新工科背景下基于混合式教學的數據結構課程改革研究

牛秋月 王忠義

(1.河南中醫藥大學信息技術學院;2.河南中醫藥大學信息化辦公室 河南鄭州 450046)

1 研究背景

新工科是在我國戰略發展高需求，國際競爭形勢日趨激烈的背景下，提出的未來工程教育發展的新思維、新方法。新工科堅持以立德樹人作為引領方向，其建設理念為：應對變化、塑造未來，并以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享等方法作為主要實現路徑，來培養多元化、創新型人才[1]。

在新工科背景下，計算機相關專業作為工程教育的一大分支備受社會和教育屆人士的矚目，數據結構作為計算機類專業的一門主干課程，也是學生日后考研考博必考的一門專業課，該課程在計算機相關專業的人才培養方案中占有重要地位。數據結構課程主要講授日常生活中非數值計算問題中數據元素該如何組織、如何存儲、如何書寫算法實現，該課程是銜接數學類課程、計算機硬件類課程、計算機軟件類課程這三者之間的一門核心課程[2]。但由于該課程知識體系龐大，抽象算法較多，而該門課程開設時間為大二上學期，大部分同學由于之前并沒有工程實踐背景，在抽象的課程內容和工程時間應用中很難建立聯系。因此如何在新工科背景下，更加突出創新型、多元化、交叉融合等特點，還需在原有教學中不斷探索新的教學理念和方法，提高教學效果[3]。

當下，問題驅動法[4]（簡稱“PBL”）與成果導向教育[5]（簡稱“OBE”）這兩種教學理念，成為了新工科教育改革的方向。近幾年，筆者在教授數據結構課程時，在教學方法上進行了一系列的嘗試和創新，教學效果較佳。此次改革主要是在原有基礎上引入PBL和OBE教學理念，整合線上線下資源，開展混合式教學[6]，重在培養學生解決生活中非數值計算問題的能力，突出新工科背景下多元化、創新型人才培養。

2 PBL案例教學

PBL案例教學法[7]本著以學生為中心，以問題問導向的原則，在教學過程中先以問題為核心學習課程相關知識點，然后再圍繞問題設計解決方案。PBL 教學法主要按照“教師設計問題→學生自主學習相關知識點→以小組為單位展開討論→教師總結發言”的流程來開展教學。與傳統填鴨式教學不同，PBL 教學法轉換了傳統教學的角色，學生在自主學習及討論過程中，能夠在做中學來獲取更多的知識，能最大限度地提高學生學習算法的興趣，還可培養學生的溝通協作、創新實踐等綜合能力。

針對該課程中一些抽象性強，且學生不易掌握的知識點，根據PBL 教學模式特點設計問題驅動課程教學。因此，問題設計是PBL教學法的重中之重，設計問題是不僅要考慮問題是否符合課程的教學目標和要求，還有顧及問題的情境學生是否易于理解。

比如：在學習第二章節線性表時，可讓學生設計一個圖書信息管理系統，完成書目的增刪改查等操作；再如：在學習第三章棧和隊列時，可引入生活中常見的排隊現象，比如停車場的管理、醫院門診的就醫叫號系統等，通過這些案例的分析，可引導學生靈活運用所學知識解決實際生活中的問題。

3 基于OBE理念重構教學內容

為培養符合新工科要求的人才，數據結構課程教學應該更加突出對學生實踐能力和創新能力的培養。因此，在教學內容上需根據人才培養目標做出相應改變，在原有理論性較強的內容基礎上，結合算法特點，設計生活中應用較多的實際案例，達到學以致用的目的。

比如：在學習第四章串時，該章節的知識目標是讓學生了解串的順序和堆兩種存儲方法，掌握串的模式匹配算法。常見的模式匹配算法主要有BF 算法和KMP算法兩種，如果在學習時僅給學生介紹這兩種匹配算法的實現過程，學生很難理解。此時可結合這兩種算法的特點和常見的應用場景，引入新冠肺炎病毒感染監測的案例，新冠肺炎病毒的監測和其他病毒監測過程相似，研究人員將人的DNA和新冠病毒的DNA都用字母表示成一個字符串序列，然后檢查新冠肺炎病毒的DNA 有沒有在被檢測人員的DNA 序列中出現過，若出現則斷定為感染新冠肺炎病毒。該案例就是使用串的模式匹配算法解決，教師在授課過程中，可先通過案例引入串這一章節的重點——串的模式匹配，然后通過案例的分析求解，介紹BF 和KMP 兩種算法的特點，最后可讓學生根據所學內容設計一個新冠肺炎病毒監測系統。整個教學過程下來，既讓學生掌握了串的模式匹配算法，又培養了學生解決實際問題的能力。

4 混合式教學設計

數據結構混合式教學摒棄了傳統課堂填鴨式教學的弊端，充分利用線上學習平臺和教學資源開展混合式教學。根據前兩個學年針對不同教學平臺的試行情況，結合自己學習實際，擬采用課堂派作為主要教學平臺，混合式教學實施過程主要分為課前預習、課堂講授、課后評價這3個階段，具體見圖1。

圖1 混合式教學實施過程

4.1 課前預習

根據此次教改的思路，課前教師會提前在課堂派發布每章節知識點的學習目標、學習資料、問題案例等教學資源，學生可在課前完成課前預習任務，并對老師發布的話題給予互動，提前做好課前各項準備工作。

