“數據結構”混合式教學模式設計和實踐

張曉玲，董萬歸，曾 新，李 毅，羊海潮

（大理大學數學與計算機學院，云南大理 671003）

“數據結構”是計算機科學與技術專業的核心基礎課程，是計算機程序設計的重要理論和實踐基礎，是設計和實現編譯程序、操作系統、數據庫系統和大型應用程序的重要基礎。該課程上承程序設計基礎，下啟算法設計與分析，在計算機科學與技術專業人才培養目標中具有舉足輕重的作用。通過學習數據結構，學生學會分析和組織數據，為涉及的數據選擇適當的邏輯結構、存儲結構及相應的算法，并能對算法的時間和空間復雜度進行分析。

傳統模式教學的“數據結構”存在以下問題：

（1）課程一般開設在大二第2學期，學生專業課只學習了“程序設計基礎”，掌握了程序的基本知識、數組和函數，知道了結構體和指針，但是對數據類型的理解不夠深入，對程序和算法概念模糊，結構體和指針的使用很不熟練〔1〕。

（2）課程理論抽象難懂、內容多，課時緊。傳統的授課模式采取“滿堂灌”的方式，學生被動接受知識，難以激活學生的主動性和創造性。課堂上教師忙于完成授課內容，無暇顧及學生的學習基礎和學習能力差異，師生互動少，學習效果不佳〔2〕。

（3）學生基礎差異大，實踐能力要求高。在學習過程中，學生通過編寫程序理解和運用課程中的知識點，抽象思維和編程能力將得到很大的鍛煉和提高。程序設計基礎好的學生隨著所學知識的增加學習興趣變得越來越濃。然而，隨著課程學習難度的增加，基礎薄弱的學生在編寫程序過程中遇到的問題會越來越多，進而產生挫敗感，學習欲望逐漸消失，從而為后續專業課程的學習埋下了“應用能力隱患”〔3〕。

針對“數據結構”課程普遍存在的問題，許多教學工作者對教學模式進行了改革和探索〔4〕，高春曉等〔5〕提出了基于學習結果的工程教育模式；張平等〔6〕提出基于問題導向的混合式教學模式；趙榆琴等〔7〕對程序設計課程與數據結構之間的“雙向重構”教學銜接法進行了探討。信息技術和互聯網的飛速發展，由一批國內外知名高校加入建設開放共享的優質教育資源在線學習平臺，“中國大學慕課”“學堂在線”“智慧樹”等的出現，為改變“數據結構”教學模式和學習方式提供了新的契機，為慕課（massive open online course，MOOC）與課堂教學相融合的混合式教學組織形式奠定了技術基礎。北京大學是最先進行基于MOOC資源開展混合式教學實踐的國內一流大學之一，王晶心等〔8〕針對北京大學MOOC的應用效果進行了實證研究，結果表明基于MOOC的混合式教學對大學生的學習成效起到積極的促進作用。王曙燕等〔9〕以信息化教學工具為依托，在線上學習和線下翻轉過程中實現學生自學能力的引導，并通過教學反饋提升教師的授課能力；任雪萍〔2〕借助超星平臺，以翻轉課堂為切入點，設計了線上線下相融合的“數據結構”混合式教學方式；呂品等〔3〕提出了在“數據結構”課程教學中融入線上學習的教學方法，通過實踐說明了線上學習平臺對教學具有持續改進的作用。根據我校計算機專業培養目標，結合學生特點，針對“數據結構”傳統教學中存在的問題，設計了混合式教學模式，教學效果良好。

1 “數據結構”混合式教學設計

1.1 混合式教學 混合式教學是一種基于網絡學習環境、移動通信設備和課堂討論等多種教學活動相互結合的教學組織方式〔8〕。自20世紀90年代末發展到現在，學術界對混合式教學的關注點從技術的應用過渡到了對教學策略和方法的關注。教師在進行課程的設計、教學資源的選擇和教學方法安排的時候要充分利用在線教育資源和信息化技術的優勢，堅持以學生為中心，體現學生在學習過程中的主導地位，最終促進教學效果的最優化〔10〕。

