混合教學模式下數據結構課程教學改革與實踐

李 娟，孫 方，張冰心

（武昌工學院 信息工程學院，湖北 武漢 430065）

0 引言

近年來，計算機科學與技術、軟件工程、數據科學與大數據技術、物聯網工程等新工科專業成為應用型本科院校的重點發展專業，而數據結構是該類專業最重要的基礎課程。在傳統線下教學中，數據結構課程教學內容存在多、難、雜的問題，教學條件存在時空禁錮、資源難求、眾口難調的問題，教學模式存在手段單一、理念落后、效率低下的問題，教學評價存在考核方式片面化、評價標準主觀化的問題，教學管理存在管控尺度難把握、教學資料雜亂少的問題。針對這些問題，混合教學模式提供了一種新的解決方法［1-2］。

1 相關研究

混合式教學將線上平臺與線下教學兩種學習環境相融合，充分利用互聯網及信息技術優勢，打破了傳統線下教學的時空界限，為學生提供了更豐富的學習渠道，充分體現了以學生為中心的教學理念［3-5］。混合式教學模式帶來了本科教育教學的革新，同時也在本科教育教學改革實踐中不斷發展、成熟。混合式教學模式發展初期著重于信息技術的應用，包括課程網絡資源建設、微課視頻制作、在線作業平臺設計、網絡教學環境搭建等，這些技術在新冠肺炎疫情期間得以迅速發展，并在本科教學中了發揮不可或缺的作用［6-8］。線上平臺優勢得以充分展現的同時引發了教師們的進一步思考，其對如何進行資源、方式、環境的混合，如何在線下教學中利用網絡平臺和先進技術手段開展教學設計，如何進行線上、線下的有效銜接，進行了研究［9-11］。在混合式教學實踐中，教師們在智慧教學平臺［12-14］（如智慧樹、中國大學MOOC、超星學習通、雨課堂等）的支持下，從課前、課中、課后時間維度，教師、學生角色維度，教學、活動、評價交互維度，根據人才培養與具體課程定位展開了混合式教學設計，加強了對學生自主學習能力的培養，提高了教師課堂的教學效率與質量。

教育的根本是育人，專業課程與課程思政協同育人是本科院校教育教學的重要課題［15-16］，科學融入課程思政是混合式教學模式進一步發展完善的方向。為此，本文開展混合式教學模式下的數據結構課程教學改革研究，主要包括以下3個方面：①優化教學目標，明確課程思政目標；②完成數據結構課程混合式教學設計，提出專業課知識與思政元素全浸入式融合的教學方案；③構建診斷性評價、形成性評價與終結性評價相結合的評價體系，有效調控學習過程，客觀公正地進行學習效果評價。

2 教學目標

教學應以學生為中心，遵循教師引導、學生主動、OBE導向的理念，融思政教育、專業技能、課程內容于一體。根據學校應用型人才培養需求，數據結構課程教學目標分為知識目標、能力目標、工程目標和思政目標4個方面，具體如下：①知識目標。理解數據結構相關概念與基礎知識，掌握數據之間的邏輯關系和物理實現；理解查找與排序問題及解決方案；能夠綜合分析各種相關算法的性能及應用；②能力目標。能夠根據具體問題要求綜合選擇、設計并構建合理的數學模型和數據結構，具備運用所學知識解決實際問題的能力和計算思維，具有良好的科學研究精神和較強的科學工程意識；③思政目標。樹立正確的工程倫理觀，培育社會責任感、工匠精神，激發家國情懷，培養科技報國、堪當民族復興大任的創新引領型人才；④工程目標。能夠通過程序員職業資格考試；能夠依據軟件工程規范，結合問題需求進行編程實踐，初步具備設計計算機領域復雜工程問題解決方案的能力。

