數據結構實驗金課建設教學探索與實踐

王 彤， 鮑玉斌， 楊 雷， 張立立， 劉佳良

（東北大學a.計算機科學與工程學院；b.PBL教學創新研究中心，沈陽 110819）

0 引 言

數據結構課程是計算機專業及電子信息類等其他專業的一門專業核心課程，具有知識點多、理論性強、抽象程度高及實踐性強等特點，是學習數據庫系統、編譯原理、操作系統的重要先行課程，也是軟件開發的基礎，具有較高的實踐要求。在教育部實施的“高等學校教學質量與教學改革工程”中，提出要“高度重視實踐環節，提高學生實踐能力”［1-2］。因此，實驗與實踐教學是數據結構教學的必要環節。但學生在數據結構實驗課程學習過程中常遇到內容多、算法抽象難于理解、難以將算法轉化為可運行代碼以及遇到實際應用問題無從下手等問題，影響了后續課程的學習。

為著力解決上述問題，順應社會對創新人才需求的趨勢，響應教育部打造實驗教學各類“金課”課程建設，全面提高人才培養質量，支撐引領教育現代化發展［3］的號召，圍繞教育部指出的“金課”需要具備的“兩性一度”，即高階性、創新性和挑戰度，本次數據結構實驗金課建設教學探索圍繞解決實際應用問題，以在線實驗平臺和線下教師引導相結合的線上線下混合式的方式開展，主要探討了實驗教學體系構建、實驗教學內容設計與指導、實驗考核要求與評價方法以及實驗教學效果等。實驗內容分為驗證型、設計型、應用性探究式綜合創新型實驗3個層次，具體實現形式為在線課前預習、線上基礎實驗以及線下應用性探究式綜合創新實驗具體實現形式，即線上預習、線上較難知識點動畫演示、在線基礎實驗、線下教師引導、線下學生分組協作應用性綜合創新實驗、線下答辯、綜合評價等具體環節以及課后方便學生自學的在線習題、配套參考資料“數據結構實驗教程”等。

課程體系構建與金課建設相適應。首先，課程具備高階性，本實驗課程建設旨在深化教育改革，注重知識、素質和能力全面發展，以培養具有堅實專業基礎、實踐能力和創新思維等綜合能力的人才為目的；實驗題目設置具有創新性，應用性探究式綜合創新型實驗為實際應用問題具有前沿性和時代性，學生分組完成，并可根據小組情況從教師提供的題目中選題或自擬題目，同時教學形式具有較強的互動性，采取線上自主實驗與線下教師引導探究式學習相結合的方式開展課程并以答辯、綜合評價等形式結課；課程題目同時具有一定程度的挑戰性，因課程題目以日常生活、工作中遇到的實際問題為背景，如何存儲數據和數據之間的關系，并基于存儲結構設計合適的算法已達到解決實際應用問題的目的是數據結構實驗的教學目標。

本課程建設旨在幫助學生扎實基礎、開啟創新思維，進而提高實驗教學質量，培養學生在知識綜合運用和工程設計等方面的分析并解決復雜問題的綜合能力和高階思維，為以后的進一步學習奠定基礎。

