面向工程能力培養的數據結構課程教學改革探索

俞春強 劉鵬 梁曉萍

摘?要：為了適應社會快速發展和轉型升級，滿足行業對計算機類人才培養的要求。基于計算機類專業核心課程“數據結構”開展了面向工程能力培養的教學改革。首先，對數據結構課程內容的教學要點進行了分析。其次，對數據結構課程的教學內容進行分層對照，明確分析從基礎知識到工程創新不同層次與課程的對應關系。再次，對課程的主要內容設計了面向工程能力教學案例以及課程內容學習的流程。最后改進了課程考核方式由傳統的知識考核轉為多層次、全方位的考核模式。因此，通過對課程的教學改革有利于提高學生的解決工程問題的能力。

關鍵詞：數據結構；工程能力；教學改革

1?概述

我國于2016年加入《華盛頓協議》，標志著我國的工程師培養取得了一個新的階段，讓在本國取得工程師資格的工程師可以與國際上其他國家互相認證，有效的推動我國工程師走出去，為本國的工程師參與國際工程打通了一條路子，有利于本土工程師的國際化[1]。而評價工程師的水平是通過測試他們的工程能力。不同國家對工程能力的定義有所差別，但都包含了一些基本特征，如：相關的工程專業知識，工程倫理和職業道德、團隊合作能力、可持續發展和終生學習的能力等。其中，專業能力是工程能力的核心要素[2]。當代大學生作為工程師后備力量，在學習專業知識的過程中也需要注重提升自身工程師相關素養和工程能力。特別對于新工科專業的學生，提高他們的工程能力是教師在教學過程中和最終課程考核、測評的一個重要的評價指標[3]。為了提高學生的工程能力，我國開展了系列培養計劃：如卓越工程師培養計劃、四新教育（新工科、新文科、新農科、新醫科）、工程認證教育等，體現了國家對培養學生工程能力的重視[4]。這些培養項目是為了從人才培養模式、課程教學內容、教學形式等方面改革，強調理論聯系實際激發學生學習主觀能動性，進而培養學生解決復雜工程問題的能力，達到提高人才培養質量的目的。

《數據結構》是計算機類專業基礎課程，與后續的很多課程緊密關聯，也是低年級學生的入門課程，在人才培養計劃中起到承前啟后作用[5]，其是介紹數據在計算機內部的加工過程、表現方式以及存儲形式等。讓學生學會分析計算機加工的數據結構的特性，了解不同的數據結構在計算機內部存儲方法和相應的基礎操作（算法），當學生面對工程中特定領域的數據，可以選擇合適的數據結構對數據進行表示，也可以根據實際需求構造新的數據結構。前序課程《C語言程序設計》初步訓練了學生由簡單問題到結構化程序設計的，而本課程進一步讓學生掌握數據的形態、表達等，培養學生對數據的表示、抽象的能力[6]。掌握好該課程對后續的《數據庫原理》、《軟件工程》等課程起到非常關鍵的作用。因此，為了提升教學效果，培養學生的工程能力，很多高校教師對該課程不斷分析教學過程中的問題，嘗試采用不同的教學方法，解決教學過程中所遇到的問題。邱勁等[7]提出以項目為導向，從實踐教學出發，以“學生通訊錄開發與設計”、“赫夫曼編碼設計”、“交通咨詢系統”等不同教學實踐項目引導學生學習，培養學生工程能力，并提出了“理論適度、注重應用、強化能力、適應需求“的實踐教學思路。袁凌等[8]為了提升學習《數據結構》課程的學生工程實踐能力，打造了以關鍵知識點分析、知識點應用分析和系統闖關式的三個層次的面向實踐信息化平臺。

無論從人才培養方案、人才培養形式還是課程內容的改革，其最終的目的都是為了更好的提升學生專業知識水平和工程實踐能力。因此，針對專業基礎的核心課程，本文將探討以培養學生工程能力為目的的課程教學改革。

2?課程教學基本要點分析

計算機科學與技術、軟件工程、信息安全等相關專業的學生都需要學習該門課程，因此，不僅要掌握相關的基礎理論知識，通過教學過程中的不斷訓練，將理論知識轉化為解決工程問題的能力。因此，在學習《數據結構》課程的過程中，需要從以下幾點著手改進。