1.2 課程整體設計

1.2.1 “四段式”內容設計 以立德樹人為本，以解決問題的能力培養為主線，重點講授組織、存儲和操作數據的思想和方法，貫穿算法設計和算法分析過程。將課程內容按照邏輯結構、存儲結構、基本操作和綜合運用這4個階段，以線性結構、樹形結構和圖形結構為主題，每個主題按照案例驅動的四階段講解、分層次的實踐練習、解惑式的主題研討3個步驟進行教學。案例驅動的教學，可以使學生了解現實中出現的問題有哪些解決方法，學生帶著目的去學習理論知識，提高了學生的學習興趣。以線性結構為例，整個講解過程圍繞圖書信息管理系統的數據組織、存儲和增、刪、改、查等基本操作來進行，最后實現和總結。在學習過程中學生深刻地理解了線性表的特點，同一個線性表存儲方式不同則操作實現的方法不同，要根據用戶的功能需求選擇合適的存儲結構〔11〕。

1.2.2 分層次實踐體系 針對學生基礎差異大這個問題，為不同基礎的學生設置不同難度的實踐訓練題目，使每個學生都有能力提升空間。采用課內上機實驗和課外程序設計類實驗輔助教學平臺PTA（programming teaching assistant）訓練題目集相結合的分層次訓練體系，上機實驗主要以根據學習的特點和規律自編的實驗指導書為主，指導書配合四階段教學法的內容組織，并兼顧難度的梯次，循序漸進，逐步深入。其中每個實驗主題被分成基礎實驗、拓展實驗和綜合實驗三部分：基礎實驗一般都是驗證性的實驗，其主要目的是對基本數據結構的存儲結構和操作的實現，例如線性表基本操作基于順序存儲和鏈式存儲的實現；拓展實驗是對基礎實驗的拓展，例如把兩個線性表合并；第三部分綜合實驗是綜合設計項目，例如求兩個一元多項式的和。PTA訓練題目集按照程序填空題+函數題+編程題的方式來組織，層層深入引導式的訓練方法〔12〕照顧了編程能力差的學生，使其在訓練過程中獲得學習成就感進而激起其編程的欲望，編程題為程序設計基礎好的學生提供了提升的空間。

1.2.3 過程化考核支撐 從結果評價為主轉向結果評價和過程化評價相結合。在混合式教學模式下，學生需要自主完成一部分在線課程的學習，整個學習過程缺乏教師的監督，高水平學習動機的驅動與維持是學生成功完成學習任務的關鍵，教師需要在學習過程中給予學生及時有效的反饋，并對學生的學習能力和努力給予切實的肯定。以往以結果評價為主的考核方式已經不能適應混合式教學的要求，因此采用多樣化課程考核方法支持學習過程各環節評價，以增加學生的成就感與自信心，激發并維持其學習動機。考核方法見表1。

表1 多樣化課程考核方法

1.3 教學資源

1.3.1 教師團隊 教師是教學活動的主要組成部分，教師對混合教學的態度、教學準備和教學模式都將對學生的學習成效產生很大的影響。經過多年的教學實踐，形成了由5名教師組成的“數據結構”課程授課團隊，其中副教授4人，講師1人；1名博士研究生，4名碩士研究生。團隊教師積極參加混合式教學模式的設計和實踐，對混合式教學有深刻的認識，在長期的教學研究和教學改革實踐過程中，各位教師表現出較強的團隊精神和良好的敬業精神，形成了一個具有很強凝聚力、團結向上的集體。

