

隨著云計算、物聯網、大數據和人工智能等新信息技術的興起與發展，人類社會從工業社會全面進入信息化社會。社會的變革必將導致教育的變革。為主動應對新經濟、新產業、新業態和新模式，教育部高教司推動“新工科建設”。2018年3月15日，教育部辦公廳印發了關于公布首批“新工科”研究與實踐項目的通知，認定612個項目為國家級新工科研究與實踐項目[1]。這些項目全面覆蓋工科優勢高校、綜合性高校和地方高校。可見，新形勢下的工程教育變革已悄然展開。工程教育的根本任務是培養工程技術人才，人才培養的重點是專業建設，而專業建設的落腳點是課程建設。數據結構是計算機類專業非常重要的一門專業基礎課，在學科體系中起著承上啟下的作用。如何在新形勢下提高該課程的教學質量是一個值得探討的問題。朱潔、高春曉、趙蕓、曲超[2-5]等人對OBE理念下數據結構課程改革進行了有益的探索，主要改革形式有在線課程建設、翻轉課堂、綜合計算機軟件能力認證內容等。本文借鑒以上學者結合OBE教育理念進行課程改革的成功經驗，針對本校應用型人才培養定位，對數據結構課程教學方案進行了重新設計，改革后的教學方案體現產出導向的教學思想，更關注學生的學習效果。

2 OBE教育理念

OBE（Outcome-Based Education）教育理念是1981年由William Spady率先提出[6]，并逐漸成為美國、歐盟等國家教育改革的主流理念，美國工程教育認證協會將其貫穿于工程教育認證標準的始終。隨著2016年6月，我國加入《華盛頓協議》組織，OBE成為我國工程教育認證體系的核心理念。這一理念關注：學生的學習成果是什么（學習目標）、為什么是這些成果（設計依據）、如何有效地幫助他們取得這些學習成果（教學設計）、如何知道學生已經取得了預定的學習成果（學習評價）以及為了達到預定的學習成果需要不斷改進教學過程（持續改進）。顯然，在這樣的理念指導下，以學科知識體系為核心的課程組織模式已經不能適應新工科背景下的工程教育，應該轉向以學習效果為目標驅動的模式。該模式強調反向設計[7]，即首先要準確定義需求，然后由需求確定培養目標，再由培養目標確定畢業要求，最后由畢業要求決定課程體系。同理，課程設計也需要遵循反向設計原則，歸納其設計路線如下：首先課程學習目標的確定需支撐畢業要求的達成，然后倒推課程學習目標需要哪些教學內容作為依托，接著為了讓學生掌握這些內容，需要進行怎樣的教學設計，最后針對教學設計的效果進行評判，即設計能夠客觀反映學生學習成果的課程評價方式。

3 基于OBE的數據結構教學設計

3.1 學習目標

我校屬于應用型本科院校，計算機類專業實行大類招生，下設計算機科學與技術、軟件工程、數據科學與大數據技術等三個專業。專業大類的培養目標是學生具有良好的道德與修養，遵守法律法規，具有社會和環境意識，掌握數學與自然科學基礎知識以及計算系統相關的基本理論、基本知識、基本技能和基本方法，具備包括計算思維在內的科學思維能力，能清晰表達，在團隊中有效發揮作用，綜合素質良好，能通過繼續教育或其他的終身學習途徑拓展自己的能力，了解和緊跟學科專業發展，在計算系統設計、開發、部署與應用等相關領域具有就業競爭力，能夠立足于廣西面向珠三角區域，成為高素質應用型技術人才。結合計算機類專業的培養目標，進一步明確如下學生畢業要求。

GR1：知識要求

GR1.1：掌握基本的人文和社會科學知識;

GR1.2：掌握從事計算機類專業工作所需的數學和其他相關的自然科學、系統科學知識;

GR1.3：理解計算學科的基本概念、知識結構、典型方法，建立數字化、算法、模塊化與層次化等核心專業意識;

GR1.4：掌握計算學科的基本思維方法和研究方法;

GR1.5： 了解與計算機類專業相關的職業和行業的重要法律法規及方針政策，理解工程技術與信息技術應用相關的倫理基本要求，在系統設計過程中能夠綜合考慮經濟、環境、法律、安全、健康、倫理等制約因素;