1. 加強學生對基本理論知識的理解和掌握。在課程的教學過程中，注重學習基礎理論知識，例如鏈表、棧、隊列等基礎結構，結合示例介紹這些結構的表達形式和內部邏輯結構。只有通過老師的系統性的介紹，學生才能理解整本書的結構體系，從線性到非線性的結構模式，掌握好基礎的理論。在學習簡單的理論知識，讓學生掌握邏輯結構和存儲結構的區別。不能一味的給學生灌輸知識，需要調動學生的主觀能動性，多融入課堂互動環節，提高學生主動學習的積極性。
2. 在教學過程中，理論知識是課程教授環節中的一小步，但也是非常重要的基礎。在介紹基礎理論知識的同時，需要強化學生的實際操作能力的訓練。理論知識介紹過程由簡單到復雜，從線性表、棧和隊列、串、數組和廣義表、樹與二叉樹、圖、排序、查找等知識點依次講解，都與實際的生產、生活緊密結合。例如：介紹棧和隊列的章節時，在確保學生理解基礎理論的前提下，加強學生在課堂中的編程理解，并結合在生活中的一些實際問題，包括銀行排隊、火車出站調度等，讓學生將實際問題抽象為數據結構，并轉為數學模型。從簡單的知識點就開始引導學生理論聯系實際、問題的抽象和轉化能力。
3. 將不同的教學方法和模式融入教學過程中。在關注課程基礎知識講解和基本的實踐能力訓練的基礎上，選用合適的教學方法、有效的教學方式對培養學生的工程能力有很重要的促進作用，不同的知識使用不同的實踐案例和工程問題有助于開拓學生面對工程問題視野，提升學生解決復雜工程問題的能力。

3面向工程能力培養的課程教學改革

3.1體現工程能力的教學內容重組

數據結構作為一門專業課程，具有較強的理論基礎和操作性。包括了理論基礎、實踐訓練、綜合運用、工程應用和工程創新，難易程度和復雜程度都是逐步上升。根據課程主要內容分為線性結構和非線性結構兩大塊，其中較簡單的有線性表、隊列、棧等線性結構，較復雜的有樹、圖等非線性結構。總體安排也是從簡單到復雜，從基礎能力到工程能力的遞進式培養。

根據教學大綱，將授課的內容主要分成幾大模塊，不同模塊訓練的工程能力不相同。但理論知識和實踐訓練都是反映學生對專業知識的學習和掌握情況，但是兩者又所有不同，其中理論知識對應了專業知識學習能力和理解能力，反映了學生對文字的理解和想象力，而實踐訓練對應學生基本動手能力，體現了學生模仿和復現能力，是其它能力的基礎。

綜合應用是對課本知識進行有效的銜接，并分析問題的相關知識點，對知識點進行綜合的考慮它們的關聯性，是培養學生能否將所學知識轉為解決工程問題的關鍵環節。教師在這一層次的引導非常的重要，課程教學可以結合分組討論等多種教學形式。通過小組的角色扮演，可以提升學生的工程能力中的團隊合作能力以及成員間的協作能力。

工程應用與工程創新是相輔相成的。只有通過工程應用，學生能夠體會到將課程的知識以及平時訓練的動手能力應用到解決工程問題的快樂。在其過程中，可能會碰到很多平時看不見的問題，此時需要通過教師和企業導師的指導和幫助下實現工程應用環節的培養。例如，綜合數據結構所學知識點，創建復雜的數據結構存儲工程工序，實現對建筑企業的各項工程施工工序進行排序，在各個工序不沖突的前提下，使得整個工程進度所花的時間最短。而工程創新則需要在對工程非常熟悉和知識點掌握得非常透徹的情況下，利用新方法、新工藝對工程應用中創新式解決所遇到得問題。

3.2?課程教學案例設計和課程實施

在傳統的教學中，偏重于理論知識的講解，而缺乏工程實踐的環節，其中一個根本原因是教學內容的設置難以體現工程能力的培養。因此，對課程主要內容的教學方案重新設計，適當的融入較為復雜工程訓練項目，是保障教師在教學過程中實現對學生工程能力的培養的基礎和重要的依據。數據結構課程教學設計在其最主要的教學內容上必須加上含有工程性質的教學內容和實踐問題。