1.3.2 視頻學習資源 針對課程內容抽象的特點，采用中國大學慕課（https：//www.icourse163.org）上由浙江大學開設的國家精品課程“數據結構”，該課程對每一種重要的經典數據結構都會從實際問題出發，導出其定義、實現（存儲）方法以及操作實現，并以更豐富的綜合應用案例和練習題幫助學生增強對理論的感性認識，和本混合式教學的內容設計相吻合。學生可以反復觀看，重復學習，加上教師通俗易懂的表述，對抽象的概念和知識點的詳細講解，彌補了學生基礎薄弱對抽象概念難理解的問題。

1.3.3 程序設計類在線實踐平臺PTA（http：//pintia.cn）該平臺創建了一種實驗教學資源共建共享的模式，借助此平臺為學生搭建了引導式分層次的實踐訓練體系。

1.3.4 助教團隊 混合式教學強調學生在學習過程中的主導地位，教師的“教”服務于學生的“學”，教學過程中師生互動和生生互動的積極互動反饋機制可以有效地提高學生的自主學習能力〔12〕。但是一名教師面對一個班甚至更多的學生，及時回答學生的問題和發起討論會力不從心，因此課程團隊出臺了《學生助教崗位設置與管理辦法》，在全院研究生中公開招聘助教，建立了研究生助教團隊，由助教團隊主持小組討論，在微信交流群答疑解惑、監測在線學習和測試的結果并作出實時的反饋，保證了對學生的個性化服務。期末對助教考核并通過調查問卷征求學生對助教的意見，82%的學生表示對助教老師比較滿意，認為助教老師工作態度比較認真，助教老師與任課教師和學生的教與學溝通方面也比較及時和主動，并且覺得這種學習方式給他們與教師和其他同學之間的交流和互動創造了更多的機會和時間，使他們獲得了更好的學習體驗，也提高了學習成效。

1.3.5 智慧教學工具 雨課堂用來發布本周學習內容說明、預習通知、在線學習視頻、學習效果檢測和隨堂測試等，而微信、QQ為小組討論和交流學習提供了方便快捷的方式。

1.4 教學方法安排 教學方法采用MOOC+翻轉課堂+PTA+雨課堂的方法，實體課堂和虛擬課堂相結合，多個教學環節交叉融合和有機結合，并均衡學生的負擔〔13-14〕。實施路線見圖1。實體課堂指的是傳統的以教師為主的授課課堂，翻轉課堂由虛擬課堂和實體課堂兩種方式實現，虛擬課堂由學生自主完成在線視頻學習、在線實踐練習和在線交流討論，而這里的實體課堂則在傳統的授課課堂中加入了小組討論、主題研討和隨堂練習，這個實體課堂將由教師、助教和學生一起來主導。

圖1 混合式教學方法設計

2 教學實施

2.1 課前 教師根據教學大綱知識點的難易程度和重要性，安排哪些知識的學習為在線學習，哪些知識是由傳統的教師授課，哪些知識點可以翻轉課堂，表2展示了圖這一章按照教學大綱規定的各個知識點的具體教學設計。這一章一共有6個知識點8個學時，從表2可以看出，6個知識點中有4個知識點采用了虛擬課堂和實體課堂相結合的翻轉課堂教學模式展開教學，有3個知識點還安排了拓展學習的內容，課前教師先通過雨課堂發布預習通知和學習任務，學生通過在線學習和在線測試掌握學習內容完成預習，助教實時監測在線學習的情況和在線測試的結果，記錄學生自主學習過程中沒有掌握或掌握不好的內容，在教師授課以前及時反饋給教師。

