工程教育認證背景下數據結構與算法教學探究

胡彩平，周國拉，王 霞，徐永華

(金陵科技學院 計算機工程學院，江蘇 南京 211169)

0 引言

工程教育認證以“以學生為中心、以產出為導向、持續改進”的工程教育理念為指導，旨在提高高等學校的工程教育質量。教育部從2007年開始重點推行“工程教育認證”，旨在提高我國高校的工程教育質量，同時提升我國工程人才培養的國際競爭力[1]。2016年，我國正式成為《華盛頓協議》的第18個成員國，標志著我國對工程人才培養的質量得到國際認同[2]。近年來，大部分高校積極開展工程教育認證，結合工程教育認證的指標體系[3]，越來越多從事計算機專業教學的學者們紛紛就基于工程教育認證的計算機專業人才培養模式進行了研究與探討。李照奎等[4]提出“課堂加機房”授課模式，構建在線題庫以及基于CG 系統的多形式考核提高了學生的動手能力；鄭麗萍等[5]構建實驗、課程設計和第二課堂“三位一體”的實踐教學方式，提高了學生學習的積極性；林麗等[6]提出了“解決大數據技術問題”為導向的數據結構教學改革實踐；常晨霞等[7]提出了結合全國大學生智能車競賽的教學課程改革；文獻[8]對工程教育認證下的數據結構教學改革也進行了探討；文獻[9]探討了面向復雜工程問題的C++程序設計教學改革；文獻[10-11]以學習產出(OBE)理念為指導，以知識與能力提升為主線，實施翻轉課堂教學，探討課程教學改革。

混合式教學是線下實體課堂與在線教學的有機融合，尤其是2020 受疫情影響，混合式教學在國內發展的步伐加速[12]。文獻[13]對線上線下混合式教學模式如何促進課程思政建設進行了探討；文獻[14]探究一種適應新時代要求“同伴教學法”的基于線上線下的混合教學模式。如何在引入工程教育認證核心理念后全面拓展混合式教學模式的內涵，精準化進行混合式教學的設計，提高學生分析解決實際工程問題的能力顯得尤為迫切。

1 傳統課程教學的困境

在傳統課程的各種教學方法設計上均堅持“以教師工作為主導、學生課堂以上課聽講教學為主、課堂實踐較少”教學模式,受這一模式影響,學生注重對理論知識的識記與書面考試成績，缺乏對這些知識點的應用與練習，以及學習合理應用于解決實際工程問題的能力。

1.1 教學內容比較抽象,教學手段單一

數據結構與算法課程里多數知識內容及所要求涉及的基本算法等都是較為抽象復雜的,需要學生熟練掌握大量離散數學基礎知識及相關程序語言設計理論知識,并需要具備一定計算機抽象思維能力及應用編程設計能力。傳統教學方法以教師講授為主，學生被動聽講。老師在授課時花費大量時間對抽象的知識點進行講解，而對如何解決實際工程問題探討較少，這會導致有些學生只能看懂課本中的算法而不能自主編寫程序，從而失去學習動力、學習興趣而學不好這門重要的課程。

1.2 實驗教學不能滿足培養學生工程實踐能力的要求

傳統的數據結構與算法實驗課題目基本也都是僅為滿足各章節和課堂上講授課程內容教學要求而開設的，對解決面向實際實踐的工程問題體現不夠突出。學生只要會運用這幾部分知識就都可以直接完成實驗課程題目而并無須特別考慮當前是否還會存在一些其他問題解決方案,也根本無法自主選擇一種最佳解答方案去進行習題求解,這也背離了當前工程教育認證目標,與我國工程教育認證培養的教學目標明顯有偏差。

1.3 課程考核評價指標單一

數據結構與算法對課程有效性的考核評價往往以學生期末綜合考試表現為主,單一成績評價直接決定一個學生整個學期的學習情況,忽視了課程學習評價系統的學習過程性、激勵性、反饋性等功能特點,與工程教育認證的理念并不很相符，從而極易產生學習的被動、動力的不足、過程中懈怠等深層次問題,使個性化教學始終不能切實做到有效持續、高效的產出[15]。傳統教材的數據結構課程成績的量化考核評分方式設定為平時學習成績評定(30%)+期末閉卷考試得分(70%)。

2 教學內容改革

課程教學內容以實際工程案例為中心，理論教學和實踐教學相結合，通過解決實踐工程案例問題，促進了理論教學和實踐教學的融合，調動了學生學習的主動性和積極性。通過課堂上基本原理的分析、關鍵操作技術的講解、拓展閱讀資源的推薦,線上課程咨詢答疑、現場教學指導、設計作業方案并審查、開展學生小組探究學習、翻轉實驗課題的引導設計等多種實驗方式,引導理解和幫助每個學生自主完成相關實驗任務的同時培養學生的創造性思維，提高學生創新能力和實踐能力[1]。