GR1.6：了解計算學科的發展現狀和趨勢。

GR2：能力要求

GR2.1：具有運用辯證唯物主義的基本觀點及方法認知、分析和解決問題的能力，能夠綜合運用所掌握的知識、方法和技術解決實際問題;

GR2.2： 具有組織管理能力、表達能力、獨立工作能力、人際交往能力和團隊合作能力;

GR2.3：具有終身學習意識，能夠運用現代信息技術獲取相關信息和新技術、新知識，持續提高自己的能力;

GR2.4：具有創新意識，并能夠對技術和產品進行初步創新;

GR2.5：具有初步的外語應用能力，能閱讀本專業的外文材料，熟悉本專業國內外現狀和發展趨勢，具有國際視野和跨文化交流、競爭與合作能力。

GR3：素質要求

GR3.1：具有人文社會科學素養、職業道德和心理素質，社會責任感強;

GR3.2：具備健康的體魄、良好的身體及心理素質，具有正確的世界觀、人生觀與價值觀。

我校計算機類專業實行大類招生，前1.5年所開設的課程相同，在培養方案中，數據結構課程在一年級第二學期開設，包括51個理論課時和34個實驗課時。根據OBE反向設計原則，該課程需要對學生培養起到支撐作用，結合我校的專業培養目標和畢業要求定義如下課程學習目標。

LO1：理解數據結構和算法基本概念和基礎知識;

LO2：掌握算法的時間復雜度和空間復雜度分析方法，具備算法的時間復雜度和空間復雜度分析能力;

LO3：掌握線性表、棧、隊列、樹、圖、查找和排序等基本數據結構及其相關算法的設計， 理解遞歸、貪心、分治等程序設計方法;

LO4：掌握從邏輯結構、存儲結構到基本運算算法設計的流程，能夠編寫程序實現相關的算法;

LO5：初步了解線性表、棧、隊列、樹、圖和排序的相關算法的應用;

LO6：具備個人工作和團隊協作的能力;

LO7：能夠進行自主學習，運用不同數據結構和算法提高解決問題的效率。

OBE教育理念更關注學生學什么，學會了多少。不同于傳統以學科知識體系為核心設計課程教學目標，我們需要設計的是課程學習目標。而學習目標需要與專業的畢業要求相關聯，表1是課程能力支撐矩陣，給出了課程目標與畢業要求的映射關系，它們之間是一一對應關系，如課程目標LO2支撐著畢業要求GR1.2的達成，LO1支撐著畢業要求GR1.3的達成。

3.2 教學內容

對于應用型本科院校，課程學習更應該突出實踐能力和工程能力的培養，學生的動手能力定位要高于研究型本科院校。于是，我們設計了一個以項目為載體的工程化教學框架（表2），將與達成學習目標相關的學科知識融入其中。

在上述重構的教學內容框架中，項目難度分為初級和高級。初級項目是必須完成的任務，否則實驗成績記不合格，而高級項目是選做項目，項目組可根據小組情況決定是否完成該任務。一個項目組由3～5名學生組成，項目需要通過團隊協作的方式完成任務。項目開展過程中，教師全程參與，一方面以項目為載體講授內容，把兩大技術（排序和查找）和五種數據結構及其算法內化在整個教學過程中，另一方面錄制項目代碼視頻，便于學生能夠“手把手”地完成初級項目，但高級項目僅提供部分視頻，即在教師部分“放開手”的情況下，學生嘗試獨立完成項目。這種任務明確，情境真實的教學內容框架設計既能培養學生解決復雜工程問題的能力，又能保證學習的趣味性和成就感，從而增強學生學習的主動性。

3.3 教學實施

在教學實踐過程中，我們關注的核心問題是：如何讓學生達到預定的學習目標。進一步分解，就需要回答怎么做才能保證每個學習小目標的達成。我們采取的做法大致如圖1所示。首先以周為單位下發學習任務單，接著學生根據學習任務單學習、參與教學活動，教學活動結束后，學生需要對自己的學習效果做出評價以及參與階段性測試，最后結合學生的主觀評價和客觀測試情況對教學過程進行必要的調整，以達到持續改進的目的。

