工程教育專業(yè)認(rèn)證下混合式教學(xué)模式研究
——以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析課程為例

蘆楠楠，徐永剛，胡延軍，陳瑞瑞

（中國礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速進行，以數(shù)字經(jīng)濟為代表的新經(jīng)濟形態(tài)和傳統(tǒng)工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，迫切需要具備專業(yè)創(chuàng)新能力和跨學(xué)科交叉的新型工科人才。高等工程教育改革已經(jīng)站在新的歷史起點，面臨越來越多的機遇與挑戰(zhàn)。新工科專業(yè)，是相對于傳統(tǒng)工科專業(yè)，主要針對新興產(chǎn)業(yè)的專業(yè)，以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為核心。智能與互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展趨勢促使以計算機為載體的數(shù)據(jù)科學(xué)與各學(xué)科相互融合成為“學(xué)科交叉融合”的精髓[1]。計算機類、電子信息類的核心課程成為新工科新范式下培養(yǎng)人才的基礎(chǔ)[2]。因此，為適應(yīng)新工科的發(fā)展需求，傳統(tǒng)的電子信息類核心課程也需要相應(yīng)的改革和創(chuàng)新[3]。

在新工科建設(shè)過程中，現(xiàn)有的專業(yè)核心課程建設(shè)應(yīng)充分考慮目前信息技術(shù)發(fā)展中人工智能、大數(shù)據(jù)及云計算等熱門領(lǐng)域，以工程教育專業(yè)認(rèn)證為指導(dǎo)，不斷改革和豐富教學(xué)內(nèi)容[4]。以學(xué)生為中心，產(chǎn)出導(dǎo)向和持續(xù)改進為核心內(nèi)涵，建立以學(xué)生能力為導(dǎo)向的新觀念，形成以能力達(dá)成為目標(biāo)的新的教學(xué)模式，促進學(xué)生能力要求的達(dá)成。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析作為計算機、電子信息類的重要核心課程，銜接了程序語言設(shè)計、離散數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)課程與人工智能、大數(shù)據(jù)等專業(yè)課程。由于該門課程在實際問題中的可操作性，是眾多核心基礎(chǔ)課程中能夠直接用來解決各學(xué)科實際問題的課程。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是連接客觀世界與計算機世界的橋梁和紐帶，是實現(xiàn)計算機進行信息表示和處理的唯一途徑。因此，該門課程的學(xué)習(xí)會對學(xué)生未來從事工業(yè)制造、航空航天和能源氣象等交叉領(lǐng)域工作產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。根據(jù)新工科“新理念、新要求、新途徑”的發(fā)展發(fā)向[5]，工程教育專業(yè)認(rèn)證勢在必行。工程教育專業(yè)認(rèn)證以學(xué)生為中心，產(chǎn)出導(dǎo)向和持續(xù)改進為核心內(nèi)涵。這就要求建立以學(xué)生能力為導(dǎo)向的新觀念，從而形成以能力達(dá)成為目標(biāo)的新的教學(xué)模式。對標(biāo)工程教育專業(yè)認(rèn)證，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析課程需要在傳統(tǒng)理論講授的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)向畢業(yè)要求的學(xué)術(shù)能力和工程能力的提高。本文分析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析課程的教學(xué)現(xiàn)狀，從教學(xué)方法、質(zhì)量評價等方面研究和探討工程教育專業(yè)認(rèn)證下的電子信息類核心課程混合式教學(xué)模式。

一 課程現(xiàn)狀

以計算機為載體的數(shù)據(jù)科學(xué)與各學(xué)科的相互融合已然成為高等工程教育改革下新工科專業(yè)建設(shè)的精髓。作為計算機靈魂課程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析也逐漸成為新工科專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，電子信息工程專業(yè)亦是如此。雖然給予了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析核心課程地位，但是，距離工程教育認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)產(chǎn)出導(dǎo)向的工程教育模式還有一段路程。根據(jù)課程特點及目前授課情況，本文從課程內(nèi)容、教師和學(xué)生三大教學(xué)構(gòu)成要素來分析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析課程存在的問題。

作為專業(yè)核心必修課程，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析是銜接先修課程與后續(xù)專業(yè)課程的紐帶，為專業(yè)課學(xué)習(xí)和課程實踐奠定了基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法是由具體的編程語言來描述的，編程基礎(chǔ)直接影響到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析的學(xué)習(xí)效果。而后續(xù)課程按照專業(yè)方向分為信息處理、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電子工程，都需要學(xué)生具備開發(fā)高效程序的能力。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法兩部分構(gòu)成，主要目標(biāo)是提高學(xué)生程序設(shè)計能力和解決專業(yè)實際問題的能力。課程基礎(chǔ)概念多，概念之間易混淆，學(xué)生難以掌握。課程內(nèi)容抽象，邏輯性強，要求學(xué)生有較強的邏輯思維能力。重要知識點主要以偽代碼的形式來呈現(xiàn)，要求學(xué)生具有基本的程序思維和良好的編程能力。