1 研究現狀

近年來，不少院校從實驗教學體系、教學方法、教學內容、教學平臺、教學方案等方面進行了研究、改革和探索，實驗與實踐教學的重要性也得到了一定的認同，同時總結了教學中出現的常見問題。文獻［4］中針對數據結構知識點多、理論性強、實踐性強的特點，提出了3層階段遞進式實驗教學方案。文獻［5］中根據CDIO工程教育原理，提出將軟件工程訓練融入數據結構實驗教學過程的方法和實踐手段，教學設計包括驗證性和設計性兩部分實驗，該方法有助于提高學生對該課程的學習興趣，有效提高課程教學效果，并為學生后續課程的學習奠定良好的軟件工程基礎。文獻［6］中設計實現了一個以數據結構經典算法為主體的雙邊教學實驗平臺，可以支持教師的算法動態教學演示和學生的自學推導，通過圖形化、虛擬化的方法逐步展示經典數據結構與算法分析和計算過程，可以幫助學生理解數據結構課程中經典算法的設計思想，設計策略，時空復雜性以及實現過程，使學生更好地掌握數據結構與算法課程的教學內容，提高課堂教學效率和學生的自學創新能力。文獻［7］中構建數據結構實驗教學體系，對實驗目標和內容進行分層設計，讓普通學生學得更扎實、好的學生走得更遠，通過實踐學生參與實驗的主動性增強，數據結構與算法的設計與應用能力得到了有效訓練和提高。文獻［8］中針對課內實踐教學的突出特點是學時少、任務重、期望值高的特點，提出了找出關鍵知識點，利用有限的課內實踐教學重點對這些關鍵知識點進行強化，使學生有進行課外實踐能力的基本思路和教據結構課內實踐教學方案，并根據難易程度將實驗題目分為基礎型實驗題目、單點設計型實驗題目和多點設計型實驗題目。文獻［9］中針對現有的教學模式提出引入CDIO思想的教學模式，闡述了CDIO大綱的實施標準，將該方法應用于課程的具體教學環節，并對實踐教學項目和考核方法進行重構，包括驗證型、綜合型、設計型和創新型實驗。文獻［10］中通過構建數據結構課程實踐教學平臺，形成了從平時實驗、期中和期末考試的模式，并依靠該教學平臺和資源，實現了多角度的以教師為主導、學生為主體的教學改革與實踐。文獻［11］中討論以自主開發的Online Judge（OJ）為實驗平臺，在數據結構實踐教學過程中，引入學習團隊和分層次教學，運用探究式教學模式，以OJ上的問題為核心與載體，在課堂內、外的自主探究與合作探究中凸現學生學習的主體性、實踐性，提高學生的實踐能力，以及改革實驗考核方式來提高教學質量。文獻［12］中針對數據結構課程中出現的學生編程基礎不扎實、重理論輕實踐、缺乏實踐能力和創新能力，提出了內容面向應用的教學改革方案。文獻［13］中探討了大規模開放在線課程（MOOC）的出現對計算機實驗教學提出新挑戰、實驗教學的重要性和特點以及目前實驗教學在在線大規模實驗方面的一些探索和實踐，介紹了軟件實驗借助在線評測系統自動完成實驗程序的驗證和評價。文獻［14］中基于SPOC教學模式，闡述了計算機實驗教學云平臺設計及其在教學實踐中的應用，包括學生可在該平臺上完成課前預習、課堂實踐、在線提問、課后整理實驗數據、撰寫并提交實驗報告等，通過平臺的使用提高了有效學習時間，形成了有效的師生互動和及時反饋的評價機制。文獻［15］中介紹了學生對“數據結構”邏輯結構與存儲結構及其經典算法理解困難，利用動畫演示將數據結構算法的執行過程像物理實驗和化學實驗一樣直觀形象地呈現在學生面前，幫助學生理解和學習。文獻［16］中針對數據結構課程實踐教學中的若干問題，在自主開發的程序設計競賽在線測試平臺上有針對性地提出平臺改進、試題設計和教學改革的方法，闡述這些方法應用到實際教學工作中對數據結構課程教學的促進作用，并取得了良好效果。文獻［17］中針對數據結構實驗教學過程中學生積極性不高、實踐動手能力不強的教學實際，分析傳統實驗教學存在的主要問題，提出分層次教學的基本思想，從目標分層、分層評價和分層次教學應注意的問題等方面闡述分層次教學的實施方案。

針對以上情況，結合課程學習目標提出了圍繞解決實際應用問題，以在線實驗平臺和線下教師引導相結合的形式開展多層次、立體化數據結構實驗教學體系構建，并詳細闡述了實驗教學內容與方法、實驗考核要求與評價方法等。

本數據結構實驗課程建設目標旨在深化教育改革，加深學生對數據結構理論知識的理解，并注重知識、素質和能力全面發展，以培養具有堅實專業基礎、實踐能力和創新思維人才為目的，提高問題求解能力和創新思維水平，同時這也是我校計算機國家級實驗教學示范中心實驗課程一直遵循的教學理念。

2 實驗教學體系構建

數據結構實驗教學體系以理解抽象的理論知識、掌握典型的應用以及利用數據結構知識求解實際問題的創新探究能力為教學目標；實驗教學內容的題目設置以多層次、立體化為宗旨，由基礎到應用，由易到難，循序漸進，分為驗證型、設計型以及應用性探究式綜合創新型3個層次實驗；借助于購置的希冀在線實驗平臺開展在線驗證型實驗和設計性實驗，具體實現形式為驗證型實驗為在線課前預習形式開展，設計型實驗為線上基礎實驗，二者均為在線自動測評實驗；線下應用性探究式綜合創新實驗則以問題求解為驅動，“教師引導，學生主導”的方式，以2或3名學生為1組的組長負責制從教師所提供的題目中選擇或自擬題目并通過任務模塊化、探究、討論以及教師答疑等方式逐步完成實驗題目，并組織學生以組為單位進行項目展示，考核機制為過程和結果相結合的綜合考核評價機制，并通過教師、學生不同角度評價得到最終的考核結果。最后，鼓勵學生進一步完成數據結構課程設計、參加開放實驗項目、校企合作項目以及參加競賽等，引導學生綜合運用所學知識解決實際應用問題。數據結構實驗教學體系如圖1所示。