4.2 課堂講授

在課堂講授環節，教師首先針對課前在教學平臺提供的案例組織學生討論，并尋求問題的解決思路，接著引入該節課要學習的知識點。教師通過案例的分析過程講解章節知識點，這種案例驅動教學過程能更一步激發學生的學習興趣。課堂講授結束后，教師可布置設計任務，組織學生利用所學知識，設計算法實現問題案例。

4.3 課后評價

傳統課堂的考核方式為：實驗+作業+期末考試，這種考核方式只能靜態體現出學生的成績，達不到創新性、應用性評價的目的。引入PBL 和OBE 混合式教學之后，考核方式主要由設計任務+隨堂測試+小組討論+期末考試這4個部分組成。其中：設計任務部分主要是針對每章節的實際問題案例設計實現算法，針對完成質量和創新性評分；隨堂測試主要是測驗學生對教師課堂講授的知識點的掌握程度；小組討論則是針對課前教師提供的問題案例進行討論，組內每個學生都要發表自己的觀點，最后每組選派1～2 名代表陳述本組最后結論。

5 混合式教學特點

5.1 創設問題情境，充分體現以學生為主體

新工科強調新思維、新方式，新的教學理念應打破傳統的填鴨式教學，數據結構課程內容抽象、知識點繁雜，如果在課堂講授時教師還是僅突出知識點的講解，學生聽不懂，容易產生厭學心理。引入PBL 和OBE 之后的混合式教學，主要通過實際案例的分析引入知識點的講解，能充分調用學生的積極性，激發學生學習興趣。

比如：在學習該課程圖相關操作時，由于圖是數據結構課程中最復雜的數據類型，圖相關的操作多且實現起來復雜，因此在講解該章節算法時都會以一些經典的問題作為背景，活躍課堂氛圍，激發學生的學習興趣。例如：在學習圖的最小生成樹算法時，可以用接近生活的修路問題引入，把所要聯通的地區看成是圖中的頂點，地區之間的連線及距離看成是圖中的邊，如何選擇最經濟的修建路線就是求圖的最小生成樹問題。

5.2 多措并舉，提高學生參與度

課前教師通過課堂派發布學習任務，還可根據知識點設置習題和討論話題，學生在預習時可在平臺上完成習題的作答和話題的討論等活動，對有疑問的知識點可以在平臺留下疑問。課堂上教師能夠看到學生的疑問并進行答疑，同時，教師可根據學生課前的習題作答情況分析學生對知識點的可接受程度。此外，在教學過程中還設置了自評、互評，自評能夠通過自我檢查、分析而查漏補缺，互評能夠促使學生互相監督、學習。

5.3 多種教學方法并用，營造良好教學氛圍

鑒于數據結構課程內容抽象、不易理解，在教學過程中，教師可根據每章節內容的特點，選取不同的教學方法，比如：前文中提到的PBL 教學法，主要是通過問題案例導入知識點的教學，易于學生接受；另外，對于課程中一些抽象的算法流程，教師還可提前設計動態的圖形和動畫來模擬算法的實現，能將抽象的、看不見的算法顯現到學生面前，加深學生理解。如圖2所示，在學習直接插入算法的偽代碼實現時，可通過圖形展示算法的實現過程。同時，在該課程的小組討論環節，還可使用翻轉教學法，課前教師已經把學習資料等發布到在線教學平臺上，學生可將在課前自主學習過程中遇到的問題可在平臺上留下疑問。課堂講授時，教師可對學生疑問較多的知識點突出重點講解，知識講授結束后，教師還可組織學生以小組為單位針對課前設置的問題展開討論并設計解決方案。

圖2 結合圖形展示直接插入算法實現過程

5.4 建立多元化考核體系，突出形成性評價

傳統的課程考核以期末筆試為主，手寫實驗報告冊為輔，主要考核學生的應試成績，達不到考核學生實踐能力的目的。新工科強調應用型、創新型人才的培養，因此課程考核必須做出相應調整。新的課程考核將采用多元化考核體系，突出形成性評價，采用階段測試、隨堂測驗、小組討論、設計任務等多種評價方法，充分體現以學生為中心，提高學生的創新實踐能力。其中階段測試和隨堂測驗主要考查學生在學習過程中對知識的掌握程度；小組討論則是教師結合知識點給出某個話題和案例，組織學生展開討論，能促使學生主動分析問題和利用計算思維解決問題；設計任務則是結合專業特點和培養目標去設計、完成一個與所學知識點相關的項目。

6 教學效果

數據結構課程在上述混合式教學改革之后，在2021—2022學年第二學期對學院軟件工程專業學生試行了一學期的混合模式教學，經對比近三學年的成績發現，混合式教學改革之后，學生成績有了很大的提高。當然，此次教學模式改革僅經過一學期的試行，并且樣本學生較少，改革最終效果還需時間驗證。近三學年數據結構課程混合式改革試行專業學生成績分布如表1所示，成績分析直方圖對比如圖3所示。

表1 近三學年數據結構課程混合式改革試行專業學生成績分布

圖3 試行改革專業學生近三年成績對比

7 結語

該文以新工科為契機，以培養創新型、應用型人才為導向，針對數據結構課程抽象難懂的特點，引入PBL、OBE 等混合式教學理念，摒棄了傳統教學的弊端，以實際案例的分析引入知識點的講解，能夠激發學生學習興趣。另外，針對章節知識點的不同，合理選取教學方法，做到因內容而施教。同時，新的教學模式還采用多元化考核體系，更加突出形成性教學評價，力爭為國家培養更多具有綜合能力和創新思維的卓越工程人才。