新工科背景下數據結構與算法課程教學改革創新

黃鴻柳

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?近年來，國家大力推行和實施大數據發展戰略，推動和促進大數據產業的發展。為了應對大數據時代的到來，教育部積極推行新工科建設。作為計算機專業的基礎課程，數據結構與算法課程傳統的教學已無法滿足新形勢下的要求。針對教學中存在的問題，提出以學生為主體、教師為主導、案例導向、理論向實踐轉換的教育教學理念，實現了數據結構與算法課程與專業能力、特色育人、實踐創新緊密聯系。構建了“整合教學資源、完善教學體系、創新教學模式、融合教學育人、突出教學效果”的創新舉措，全面提升學生的能力，實現人才培養的目標。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?新工科;數據結構與算法課程;教學改革

[中圖分類號] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2022）28-0118-03

一、引言

近年來，由于科技以及互聯網行業的飛速發展，人們的生活方式發生了巨大的改變，獲取的信息開始變得既快捷又豐富，也推動我們進入了一個“大數據時代”。國家大力推行和實施大數據的發展戰略，推動和促進大數據產業的發展。為了應對大數據時代的到來，教育部積極推行新工科建設，為新興產業培養具有創新能力、實踐能力的復合型人才[1]。物聯網工程、計算機科學與技術、數據科學與大數據技術等專業被列為新工科建設的目標。三部委聯合印發的《關于引導部分地方普通本科高校向應用型轉變的指導意見》明確提出培養應用型技術技能型人才是應用型本科院校的定位。在大數據時代的背景下，培養高素質應用型技術技能人才，使其適應時代變化，是計算機專業課程教學的改革目標。

數據結構與算法是一門核心專業基礎課，其著重培養學生運用數據結構和算法基本理論分析和解決問題的能力，為后續專業課學習提供理論基礎。傳統的數據結構與算法教學通常是從課程的知識體系角度出發，強調課程的教學內容，課程目標的設定更多考慮的是知識的完整性，而非學生學習課程之后應該獲得的能力[2]。加之該課程內容較多、算法抽象、難度系數較高，學生對前期課程掌握不好，編程思維及能力較弱，致使學生在學習過程中逐漸失去信心。針對課程教學中存在的問題，提出遵循以學生為主體、教師為主導、案例導向、理論向實踐轉換的教育教學理念，提出了解決數據結構與算法實踐教學瓶頸問題的方案[3]，實現了數據結構與算法課程與專業能力、特色育人、實踐創新緊密聯系。構建了“整合教學資源、完善教學體系、創新教學模式、融合教學育人、突出教學效果”的創新舉措，全面提升學生的實踐創新能力。

二、課程基本情況與目標

數據結構與算法是一門專業核心基礎課，其著重培養學生運用數據結構和算法基本理論分析和解決問題的能力，為后續專業課學習提供理論基礎。其教學目標是培養學生運用數據結構和算法的知識來分析和解決問題，擴展學生的知識體系，引導學生自主研究和學習，培養學生的專業學習興趣，鼓勵學生勇于探索，積極創新，提高學生的團隊協作能力，并為學生學習操作系統原理、數據庫原理等后繼課程奠定堅實的基礎。在緊緊圍繞如何建設應用型本科院校的前提下，積極探索課程的教學改革，完善教學大綱、授課計劃、課程標準、教學設計及課件等。

課程的知識目標使學生掌握集合、線性表、樹、圖四種不同邏輯結構的特征及存儲形式;理解了現實世界具有不同邏輯結構的數據模型在計算機中是如何實現的;能力目標是通過本課程學習，學生理解原理，掌握方法，熟練應用，能夠創造性地應用各種數據結構和算法設計性能優、效率高、可讀性強、易維護的程序，解決實際問題，提高學生的學習能力、探索研究的能力;價值目標是以立德樹人為根本，實現專業課與思想政治教育的有機融合，將德育滲透、貫穿整個教學大綱中，幫助學生樹立社會主義核心價值觀、人生觀、政治觀、道德觀和法治觀，在教學中引入不同的實例擴展學生知識體系，引導學生自主學習、研究，鼓勵學生勇于探索，敢于創新，潛移默化地感染學生，達到育人的目的。