2.1 實驗教學目標

實驗教學目標為理解抽象的理論知識、掌握典型的應用以及利用數據結構知識求解實際問題的創新探究綜合能力3個層次。

理解抽象的理論知識是開展數據結構實驗的基礎。強調達到理解、驗證基本概念，即在理解和掌握數據結構基本概念的基礎上實現所學數據結構中涉及的基本操作。

掌握典型的應用是學習算法設計和完成后續實際應用問題的核心，即完成后續應用性探究式綜合創新型實驗。強調掌握每種數據結構中的一些經典應用和算法，并具備通過數據結構和算法設計思想解決簡單的實際應用問題，進而舉一反三為后續的高階實驗做準備。

利用數據結構知識求解實際問題的創新探究綜合能力是最終完成應用性探究式綜合創新型實驗的關鍵。強調將探究式學習能力、創新思維能力和問題求解能力相結合發現問題、解決問題，將實際問題抽象為數據結構的邏輯結構和存儲結構，并設計高效的算法解決實際應用問題。

2.2 實驗教學內容

對應于實驗教學3個層次的目標，實驗教學內容分為驗證型、設計型和應用性探究式綜合創新型3部分實驗內容。

驗證型實驗部分與理解抽象的理論知識的實驗教學目標相對應。通過驗證基本概念、實現數據結構、相應的基本操作并進行簡單調用，使學生加深對概念和數據結構相應知識點的理解，提高學生的代碼實現能力。如線性表結構中，鏈表及其基本操作的實現和簡單的調用；如隊列結構中，循環隊列及其基本操作的實現和簡單的調用，驗證隊列的空和滿操作；例如，圖結構中鄰接表、鄰接矩陣及其基本操作的實現和簡單的調用。

圖1 數據結構實驗教學體系

設計型實驗部分與掌握典型的應用的實驗教學目標相對應。通過將教材中以偽代碼形式給出的典型應用算法等轉化為可運行的代碼，或啟發學生通過調用驗證型實驗已實現的部分數據結構及其基本操作并結合算法設計思想解決一些簡單的實際應用問題，從而達到拓寬學生視野、啟發學生思維、提高學生的算法設計和實現能力的目的。這些經典應用、算法和簡單的實際應用問題的特點是相對于復雜的實際應用可以較直接的抽象出與之對應的數據結構，并采用何種算法解決該問題。如車廂調度問題、括號匹配問題，這些問題可以通過選取適當的數據結構、利用基本操作的調用和算法思想進一步設計和實現；例如，圖結構中的普利姆、克魯斯卡爾、迪杰斯特拉等經典算法，可在實現經典算法后將其用于解決更復雜的實際應用問題，為后續完成應用性探究式綜合創新型實驗做準備。

應用性探究式綜合創新型實驗部分對應于利用數據結構知識求解實際問題的創新探究能力的實驗教學目標。教師為學生提供多個實際應用問題的相關題目，學生自行組隊并確定組長，可從教師所給題目范圍內選題或自擬題目。教師所提供的題目如互聯網域名查詢系統、校園導游咨詢、學期授課計劃編制、CCSP大賽、ACM大賽等程序設計競賽題目。這些題目與上述的設計型實驗相比，題目本身復雜度更高，數據和處理更復雜，在問題的描述中也無直接的信息說明使用某種數據結構，學生需要分析要處理的數據、數據關系以及要做的何種操作，進而選擇合適的一種或幾種數據結構結合起來并設計算法解決該問題；同時，學生也可自擬題目。通過完成應用性探究式綜合創新型實驗，學生對所學相關知識有更深刻的體會，同時可培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維，進而達到課程學習的總體目標。

