基于“超星學(xué)習(xí)通+希冀Online Judge”的多平臺立體化教學(xué)模式在“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)” 教學(xué)中的實(shí)踐

梁晶晶 張新剛

關(guān)鍵詞 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 超星學(xué)習(xí)通 希冀 Online Judge多平臺

1引言

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”研究的是數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，并根據(jù)結(jié)構(gòu)特征和操作需求對其進(jìn)行有效的存儲，從而為后續(xù)高效的算法設(shè)計(jì)提供了保障，其是數(shù)據(jù)組織、算法設(shè)計(jì)與優(yōu)化、程序設(shè)計(jì)和系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，為大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，如圖1 所示。因此，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”一直以來都是計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)類相關(guān)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，也是各個(gè)高校碩士、博士研究生錄取的必考科目和畢業(yè)生求職面試的重點(diǎn)考核內(nèi)容[1] 。

2現(xiàn)狀分析

作為一門重要的計(jì)算機(jī)專業(yè)核心課程，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”具有抽象性、邏輯性強(qiáng)、概念多且容易混淆等特點(diǎn)，同時(shí)對實(shí)踐能力又有較高的要求。目前，應(yīng)用型高校本科生在“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”學(xué)習(xí)中如下問題。

第一，學(xué)習(xí)目的不明確。對于大多數(shù)計(jì)算機(jī)專業(yè)的本科生來說，能夠快速上手、學(xué)以致用的開發(fā)類課程無疑具有更大的吸引力，一個(gè)網(wǎng)站、一款手機(jī)APP或者微信小程序的開發(fā)都能讓他們獲得不小的成就感。但是學(xué)了“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”之后可以做什么？ 有什么立竿見影的效果？ 很少有學(xué)生可以回答這些問題。目的不明確會直接導(dǎo)致動力不足，這是現(xiàn)階段要解決的主要問題。

第二，課程內(nèi)容過于抽象。“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”涉及大量的抽象結(jié)構(gòu)和算法，特別是關(guān)于指針、遞歸的使用，很多學(xué)生普遍反映難以理解。如何用更有效的可視化手段展示這些抽象的知識？ 如何在課前、課中、課后三個(gè)階段采用多元融合的教學(xué)手段來提升教學(xué)效果？是現(xiàn)階段“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”教學(xué)中一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

第三，代碼能力不足。“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”對代碼能力有較高的要求，因?yàn)閿?shù)據(jù)存儲和算法的實(shí)現(xiàn)都需要編寫程序來驗(yàn)證，把抽象的思想變成具體的結(jié)果。代碼能力可以說是學(xué)習(xí)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”的“看家本領(lǐng)”“敲門磚”。但是現(xiàn)階段，相當(dāng)一部分學(xué)生的代碼能力不夠扎實(shí)，通俗來講就是“手跟不上腦子”。有了思路之后，不知道如何去印證和實(shí)現(xiàn)，這樣會使“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”的學(xué)習(xí)流于表面，不能深入挖掘算法的核心，使抽象概念和應(yīng)用脫節(jié)。如何在學(xué)習(xí)過程中，同步提高學(xué)生的代碼能力，是教學(xué)改革的一個(gè)重要目標(biāo)[2] 。

在信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”教學(xué)模式已經(jīng)不能滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。本文提出的基于多平臺融合的多元立體教學(xué)方法針對應(yīng)用型高校本科生的學(xué)習(xí)“痛點(diǎn)”，融合了超星學(xué)習(xí)通和希冀Online Judge 兩個(gè)平臺，進(jìn)行了全方位、行之有效的教學(xué)改革。

3超星學(xué)習(xí)通———“ 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)” 的“ 自習(xí)室”

現(xiàn)階段的教育一直致力于學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，對于抽象的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”來說，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和層出不窮的教學(xué)資源是課堂教學(xué)的有力補(bǔ)充。筆者在教學(xué)實(shí)踐中主要采用超星學(xué)習(xí)通作為課前預(yù)習(xí)、作業(yè)發(fā)布和提交、在線考試的教學(xué)平臺。

