基于工程認證的“數據結構”課程教學改革實踐

滑亞慧，石 鋒，王 建

（西安航空學院 計算機學院，陜西 西安 710077）

引言

工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量保障制度，也是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎［1］。隨著我國高等教育的大眾化，以及社會對高等教育質量的關注日益增強，越來越多的高校通過開展工程教育認證提高和保障教學質量，以適應國際化發展趨勢。工程教育專業認證的核心理念是：以學生為中心，以成果為導向，持續改進［2］。以學生為中心要求教育目標圍繞學生的培養，教學設計聚焦學生的能力培養；以成果導向的教育說明了學校定位、培養目標、畢業要求、課程體系、教學活動等教學相關資源之間由下向上、逐層支撐的過程；持續改進要求建立常態性評價機制并不斷改進，持續改進的效果通過學生的表現來體現。

工程教育認證更加注重課程教學產出，以及課程目標對畢業要求的支撐度，要求相關課程在教學過程中實施面向產出的課程評價機制與改進措施。在此背景下，如何在課程教學過程中設定合理的教學目標來支撐畢業要求，并實施面向產出的教學評價和持續改進，有效形成教學閉環，提升教學質量和人才培養質量成為工程認證中教學模式改革的重點。面向新時代科技和產業發展，適應工程教育認證標準的專業建設和改革是提升我國工程教育質量的必然途徑［3］。

本文根據工程教育認證要求，以“數據結構”課程為例，針對學生課程學習效果和工程能力要求，對基于畢業要求和培養目標的課程大綱修訂和課程教學改革實施情況進行探討。

一、“數據結構”課程教學現狀

“數據結構”課程是軟件工程、計算機科學與技術、物聯網工程、信息與計算科學等專業的重要核心課程，也是連接基礎課程與專業課程之間的重要橋梁［4］。先修課程包括計算機導論、離散數學、高級語言程序設計等。雖然在課程開設之前，學生已經學習完相關基礎性前期課程，但是在課程實際實施過程中仍存在諸多困難。由于課程概念多，抽象性強，部分學生基礎較弱，對課程中頻繁涉及的結構體、指針等基本數據類型的理解和應用不夠深入，導致學生在學習數據結構課程時存在一定的困難。

“數據結構”課程主要研究數據的存儲、組織和處理，正確地設計算法及如何對算法進行分析和評價［5］。通過該課程的學習，使學生能夠針對實際問題，分析數據之間的關系，設計合理的存儲結構和算法，為后續課程學習打下良好的基礎。作為一門非常重要的專業必修核心課程，其教學效果對后續課程的學習及最終畢業目標的達成有重要影響；因此，針對當前“數據結構”課程存在的問題，對課程的教學設置和實施策略進行改革尤為重要。

（一）理論教學為主，實踐學時不足

“數據結構”是一門理論性很強的課程，要求學生具備一定的抽象思維能力和理解力［6］。此外，課程中涉及的知識點較多，包括順序表和鏈表、棧和隊列、數組和矩陣、串、樹和二叉樹、圖等多種數據類型在不同存儲結構下的基本算法和經典算法，以及各類查找與排序算法。在傳統教學中，教師往往會面面俱到，對各種存儲結構下數據的插入、刪除、查找等基礎算法進行詳細講解，導致沒有足夠的學時開展算法應用方面的教學，課程深度不夠，重點不突出；學生對講授的一系列算法被動接受，缺少主動思考和練習，進而導致學習態度消極，失去學習的興趣和動力。因此，教師應更加關注教學效果，而非教學內容的完成度。在課堂中應留有一定的時間讓學生進行自主思考和練習，從而激發學生的積極性就顯得尤為重要。

（二）教學模式單一，課程枯燥

鑒于“數據結構”課程的特性，目前絕大多數高校仍采用傳統的教學方式，以教師課件演示和理論講授為主，學生的參與度不高，形式單一。學生缺乏參與感，容易影響關注力，最終導致教學效果較差。教師根據授課計劃決定每節課講授的內容，而不是根據學生的實際掌握情況，難以做到“以學生為中心，以成果為導向”的工程教育認證要求。