學(xué)生編程實踐能力較差，先修課程基礎(chǔ)薄弱。雖然在程序語言設(shè)計中學(xué)習(xí)了結(jié)構(gòu)體、指針、類和函數(shù)等編程基本概念，有一定的編程訓(xùn)練，但是很多學(xué)生仍然難以獨立完成實驗和作業(yè)中涉及編程的題目。因此，在課程筆試時，編程題型是所有題型中得分率最低的。學(xué)生學(xué)習(xí)方法不得當(dāng)，學(xué)習(xí)效率不高。前期以數(shù)電、模電、信號與系統(tǒng)為主的專業(yè)基礎(chǔ)課以概念理解和數(shù)學(xué)推導(dǎo)為主，是學(xué)生熟悉和習(xí)慣的學(xué)習(xí)模式；而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更側(cè)重于訓(xùn)練學(xué)生的邏輯思維和抽象能力，學(xué)生在學(xué)習(xí)方法上需要跳出舒適圈。部分學(xué)生的原動力不足，主動性較差。遇到難理解的知識點，上課不認(rèn)真聽講，下課不愿意花時間復(fù)習(xí)，作業(yè)不能獨立完成，抄作業(yè)時有發(fā)生。

以上現(xiàn)象也反映出教師在教學(xué)活動的安排和組織上存在一定的問題。主要體現(xiàn)在：第一，課堂組織形式單一，難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。以PPT為主的多媒體教學(xué)在內(nèi)容和形式上缺乏新意，而且缺乏了傳統(tǒng)的板書教學(xué)對過程性的講解，學(xué)生聽課易疲勞。第二，缺乏及時的教學(xué)反饋。課堂教學(xué)和作業(yè)批改的周期較長，教師未給學(xué)生及時地反饋刺激，學(xué)生失去了及時查漏補缺的最佳時機和深入探索相關(guān)知識的興趣。第三，考核評價機制不全面、不科學(xué)。雖然引入了過程性考核，與課程設(shè)計和期末考核相結(jié)合來構(gòu)建考核評價體系，但是以課程考試為絕對中心的評價導(dǎo)向沒有改變。即使包含過程性評價，也多以主觀印象給分，缺乏客觀評價標(biāo)準(zhǔn)[6]。

二 基于OBE的課程目標(biāo)設(shè)計

產(chǎn)出導(dǎo)向教育（OBE）是工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的重要內(nèi)涵，要求課程要明確反映對畢業(yè)要求的支撐。因此，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析課程目標(biāo)的設(shè)計需要與電子信息工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)相契合，以畢業(yè)要求為準(zhǔn)繩，對畢業(yè)要求指標(biāo)點進行具體闡述[7-8]。表1給出了針對工程教育認(rèn)證畢業(yè)要求指標(biāo)點具化出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析理論課程目標(biāo)設(shè)計，重點體現(xiàn)工程教育專業(yè)認(rèn)證中對分析與解決復(fù)雜電子信息工程問題能力的培養(yǎng)。

表1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析理論課程目標(biāo)設(shè)計

三 以學(xué)生為中心的多元化教學(xué)模式

以學(xué)生為中心的教育理念是工程教育專業(yè)認(rèn)證的另一重要內(nèi)涵。這就要求現(xiàn)有的教學(xué)模式由以教為中心到以學(xué)為中心轉(zhuǎn)變，以學(xué)生能力達(dá)成為目標(biāo)。教師的主導(dǎo)作用轉(zhuǎn)變?yōu)檫^程指導(dǎo)和管理。將工程實踐和學(xué)術(shù)研究模式融入課程教學(xué)過程中，開展以學(xué)生為中心的多元化教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生分析、解決復(fù)雜工程問題的能力。

（一）線上線下混合

由于新冠肺炎疫情影響，在線同步直播教學(xué)、在線協(xié)同教學(xué)和在線混合式教學(xué)等新型教學(xué)形式從理論研究變?yōu)榱爽F(xiàn)實，成為特殊條件下的主流教學(xué)形式，也是未來課堂教學(xué)的發(fā)展趨勢。

