基于Python語言描述的數據結構課程設計實踐探究

汪舜敏 彭擎宇 段景輝 梁志勇 周顯春

關鍵詞：混合式教學；思政建設；數據結構；Python語言描述

Python語言具有簡潔性、易讀性以及可擴展性等特點，在網絡爬蟲、數據分析、機器學習等多個領域被廣泛應用[1]。2022年5月，TIOBE編程語言排名榜中，Python已躍居全球前四，成為4大流行語言之一，該語言也陸續成為高校計算機專業的基礎課程[2]。目前，許多高校計算機專業的數據結構課程已采用Python語言進行描述，其中，北大陳斌老師的《數據結構與算法》是一個真實案例。

1 課程總體設計

本課程以三亞學院信息與智能工程學院學生為例，本學院學生相比本科公辦院校學生整體而言存在一定差異，為提升學生學習效果，需要采用因材施教的教學方法。根據以上學生現狀，本文結合Python語言的特點，采用Python 語言對《數據結構》課程進行描述。主要從混合式教學、思政元素兩大方面進行課程設計，共計60學時，其中理論課45學時，實踐課15學時。教學方法采用線上線下混合式教學法、案例講解法、團隊合作法等多種形式。以教師講解為方向，以線上學習為輔助，圍繞學生學習情況，及時采取措施調整教學方案，將所學知識融入實踐教學，突出學生動手能力和獨立解決問題的能力。

2 課程混合式教學設計

混合式教學的基本理念是“以學生為主體，教師為主導”，其可以將傳統線下教學和線上的網絡教學相結合，綜合課前課中課后設計、隨堂小測、課后練習等師生互動、生生互動環節[3]，通過線上+線下的教學方式，充分發揮在線教學與傳統線下教學的優勢，使線上教學由教學輔助活動變為教學必備活動，充分發揮兩者相混合的“1+1＞2”的作用，促進學生高效學習，提升學生學習興趣[4]。

《數據結構》可為后續《數據庫》《高級語言程序設計》等專業課程奠定重要的邏輯基礎，但該課程要求學生具有較強的邏輯思維，能夠理解并掌握算法思路，建立算法思維模式，并利用Python語言進行實際應用，這要求學生能夠較為靈活地學習。傳統講授方式是線下課堂上以教師主動授課，學生被動學習的方式進行，導致學生的學習積極性較低，容易出現部分學生不聽課的情況。另外，不同地域、不同家境等條件孕養出來的學生，往往學習能力高低不一，對內容的理解和思考問題的角度也各有差異；且傳統的線下課堂授課方式單一，難以實現不同學習基礎的學生在一節課內取得相對相同的學習效果。因此，課程的講授應該根據學生學習層次高低不一的實際情況，而混合式教學可以實現該學習效果，憑借打破時間和空間限制的優勢，該教學模式可以讓一般水平的學生能成為中等水平，其他水平的學生以此類推。因此，本課程采用混合式教學方法實現線上線下一體化。與此同時，遵循立德樹人的教育理念，為該課程尋找思政元素，增添色彩[5]。

本課程混合式教學模式的開展采用芯位教育一體化平臺實現。平臺中主要包含在線教學、課程答疑、通知、統計等模塊，在該平臺可以實時觀察學生線上學習的分析統計數據；在教學設計入口中，包括課程基礎信息、教學設計、課程考核、題庫管理、資源管理五大模塊，教師可以通過該平臺對所授課程進行管理，包括視頻內容、學生信息等[6]。并利用該平臺對《數據結構》課程進行課程建設，包括課程內容設計、課程資源建設等。教師可以通過平臺發布預習作業、線上學習任務通知等，布置線上視頻學習、測試作業等任務，在討論區發布問題或者給學習問題進行答疑，將有代表性的學習帖置頂或推薦給學生，以提升學生自主思考和分析解決問題的能力。且通過免受時間和空間限制的網絡教學平臺，可加深師生、生生之間對課程內容的溝通交流。總的來看，想要充分混合式教學的優勢，就需要充分利用平臺優勢，完善教學內容、教學過程設計，對教學效果進行評估，以此完成全方位的混合式教學，本文即從以上三個方面展開以下論述，相關內容如下：

2.1 教學內容設計

混合式教學相比普通網上課堂教學，主要差別在于前者要求教師在開展實際教學之前，應該精心設置線上、線下教學內容，使得線上線下設計相輔相成、融合恰當，并根據學生學習情況的變化而及時做出修改和調整，以保證學生的學習效果。而后者只考慮線上學習。本文在進行混合式教學設計時，重點考慮：線上線下內容劃分，線上線下相輔相成，與學生常用學習方式相結合。本課程教學內容設計如下：

1） 線上：課前預習、課后鞏固。線上主要是將學習視頻、階段性測試習題、章節練習等按照授課計劃進行模塊化排序，知識點涵蓋整本教材。課前預習包含視頻學習和習題自我檢測，視頻內容按照時間分布到平臺上，只有開通權限的視頻才能學習，結束時間為最后一周的周日，以避免學生刷課行為；自我檢測采用題庫形式，每個學生的習題將不同，避免學生抄襲行為，通過課前預習確定線下授課的教學內容重難點。課后鞏固主要是通過章節練習、階段測試等習題測試方式，提高學生對混淆知識點、易錯知識點的區分與判斷，此測試結果是作為線下授課回顧上一節知識點的重要依據。