3 混合式教學設計

3.1 整體設計方案

數據結構課程教學內容由基本概念、經典數據結構和典型問題求解3部分組成，具體如圖1所示。

Fig.1 Data structure course content system圖1 數據結構課程內容體系

邏輯結構、物理結構和算法分析等相關概念為課程核心內容的學習奠定基礎。經典數據結構包括線性結構、樹結構與圖結構，在教學設計中按照邏輯結構、物理結構、操作算法、應用分析組織教學內容，使學生理解掌握各種數據結構的邏輯關系、物理實現及典型應用。典型問題求解主要包括查找與排序，在教學設計中按照基本原理、算法設計與實現、性能分析及綜合比較的邏輯順序組織教學內容，使學生能夠理解不同查找/排序算法的設計思路、實現方法、效率和適用性。

數據結構課程網站提供完善的資源庫、習題庫及作業庫，按照教學內容、知識點詳解、實驗項目、本章小結、本章測試等項目組織各章節內容，以提供系統學習資源與學習指導。該課程共計72學時，其中線上24學時，用于數據結構基本概念、基礎理論和相關算法原理的教學，使學生形成初步知識體系；線下48學時，含32學時課堂教學和16學時實驗教學，引導學生對所學知識進行深入理解與鞏固，能夠融會貫通和拓展應用。依托課程網站開展混合式教學，線上教學平臺的智能化、課堂教學的智慧化、實驗教學的開放化使學生具備了一定的數據抽象和算法設計能力，也初步具備了創新性和批判性思維。數據結構課程教學內容與學時分配如表1所示。在教學中應堅持以教師育人為關鍵，形成協同育人模式。利用專業課中蘊含的思想政治教育元素幫助工科學生堅定正確的政治信仰，發揮專業課教師對學生思想的引導作用。

Table 1 Data structure teaching content and study time arrangements表1 數據結構教學內容與學時分配

3.2 教學實施方案

以教學單元為單位，數據結構課程混合式教學路徑如圖2所示。課程教學按照線上線下混合、理論實踐融合、課內課外覆蓋及沉浸式思政方式組織實施，整個教學過程包含線上學習、理論課堂、實驗課堂和課后學習4個階段。

Fig.2 Blended teaching path圖2 混合式教學路徑

在線上學習階段，教師提前發布任務及時間節點，同時給予簡要導學，學生自主選擇時間學習線上教學視頻，完成線上討論與作業。線上學習內容注重解決問題的思維和方法的引導，使學生進一步掌握基礎知識、提高技能水平。教師通過平臺提供的學習數據統計、在線作業完成情況及線上學情反饋掌握學生在線學習情況，以便進行線上線下的銜接設計，為線下授課做好充分準備。

理論課堂按照課表在智慧教室實施，線下授課以案例為中心，采用理論—實踐融合方式進行。教師圍繞案例進行提問、解答，然后設計新的問題，引出新的解答途徑并演練、驗證，通過計算機現場編程、調試與運行直接體現教學目的。案例剖析及問題解決需要學生積累一定的知識基礎，同時也是對其重難點知識應用能力的考察。必要時教師需針對性回顧線上學習內容，同時通過線上平臺記錄儲存理論課堂的學習過程及學習成果，以便學生后期鞏固與復習。

課程實驗開展線下實踐教學，通過綜合訓練培養學生分析具體問題、建立數據模型并解決實際問題的能力，培養其創新意識，提高動手實踐能力。教學單元所對應的實驗應與單元教學同步啟動，線上學習為實驗項目提供了知識基礎，學生在自主學習的同時通過編程初步實現對應數據結構的定義、存儲和基本操作。在實驗課堂，綜合前期學習成果進行項目的設計與實現，完成項目編碼、調試、運行與驗證，通過實驗報告對項目進行整理、總結。項目實踐需要線上及理論課堂學習成果的支撐，學生在實驗過程中可根據項目需求在網絡平臺進行相關知識點的深度學習，實驗過程、項目成果及實驗報告同樣可以通過網絡平臺記載保存。

課后學習主要包括復習、自測兩個環節，通過復習回顧章節內容查漏補缺，熟練掌握教學內容；通過自測驗證學習效果，保證教學目標的達成。網絡平臺的線上學習資源、理論與實驗課堂的學習記錄可以復現教學單元學習內容、學習過程，為學生課后學習提供保障。