因此，需要更多關注學生能力的培養，以學生為中心開展教學活動。對傳統單一的課堂講授知識的教學模式進行改進，才能達到工程教育專業認證產出導向教育模式的要求。

（三）缺少實際工程實踐培養

“數據結構”課程的目標是要求學生能夠選擇適當的數據類型解決實際生活和工程中的問題［7］。因此需要通過大量的實踐練習，將理論知識轉化為解決實際問題的方案和方法。大多數情況下，“數據結構”課程被劃分為理論課和實驗課。實驗課時與理論課時嚴重不匹配，并且二者有一定的時間間隔，導致學生不能對所學知識進行及時鞏固和深化理解。

實驗數量以驗證性實驗為主，設計性實驗數量嚴重不足，不能從真正意義上鍛煉學生解決實際問題的能力，因此應增加有一定質量的設計性實驗，使學生將課堂所學知識應用到具體問題的解決中。從真正意義上培養學生解決復雜工程和實際工程問題的能力，完成從理論傳授到能力培養的轉變。除一般性的課內實驗之外，還需要通過綜合性項目和課外實踐環節為學生提供更多的實踐訓練。

二、基于工程認證的“數據結構”大綱修訂

在培養方案的制訂與專業認證有機結合的基礎上，應深刻理解專業培養目標和畢業要求的關聯，修訂基于OBE的課程教學大綱。基于OBE的課程大綱修訂，對于深刻理解以成果為導向的教學核心內涵起到了積極的作用。在大綱修訂中引入課程思政內容，引導學生將所學到的知識和技能轉化為內在德行和素養，激發其為國家學習、為民族學習的熱情和動力，幫助其在創造社會價值過程中明確自身價值和社會定位。

課程目標1：能夠運用數據結構的基本概念和基本理論，分析計算機加工的數據結構的特性，為應用涉及的數據選擇適當的邏輯結構和存儲結構。引導學生從唯物辯證法的基本范疇之現象與本質的基本概念和相互之間的辯證關系，加深對這一類理論知識的理解與應用，同時利用辯證思想思考和指導實際生活中的具體問題。

該課程目標支撐畢業要求“工程知識”：能夠將數學、自然科學、工程基礎和軟件工程專業知識用于解決軟件工程領域中復雜工程問題。

課程目標2：能運用算法時空分析的方法，判斷解決實際問題的算法的優劣，提出算法改進方案，讓學生體驗取舍考慮過程中如何設計最優的類型和方案，從而加強學生對運用唯物辯證法基本規律思考實際問題的能力。

該課程目標支撐畢業要求“問題分析”：能夠應用數學、自然科學和軟件工程專業的基本原理，識別、表達并通過文獻研究分析軟件工程領域中復雜工程問題，以獲得有效結論。

課程目標3：能夠運用各類數據結構中元素的增加、修改、刪除、查找等基本操作的算法，結合實際問題的特點，設計實現算法，引導學生從唯物辯證法的角度把握各種數據結構所具備的客觀規律，從而提高對數據結構中各種概念及其相關關系的把握和理解。

該課程目標支撐畢業要求“設計/開發解決方案”：能夠針對軟件工程領域中復雜工程問題設計解決方案，開發滿足特定需求的軟件系統，并能夠在設計環節中體現創新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化及環境等因素。

課程目標4：能應用查找算法和排序，理解不同算法的應用場景，熟練解決查找和排序相關的實際問題，引導學生認識實踐是檢驗真理的唯一標準，理論對實踐具有依賴關系，同時理論又反過來指導實踐。

該課程目標支撐畢業要求“工程與社會”：能夠基于軟件工程相關背景知識進行合理分析，評價軟件工程實踐和復雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律及文化的影響，并理解應承擔的責任。