三、現有課程教學中存在的問題

（一）缺乏專業能力的培養

數據結構與算法課程是一門內容抽象、學習難度較大的專業課程，針對計算機專業一、二年級學生開設，此階段的學生對于計算機專業充滿好奇心，大一已經完成了計算機導論、高級語言程序設計-C語言、離散數學等課程的學習，熟悉C語言，對算法有一定的了解，能畫出流程圖。但對是否能學習和掌握編程方法疑慮，編程能力有限，缺乏實踐經驗。在實際教學中我們發現課程學習結束后，學生對學過的知識不知道如何應用到實踐中，其原因在于：（1）該門課程具有較強的理論性和實踐性，知識的理解相對比較抽象，難于掌握。（2）教師沒有注意培養學生的興趣，學生被動地接受知識。（3）由于課程內容較多，很多教師只注重各個知識點的介紹，而忽視了數據結構課程的整體性和連續性。作為核心專業基礎課程，針對如何提高學生的專業技術能力，特別是實踐編程能力的應用，體現應用型目標的培養是教學改革中迫切需要解決的問題。

（二）缺乏特色育人的培養

在傳統模式教學過程中，教師通過傳統的傳授知識、舉例、布置實驗等實現教學。課程的教學目標在于讓學生掌握基礎知識和培養學生解決問題的能力，對學生的思想教育教學不明顯。如何在新工科教學理念下融入育人特色，挖掘課程中蘊含的思政元素，發揮課程育人的作用，寓價值觀引導于知識傳授和能力培養中，培養符合社會主義建設要求的接班人也是教學改革中迫切需要解決的問題。

（三）缺乏實踐創新能力的培養

本課程內容的抽象性和邏輯性較強，有些學生在學習中會因為理論跟實踐銜接得不夠緊密，無法將所學算法融會貫通，并通過具體語言編碼調試出來，從而降低學習積極性。同時學生程序設計基礎薄弱，缺乏計算思維能力，對課堂實訓重視度不夠，達不到預期的教學效果。

四、實際教學中的改革創新

針對教學中長期存在的痛點問題，采用“整合教學資源、完善教學體系、創新教學模式、融合教學育人、突出教學效果”的創新舉措，把數據結構與算法與專業能力、特色育人、實踐創新緊密聯系起來，全面解決教學過程中存在的問題。

（一）整合課程資源，建立完善的課程教學體系

教學團隊從原理課程、實踐課程、網絡資源等方面進一步提煉、優化課程教學資源，重構資源體系。對理論部分知識，錄制相關教學視頻;挑選出經典的題型，制作課程作業庫;通過網頁插入式在線測試、網上作業提交和批改等，追蹤學生的學習情況;建立課程學習教學群促進師生之間、學生之間進行資源共享、問題交流和協作學習。表1為團隊成員共同努力下的成果，經過整合相關的教學資源，教師授課內容變得更豐富，教學設計更有特色，考核方式更靈活，同時也大大提高了學生學習的積極性及主動性。

（二）改變傳統的教學方法，探索新的教學模式

為了更好地適應現代教學模式，采用線上線下混合教學模式，線上教學以學生為中心，學生通過線上教學視頻自主學習理論知識，教師通過發布學習任務、作業以及測驗及時跟蹤及了解學生的學習情況。線下教學以教師為主，教師結合學生線上學習情況，對重難點部分進行更進一步的講授，并設計實踐活動，指導學生通過實驗實踐鞏固知識點，通過線上及時輔導、線下及時反饋、線上線下討論等方式促進師生之間的交流。圖1數據反映出，經過團隊成員的共同努力，線上教學資源不斷增加，學生參與線上課程學習的比例也逐年增多。