2.3 實驗教學方法

驗證型和設計型實驗學生均在線上完成，借助線上平臺中教師課前準備的教學資源，包括實驗教學文檔、相關教學視頻、較難知識點動畫演示以及實驗常見問題解答等相關資源，以學生自主學習資源完成線上題目（驗證性和設計型實驗題目），教師及時提供提示和答疑為主，并強調實驗環節緊跟理論教師的授課進度，學生可不受時間和空間的限制，在教師規定的時間前完成驗證型實驗和設計型實驗部分內容。其中，自主學習資源為實驗教學文檔，具體包括數據結構課程實驗實施方案、在線實驗平臺的使用手冊、相關教學視頻、較難知識點動畫演示以及實驗常見問題解答等相關資源，實驗課程課件（幻燈片）、實驗環境安全手冊、實驗報告封面和模板以及實驗注意事項等。驗證型實驗設置在理論教師教授完基本概念之后，以在線課前預習的形式給出，要求學生在線完成，教師可在在線平臺查看學生進度，檢查、監控實驗完成情況和過程，同時提供在線和論壇答疑；在設計型實驗部分，設置章節結束后在新的章節開始前，教師將提醒學生，在完成設計型實驗實現數據結構的各基本結構的基本操作時，不要僅局限于教材中提供的基本操作，可根據實際用途自行增加或擴展必要的操作，啟發學生根據所學知識積極思考、靈活運用、提高算法設計和實現能力，同時本部分教師可與學生實時互動答疑或以論壇答疑（師生和學生間交流）或視頻的形式講解，并實現實驗過程的監督、檢查以及查看學生的實驗進度和實驗完成情況，并將共性的難點及時總結，在后續的線下課堂上集中講解。

應用性探究式綜合創新型實驗在線下以“教師引導，學生主導”的項目驅動形式開展。應用性探究式綜合創新型實驗題目，以小組為單位完成，2或3名同學為1組，采取組長負責制，題目可從教師所提供的題目中選擇或自擬題目，題目均為較復雜的實際應用問題，首先方案設計、教師評估，評估通過后組織學生以組為單位進行項目展示，包括演講、答辯以及評價交流，了解不同解決方案，通過交流分享遇到的問題及解決方法，進而拓寬設計思路。

上述教學方法把傳統學習方式的優勢和在線學習的優勢相結合，既發揮了教師引導、啟發、監控教學過程的主導作用，又充分體現了學生作為學習過程主體的積極性、主動性與創造性。

這里需要說明的是，每章節的驗證型實驗和設計型實驗均要求學生在本章對應的線下實驗開展前完成，數據結構實驗共16學時，線上實驗由于不受時空限制不占用學時數，每次線下實驗均為4學時，最后一次實驗進行項目展示、答辯及評價，項目展示的題目范圍為前3次實驗（由于學時限制第4次實驗題目的相關內容在報告中考察）任選1題進行項目展示及答辯，教師評價、學生以組為單位互評最后綜合實驗報告等計入考核。

2.4 輔助教學手段

驗證型、設計型實驗部分以及教學資源均以計算機實驗示范中心購置的在線實驗平臺為輔助實驗教學手段，包括注冊、發布實驗資源、在線實驗、自動測評以及在線答疑等，作為線下“教師引導，學生主導”的應用性探究式綜合創新型實驗開展的基礎。目前，在線實驗平臺中已經積累了一定數量的驗證型實驗題目。其中，驗證型實驗題目，學生以個人為單位完成，以預習題目形式布置給學生，具體形式為選擇、填空、整體編程或程序片段，目的是在實驗前幫助學生扎實理論基礎，題目內容主要為理論知識及基本操作的代碼實現等；設計型實驗題目，以編程題目為主，具體為整體編程或程序片段題目，題目內容以經典算法或簡單的實際應用問題求解為主；教學資源主要包括教師提供的實驗教學文檔、實驗指導書、教學視頻、較難知識點動畫演示、實驗報告模板、實驗注意事項以及實驗常見問題解答等。

應用性探究式綜合創新型實驗，由于其需要教師投入較多的精力設計布置題目、指導實驗全過程，包括方案評估、答辯、交流、評價與綜合考核等，因此后續考慮增加助教，減輕教師工作量，使教師有更多的精力設計完善實驗體系，進一步提高實驗教學質量。

2.5 實驗考核方式

考核機制為實驗全過程和實驗結果相結合的綜合考核評價機制，考核結果根據線上課前預習、在線基礎實驗、線下應用性探究式綜合創新型實驗項目等環節的完成情況和實驗報告綜合得到。綜合考慮在線平臺的在線自動測評結果、線下方案設計、任務完成、學生參與、團隊合作、項目展示以及答辯等情況，進行教師評價、自我評價和學生互評得到綜合評價，最終得到考核結果。

