基于研究性教學的數據結構課程教學實踐

趙晨陽 張苗 廖天力

摘 要 將研究性教學理念引入教學實踐是培養學生研究性能力和創新觀念的一種有效途徑。針對目前數據結構課程教學在研究性教學方面的不足，探索研究性教學在該課程教學中的應用。文章將科學問題和課程知識單元結合，實現教學內容重構，將研究性教學理念和線上線下混合式教學模式融合，提出研究性教學視域下的混合式教學模式，將知識考核和研究性能力考核相結合，設計體現研究性教學的教學效果評價體系。實踐表明，該課程教學實踐不僅提升了教學效果，而且增強了學生的研究性學習能力。

關鍵詞 研究性教學；混合教學模式；數據結構；教學實踐

中圖分類號：G642?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.8.020

Teaching Practice on Data Structure Based on Research-oriented Teaching

ZHAO Chenyang，ZHANG Miao，LIAO Tianli

（College of Information Science and Engineering， Henan University of Technology， Zhengzhou，Henan 450001）

Abstract Introducing the concept of research-oriented teaching into teaching practice is an effective way to cultivate students' research abilities and innovative concepts. To address the shortcomings of research-oriented teaching in data structure， the application of research-oriented teaching in this course is explored. The article achieves the reconstruction of teaching content by combining scientific issues with knowledge units， proposes a mixed online and offline teaching model from the perspective of research-oriented teaching，designs a teaching effectiveness evaluation system by integrating knowledge evaluation with research abilities evaluation. The teaching practice of this course proves that it not only improves teaching effectiveness but also enhances students' research abilities.

Keyword research-oriented teaching; mixed teaching mode; data structure; teaching practice

數據結構課程研究數據的組織形式，是大數據、人工智能、云計算等新興技術領域的重要技術支撐。課程教學不是僅僅讓學生學到知識，而是使學生在學習中體會使用數據結構解決問題的奧秘，提高科學研究興趣，鍛煉科學研究能力，以達到研究性人才的培養目標。為此，近年來，研究性教學[1]在國內外高校得到廣泛關注。研究性教學既是育人理念，也是育人方式，它不僅能夠實現教師從授業到引導的轉變，也能夠實現學生從被動學習到自主研究的轉向。然而，目前該課程普遍采用的線上線下混合式教學模式不能充分體現研究性教學，學生的研究性能力還有待加強。為了解決這些問題，仍需要深度挖掘研究性教學的理念，以學生為中心，持續改進教學過程，在線上線下混合式教學中充分融入研究性教學元素，進一步增強學生的解決問題能力、科學研究能力和創新能力。因此，本文結合數據結構課程，研究先進研究性教學理念，分別從研究性教學內容重構、研究性教學視域下混合式教學模式和研究性教學效果評價體系三個方面進行課程實踐，實現提升學生研究能力的育人效果。

1 研究性教學的現狀

在計算機類課程教學中，如何將研究性教學理念有機地融合到課程教學實施過程中，提升學生專業素質和研究能力，是目前課程改革重點關注的問題。閆蓓等[2]在課程實踐中采用啟發式、探究式等研究性教學方法進行實踐；譚德坤等[3]探討以科研案例為對象的研究性教學實施過程；尹嬙等[4] 重構教學方式和教學內容，探索基于案例庫的研究性教學課程改革。以上研究未將研究性教學和混合式教學充分融合，因此本文系統性地研究將研究性教學無縫融入整個混合式教學過程的方法，并增強了研究性教學和課程教學的融合度。

目前，在數據結構課程教學中采用的線上線下混合式教學模式主要存在以下問題：①教學內容未充分體現研究性學習。課程主要介紹線性表、樹、圖等數據結構的邏輯結構、存儲實現以及相應算法，但是教學內容很少體現科學問題和研究性方法。②混合式教學模式未充分融入研究性教學。目前的混合式教學僅僅依靠案例驅動，鼓勵學生自主解決任務，但缺乏培養學生研究學習和科學思維的系統性訓練。③課程考核未充分衡量研究性教學效果?，F有考核體系缺乏研究性教學元素，無法兼顧學生的知識考核和研究能力考核。因此，本文探索將研究性教學無縫地融入教學實施過程的方法，為研究性教學建設提供一些參考。

2 實施研究性教學的課程教學實踐

2.1 以科學問題為切入點，重構課程知識單元

本文根據研究性教學理念，以科學問題為切入點，將研究性教學與課程知識單元有機融合，著重加強教學內容與科學研究的結合，以實現課程知識單元的重構。因此，課程教學內容不僅包括課程知識單元，還涵蓋了計算機學科領域的最新科學問題、先進科研成果以及優秀教研成果。

