“數據結構與算法”迭代式教學探索與實踐

杜康寧

摘? 要文章以通信工程專業(yè)為例，闡述了數據結構與算法課程教學改革對提升非計算機專業(yè)大學生編程能力的重要性，提出了迭代式案例教學的課程設計思路，結合現代教學設計優(yōu)化原則，如OBE、SPOC、BOPPS與案例教學，設計了打車系統(tǒng)教學案例體系，通過對課堂授課方式進行改革，從而提高學生的邏輯思維能力和編程能力。

關鍵詞迭代式教學；數據結構與算法；案例式教學

中圖分類號：G424? ??????????????????????????文獻標識碼：A??? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.21.037

Exploration and Practice of "Data Structure and Algorithm" Iterative Teaching

DU Kangning

（School of Information Communication Engineering， Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100101）

AbstractTaking communication engineering major as an example， this paper expounds the importance of data structure and algorithm course reform to improve the programming ability of non-computer major students. Then， the course design idea of iterative case teaching is proposed. Finally， combining with modern teaching design optimization principles including OBE， SPOC， BOPPS and case-based teaching， this paper designs teaching case system based on taxi system. Reform and practice of classroom teaching methods enhance students' logical thinking ability and programming ability.

Keywordsiterative teaching; data structure and algorithm; case-based teaching

1? 問題提出

數據結構與算法是通信工程等信息類相關專業(yè)的一門重要的專業(yè)核心課。該課程同時配備有數據結構與算法課程設計實訓環(huán)節(jié)。數據結構與算法課程的教學目標是培養(yǎng)學生的編程能力，讓學生具備“發(fā)現問題，分析問題，解決問題”的能力。通過數據結構與算法這門課，期望構建通信工程專業(yè)本科生的編程基礎，讓學生具備編程思想，并能用編程解決實際問題。

通過對電子信息類專業(yè)畢業(yè)后3―5年學生的調查[1]，畢業(yè)生認為影響就業(yè)的五大關鍵能力是：電腦編程、解決復雜問題、談判技巧、主動學習以及有效的口頭溝通能力。值得注意的是，這五大能力中，只有電腦編程屬于專業(yè)技能，其余四項都是非專業(yè)的通用技能。調查還發(fā)現，絕大部分電子信息類畢業(yè)生的編程能力是在就業(yè)后參加實際工程項目中建立起來的，在畢業(yè)時仍然處于“欺軟怕硬”（軟件編程不會的同時又懼怕硬件設計）的狀態(tài)。就當前企業(yè)對軟件開發(fā)人才的需求進行調研，發(fā)現從事軟件開發(fā)工作的人員中70%是非計算機專業(yè)[2]。綜上所述，盡管社會對具備編程能力的非計算機專業(yè)人才存在巨大缺口，但目前非計算機專業(yè)的絕大多數畢業(yè)生并不具備編程能力[3]。為分析通信專業(yè)畢業(yè)生存在編程能力不足的原因，本文對比了計算機專業(yè)和通信工程專業(yè)數據結構與算法課程的前期先導課程，發(fā)現在計算機專業(yè)的培養(yǎng)計劃中，數據結構與算法前期先導課程十分豐富，經過前期豐富的課程打牢基礎，學生后續(xù)對數據結構與算法的掌握就更加容易；而通信工程專業(yè)的先導課程非常少。由此本文發(fā)現編程訓練關系著學生編程思維的構建與編程能力的提升，而缺乏充分的編程訓練是非計算機專業(yè)大學生編程能力薄弱的主要原因。

此外，當前的數據結構與算法課程教學往往以知識體系為出發(fā)點，重點在于教學內容，課程目標更多地考慮了知識的完整性，而非學生在學習課程后應具備的能力。為此，通過優(yōu)化數據結構與算法課程的教學方式，讓學生在不增加課上學時的條件下具備編程能力已成為通信工程專業(yè)教學改革的重點工作。

迭代式案例提供了可運行的系統(tǒng)，降低了學生上手編程的門檻，將實踐拆分為多個階段的任務，降低了每個階段的難度，學生能夠在每次完成一個小功能后體會到獲得感，激發(fā)其對編程的興趣。因此，課程組提出數據結構與算法的迭代式案例教學，設計了打車系統(tǒng)教學案例體系，以迭代的方式將教學案例與課程知識點進行一一對應，提高學生的軟件編程能力。

2? 迭代式教學設計的優(yōu)化原則

本文以OBE、SPOC、BOPPPS與案例教學作為迭代式教學優(yōu)化設計的四大基本原則，開展迭代式教學探索與實踐。

首先，成果導向教育（Outcomes-Based Education，OBE）是一種教育模式，旨在培養(yǎng)學生獲得成功所需的知識、技能和素質[4]，而數據結構與算法的直接成果就是要讓學生具備編程的思想與能力。