三、基于EduCoder實踐教學平臺的數據結構教學改革

數據結構具有理論邏輯性強、知識點龐雜、概念抽象及實踐性強等特點［5］。傳統的課程教學模式單一，缺少師生互動交流，學生聽課效果不理想；上機實踐學時不足，學生在課下不能自覺進行實踐練習，導致相應知識不能得到及時掌握和吸收。除此之外，教學內容過于繁多，部分內容難度偏大，不利于培養學生解決實際問題的應用能力。針對傳統教學中存在的問題，提出“精講多練、理實一體”的教學策略和教學方法，將教學與實踐活動結合起來，建立理論學習與實踐訓練的銜接，對學生的學習情況進行實時管理和評估反饋。

（一）課程實施方案

教師在深入鉆研教材、充分了解學生的基礎上，確定課堂講授的內容。抓住教材中的重點和難點內容，以及具有代表性的知識進行講解。對于課堂上沒有涉及的內容，通過給予學生適當的引導，在“練”“考”等環節自主學習和編程實踐來完成。采取精講多練、理論實踐相結合的教學模式。收集、整理、制作了較豐富的教學資源，包括教學視頻、習題、實訓作業、實訓項目等用于學生課內外的實踐和練習。

在教學過程中充分利用信息化教學平臺和工具：超星學習通和EduCoder實踐教學平臺。分別用來發布理論教學內容和編程實驗任務。部分驗證性實驗內容由教師帶領學生在課堂完成，教師可以通過平臺監控學生實驗過程，幫助學生發現程序中存在的問題并進行輔導。而部分設計性實驗內容，通過EduCoder實踐教學平臺以實訓作業形式發布給學生，由學生在課后自行完成。

通過這種形式的教學模式改革，學生能夠邊學邊練，對所學知識進行及時的強化和檢驗。發布課件、視頻、習題、測試等多種形式的教學資源，借助超星學習通平臺幫助學生開展預習、復習等自主學習。結合EduCoder實踐教學平臺的使用，將普通教室變成實驗室，在開展理論教學的同時，帶領學生完成實踐任務。

（二）課程考核評價

考核形式多樣化，圍繞課程目標要求，考核形式包括過程性測評、階段性測評和期末測評。過程性測評來源于超星學習通平臺和EduCoder平臺中學生理論和實踐作業成績，各占比10%。階段性測評采用在線考試形式，可實施2～3次，占比20%。期末測評包括筆試考核和實踐考核：筆試考核主要考查學生理論知識掌握情況，為選擇、填空、判斷和簡答等形式試題構成的試卷，占比35%；實踐考核由3道程序設計題目組成，主要考查學生算法設計能力和編程實現能力，占比25%。

（三）課程改革成效

通過最近一次的問卷調查，42.7%的學生表示課程學習狀態良好，約46.8%的學生表示學習略有困難，但可以克服；而表示課程很難的同學占10.5%。這表明課程有一定的挑戰度，但對于大多數學生來說，課程的難度屬于“跳一跳可以夠得著”。學生總體反饋學習狀況良好。組織學生參加“藍橋杯”“ACM”等程序設計類競賽，獲得了多項省級以上獎項，幫助學生鞏固了課堂知識，提高了學生專業學習的積極性、創造性和團隊合作精神。在課程改革過程中，團隊教師積極探索教學方式革新，創作慕課資源和習題庫，提高了團隊教師的整體素質和教學水平，在學生評教和督導評學中均獲得了較高的評價。

結語

本文針對工程教育專業認證的目標和要求，分析、總結當前“數據結構”課程教學中存在的問題，如教學方式單一、工程實踐不足、考核評價不合理等。由此對“數據結構”課程大綱、教學內容組織形式和教學方法進行改革，使教學方式從“以教師為中心”向“以學生為中心”轉變，為學生提供全面學習的機會。充分利用網絡實踐平臺，將理論教學和實踐練習融為一體，同時將理論內容進行精講，啟發學生進行思考和觸類旁通，使學生邊學邊練，進一步提高學習能力。同時建立多元化課程考核評價方法，以成果為導向，著重從學生的素質培養和能力達成度方面進行考核，最終達到工程教育專業認證畢業要求指標點相關的課程目標。