為保障教學效果，由課程助教團隊負責將輔導性教學融于線上線下、課內課外各個環節中，以學生需求為本，靈活采用集中答疑、小組輔導、個別交流等方式為學生服務。同時，在教學中進行全浸入式課程思政探索，融思政教育、專業技能、課程內容于一體，以正確的價值觀引導知識學習，培養三觀端正、知識完備、技能過硬的專業人才。

3.3 教學實踐

以“隊列”章節為例，混合教學安排如表2所示。

Table 2 Blended teaching arrangement of the queue unit表2 隊列章節混合教學安排

3.3.1 線上教學

教師通過公告的形式發布學習任務及時間節點，學生在規定時間范圍內完成線上學習活動，包括在線作業、主題討論等。線上學習資源主要包括相關文檔資料及知識點詳解視頻等，其中視頻學習被設置為任務點，完成任務點后學生可按需完成其他教學活動。隊列章節在線教學活動包括隊列特點、隊列存儲結構及優缺點、隊列典型應用3個主題討論；關于循環隊列、鏈隊列的程序理解作業題；關于在線學習評價的問卷調查等。

3.3.2 課堂教學

隊列章節線下理論課為2學時，主要包含循環隊列和鏈隊列兩個知識點，各講授1學時。以循環隊列知識點為例，課堂教學實施過程如圖3所示。

Fig.3 Teaching process of “circular sequence”圖3 “循環隊列”知識點教學過程

在教學過程中靈活運用多種先進教學方法，有效調動學生的學習積極性。有機融合傳統教學模式與現代化教學模式，綜合運用知識傳授、技能技巧培養、情感交往手段，以期獲得最優教學效果。課堂利用學習通APP開展教學活動，充分激發學生學習興趣，發揮其主觀能動性，師生借助APP進行有效互動，及時反饋學情。典型課堂教學活動如表3所示。

Table 3 Typical classromm teaching activities表3 典型課堂教學活動

3.3.3 實驗教學

實驗教學在實驗室進行，利用課程網站發布實驗任務，并給出必要的實驗背景講解和重難點提示。學生可以根據實際需求自主學習并完成實驗任務。為有效監督學生實驗情況，教師可要求其以隨堂練習的形式提交實驗調試與運行界面。

3.3.4 在線測試

課程采用網站在線測試、階段考試等多種方式對學生學習情況進行考察。在線測試由學生完成章節學習后自主選擇時間完成，而階段考試由教師根據實際情況制定具體時間，由學生統一完成考試。

3.3.5 思政育人

構建全浸入式思政育人環境，包括在課程網站設計中增加思政元素，如工程倫理觀、社會責任感、工匠精神、家國情懷等育人題材；在教學案例中以“隊列體現的是一種秩序”為核心進行教學內容與思政融合；在教學過程中，結合學生未來職業規劃，以“程序員的生活追求，積極向上，追求美好；程序員的專業追求，刻苦鉆研，自主創新；程序員的工作追求，認真嚴謹，追求實效”為主題深挖思政元素，進行“潤物細無聲”的潛思政。

4 考核與評價

4.1 課程考核方案

著眼于有效調控學習過程，構建診斷性評價、形成性評價與終結性評價相結合的評價體系，其中，診斷性評價、形成性評價作為過程性考核，以平時成績、實驗成績的方式進行記錄；終結性評價以期末考試的方式實現。

課程平時成績通過網站進行記錄和導出，包括簽到、章節學習、討論、作業、分組任務、課程互動及在線測試7個部分，涵蓋教學全過程，占總評成績的30%。課程實驗以項目為載體，將實驗任務貫穿于教學全過程，通過自評、互評和教師評價進行綜合評價。實驗項目包括線性表及應用、堆棧及應用、隊列及應用、樹及典型算法、圖及典型算法、查找算法與分析、排序算法與分析，占總評成績的20%。終結性評價側重于考核學生的知識掌握程度和應用情況，通過考試的方式進行，考核內容涵蓋大綱全部知識點，占總評成績的50%。