學習任務單是每周學習的向導，當中列出一周內需要完成的各項任務，并且明確每個任務必須完成的時間節點。這種依照任務單開展學習的方式，能夠量化學習目標，讓學生更明確某段時間內需要學習的知識。同時，任務單也是學生對自己學習成效主觀判斷的依據，即學生可以根據任務清單，對各項任務的完成度和完成效果進行判斷，一方面梳理知識框架，另一方面提醒自己還有哪些不足之處。

在任務的設計上，我們將任務劃分為“3+2”的形式： “3”是課前、課中和課后三個階段，“2”是線上、線下兩種形式。具體的教學實施主要依托線上線下混合式教學和基于Online Judge的實踐教學。

（1）線上線下混合式教學

數據結構課程存在抽象、術語多、理解難度大等特點，學生學習有一定的難度。我們將陳述性知識以SPOC形式發布供學生課前學習和課后復習，課上通過教學平臺發布互動答題對學習效果進行檢測。SPOC依托微課呈現知識打破時間和空間的限制，使得學生可以根據自身的學習情況，進行個性化學習。對于程序性知識，則開展以項目為載體的線下課堂教學。在作業的設計方面，我們采取小組作業和個人作業相結合的形式。小組作業要求線下合作討論開展項目并完成實驗報告，而個人作業是線上基于Online Judge（簡稱OJ）平臺開展的編程作業。

（2）基于OJ的實踐教學

OJ是指在線的判題系統，它支持源代碼程序的在線提交，對源代碼可以進行編譯和執行，并能通過預先設計的測試數據對源代碼程序進行自動評測。這種方式不僅極大減輕了教師批改程序類作業的負擔，還做到了對學習過程的實時反饋。OBE教育理念更關注學生的學習效果，基于OJ布置編程作業，能夠對學生的編程過程做出反饋，這樣未通過的學生可針對反饋信息進行反復訓練，直到通過為止。此外，系統后臺提供代碼查重、數據監測等功能，便于我們使用信息化手段對學生的學習過程進行有效監督。

3.4 評價方法

基于OBE理念的教學始終圍繞著學生的學習效果展開設計和實施。傳統以知識記憶為主、期末一次考核的方式不適合衡量學生學習目標的達成度。因此，我們需要針對上述課程實施過程，設計一種新的評價方法，多角度、全方位地檢驗學生的學習效果。定義如下表3所示的評價方法。

考核成績由原來期末一個總體的評價劃分為三個階段，且同時兼顧線上和線下學習效果檢測。SPOC成績是課前觀看完視頻，參與話題討論的得分;階段測試是針對概述、線性結構、樹、圖等知識學習效果的測試，允許學生反復測試，直到通過為止;期末測試類似于傳統考核的期末考試，是對所有知識的綜合測評;針對SPOC學習效果的檢測通過互動答題體現。根據專業應用型人才培養的需求，需要突出工程實踐能力，我們將實驗設置為單獨考核。在實驗考核的成績構成上，小組實驗報告主要評價團隊溝通和協作能力;對于個人編程能力的評價，分為OJ閉卷測試和OJ開卷測試，閉卷測試是針對線性結構、排序和查找等基礎內容的測試，可迭代測評;OJ開卷測試類似于期末實驗考試的機試。

4 結語

新工科建設是國家主動應對新科技革命與產業變革在教育上的戰略行動，高等院校工科類專業教育教學改革應緊緊圍繞這一行動展開。數據結構作為計算機類專業的一門核心基礎課，在新形勢下傳統的教學模式已經無法取得良好的教學效果。因此，我們基于OBE教育理念對課程進行改革，改革采用反向設計原則，從專業人才培養和畢業要求倒推課程學習目標，構建課程能力支撐矩陣，重構教學內容，實施以學習效果為中心的教學設計，提出突出過程、迭代式的評價方式。后續，我們需要對改革效果進行更詳盡的分析，探索更多有效的教學設計，對教學過程進行持續改進，以幫助學生學習目標的達成。

參考文獻：

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【通聯編輯：王力】