其次，小規(guī)模限制性在線課程（Small Private Online Course，SPOC）[5]通過將教學、視頻等元素進行有機結合，為學習者提供了更全面、深入的學習體驗。通過選用優(yōu)質的數據結構與算法SPOC課程讓學生進行學習，再輔助現場的案例實踐探索與討論更能夠提升學生的課程參與度。

此外，BOPPPS教學模式[6]強調學生應積極全面地參與學習，而非被動接受。該模式還特別注重獲取學生的即時反饋，以便調整接下來的教學活動，從而能夠鼓勵學生更積極地投入學習中，激發(fā)他們的學習興趣。本文對數據結構與算法課程的改革將全面引入BOPPPS的設計理念，優(yōu)化課程的過程設計。

最后，案例教學在我國被普遍接受，各個高校針對提高非計算機專業(yè)大學生的編程能力設立了大量的案例教學項目，但對大學生編程能力的提升并不明顯。為此需要將精英教育和大眾教育進行結合，同時還需要以科教融合理念為指導，探索新的案例教學模式，激發(fā)學生對編程的興趣，在不增加學時的條件下提升學生的編程能力。

3? 迭代式教學設計的優(yōu)化實踐

根據以上原則，圍繞BOPPPS的核心設計理念，基于數據結構與算法迭代式探索與研究的建設目標如下：第一，打造以工程實踐為導向的迭代式案例教學，通過工程實踐助力提升學生的編程能力；第二，構建科教融合為理念的教學案例體系，注重理論教學與實際應用結合，實現產學研相結合；第三，探索SPOC線上線下混合式教學模式，滿足不同能力學生的個性化學習需求，實現項目式翻轉課堂。

3.1? 迭代式案例教學

將工程實踐設定為數據結構與算法課程教學改革的目標導向，改革的目標就是通過工程實踐讓學生具備編程能力。北京信息科技大學通信工程專業(yè)數據結構與算法課程設置在大一第2學期，學生的編程基礎薄弱，在剛進行編程實踐時遇到一個困難后就無法繼續(xù)往下進行，從而導致在還不了解編程前就放棄了編程的學習。

為此，課程組借鑒軟件開發(fā)中“迭代”的思想建立教學案例，并在學生參與實踐的過程中不斷優(yōu)化教學案例。區(qū)別于普通的教學案例，本文提出的迭代式案例從整體而言是一個真實且完整的編程項目，該項目功能的編程實現需要運用近乎全部數據結構與算法課程的核心知識點并貫穿整個教學過程。案例的“迭代式”體現在兩個方面，一方面是需要將軟件的功能拆分成較小的功能單元，以課下作業(yè)的形式讓學生編程逐項實現，并在每次驗收作業(yè)與課堂講解時調整下次要完成的內容，通過貫穿一學期的教學歷程讓學生能夠完全替代老師提供的動態(tài)庫，能夠編寫完整的案例程序。“迭代式”另一個方面的體現在于根據每學期學生實踐過程中遇到的困難和對編程掌握的程度，迭代循環(huán)地調整案例的功能。

另外，實施迭代式案例需要利用課堂、校外實訓基地、校內實驗室、眾創(chuàng)空間以及學生創(chuàng)新實踐中心等平臺。按照“基礎實踐、專業(yè)實踐、綜合實踐、創(chuàng)新實踐”四個層級，構建了如圖1所示的教學體系結構。將案例融入理論課程和課程實驗，讓學生掌握基本理論并具備初步編程能力，并結合課程設計、專業(yè)創(chuàng)新設計、學科競賽與課外科技活動讓學生的編程能力逐漸增強。

3.2? 打車系統(tǒng)教學案例體系

當代大學生對學習內容的要求逐步提高，更加關注真實的項目中遇到的問題。針對人才培養(yǎng)目標和軟件工程專業(yè)的畢業(yè)要求，更應在數據結構與算法課程的教學中強調學生實踐能力和工程技能的提升。因此，必須在教學內容中做出調整，不再以基礎理論和算法為主，而是在課程設計中加入更多利用所學知識和技能解決實際問題的案例，強調知識的應用性。

遵循“理論知識要夠用且實用”的原則，對傳統(tǒng)的教學內容進行了重新構建和篩選，剔除了部分理論性強但實際應用較少的數據結構（如廣義表等）。課程組利用在科研領域的優(yōu)勢，選擇了更易于理解需求的打車系統(tǒng)作為典型案例，并將其與數據結構與算法的相關理論知識有效地結合起來，以項目為核心，重塑了課程的教學內容。設計了打車系統(tǒng)教學案例體系，該體系分為五個階段：第一階段通過對線性表的更新、插入等操作完成對系統(tǒng)用戶的注冊登錄以及用戶信息的修改等功能；第二階段添加訂單類，輸入打車起點與終點，通過棧和隊列結構實現對乘客打車的排隊效果，附帶講解串和數組的設計和實現思路；第三階段在系統(tǒng)中添加地圖數據，講解樹和二叉樹基礎知識和設計，構建二叉樹實現按層檢索乘客位置，并在此基礎上介紹二叉排序樹與赫夫曼樹的應用；第四階段使用圖的知識構建接單距離圖，實現司機對乘客打車信息的查找和排序，根據附近訂單位置和狀態(tài)接單；第五階段通過地圖數據建立成熟路徑圖，系統(tǒng)根據訂單信息，計算起止點之間的最短路徑及開銷，并且行程中乘客可以實時查看當前行車路線導航、里程、時間以及費用等信息。多個階段學習算法與數據結構中的表、隊列、樹與圖等知識。