首先構造課程知識單元，重新梳理其內涵，找出蘊含的相關子知識點。其次，將課程知識單元與計算機學科領域的科學問題相匹配，找出相關的科學問題。再次，以科學問題為切入點，將知識單元學習與科學問題相融合，重構課程知識點，增加先進科研成果以及優秀教研成果，延伸知識內容，即通過解決科學問題，為課程知識單元增加研究意義、研究目的、研究方法、科學思維以及解決問題流程等一系列研究性教學內容。通過科學問題的解決，激發學生的科研興趣，培養學生的問題意識，使學生領會科學問題研究的流程，體會問題解決的方法和途徑。最后，為知識單元增加課下拓展學習內容，使學生了解到科學研究永無止境，一個科學問題可能會引出另外一些新的科學問題，促使學生對新問題進行探索學習和創新思考，從而強化課程知識單元與科學研究的有機融合。

本文結合哈夫曼樹知識單元具體闡述研究性教學內容的重構過程。該知識單元包括二叉樹、哈夫曼樹、哈夫曼編碼、哈夫曼解碼和信息熵。通過對知識單元的梳理，將文本壓縮科學問題與之有機融合，重構該知識單元。重構后的知識單元包括兩條路線，即知識點路線和科學研究路線。其中，知識點路線按照學習次序依次是“二叉樹—哈夫曼樹—哈夫曼編碼—哈夫曼解碼—信息熵”，與之對應的科學研究路線為“字符編碼—字符最優編碼—壓縮技術—解壓技術—有損/無損壓縮技術”。兩者之間的具體融合過程為：首先，由二叉樹分支標注學習，得出可以通過二叉樹分支標注解決字符編碼問題，但該編碼可能不是最短編碼，為節省存儲空間，需要改進編碼策略，從而引入哈夫曼樹。通過對哈夫曼樹的學習，引入字符的最優編碼。接著，學習哈夫曼編碼原理，實現文本的編碼和最大限度的壓縮。然后，逆向思維學習，介紹哈夫曼解碼，引出解壓技術，還原文本文件。最后，拓展知識單元，引出信息熵概念，使學生課下了解有損/無損壓縮技術。綜上，通過兩條路線的對應交叉學習，實現體現研究性教學的課程知識單元的重構。

2.2 研究性教學視域下的混合式教學模式

張偉剛等[5]提出了基于引入問題（Problem）、尋找方法（Method）、科學分析（Analysis）、有效解決（Solution）和效果評價（Evaluation）五個環節的P-MASE模型。該模型與研究性教學的理念相一致，描述了研究性教學的過程。本文將其融入傳統的混合式教學模式，為其注入研究性學習的理念，使研究性教學貫穿整個線上線下教學環節。

根據混合式教學模式不同階段的學習特點，結合P-MASE模型，本課程選擇工程案例啟發式、小組合作式、主題討論式、科研融入式、拓展探索式等研究性教學方法，將科學研究方法和研究規程充分體現在教學過程中。①工程案例啟發式：選擇工程案例引入知識單元，引導學生發現問題，帶著任務自主探索，主動分析和解決問題。②小組合作式：以小組為單位，由組長帶領，對共同任務進行分工、調研、探索，協同完成任務。③主題討論式：通過激烈的辯論和教師的引導，學生走到探究學習的軌道上。④科研融入式：將科學研究過程與教學過程融合，讓學生了解科研的過程，培養學生的科學精神和創新意識。⑤拓展探索式：通過布置拓展作業，要求學生自主探索，提出解決問題的方案，實現知識升華和遷移的目標，培養學生的自主學習能力和探索精神。通過以上研究性教學方法的實施，保障研究性教學目標的達成。

本文結合最小生成樹知識單元具體闡述研究性教學視域下線上線下混合式教學模式的實施。課前階段，教師發布帶有研究性的課前任務，即圖的生成樹問題。學生通過自主學習，探索生成樹內涵以及如何由圖生成一棵樹，并完成任務自測。通過學生的自測任務的反饋結果，教師分析結果并優化教學設計。課中階段，教師通過管道鋪設工程案例，引導學生利用最小生成樹思想進行解決。期間進行小組合作式學習，在教師的引導下，學生通過組間辯論以及小組成員的合作，研究使用最小生成樹算法解決該工程任務。同時，教師采用科研融入式方法，引入數據聚類問題和北斗通信線路設計等科學問題，使之貫穿到討論中，使學生領悟科學問題解決的流程和方法，體會科學的意義，激發學生的創新思維。課后階段，教師布置一個礦井通風管道設計的研究式作業，要求以小組合作的形式進行探索，促使學生將所學知識進行遷移和升華，轉化為自身的科學思維素養。整個教學實施過程中，教師需要掌握整個學習過程，及時發現問題，積極引導學生，幫助學生分析和解決問題，并在教學過程完成后不斷優化教學設計，持續改進。