3 實驗教學內容設計

實驗教學內容采取多層次、立體化、由易到難的設置方式，數據結構實驗共16學時，包括驗證型、設計型和應用性探究式綜合創新型實驗3大部分，具體以課前預習、線上基礎實驗以及線下應用性綜合創新型實驗3個階段的形式開展。其中，驗證型和設計型實驗均在線上平臺開展，由于不受時空限制，因此線上實驗不占用學時數；線下實驗共4次，每次4學時（如某學生小組當次未完成線下實驗，可課后額外根據本組情況自行安排完成題目）。課前預習要求學生在教師教授完理論知識后設計型實驗布置前隨即完成驗證型實驗，內容為基本概念和數據結構及其基本操作的實現；設計型實驗要求學生在實驗課前完成，內容為典型算法的實現、使用簡單操作和算法設計思想解決較簡單直接的實際應用問題；應用性探究式綜合創新型實驗主要為日常生活中較復雜的實際應用問題，學生可從教師提供的題目中選擇，也可從實際問題出發自擬題目。

課程第1階段為課前預習階段，教師設定完成預習的截止時間，每名學生獨立自行選擇時間完成題目，并在此基礎上完成第2階段的設計型實驗實現典型算法或調用驗證型實驗已實現的基本操作（可開拓思維，自行增加并實現合適基本操作，不僅限于教材提供的基本操作）并結合算法設計思想解決簡單的應用問題，每章節的驗證型實驗和設計型實驗均要求學生在本章對應的線下實驗開展前完成。接著，在第3階段，由學生自由組隊，每組2或3人，采用組長負責制完成，學生小組根據需求合理提出解決設計方案，由教師評估，評估時教師需要注意學生設計的規范性，引導學生在設計時養成良好的開發習慣；評估通過后，學生以組為單位，采用團隊協作的方式用4學時完成實驗；最后，由學生以組為單位向全體師生進行項目展示，題目范圍為前3次實驗（由于學時限制，第4次實驗題目在報告中考察）任選1題進行項目展示，包括演講、答辯以及評價交流，了解不同解決方案，通過交流分享遇到的問題及解決方法，進而拓寬設計思路。

3.1 課前預習

基礎理論的掌握是整個實驗完成的基石，貫穿整個實驗過程。課前預習部分的目的是鞏固理論基礎知識，其主要實驗內容為在線教學資源的自主學習、基礎知識復習和完成驗證型實驗，課前預習依托于在線實驗平臺展開，按照功能可分為教師引導、學生自主學習、答疑論壇以及線上作業4部分。

課前預習部分以驗證型實驗為主，注重基礎知識的學習，鞏固理論知識，訓練學生對基本數據結構及其基本操作的代碼實現，主要包括順序表、棧、隊列、樹、圖、查找和排序的基本數據結構及其基本操作的代碼實現和簡單調用。

下面就教師引導、學生自主學習、答疑論壇以及線上作業4部分分別闡述。

(1)教師引導部分。該部分依托于在線實驗平臺提供教學資源的演示、下載，主要包括教師提供的實驗教學文檔、相關教學視頻、較難知識點動畫演示以及實驗常見問題解答等相關資源（這里需要說明的是，課程初期，教師首先通過學委發布通知，將數據結構實驗課程介紹及在線實驗平臺手冊分發給學生，要求同學自行閱讀）。

其中，實驗教學文檔為數據結構課程實驗實施方案、在線實驗平臺的使用手冊、實驗課程課件（幻燈片）、實驗環境安裝手冊、實驗報告封面、實驗報告模板以及實驗注意事項等。數據結構課程實驗實施方案主要內容為數據結構實驗的整體授課模式介紹、實驗學時、實驗環境、使用語言、實驗成績組成和實驗報告上交時間等；在線平臺使用手冊的內容為在線平臺的網址、實驗平臺操作流程，需要注意的是需要在操作流程中提示學生的初始登錄賬號和密碼，并及時更改自己的密碼以免后續課程中出現不必要的麻煩；實驗課程課件即課前預習階段部分的驗證性實驗課件中的內容為實驗目的、實驗要求、實驗內容及步驟、思考題等；實驗電子指導書為“數據結構實驗教程”的電子版以供學生參考。