3.3? 線上線下混合教學模式

數據結構與算法課程不僅需要讓學生考試考得好，還需要能夠熟練地編寫程序。在當前的環(huán)境下，高校正在減少專業(yè)課程的授課時間。考慮到學生的主動性、專業(yè)興趣以及學習能力等方面存在的差異，為了確保在減少課程時間的同時保持教學質量，并滿足不同能力學生的個性化學習需求，課程組正嘗試結合一題多解的策略，探索采用SPOC線上線下混合教學模式。在此模式下，使用數據結構與算法課程的優(yōu)質在線資源，將通用知識點的教學部分移到線上進行，同時在線下課堂以案例講解和討論為主，以提高教學質量。

OBE的核心理念是從傳統(tǒng)的“教室、教師、教材”中心向新的“學生、學習、學習效果”中心轉變。在SPOC混合教學模式中，線下的實體課程采取項目式翻轉課堂，將課堂掌控權交給學生，利用項目導向的教學方法來引領學生主動參與、自行探索和動手實踐，將教學重心從傳授知識轉向培養(yǎng)能力，實現了真正以學生為中心，注重學習效果的目標。以“項目案例需求分析―選擇數據結構―算法設計―算法評價―算法優(yōu)化―項目實現”的流程為主軸，實行項目式翻轉課堂，通過課堂提問、查閱文獻、項目分析、小組討論、編程實踐等多種教學方式，鼓勵學生主動參與課堂，進行思考和編程操作。同時，根據學生認知水平和專業(yè)技能的不同，靈活調整教學策略，采用分層次、分級別的教學方法。以打車系統(tǒng)為案例，借助迭代式開發(fā)思想，將復雜的打車系統(tǒng)功能開發(fā)拆分成“登錄注冊模塊—個人信息模塊—訂單管理模塊—出行模塊”進行階段迭代式開發(fā)。在每個功能模塊的首次課堂上，教師會構建情景，并以模塊功能為背景引入新的課題，以此激發(fā)學生的學習興趣。教師總結歸納，要求學生針對具體技術需求，課前預習在線課程，課中分組討論、匯報項目需求，從而實現線上線下課程的交叉融合。同時結合一題多解的教學模式，培養(yǎng)學生的思維與解題能力，起到鞏固、深化、拓寬、綜合應用知識的作用。通過一個個階段的模塊功能開發(fā)，從課程理論知識來說，每個模塊的功能充分結合數據結構與算法中的重要知識點，同時將知識點進行實際應用，實現對知識點的充分掌握與應用；從工程實踐上來說，整體上實現迭代式開發(fā)，有效串聯所有功能，達成開發(fā)整個復雜打車系統(tǒng)的最終目標，實現了理論與工程實踐的充分結合。

4? 結語

本文結合“數據結構與算法”課程的教學實踐，對現階段教學中存在的問題進行深入分析與探究，闡述了一種基于OBE理念的數據結構與算法的迭代式案例教學，旨在根據學生上一階段案例學習和知識點掌握的情況，動態(tài)調整下一階段的教學案例。以迭代的方式將教學案例與課程知識點進行一一對應，通過案例教學體系貫穿全部授課知識點，使學生在完成案例學習的同時，將知識體系融會貫通。此種教學理念與方法意義深遠，既能夠以迭代式案例激發(fā)學生的學習興趣，開展實踐教學，同時，又以科教融合為理念，工程項目為推力，促進創(chuàng)新實踐。

參考文獻

[1]華臻，王昕，魏廣芬.電子信息類一流專業(yè)產教融合協(xié)同育人機制探索[J].教育教學論壇，2021（47）：108-111.

[2]蔣慧琳.當前就業(yè)需求下的通信工程專業(yè)人才培養(yǎng)探究[J].就業(yè)與保障， 2021（13）：108-109.

[3]劉承波.把握發(fā)展方向，提高創(chuàng)新能力，以服務國家戰(zhàn)略為根本加快“雙一流”建設步伐[J].人民論壇，2020（25）：42-45.

[4]郭紅，陳維民，劉勝輝.工程教育專業(yè)認證背景下OBE人才培養(yǎng)模式研究[J].文化創(chuàng)新比較研究，2021，5（30）：95-98.

[5]董美霞，邱澤敏.SPOC模式下《數據結構與算法》課程教學改革探究[J].科幻畫報，2021（10）：69-70.

[6]宋沁峰，倪龍飛，李晶晶.基于BOPPPS模式的編程類課程項目驅動式教學改革與研究[J].電腦知識與技術，2021，17（21）：225-226，254.