學科競賽驅動的數據結構教學改革研究

張晴　高廣銀

關鍵詞：數據結構；學科競賽；產教融合；PTA

中文分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）03-0174-03

0 引言

編程是計算機科學中最基礎、最重要的一部分，是創造力和創新能力的體現[1]。學科競賽是推動高校編程教學，培養學生綜合素質、團隊協作能力、分析問題及解決問題的實踐能力的重要平臺，激發學生自主學習和主動探索[2-3]。數據結構是計算機類專業理論性和實踐性較強的專業基礎核心課程，在課程體系中起著承上啟下的作用，該課程對培養學生程序設計能力、邏輯思維能力及解決復雜工程問題的能力起著極為重要的作用。南京理工大學泰州科技學院是一所培養應用型人才的高校，其計算機教學鼓勵學生積極參加藍橋杯大賽、中國高校計算機大賽等權威賽事，培養了一批優秀人才[4]。為了進一步提升教學質量，提高學生程序設計能力，將學科競賽拔到新的高度，對數據結構課程教學進行改革。

1 數據結構教學存在的問題分析

1.1 課程目標不清晰

在學期末進行學情調查時，學生普遍反饋數據結構課程內容抽象、學習有難度，究其原因是：一方面，數據結構課程中概念多，形式化符號多，偽代碼多，這些抽象的概念和符號天然地成為南京理工大學泰州科技學院學生學習的障礙，學生在某一知識點上產生畏懼心理[5]，就會停滯不前，或者想著繞開，甚至一些只需要了解的知識點，因為它的應用比較難，也會讓學生產生厭學情緒；另一方面，課程教學內容組織不夠合理，學生反映感覺學習內容都是重點，三大數據結構兩大算法都是重點，大而全的教學內容和要求讓學生力不從心，學生缺少更清晰的課程目標作為指引。

1.2 課程知識銜接不夠

本課程的前驅課程主要是編程語言課程、離散數學等，大學一年級期間學習完編程語言課后，不少同學只停留在語言語法知識的了解，知識的運用還不熟，編程思維能力仍然欠缺[6]。學習數據結構需要先學習編程語言課程，具備相應的編程能力，但計算機思維能力的培養需要大量的實踐積累，因而有必要結合編程語言課中數組、結構體以及數據結構中部分查找、排序、順序棧等知識點強化編程訓練，夯實編程基本功，只有通過足夠的練習，量變引起質變，才能使得學生達到要求的能力，那么，在訓練過程中可以引入部分數據結構的概念，實現課程知識的無縫銜接。

1.3 課程考核體系不健全

傳統的課程考核方式以期末筆試為主，平時實驗為輔，這樣的考核方式工作量小，也能一定程度反映學習情況，但是在提升學生學習興趣方面很難有效果，同時也不夠全面。例如有些學生動手能力強，對抽象的理論知識、算法原理以及解題不擅長，但是對于應用算法或者編程語言工具包解決實際問題感興趣；一些同學編程能力稍弱，但是有較好的數理基礎，對于算法設計和分析更感興趣；還有些同學喜歡跟著團隊做項目，完成實際項目可以帶來成就感。那么，該課程需要探索更全面的考核評價方式，在考核學生課程學習的同時，更好地激發學生學習興趣。

2 數據結構教學改革與成效

2.1 建立產教融合型師資團隊，創新教學形式

南京理工大學泰州科技學院于2016年申報了由教育部學校規劃建設發展中心聯合曙光信息產業股份有限公司實施的數據中國“百校工程”項目并獲批，探索產教融合辦學模式。根據我校應用型人才培養定位，企業方派駐8名工程師駐校，校企雙方共同制定人才培養方案，共同制定課程教學大綱、共同開發應用型課程、共同進行課程授課、共同指導畢業設計、共同進行質量監控等，實施深度產教融合、共育高水平應用型人才。該平臺有力地支撐了南京理工大學泰州科技學院專業建設與課程建設，2019—2020年獲批2個江蘇省一流本科專業建設點（計算機科學與技術專業、軟件工程專業），獲批1門國家級一流本科課程（Java程序設計）。

該經驗有效地啟發了其他課程建設，2019年申報了校級教改課題“應用型本科高校數據結構課程教學改革研究”，開展數據結構課程教學改革研究。首先學習一流課程建設標準，成立了數據結構課程產教融合型教學小組（以下簡稱教學小組），由3名學校教師及1名企業工程師組成，如表1所示。教學小組實行集體備課，統一教學思想，形成趨于一致的風格，定期開展說課、聽課、評課等教學研討活動，提高教學水平；教學小組創新教學形式，實行平行班級按章節及知識點授課，充分發揮教師個人特長，以及對某些知識點深入研究的優勢。學生們反饋，一門課程有多位老師上課，新面孔有新鮮感，注意力特別集中，課程學完了仍然有后勁；雙師授課，加強了對多門課程關系的了解，加深了對知識點的理解，加大了對編程的訓練。