2.3 體現研究性教學的教學效果評價體系

本文設計了體現研究性教學效果的評價體系，該體系不僅能夠衡量學生對課程知識的理解，而且還能夠衡量學生的研究能力和創新能力。

該課程教學效果評價體系采用多元化的考核方式，主要由過程性考核和期末考核兩部分組成。其中，期末考核采用閉卷形式，重點突出分析題的設計，其目的是考查學生利用綜合知識創造性解決問題的能力。過程性考核包括平時成績考核和實驗成績考核。平時成績由線上和線下兩部分組成。線上主要包括課前學習視頻完成度和課前任務自測完成情況，兩者都由網絡學習平臺記錄；線下主要包括課堂表現、主題討論、合作式學習、課堂/階段測試和創新拓展作業組成，課堂/階段測試由網絡學習平臺記錄，其他由課堂記錄表記錄。實驗成績考核根據實驗報告質量和實驗中學生過程表現綜合評分。最終成績由平時成績考核（線上線下混合）、實驗成績考核和期末考試考核組成，占比分別是30%、20%和50%。同時，鼓勵學生參加科研項目、發表論文、撰寫專利、參加比賽，這些也是研究性教學效果評價的重要組成部分，并記錄到過程性考核中。

3 課程教學實踐效果

以河南工業大學信息科學與工程學院計算機科學與技術專業數據結構課程2020級和2021級的學生的學習情況為對象進行比較。其中，研究性教學從2021級學生開始實施，而2020級學生仍采用傳統的線上線下混合式教學模式。本文通過目標達成度和調查問卷兩個方面進行教學效果比較。

一方面，在基于產出導向的工程認證教學理念下，從目標達成度方面進行比較。2021級學生的優良成績人數占總人數的72.18%，相比2020級學生提升了5.36%。對于2021級學生，該課程的四個課程目標達成度相比2020級學生，分別提升了5.1%、6.3%、5.8%和6.6%。這些數據充分證明，融入研究性教學的線上線下混合式教學模式能夠實現教學效果的提升。

另一方面，通過調查問卷對2021級學生進行調研，內容涵蓋課程滿意度、學習興趣、科研案例引入、問題解決能力、創新思維和團隊合作六個方面，要求學生根據自身感受和學習過程進行自我評價。發放和收回調查問卷224份，通過統計和分析得出：95.2%的學生對課程教學表示十分滿意和比較滿意；91.5%的學生認為課程幫助他們提高了學習興趣，其中對學習充滿渴望的學生占比為25.3%；認為科研案例對學習非常有利和比較有利的學生占比達到90.2%；91.6%的學生認為通過教學過程基本了解問題解決的方法和流程；90.7%學生認為啟發式和討論式的教學方法激發了他們的創新靈感；91.3%的學生認為團隊協作有益于解決問題。這些調查結果從另一角度證明了該課程教學改革效果顯著，并得到了學生的廣泛認可。

4 結語

數據結構課程教學內容通常蘊含著豐富的研究性元素，需要結合教學目標，將知識單元的學習過程與研究性學習過程無縫地融合在一起。本文從研究性教學內容重構、研究性教學視域下混合式教學模式和研究性教學效果評價體系三個方面進行課程教學實踐，并獲得良好成效，但該課程教學實踐只是研究性教學實踐的一隅，仍然需要緊跟最新科學研究和研究性教學成果進一步深入研究，最終把研究性教學的育人目標落實到實際教學中去。

*通訊作者：趙晨陽

基金項目：2023年河南工業大學教育教學改革研究與實踐項目“研究性教學視域下混合式教學模式的研究與實踐——《數據結構》課程為例”（JXYJ2023012）；2024年河南省研究生課程思政示范課程項目“計算機圖形學”（YJS2024SZ11）。

參考文獻

[1] 牛哲薈，宋艷蘋，周恒濤，等.基于研究性教學培養高校人才創新能力的研究與實踐[J].科技風，2023（25）：47-49.

[2] 閆蓓，高占寶，楊波.傳感器與檢測技術研究性教學方法研究[J].高教學刊，2022，8（33）：13-17.

[3] 譚德坤，趙嘉，韓龍哲，等.科研案例驅動的人工智能導論課程研究性教學模式[J].計算機教育，2023（12）：356-360.

[4] 尹嬙，胡偉，李瑞瑞，等.以實踐案例為引導的數字圖像處理研究性教學課程改革[J].高教學刊，2023，9（36）：33-36.

[5] 張偉剛，嚴鐵毅，張嚴昕.基于P-MASE模型的研究性教學與素質教育[C]//河南洛陽：素質教育：讓未來更美好——大學素質教育研究分會2020年年會暨第九屆大學素質教育高層論壇，2020.