3.1超星學(xué)習(xí)通簡介

超星學(xué)習(xí)通是由超星集團(tuán)開發(fā)的基于微服務(wù)架構(gòu)打造的課程學(xué)習(xí)軟件，是目前各大高校廣泛采用的輔助學(xué)習(xí)平臺，為廣大學(xué)子提供了海量的學(xué)習(xí)資源。

作為課堂教學(xué)的有力補(bǔ)充，教師可以通過超星學(xué)習(xí)通創(chuàng)建“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”在線課程，并批量導(dǎo)入學(xué)生信息、組建學(xué)習(xí)班級、發(fā)布課程資源。

通過在該課程平臺發(fā)布錄制好的教學(xué)視頻和PPT 課件、Flash 動畫等教學(xué)資源，供學(xué)生預(yù)習(xí)或復(fù)習(xí)，如圖2 所示。

3.2基于超星學(xué)習(xí)通的課前預(yù)習(xí)

以“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程為例，筆者采用嚴(yán)蔚敏編寫的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”（人民郵電出版社）作為教材，從緒論、線性表、棧、隊(duì)列、串、數(shù)組、樹、二叉樹、圖、查找、排序等幾個(gè)知識模塊來劃分章節(jié)[3] ，每個(gè)知識點(diǎn)錄制大約3～5 分鐘的微課視頻，并插入任務(wù)點(diǎn)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候以選擇題或者投票的形式進(jìn)行課堂互動。每個(gè)視頻相對獨(dú)立又有著內(nèi)部聯(lián)系，可供學(xué)生課前預(yù)習(xí)，并作為課堂教學(xué)的有力補(bǔ)充。

對于抽象的算法，比如各種排序算法，除了視頻講解之外，還上傳了可視化模擬視頻，以加深學(xué)生對算法思想和過程的理解。除了視頻點(diǎn)播之外，該平臺還支持課件和資源的下載。允許學(xué)生評教和在線督導(dǎo)等功能全方位保障了在線教學(xué)效果。為了檢驗(yàn)預(yù)習(xí)效果，每節(jié)課開始展開以小組為單位的討論，自行梳理重點(diǎn)知識和算法，提出需要解決的問題，在課堂上有針對性地解決。

3.3基于超星學(xué)習(xí)通的作業(yè)管理

傳統(tǒng)的作業(yè)布置和批改方式由于資源浪費(fèi)和效率低下，已經(jīng)不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的需求。超星學(xué)習(xí)通提供的無紙化作業(yè)和自動批改系統(tǒng)，不僅可以把老師從繁重的作業(yè)批改工作中解放出來，還可以實(shí)時(shí)反饋?zhàn)鳂I(yè)正確性，并對整體作業(yè)完成的情況進(jìn)行可視化統(tǒng)計(jì)[4] 。

通過超星學(xué)習(xí)通的作業(yè)管理功能，針對“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”每一章節(jié)的主要教學(xué)內(nèi)容，以選擇題、判斷題、簡答題（綜合題和算法設(shè)計(jì)題均可以以此類型創(chuàng)建）等題型創(chuàng)建作業(yè)習(xí)題庫，并設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)答案。在創(chuàng)建結(jié)束后可以選擇作業(yè)發(fā)布到指定的班級，如圖3 所示。學(xué)生提交作業(yè)后，教師可以在后臺看到作業(yè)提交情況，客觀題由系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置好的答案自動批改，主觀題則由教師或助教在線批改[5] ，并進(jìn)行在線反饋，如圖4所示。

3.4基于超星學(xué)習(xí)通的在線考試

在線考試是在線教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。基于超星學(xué)習(xí)通的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”在線考試，大大節(jié)省了人力物力，使疫情期間的遠(yuǎn)程教學(xué)手段更加完善。

教師可以采用手動組卷和自動組卷兩種方式來創(chuàng)建試卷[6] ，如圖5 所示。和作業(yè)題型類似，教師可以設(shè)置單選題、多選題、填空題、判斷題、簡單題等多種題型，并給出標(biāo)準(zhǔn)答案，供系統(tǒng)自動閱卷。對于“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”中的綜合題和算法設(shè)計(jì)題等答案相對靈活的題型，可以要求學(xué)生在紙上完成之后拍照上傳，供教師手動批閱。