在線實驗平臺上提供較難知識點動畫演示資源，該資源提供了網絡上相關優質資源的網址以供學生學習觀看，以化抽象為具體、化繁為簡的方法，以動畫演示和圖文并茂的教學方式，令課程更加生動有趣，使“難”懂的問題變得容易理解。動畫展示數據結構中的各種實驗，使學生對各種結構特性一目了然，如向學生演示數據入棧和出棧操作，加入圖像、Flash動畫等輔助措施后，不僅能夠提高數據結構知識講解的條理性，還可以使枯燥的理論變得有趣味。通過在線實驗平臺提供實驗動畫展示的多樣化教學手段，可以不斷增進教學質量，充分調動學生的學習熱情，培養和提高學生的學習能力。

(2)學生自主學習部分。學生自主學習區提供課程的基礎知識復習題目、驗證型實驗項目等。上述均可由在線實驗自動測評，學生可在完成題目后看到自己的測試結果，根據測試結果及時了解自身學習情況，有針對性地學習相關知識，通過完成相應的基礎知識復習題目或驗證型實驗項目可進一步加深對知識的理解和運用。

(3)答疑論壇部分。該部分提供了師生的交流平臺，包括教師在線答疑和平臺論壇答疑等，以教師提示指導但不直接給出答案或解決方案，學生之間相互交流學習遇到的問題、解決方法和創新思路的形式為主。

(4)線上作業部分。線上作業部分實現學生在線提交實驗作業和教師手動評定?；A知識復習和驗證性實驗均依托于在線平臺上展開，并以作業的形式發布給學生?；A知識的復習以填空或選擇的形式在在線實驗平臺上展開，由在線實驗平臺自動測評；驗證性實驗是對理論課程教學內容的體現，側重于加深學生對于理論知識點的理解、掌握基本的實踐技能，驗證性實驗緊跟理論教學進度，由學生自行安排時間及時在線上完成，由在線實驗平臺自動測評和教師手動相結合的形式對題目答案進行評定。實驗教師通過平臺對線上作業進行在線監控，通過學生作業完成情況及時掌握學生學習狀況與進度，促進學生理論課后的復習，并對學生遇到的問題及時進行提示和答疑，保障該部分實驗教學效果。

3.2 線上基礎實驗

(1)線上基礎實驗內容的設計。線上基礎實驗主要指設計型實驗，依托于在線實驗平臺展開，具體包括典型的應用型題目或基于調用驗證型實驗部分和算法設計思想可完成的簡單實際應用題目（相對于應用性探究式綜合創新型實驗題目復雜程度較低）。開展時機為每章章節結束。題目的設置原則為圍繞本章節知識點，通過運用本章節所學知識點、實現算法、設計程序完成典型的應用型題目或較簡單的實際問題相關的項目，旨在培養學生運用所學知識解決實際問題的能力。和下一階段的較復雜性應用問題相比，本部分應用任務相對簡單、直接，可以從任務描述中較直接、容易地獲知使用哪種數據結構。該部分實驗內容的題目以在線實驗或作業的形式布置給學生，題目如復數四則運算、括號匹配問題、哈夫曼編碼、平衡二叉樹演示、圖遍歷生成樹等，或是ACM競賽、CCSP競賽等各類程序設計競賽曾出現過的與數據結構相關并符合題目設置原則的實驗項目，這些應用可通過使用驗證型實驗已定義好的數據結構、基本操作及算法思想設計和實現。

(2)線上基礎實驗的指導。該部分雖然依托于在線實驗平臺展開，把線上及時指導和線下課堂指導充分融合，為學生提供靈活高效的學習途徑，學生可通過自學加教師答疑的方式完成實驗，教師及時總結學生的實驗情況，總結存在的問題和不足，將共性的問題在線下實驗開始的時候對上述問題集中講解，形成良性的反饋機制。學生根據需要完成線上基礎實驗，通過學習教師提供的各類資源，如通過觀看較難知識點動畫演示的資源，加深對算法的理解，進而實現并完成線上基礎實驗；教師提供平臺在線論壇、在線即時答疑與線下答疑相結合的方式為學生解答問題，線上基礎實驗在線上開展，學生可在完成線上基礎實驗的同時在線提問，教師及時解答，學生可在解決問題后繼續完成當前實驗，充分有效地提高該部分的學習效率，同時，在開展線下應用性綜合創新型實驗前，學生亦可根據自身情況或問題的復雜程度選擇與教師當面交流，教師給出提示，引導學生解決實驗過程中遇到的問題，多種形式的答疑方式促進了師生交流，激發學生的學習熱情，使學生在遇到問題時可以得到適時的幫助；最后，教師反思和總結學生的實驗情況，包括學生存在的不足和問題等，在線上應用性實驗開展前，有針對性地對共性問題進行集中講解，形成良性的反饋機制，加深學生對理論和算法的理解掌握。