課程考核評價具有以下兩個重要特點：①評價因子多元化。考核中注重過程與結果相結合，重視過程性考核，結合線上資源及平臺功能，以網站各種學習數據作為評價依據之一；②評價主體多元化。除教師參與評價外，還引入小組、學生作為評價主體，以激發學生競爭意識，調動其學習積極性。多元化評價機制保證了課程考核的公平性、公正性、有效性和權威性。

根據課程考核評價機制，軟件工程2020級02班平時成績平均分為87分，實驗成績平均分為85分，期末成績平均分為83分，總評成績平均分為85分，分數分布如圖4所示。考試成績符合正態分布，能較為真實地反映教學效果。從考試成績來看，學生能夠較好掌握所學內容，教學達到預期效果。

Fig.4 Distribution of student score圖4 學生成績分布

4.2 教學效果評價

混合教學模式下的數據結構課程教學改革與實踐始于2021年春季學期，在軟件工程201902班進行了試點教學，軟件工程2019級其他班級仍采用傳統線下教學方式。2022年春季學期在軟件工程2020級全面展開，學生成績及評教如表4所示。

Table 4 Comparison of student scores and teaching evaluation results in data structure courses表4 數據結構課程學生成績及評教結果比較

軟件工程2018級以傳統線下方式開展教學，學生普遍反映教師教學能力和教學水平較高，授課認真富有激情，但是課程難度較大，課堂很難完全聽懂，課后復習有點無從下手，平時成績評定缺乏客觀有效依據。軟件工程2019級（非201902班次）以傳統線下方式開展教學，從課程成績和學生評教來看，教學效果優于2018級，其原因在于課程網站提供了豐富的教學資源，方便學生課外學習；考勤、作業、實驗、課堂活動等學習任務均在網站提交、記載，平時成績有據可依。軟件工程201902班開展混合教學模式試點，與非試點班相比效果顯著，充分體現了混合教學的優越性。軟件工程2020級對混合教學模式試點方案進行了完善與優化，教學效果得到進一步提升。2018-2020級3屆學生課程成績與評教結果比較體現了混合教學模式的優越性。

課程團隊成員認為完善的課程網絡教學平臺，過程化、智能化電子教學檔案，線上、線下全融合式教學活動設計使得課程教學更加流暢、生動，良好的教學體驗感和課堂效果使得授課教師成就感滿滿。課程組的教學實踐及研究成果多次在學校、院系各層次及武漢民辦高校的同行中進行交流和展示，受到學校督導及同行老師的好評。數據結構課程近3年教學評價結果如表5所示。可以看出，綜合評分連續3年增長，課程改革持續發力。

Table 5 Data structure course teaching evaluation of recent 3 years表5 數據結構課程近3年教學評價結果

5 結語

混合教學模式下的數據結構課程教學改革與實踐以學生為中心，設計小而精的教學內容模塊，以實際案例為載體展開翻轉教學；秉承OBE教育理念，融理論、編程、應用于一體，全面開展各種教學活動，最大化激發學生學習激情，提高教學效率；通過以練促學、以證促學、以賽促學等方式，使學生更加明確教學目標，獲得學習成就感，進一步拓展課程教學領域，真正實現學以致用、融會貫通；考核中注重過程與結果相結合，評價主體多元化，以激發學生競爭意識，調動學生學習積極性；結合學生未來職業規劃思政育人，激發學生學習興趣，引導學生主動學習、積極思考。教學實踐結果表明，與傳統教學相比，混合教學模式取得了明顯效果，深受教師、學生及同行好評。今后將在現有建設基礎上對課程資源及教學案例進一步系統化、豐富化及思政化，對教學設計、教學流程、教學方法進一步優化。同時，為了在應用本科院校發揮更大課程效用、增加課程受眾，計劃將先修課程及后繼課程建設一同納入規劃，進行課程群協同發展，鞏固數據結構的核心課程地位，體現對先修課程的有效延伸，以及后繼課程的有效聯系與支撐。對于本專業學生，聯動建設課程、競賽及創新創業項目，進行課程教學的課內外拓展；對于其他工科專業學生，嘗試開設普適性選修課實用數據結構與算法，最大化課程受眾，將計算思維的培養普及化。