為了使學生發揮各自的潛能，取得更好的學習效果，達到提升整體教學水平的目的，在教學內容結構上增加相應的實驗課時和算法設計的模塊，根據線上線下模式對實驗內容進行了優化以及改進。應構造全類型實驗內容體系，支撐不同課程目標，將實驗內容進行等級化劃分。將實驗題目劃分成不同等級，共設置了3種級別:驗證性、設計性和綜合性實驗，如表1所示，分別由低到高，其中驗證性實驗主要目標是學習基本算法，針對基礎弱的同學以及鞏固基礎準備，這是要求大家必須完成的部分，同時加深同學們對基礎知識及算法的深刻理解，從而達到“學以致用”，牢固地掌握已學內容；設計性實驗是根據每一題的具體要求編寫相應的算法程序，實現某個問題；綜合性實驗是一個課題，以實際問題為背景完成具有一定復雜性的課程設計，同學們可以由2～3個人一組共同去解決這個問題，并且根據實驗的課題要求編寫出程序。

表1 實驗實踐教學內容和方式

3 教學模式改革

教學模式改革就是要整合線上線下資源為教學服務，充分利用傳統課堂教學模式與線上教學模式的相互優點，采用線上線下混合教學模式。利用線上線下混合教學模式使該班學生于開學時注冊學習賬號，完成學校認證后，以二維碼和邀請碼等方式使其參加本班學習。為了保證每一節課程都可以順利地開展，老師需要做好充分的準備工作，首先是制定好教學計劃，其次是做好課堂教學組織安排工作。課前準備，老師需要事先上傳下一節課所講解到的課件以及預習視頻內容，這樣學生們就可以事先預習好知識點，課上講解這節課后，再剩15 min左右的時間來練習這節課所涉及的習題，通過檢測學生這節課所涉及的知識內容就可以總結出這節課學生的具體掌握情況，這樣就可以優化調整下一節課所涉及的內容。完成某一階段課程任務后，老師可在線上安排部分相關算法設計題、應用大題、填空題和選擇題，并設定截止時間供學生獨立完成，線下課時復習上節課內容并對學生易錯內容進行針對性講解。因為錯誤的題目是針對學生來說的，所以學生很自然就能集中精力認真聽課，教學效果非常明顯。另外老師還可以根據課堂反饋及時調整教學策略和方法，不斷提高課堂教學質量。該模式下，從以授課教師講授為主的“滿堂灌”式的課堂教學設計方式,轉變為以該學生自身為主體建構的開放式課堂互動式教學,有效地實現課堂教學雙向互動交流與互動式教學互動相長。表2列舉了面向課程目標的課上課下師生的責任分配，通過線上線下講解、線上預習與自測等多種教學方法相結合，既可以發揮教學的引領與指導作用，又可以增強課下教師與學生的溝通與交流。

表2 課上課下師生責任分配

在線上線下混合教學模式的影響下，課程內容是抽象的這個問題就相對容易解決。很多同學無法理解具體的執行過程，解決這個問題最好的方式就是通過一些案例進行引入學習和分析，在線上平臺上傳具體知識點的演示過程幫助學生理解，課上通過動畫演示具體的執行過程就不會顯得那么抽象。老師對這部分內容的講解也變得輕松許多，這也是線上線下結合模式的一個好處。如圖1所示，該網站地址為https://visualgo.net/，網站有諸多的演示案例，包括鏈表、樹、圖等,老師可以自行安排同學們學習或選擇其中的知識點，上傳至線上平臺供同學們學習教學計劃中的一部分。

圖1 網站展示

4 考核方式改革

本課程采用過程性評價+終結性評價相結合的考核機制，不以期末考試成績作為唯一的考核標準。過程性評價和終結性評價之比可從以往的3∶7改為5∶5。過程性技能評價的得分主要由出勤、實驗、作業情況、線上學習以及互動情況和考試情況組成。其中，考試考核占50%，實驗考核占20%，線上學習考核占10%，平時作業考核占15%以及出勤占5%。課程考核方式及依據如表3 所示。

表3 課程考核方式及依據

5 教學改革效果

本次教學改革方案針對2020級計算機科學與技術專業共計91人開展，以滿意度問卷調查的方式請學生對本次課程改革進行評價。調查內容包括對理論教學滿意程度、對實踐教學滿意程度、能夠獨立給出案例的算法設計方案、能夠獨立完成案例程序的編寫調試以及能夠獨立完成課程設計任務等5個方面。共發出問卷91份，收回有效問卷89份，問卷統計結果如圖2所示。調查結果顯示，通過本學期的學習，92%的學生能夠獨立對每章的實驗任務給出解決方案和算法設計，78%的學生能夠獨立完成課程設計任務，學生對理論和實踐教學的平均滿意度達到94%。這說明了廣大學生對課程改革方案的認可，但對解決復雜工程的實踐能力還有待在后面的教學過程中加強和改進。

圖2 教學效果學生滿意度調查

6 結語

本文深入分析了工程教育認證背景下數據結構與算法教學工程中出現的問題和不足，提出了基于實際工程案例驅動的線上線下混合式教學模式。本文圍繞解決實踐工程案例問題，改革教學內容、教學模式以及評價體系，促進了理論教學和實踐教學的融合，調動了學生學習的主動性和積極性。實踐證明，采用線上線下混合式教學模式便于實現對學生的因材施教，提升學生的專業能力和解決實際工程問題的能力。