具體可從三方面實施。首先，正常課程教學(xué)中仍以線下面授式授課方式為主。面授可以更好地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和知識接受情況。其次，將重要知識點按照章節(jié)整理成微課，為學(xué)生線下學(xué)習(xí)提供豐富的資源。微課通常在10～15min，是對重要知識點進行高度總結(jié)和概括。最后，借助雨課堂、中國大學(xué)生慕課網(wǎng)等公共教學(xué)平臺，開展師生、學(xué)生間的交流和互動。以討論、習(xí)題、測驗、互評和在線答疑等靈活的方式開展多種形式的教學(xué)活動。同時，平臺可以對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進行全程記錄，便于導(dǎo)出進行數(shù)據(jù)分析，能夠幫助教師科學(xué)地評估學(xué)生學(xué)習(xí)情況。

此外，面臨疫情的突發(fā)性，特殊時期的線上線下混合式教學(xué)模式還要面臨線上和線下靈活組合方式，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)比重。一旦突發(fā)疫情，課程教學(xué)就要施行完全線上教學(xué)。通過對已有的疫情期間教學(xué)經(jīng)驗分析，線上教學(xué)的效果不盡人意。除了利用現(xiàn)有的線上教學(xué)平臺，還需要在線上課程中加入虛擬課堂，提高學(xué)生在線參與度，也可以讓老師在授課過程中實時地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)。

（二）課內(nèi)課外融合

課內(nèi)課外融合的教學(xué)模式是典型教學(xué)模式，被廣泛用于教學(xué)過程中。為適應(yīng)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，課內(nèi)課外融合的教學(xué)形式也應(yīng)以學(xué)為中心，以學(xué)生能力達(dá)成為原則。課內(nèi)教學(xué)需要弱化教師的主導(dǎo)作用，改變滿堂灌教學(xué)形式，強化教師課內(nèi)引導(dǎo)課外指導(dǎo)作用。具體實施要點如圖1所示。

圖1 課內(nèi)課外融合教學(xué)模式要點

課內(nèi)主要針對知識要點進行學(xué)習(xí)與鞏固，加強重點難點的分析。通過引入案例專題，形成課堂討論主題，提煉出難點進行詳細(xì)講解，再對知識點測試，最后進行點評小結(jié)。以案例專題的形式引入要學(xué)習(xí)的知識點，從學(xué)生討論中發(fā)現(xiàn)知識難點，有針對性地測試和點評可以有效引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，提高學(xué)生對問題方法探索的渴望，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在驅(qū)動力。課外學(xué)習(xí)中，除了線下作業(yè)及時批改和問題答疑，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析課程更要強調(diào)實踐能力的提高。因此，要開設(shè)綜合實驗和課程設(shè)計加強學(xué)生的實踐訓(xùn)練。在實施的過程中，我們也發(fā)現(xiàn)學(xué)生的編程基礎(chǔ)參差不齊，學(xué)生在涉及編程的作業(yè)、實驗和課程設(shè)計上的表現(xiàn)較差。也需要在課程教學(xué)中適當(dāng)?shù)貙追N基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的抽象數(shù)據(jù)型實現(xiàn)進行模塊化，給編程基礎(chǔ)較差的學(xué)生程序?qū)崿F(xiàn)上的提示，使他們能夠順利設(shè)計和實現(xiàn)作業(yè)和實驗中的程序。而且，在課程的推進過程中，逐漸地去模塊化，培養(yǎng)學(xué)生能夠獨立地抽象問題的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計程序和實現(xiàn)，從而解決問題。同時，為了解決一些基礎(chǔ)好的學(xué)生“吃不飽”的問題，滿足學(xué)生在培養(yǎng)中的個性化需求，進一步對學(xué)生進行分層次、多元化的培養(yǎng)方案，將課外實踐訓(xùn)練內(nèi)容和過程向工程型或?qū)W術(shù)型拓展。

（三）分層次實踐教學(xué)模式

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析課程內(nèi)容豐富，體系完善，技術(shù)性強，是電子信息專業(yè)課程的重要前修基礎(chǔ)課程，因此，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中培養(yǎng)問題抽象、數(shù)據(jù)組織和數(shù)據(jù)處理等實踐能力。傳統(tǒng)的實踐教學(xué)以驗證性、綜合性實驗為主，實驗的分析、設(shè)計性不足，無法滿足學(xué)生多元化與個性化的培養(yǎng)需求，學(xué)生實踐積極性不高，嚴(yán)重影響了課程學(xué)習(xí)效果。我們的做法是采用分層次實踐模式，突出課外實踐活動的工程性和學(xué)術(shù)性，與學(xué)生職業(yè)生涯規(guī)劃相適應(yīng)。