線上基礎實驗部分鞏固了學生對基礎知識的理解，通過實現簡單的應用為下一階段的線下應用性綜合創新實驗的開展做準備，是從課前預習階段到線下應用性綜合創新實驗階段的過渡階段，循序漸進的題目設置，起到承上啟下的作用，培養了學生的自學能力和實踐能力。

3.3 線下應用性探究式綜合創新型實驗

數據結構課程及其實驗的教學目的均為培養學生的邏輯思維、數據抽象能力和團隊意識等，從而提高學生綜合運用數據結構所學知識解決實際問題的能力。針對上述教學目的設置了線下應用性探究式綜合創新型實驗，主要圍繞解決應用性探究式綜合創新型的實際應用項目展開。

(1)實驗教學內容設計。線下應用性綜合創新型實驗的題目設置采取技能和項目融合在一起，能體現相關知識與實際問題聯系的設置原則，旨在培養學生綜合運用多個知識點解決實際問題，由舊知識構建新知識的創新能力。同時，以團隊合作的形式完成題目有利于提高學生的學習興趣，進而達到能力培養的目的。該部分實驗內容的題目可以是教師提供備選題目，或是學生根據題目設置原則從實際生活中發現問題自擬題目，學生小組討論決定選題。其中，教師提供的題目如公交車站臺排隊問題、商品庫存信息管理系統、互聯網域名查詢系統、學期授課計劃編制、校園導游咨詢等，或是ACM競賽、CCSP競賽等各類程序設計競賽曾出現過的與數據結構相關并符合題目設置原則的實驗項目。

(2)實驗教學指導。線下應用性綜合創新型實驗的課程形式為“教師引導，學生主導”，教師檢查、監控并引導學生完成實驗，注重方案評估、設計、程序分析、測試、程序錯誤和算法的分析。學生作為課程主體，2或3人自由組成實驗小組，以小組的形式根據需求合理提出解決設計方案，由教師評估，評估時教師要注意學生設計的規范性、提出的問題與實際問題和理論的相關性、問題的深度是否適當等，并提出修改意見，引導學生在設計時養成良好的開發習慣；評估通過后利用課堂時間完成實驗，教師在學生完成實驗時提供引導和答疑，并及時對共性問題進行統一講解，并記錄學生在實驗過程中的參與度等；最后，由學生以組為單位向全體師生進行項目展示，形式不限，可以是幻燈片、視頻、動畫等形式以引起學生的興趣，題目范圍為前3次實驗（由于學時限制第4次實驗題目在報告中考查）任選一題進行項目展示，展示匯報過程中教師需要及時對匯報內容進行總結、提出相關的問題讓學生思考，項目展示具體包括演講、答辯以及評價交流，了解不同的解決方案，分享遇到的問題及解決方法，進而拓寬設計思路。

3.4 在線課后習題

在線課后習題以自愿的方式在在線實驗平臺全程提供給學生，方便學生復習和加深對知識點的理解使用。課后習題一般以章節為節點，每章節后緊跟著該章節對應的課后習題。習題針對一點展開，以需要實現主算法或給出部分程序補全算法的編程片段題的形式給出，如兩個非降序鏈表的并集、采用遞歸方法實現漢諾塔問題、求二叉樹的高度和結點數以及編寫算法將有向圖的鄰接表轉換為相應的逆鄰接表等。

3.5 交流與答疑

針對課前預習、線上基礎實驗、線下應用性綜合創新型實驗以及在線課后習題開展不同形式提供交流與答疑。上述4部分實驗內容的設置與設計需要教師精心設計實驗，并對教師的理論及實踐能力有較高的要求。同時，需要投入較多的時間和精力準備實驗、實時線上答疑、及時在線下指導的過程中發現問題、啟發并引導學生完成復雜的應用性探究綜合創新型實驗。