表2 圖一章中各個知識點教學設計

2.2 課中 在教師授課環節，教師用5 min的時間復習預習內容，對助教反饋的學生沒有掌握的內容進行講解，導入學習內容，接著利用課堂前20 min講解本節課的重點、難點，然后引入案例，對案例進行分析和建模，引發學生討論，在教師的引導下學生邊學邊練，學生的動手能力和解決問題能力得到提升，最后學生進行成果展示和總結回顧。例如在講授圖的連通性問題這個知識點時，先對預習內容進行講評，然后引出連通圖、極小連通圖和最小生成樹的概念，順利加入中央扶貧政策中道路村村通融入課程思政的內容，并用道路村村通的具體案例重點講授兩個實現生成最小生成樹的算法——普里姆算法和克魯斯卡爾算法，接下來的課堂就由學生來主導，學生實現案例求解，進行成果展示，討論這兩個算法的優劣，最后進行總結。整堂課下來兼顧了線上預習不扎實、學習能力差的學生，用案例驅動的主題式研討帶動了學生的學習興趣，學生充分地參與到課堂中，達到了很好的學習效果。

2.3 課后提升 學生主要從以下幾個方面做課后提升。

2.3.1 小組討論 在每個章節，設計了小組討論的主題，學生在課外找研究生助教學習討論，助教對他們在討論中遇到的問題和項目實施中遇到的困難進行指導，每次討論都要記錄討論的全過程，討論的參與度將會計入課程考核。

2.3.2 在線測試 應用程序設計類實驗輔助教學平臺PTA，教師在平臺上自主設計開放性實驗，實驗題目緊緊圍繞學生在課堂上所學知識的鞏固和應用展開，學生不受時間和地點的約束進行在線測試實踐，完成后上傳測試即可看到結果。PTA平臺豐富的題目為學生打開了視野，自測自評和統計的功能使教師方便地監測學生的學習過程，學生的自學能力提高，學習效果明顯提升〔15-16〕。

2.3.3 參加比賽 為了拓展學生的學習，開闊其眼界和思維，組織學生參加藍橋杯比賽，參加北京大學國際大學生程序設計競賽（internatinal collegiate programming contest，ICPC）的暑期訓練營，組織校內的程序設計大賽。在第九屆藍橋杯大賽中，取得省賽1個一等獎、1個二等獎和2個三等獎；在第十屆藍橋杯比賽中，在省賽取得了1個一等獎、4個二等獎、7個三等獎，國賽取得了1個三等獎和1個優秀獎的好成績。參加比賽的學生人數逐年上升，取得的成績越來越好。以賽促教，以賽促學，通過比賽提高了學生的自信心，應用能力得到提高，營造了濃厚的學習氛圍。

3 教學效果

在混合式教學模式的設計和探索過程中，團隊教師充分認識到信息時代教學的發展與變化，緊跟國內外專業教育的最新動態，在學習本學科最新研究成果和實踐經驗的基礎上，充分利用數字化新生態的學科教學知識和信息化教學手段，不斷更新和豐富課程教學內容和教學方法。最后在課程建設、教學比賽和教學改革等多方面取得了很好的成績。該課程在2020年獲得第一批省級一流線上線下混合式課程立項，相關教改論文在教學反思論文比賽中獲得一等獎和二等獎。

學生的學習效果方面，表3是2016—2020級學生期末考試成績各分數段所占人數的統計表，從2017級開始進行混合式模式的教學，2019級由于疫情的關系使用全線上教學和線上考試，考試方式不同因此不參與對比。從表3中可以看出，進行混合式教學后，優秀和良好的人數得到很大程度的提高，不及格人數明顯降低。對試卷進行分析對比表明實施混合式教學后，綜合性、開放性試題正確率明顯提高。圖2為各年級學生期末成績平均分變化趨勢圖，從中可看出，平均分呈逐年上升的趨勢。

表3 各年級期末考試成績各分數段所占人數統計表

圖2 各年級學生期末成績平均分變化趨勢圖

4 結束語

為了改變以知識灌輸為主的傳統教學模式，適應信息化時代對計算機應用型人才的需求，設計了“數據結構”課程的混合式教學模式。采用四階段教學法進行內容組織，使學生能夠循序漸進地掌握知識，應用了分層次實踐教學訓練體系，設計了和課程更加耦合的實驗，充分利用線上資源和在線教學工具，多個教學環節交叉融合和有機結合實現混合式教學。