2） 線下：課中授課。根據學生線上平臺討論區發布的學習問題，以及線上平臺統計的學生預習情況反饋信息，確定本節課的教學內容。以根據課堂提問形式進行習題檢測，根據習題檢測情況及時調整教學內容所需的時間，以保證不同層次的學生都能有較大的收獲；課中也伴隨著知識點的隨機測試，若測試結果偏差，將適當重點講解，了解學生疑難所在，并在下次授課時加入該因素的考慮。

2.2 教學過程設計

混合式教學的過程設計主要包括線上視頻預習、課堂學習、課后作業、線上測試、答疑解惑等，教學過程設計分為課前預習、課中教學以及課后復習三大部分，如圖1所示。混合式教學設計如圖2所示，分為線上教學與線下教學兩大部分，圖中虛線代表線上教學與線下教學之間的相互作用。

線上線下學習任務情況如下，以本校大數據專業《數據結構》課程為例：

任務一：

線上：針對二叉樹的基本知識發布學習視頻令學生自主學習該內容，作為課前預習。線下：對學生預習情況以及評論等信息確定課中該節知識點的難點，以實際教學為例，發現學生對二叉樹的性質、存儲方式難以理解，因此線下課中對其進行詳細講解，并對該節重點知識：對二叉樹的遍歷以及線索二叉樹進行重點講授，課后布置二叉樹紙質作業幫助學生消化和吸收本節課新知識，兩周后對本節知識點進行階段性小測試[7]。

任務二：

線上：對圖的遍歷、最小生成樹進行課前預習。線下：發現學生對圖的遍歷和之前樹的遍歷有所混淆，以及最小生成樹與現實關系有所不解。因此，線下課中教師需要重點講解圖與樹在遍歷時的區別以及重點知識：最小生成樹，課后布置線上圖的遍歷、最小生成樹作業幫助學生消化和吸收本節課新知識，兩周后對本節知識點進行階段性小測試。

課中，首先復習，對已學知識回顧總結并重點講解難點以及引入本節知識的重點，每章節結束時，利用題庫進行課堂小測，及時了解學生的學習情況[8]。數據結構課程選取每章中經典算法作為理論知識的實踐教學內容，在實踐課堂中，形成以小組組長為中心的學生分組學習小組并最終形成實驗文檔及代碼，上課過程中為學生講解實踐教學內容的理論知識，并課中帶領學生演示，以提高學生學習深度，提升學生分析與解決問題的能力[9]。

課后利用芯位教育一體化平臺通過測試練習題進行課程鞏固，課程測試練習題采用限時方式進行，過期則不能提交，只能最后一周補交并根據補交次數按等級扣分，以此培養學生在學完本節內容后及時進行復習歸納的思維模式。在課程答疑模塊學生可以根據所學知識總結自己疑惑的知識點和當前學習的難點，要求每個學生至少發表16次評論，保證每個學生積極參與思考自己的學習情況，以此提高學生的自主學習、自我思考能力，同樣可以在學生產生困惑時能夠及時解惑。

2.3 課程教學實踐結果

數據結構芯位教育一體化平臺教學效果如圖3所示，由圖3可以看出，在利用本文設計方法進行教學實踐后，學生平時成績優秀人數95人，良好18人，中等7人，總人數126人（注：圖中剩余人數為自主選修），總體表現良好。其中，視頻平均完成率與作業平均分如圖4所示，結果都表現為優秀。

3 思政元素設計

2016年12月，習近平提出把思想政治工作貫穿教育教學全過程，本課程思政元素的設計體現如下：

1） 實踐是檢驗真理的唯一標準：一門課程的學習不應該僅僅限于聽懂和理解，還應該學會運用到實踐中。因此，本課程分為理論和實驗兩部分，理論知識的學習用于為實驗打好基礎，實驗的練習又將理論知識升華到實踐應用中，只有通過實驗才能驗證理論知識的正確性和作用。本課程對線性表、棧、串、樹、圖、查找和排序分別進行了實驗，通過實驗讓學生親手驗證理論知識，體會該思政元素的作用。

2） 個性與共性：在樹與二叉樹之間，二叉樹屬于樹，具備樹應有的特征，即共性；但是二叉樹也有其特有的多種性質，盡管學生難以區分，這是二叉樹的個性，也是因為這樣的個性與共性的關系，使得樹可以轉換為二叉樹，二叉樹可以轉換為樹；具有相似關系的還有二叉樹與森林之間的相互轉換。

4 結束語

在混合式教學中，教師工作量相比傳統課堂教學大大增加，需要投入更多的精力來規劃和設計整個教學全過程，為教師和學生帶來了較大的壓力，為有效緩解此現象的發生頻率，更要加強與學生的交流，及時掌握學生學習情況，多引入新方法新手段，提高教學質量。本文基于芯位教育一體化平臺，對基于Py?thon語言描述的數據結構課程進行課程設計，實踐結果表明，應用該課程設計方法后，整體教學效果良好。