2.2 以學科競賽為綱，重構課程教學內容

計算機學科競賽的課程群主要包括“程序設計語言”“數據結構”及“算法分析與設計”等課程，教學小組結合多年授課經驗、指導學科競賽經驗、雙創及考研輔導經驗，以學科競賽為綱，梳理出相關知識點，確定數據結構作為學科競賽承上啟下的紐帶作用，制定課程目標，重構課程教學內容，讓課程教學時間節點更合適，內容銜接更得當。

課程內容重構為三部分[7]，如表2所示。第一，前置篇。前置篇承上，拓展程序設計語言課內容，引入學科競賽題目，使得學生初步了解學科競賽，樹立學習目標，激發學生學習熱情。例如通過介紹斐波拉契數列的不同解法，讓學生切實感受算法的效率，了解時間復雜度等概念；通過介紹基數排序、計數排序等，讓學生深刻了解處理不同數據選擇不同方法的重要性；通過數組實現棧、隊列，并應用于解決進制轉換、表達式轉換與計算、迷宮游戲等問題，引導學生積極探索數據結構的世界[8]。第二，主體篇。主體篇全面地介紹數據結構的邏輯結構、物理結構等概念，理論與實踐相結合的形式讓學習具有系統性、完整性。第三，創新篇。創新篇啟下，著重介紹數據結構的應用，尤其是應用于解決復雜問題，通過融入算法設計與分析的內容及部分創新項目的內容，創新教學形式、考核評價方式，提高學生獨立思考、系統思維能力及編程解決實際問題的能力，為學生后續學習開拓新的視野。

2.3 搭建學科競賽平臺，任務清單式教學

搭建學科競賽平臺，有力支撐數據結構課程教學。學校以一流專業及一流課程建設為契機，購買了PTA平臺（程序設計類實驗輔助教學平臺），該平臺是權威賽事中國高校計算機大賽的官方指定平臺，不僅擁有學科競賽真題、模擬題庫，還有開放的浙江大學課程資源，以及可以自建課程，具有學生管理、題庫管理、在線考試及評測、反作弊檢測、排行榜、成績分析等功能。學生通過賬號登錄即可使用PTA平臺，保留所有的學習軌跡，在線評測結果讓學生及時地了解其完成情況，針對未通過的測試實例進一步調試、糾錯，學習成果能夠看得到，對編程的學習起到良好的激勵效果。

發布任務清單，勾勒學習藍圖，明確學習目標。結合本課程內容及學科競賽題目難度，按基礎、提高、綜合三個層次設計題庫，發布任務清單，給學生一個清晰的目標，常規任務設置為定時開放，要求按規定時間完成，這既增強學生的效率意識，也培養學生自主學習能力，同時也減輕了教師批改題目的工作量，讓教師能夠投入更多的時間鉆研和設計好的案例。反作弊功能確保學生成績的真實性，促進形成良好誠信氛圍。此外，不定期發布一些“懸賞”任務[9]，激發學生求知欲望，調動學生參與實踐的積極性，鼓勵學生勇于開拓進取，培養自學能力、競爭意識。

2.4 建立多元評價機制，考核過程化

構建以學生為中心的多元評價體系，課程考核實施過程化[10]。一、學科競賽成績可以置換課程成績。編程興趣是逐步建立的，編程能力是通過實踐提高的，因而允許學生大學階段通過專業內權威賽事獲獎成績置換相關課程成績。二、課程考核分為理論、實驗、任務、報告等多個方面，各個方面設置不同權重，采用不同形式，定量與定性相結合，全面地評價學生課程成績。理論考試、任務清單等通過系統自動評測出分數，考查學生知識掌握和運用能力，實驗考查學生分析和動手能力，報告考查學生自主探究及溝通協作表達能力。同時，通過問卷形式了解學生對課程目標達成情況，對PTA平臺的使用情況，對課程的滿意度，對教師的建議等，教學小組分析收集的信息，評價課程教學效果，研討課程持續改進。

2.5 學科競賽普及化，促進教學高質量

近些年來，學科競賽與課程教學改革相輔相成，一方面學科競賽提出了課程改革需求，推動了相關課程教學改革，另一方面，課程教學改革也促進了學科競賽發展，教師和學生成果不斷涌現。例如張老師參加青年教師講課競賽，參賽課程為數據結構，獲得市級一等獎；“最短路徑問題——Dijkstra算法”獲得江蘇省高校微課教學比賽三等獎。王老師指導學生在藍橋杯、中國高校計算機大賽中表現優異，穩定地獲得國家級獎項，獲獎人數和獲獎層次逐年提高。其他老師結合課程內容輔導完成學生創新創業項目、參加考研復試，多名學生由于突出的編程實力順利達成目標。

3 結束語

學科競賽是編程語言課程群教學的延伸和拓展，能夠培養學生綜合運用知識分析和解決復雜問題的能力、實踐創新能力以及團隊協作能力，提高學生的綜合素質。在一流專業、一流課程建設的背景下，圍繞學科競賽主線，對數據結構課程內容進行重構，建立產教融合型師資團隊，按章節知識點進行授課，依托學科競賽在線評測PTA平臺實施教學及管理，建立多元評價機制，實施過程化考核并形成規范的學習檔案，探索并實踐了一個理論夠用、平臺通用、實踐案例有用、評價機制好用的培養應用型人才的教學模式。

【通聯編輯：梁書】