交流與答疑以線上實時答疑、論壇答疑以及線下“教師引導，學生主導”相結合的形式開展，在實驗教學的各個環節中，教師、學生的分工明確，相互獨立又交叉互動。教師線上提供實時答疑可即時解決學生在線上學習過程中遇到的問題，使學生不會出現“無助”的狀態，保障了線上教學的有序開展；論壇答疑為教師和學生提供了更廣闊的交流空間，以論壇的形式展開討論，學生可在提問和回答中找到共鳴，適合于解答共性的問題；在教師的提示和引導下，學生能主動思考問題，或主動向教師或同學請教進而解決問題。

線上、線下形成互補，教師不但能夠及時解答學生提出的問題，還能夠進行優秀項目的展示，形成了良性的反饋機制。

4 實驗考核要求與評價方法

建立規范的考核標準與考核制度，能夠使教師和學生有章可循，確保實驗教學體系的有效構建和實驗方案的圓滿實施，充分落實實驗教學內容。

實驗考核以實驗的全過程和實驗的結果綜合考慮為依據，目的為改變傳統的考核制度。考核結果根據線上課前預習和在線基礎實驗完成情況、線下應用性探究式綜合創新型實驗項目完成情況和實驗報告部分綜合得出。線上課前預習和在線基礎實驗占實驗成績的30%；為突出實踐性項目，即線下應用性綜合創新型實驗項目的重要性，實踐項目部分占實驗成績的50%，將方案設計、任務完成、學生參與、團隊合作、項目展示以及答辯等情況引入考核與評價指標，并引入學生互評模式，教師作為總裁判公平客觀地記錄評價結果，最后綜合學生評價和教師評價給出該部分考核結果；學生提交實驗報告，實驗報告內容包括需求分析、概要設計、詳細設計、調試分析、使用說明、測試結果及附錄（源程序），實驗報告成績占實驗成績的20%；學生根據自身情況，自愿完成課后習題，達到復習的目的，但如有學生完成課后習題可適當提高其相應的實驗成績，但前提為不高于最高成績。

多樣化的考核方式能促進學生自始至終努力完成實驗部分，避免了學生只注重理論知識的學習、死記硬背理論知識的情況，達到重視實踐的目的。教師需要客觀公正地進行考核評價，促進學生學習，形成良性的互動模式。

5 實驗教學效果

通過對計算機、物聯網、電子以及通信等專業約590名學生的數據結構實驗教學進行改革，并選擇某一時刻監控學生在線實驗完成情況得到如圖2所示的數據。因學生的空閑時間根據課表有一定的規律等原因，因此出現在某一時間段對平臺的使用率較高的情況。

同時，采取數據結構實驗教學改革后，從學生報告的課程總結及實驗平臺中的數據統計得到效果統計數據表如表1所示。可以看出實驗的參與度、實驗的完成度和多層次立體化的實驗設計比較適配。

圖2 學生在線實驗完成情況

表1 實驗教學效果統計數據表 %

學生的實驗參與度、題目完成度與多層次立體化的實驗設計比較適配。對在線實驗平臺的滿意度和對較難知識點動畫演示的滿意度，反映了學生的接受度較好。同時，平臺運行期間基本穩定，有效輔助了實驗教學，取得了良好的效果。①教學資源和教學的時空延展增加了學生的有效學習時間；②多層次、立體化的實驗內容設置，有利于學生逐步提高學生綜合能力和創新思維能力；③有效的師生互動形式，良性的及時反饋評價機制，綜合的全過程考核評價方式。

通過使用在線實驗平臺與線下“教師引導，學生主體”的課堂教師指導相結合的方式，學生鞏固了自己的基礎理論知識，并通過平臺的自動評測將算法轉化為可運行代碼。同時，有能力的同學能夠通過應用性探究式綜合創新型實驗題目繼續通過數據結構知識解決日常生活中的實際應用問題，有效提高了解決復雜問題的綜合能力和創新思維能力。

6 結 語

數據結構課程由于在計算機及其相關專業課程體系中的重要性，近年來一直是計算機及其相關專業課程建設的重點，實驗與實踐教學更是數據結構教學的必要環節。通過對數據結構實驗進行金課建設教學探索，把課堂教學和線上學習充分融合，通過為學生提供靈活高效的學習途徑，逐步實現培養學生發現問題、解決問題的個人能力，注重引導學生進行自主學習、深入思考，在實驗課程中強化解決實際問題的能力。未來考慮增加助教，減輕實驗教師的工作負擔，使實驗教師能有更多的精力投入到實驗的設計、實驗內容的設置、豐富題目和增加題目數量上，并保障上述實驗的各個環節更加有效地實施。