分層次實踐模式主要分為三層。第一層為基礎(chǔ)實驗，以課內(nèi)集中實驗方式，限時完成，在線提交，實時批改答疑。這一層次實驗要使學(xué)生掌握典型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)及算法實現(xiàn)，檢驗和鞏固課程基本知識和方法。從驗證實驗、綜合實驗到簡單設(shè)計實驗，按照實驗進階來組織。低階驗證實驗主要檢驗學(xué)生基本知識點和基本教學(xué)內(nèi)容的掌握情況，鞏固課程的基本知識和方法。中階綜合實驗培養(yǎng)學(xué)生基本問題的求解能力，訓(xùn)練學(xué)生問題分析、算法實現(xiàn)、編碼與調(diào)試等各個環(huán)節(jié)的能力。高階設(shè)計實驗訓(xùn)練學(xué)生靈活運用所學(xué)知識解決實際問題，對于給定問題能夠抽象其邏輯結(jié)構(gòu)，選擇合適的存儲結(jié)構(gòu)，對其進行算法設(shè)計，分析算法的時間和空間效率，程序?qū)崿F(xiàn)和分析運行結(jié)果，以強化學(xué)生綜合運用知識解決實際問題的能力。

在第一層次的實踐中，學(xué)生的基礎(chǔ)知識和基本技能得到了鞏固和加強。在第二、三層次的課外實踐結(jié)合學(xué)生個性化需求分為面向應(yīng)用的工程型實踐和面向研究的學(xué)術(shù)型實踐。工程型實踐和學(xué)術(shù)型實踐均以課程設(shè)計項目的形式體現(xiàn)。學(xué)生可以根據(jù)自己定位選擇適合的課程設(shè)計項目，利用課外時間完成文獻(xiàn)調(diào)研、項目分析、項目設(shè)計和成果總結(jié)、匯報。工程型實踐注重工程能力的培養(yǎng)。課程設(shè)計項目以規(guī)模較大的，與實際應(yīng)用結(jié)合緊密的，需要綜合運用所學(xué)知識的問題為主。通過對給定問題的分析，選擇合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計高效處理算法，增強學(xué)生協(xié)作解決較大規(guī)模實際問題的能力。學(xué)術(shù)型實踐注重創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生對某一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或算法進行深入研究，鼓勵學(xué)生提出自己的想法。因此，課程設(shè)計以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或算法延伸出來的具體問題為主，針對具體場景，編程實現(xiàn)，提升算法性能，從而提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，重點培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思維能力，鼓勵學(xué)生改進和優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。

四 全過程的課程教學(xué)評價體系

線上線下，課內(nèi)課外全面結(jié)合的混合教學(xué)模式，需要有一套科學(xué)系統(tǒng)的教學(xué)評價體系。針對線上線下混合，以過程性評價和結(jié)論性評價相結(jié)合來構(gòu)建評價指標(biāo)。過程性評價指標(biāo)可統(tǒng)計學(xué)生微課點擊次數(shù)與學(xué)習(xí)時長，問題討論和在線答疑的次數(shù)和內(nèi)容的條數(shù)。結(jié)論性評價以線上測驗、線下作業(yè)批改和課程考試為主。在課內(nèi)課外融合的教學(xué)模式中，對課堂專題討論可以采用過程性評價，對課內(nèi)測試和課外作業(yè)則采用結(jié)論性評價，綜合實驗和課程設(shè)計等實踐類內(nèi)容需要過程性評價和結(jié)論性評價相結(jié)合來建立綜合性指標(biāo)。其中，考慮到課程設(shè)計評價的科學(xué)性和系統(tǒng)性，我們專門設(shè)計和開發(fā)了用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析課程設(shè)計的系統(tǒng)平臺。該平臺可以實現(xiàn)對課程設(shè)計從選題到評價的全過程管理。此外，平臺中還設(shè)計了數(shù)據(jù)分析模塊，可對收集的課程設(shè)計過程管理數(shù)據(jù)進行必要的數(shù)據(jù)處理和分析，可以實現(xiàn)對課程設(shè)計過程的科學(xué)反饋，也為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析課程混合式教學(xué)研究提供了有價值的過程化教學(xué)評估數(shù)據(jù)和結(jié)果。

五 結(jié)束語

經(jīng)過長期的研究和實踐，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析的課程建設(shè)相對已經(jīng)比較成熟，在計算機類專業(yè)課程體系中占有重要位置。但是，中國礦業(yè)大學(xué)電子信息專業(yè)開設(shè)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析課程還面臨著開課時間短、課程建設(shè)不足等問題，需要結(jié)合后續(xù)專業(yè)課程的需求，以工程教育專業(yè)認(rèn)證理念為指導(dǎo)，改善課程建設(shè)的不足。本文系統(tǒng)分析了課程在教與學(xué)中存在的問題，按照工程教育專業(yè)認(rèn)證的畢業(yè)要求制定課程目標(biāo)，并設(shè)計了以學(xué)生為中心的多元化教學(xué)模式和全過程的課程教學(xué)評價體系，可為電子信息類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析課程改革提供參考。