（三）融入思政元素，深化特色思政建設

在課程講授過程中以教學內容為載體，將思政案例制作成文檔、視頻、多媒體課件等形式，上傳至線上教學平臺。在實際教學過程中，以立德樹人為根本，實現專業課與思想政治教育的有機融合，如以金典的算法為例，講解算法實現的同時，展示算法研究的歷史，使學生體會到科學研究的艱辛和科學家堅忍不拔的品質，將德育滲透、貫穿整個教學大綱中，幫助學生樹立社會主義核心價值觀、人生觀、道德觀;在教學中引入不同的實例擴展學生知識體系，結合學科和專業特點，設計了課程思政案例，將所學內容知識與專業知識緊密結合，使學生不僅認識到學習數據結構與算法知識的重要意義，同時還潛移默化地進行了專業教育，激發了學生的學習興趣。在課后作業和實驗設計過程中，引導學生自主學習，積極探究知識的實際應用，培養學生的創新意識。

（四）“以賽促學、以賽促教”，培養學生的實踐應用能力

在新工科教育理念下，高校的人才培養更偏向培養具有創新精神的應用型人才，而技能大賽是實現這一目標的最好途徑。數據結構與算法課程的理論知識在ACM程序設計大賽能得到很好的應用。在近幾年的教學中，為了提高學生的實踐應用能力，鼓勵學生多參加本學科內的技能大賽。教師和學生都能在大賽中成長。大賽表面上是賽學生，實際是在賽教師，大賽要求指導教師具有扎實的理論知識、更高的專業實踐能力和技能水平。教師通過指導學生參加大賽，實踐教學能力和水平都得到相應的提高，教學理念得到更新，教學觀念得到轉變，學習新知識、新設備、新技能;通過大賽，學生能把課堂上所學的知識應用到實際比賽中，在比賽中不斷地磨煉、升華。

五、課程教學創新成果

（一）學生的學習效果顯著提升

經過教學創新改革，學生的學習積極性和主動性大大增強，期末綜合成績優良率有所提高，學生的團隊精神、編程思維及編程能力明顯提高，學生對課程滿意度、對任課教師的評價較高。通過圖2三年教學創新改革成效對比發現，課程的及格率、優秀率顯著提升。

（二）學生的實踐創新能力得到提升

在課程教學創新改革中，授課教師通過精心設計教學環節，不斷改變教學方法，將課堂的主動權慢慢還給學生，提倡自主學習，培養創新能力，提高教學質量。在培養學生實踐能力的過程中，更多學生參與到大學生創新創業項目、技能競賽中，獲獎項目和人數逐年增加。近三年來，學生參加“泰迪杯”數據挖掘比賽獲得二等獎;2019、2020年參加廣西大學生人工智能設計大賽獲得一等獎7項、二等獎12項。學生還參加計算機相關的其他學科競賽項目，如大學生程序設計大賽、計算機學會軟件測試技能、藍橋杯等各種級別的賽事，成績喜人。

（三）教師的教研水平明顯提高

在課程教學創新改革中，教師的教學理念不斷更新，教學觀念得到轉變，學習新知識、新設備、新技能，運用先進的多層次的教學方法改變傳統的教學方式。近三年來，團隊教師共主持參與科研教研項目5余項，撰寫科研教研論文10余篇;課程也被列為校級優質示范性課程及校級課程思政示范性建設項目;教師獲得區級青賽二等獎。

六、結語

數據結構與算法課程經過幾年教學創新的探索和實踐，實現了從傳統課堂向智慧課堂、知識課堂向能力課堂、灌輸課堂向實踐課堂、封閉課堂向開放課堂的轉變。在今后的教學中，要充分利用“互聯網+”的時代特色，整合教學資源，完善教學體系，創新教學模式，使學生樂學、愛學。

參考文獻：

[1]顏慧.基于新工科教育理念《數據結構與算法分析》課程教學改革與實踐[J].電腦知識與技術，2021，17（4）：152-153.

[2]陳黎黎，國紅軍.OBE理念下軟件工程專業“數據結構與算法”課程教學改革研究[J].遼寧科技學院學報，2021，23（5）：38-40.

[3]王金環.新工科背景下《數據結構與算法》應用型教學改革創新研究[J].湖北農機化，2019（20）：99-100.

編輯 栗國花