4希冀Online Judge———“ 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”的“練兵場”

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”具有實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，對學(xué)生的代碼能力有較高的要求。“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”的實(shí)現(xiàn)以及算法的驗(yàn)證和設(shè)計(jì)都需要大量的編程練習(xí)，可以說，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”應(yīng)用能力是由代碼累積起來的。如何有效地進(jìn)行編程練習(xí)，是“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。

4.1希冀Online Judge 簡介

為了提高學(xué)生的代碼能力，本課程的實(shí)踐教學(xué)采用鄭州云海科技有限公司開發(fā)的希冀Online Judge 程序在線評測系統(tǒng)。該系統(tǒng)支持本地部署、安全穩(wěn)定以及支持高并發(fā)、算法可視化和大數(shù)據(jù)性能評判。

一直以來，如何避免作業(yè)的抄襲都是老師們最頭疼的問題。希冀Online Judge 的在線查重功能可檢測出常量替換、重新排版、標(biāo)識符重命名、代碼塊重排序、代碼塊內(nèi)語句重排序、修改注釋、改變表達(dá)式中的操作符或者操作數(shù)順序、改變數(shù)據(jù)類型、增加冗余的語句或者變量、表達(dá)式拆分、控制結(jié)構(gòu)等價(jià)替換，共12種學(xué)生最常用到的抄襲手段，是目前最精準(zhǔn)的相似性檢測算法之一[7] 。

4.2希冀Online Judge 在“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”中的應(yīng)用

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”不依賴于程序設(shè)計(jì)語言，換言之，用C、Java、Python 等任何一種編程語言都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)算法。希冀Online Judge 平臺支持C、C++、Java、Python、C#、Go、Matlab、Scala 等高級編程語言的自動評判。

在希冀Online Judge 平臺創(chuàng)建教師賬號之后，教師可以批量導(dǎo)入學(xué)生賬號信息，并設(shè)置好題目，以此讓學(xué)生自主完成教師發(fā)布的程序設(shè)計(jì)題目，如圖6 所示。系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)生提交的代碼，自動評判代碼的正確性[8] 。

在希冀Online Judge 中設(shè)置題目，需要給出問題描述、輸入形式、輸出形式、樣例輸入、樣例輸出、樣例說明等幾個(gè)部分，可以對學(xué)生的答題思路進(jìn)行有效引導(dǎo)，如圖7 所示。

教師可以隨時(shí)打開系統(tǒng)，在后臺數(shù)據(jù)中看到學(xué)生的在線狀態(tài)、每道題的完成情況和學(xué)生的刷題排行榜，如圖8 和圖9 所示。利用希冀Online Judge 平臺，學(xué)生可以最大限度地發(fā)揮自主學(xué)習(xí)能力，同時(shí)也便于任課教師及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，以便于隨時(shí)調(diào)整教學(xué)方法和進(jìn)度。

在設(shè)置題目的同時(shí)，教師可以給出標(biāo)程，即每道題的代碼樣例，便于學(xué)生在無法解決問題的時(shí)候提供參考，如圖10 所示。

希冀Online Judge 的學(xué)生刷題數(shù)據(jù)可以客觀真實(shí)地反映其學(xué)習(xí)態(tài)度和能力，可以作為期末測評中平時(shí)成績的重要依據(jù)。利用平臺，極大地激發(fā)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情，不僅提高了大家的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”成績，更是培養(yǎng)了大量的程序設(shè)計(jì)競賽人才。

5總結(jié)

在信息時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)化智能化平臺的使用可以最大限度地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，真正讓學(xué)生成為教學(xué)的主體。超星學(xué)習(xí)通和希冀Online Judge 相結(jié)合給“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”的“教”與“學(xué)”帶了更多全新的體驗(yàn)。學(xué)生可以根據(jù)自身的能力，并針對自己的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行有效的自主學(xué)習(xí)。平臺后臺的數(shù)據(jù)管理以及作業(yè)自動評判系統(tǒng)也在相當(dāng)程度上減輕了教師的負(fù)擔(dān)，是“教”與“學(xué)”的雙贏。