3.2.1體現工程能力的教學案例設計

數據結構課程內容主要圍繞三大類型的數據結構進行展開，包括線性表、樹和圖幾大模塊，是數據結構內容的最主要體現，其操作包括建立、查找、刪除、修改等一些共同部分。無論在內容還是形式上，存在點—線—面的關系，若學生能夠掌握好這些內容，其它的學習內容相對容易貫通。表1列出了傳統教學方式中數據結構主要知識點存在的一些問題，同時也給出了面向工程能力的教學設計案例和實驗教學方案。表中給出了城市路徑規劃的例子，在教學過程中可以以本城市的路網為例子，結合圖數據結構進行知識點的講解。實驗過程中可以根據學生的能力從小城市路網到大城市的復雜交通線路有區分的進行教學。案例中又引入了紅樓夢人物關系分析的教學案例，這樣可以讓學生在了解國家文學名著的同時，利用數據結構進行分析，打破了文學似乎與計算機很難聯系到一起的刻板影響。

3.2.2課程的教學實施

根據目前人才培養方案的設置，數據結構一般為64課時，理論教學和實踐教學部分各為32課時。課程的教學時間非常有限，如果只依靠課堂教學課時實現學生工程能力的培養，顯然是不夠的。因此，不同于傳統的教學模式。講授課程時，采取網絡學習和課堂學習的混合教學模式，讓學生提前在線上預先了解知識點，有利于學生快速理解課程的內容，在課堂中老師可以著重介紹所學知識點如何與工程問題相結合。在實際教學過程中，教師可以預先告知學生所用知識點，布置線上編程實驗，進一步加深知識點的理解和記憶。待具備一定的基礎知識，再布置相對較大的工程問題，利用課余時間，采用課程設計的方式以及分組模式對工程應用問題進行分析和解決，這樣也有利于培養學生相互討論、相互學習以及相互協調的能力，體現團隊合作精神。

3.3體現工程能力的考核模式

傳統的課程教學考核通常包括70%理論知識考核，20%實踐考核和10%平時分，實踐考核的占比較低，并且實踐考核也只是簡單的編程實驗，無法體現學生對知識的綜合運用能力。因此，由傳統的試卷考核轉為分層次考核。

由于學時的限制，將傳統的知識點考核分別融入到了線上學習和基礎知識兩部分，在基礎知識考核中，注重考核學生對知識點的掌握情況和分析問題的能力。線上學習主要是體現學生學習的主觀能動性，讓學生學會在課前預習知識點，通常在該層次學習時，學生基本課自行學會簡單的知識點，騰出更多時間講解更難的知識點。實驗部分除了考核學生的基礎編程能力，同時在項目課程設計和線上學習部分也會體現學生的編程實踐能力，只是難以程度有所區別。項目課程設計主要是體現學生在課程學習后期對課程知識在綜合的工程問題上的應用能力，以項目報告和項目答辯的形式進行考核，體現了學生問題分析、報告撰寫以及口頭表達的能力。不同的部分具有不同的權重，具體分配如表2所示

結語

《數據結構》是計算機大類專業中的一門核心課程，也是其它專業課程的基礎，具有較強的實踐性。因此，通過對課程內容的重構，教學案例的設計以及考核方式的轉變，能夠有效的將工程能力培養融入該門課程的教學過程中。只有通過不斷的訓練和應用，才能夠體會數據結構在實際工程中的重要性。

參考文獻：

[1]?李志義.解析工程教育專業認證的成果導向理念[J].中國高等教育，2014（17）：7-10.

[2]?上官倩芡，張鳴天，吳暉锽.工程能力評價的方法探索及思考[J].中國人事科學，2022，No.49（01）：68-74.

[3]?鄧娟，彭蓉，余琍，等.工程認證背景下基于校企協同育人的課程建設——以軟件工程專業“知識工程”課程為例[J].高等工程教育研究，2023（02）：75-79.

[4]?申欣.?大學新生技術與工程素養研究[D].華東理工大學，2022.

[5]?曹源.?數據結構與算法系列內容研究[C]//教育部基礎教育課程改革研究中心.2020年課堂教學教育改革專題研討會論文集.[出版者不詳]，2020：1824-1825.

[6]?劉曄，朱安民，明仲.立德樹人、需求引領、以能力培養為中心的計算機專業人才培養模式探索與實踐[J].計算機教育，2021（08）：79-82.

[7]?邱勁，王平.以項目為導向的數據結構課程改革與實踐探索[J].西南師范大學學報（自然科學版），2019，44（09）：167-172.

[8]?袁凌，祝建華，許貴平.“數據結構”課程面向實踐的信息化平臺建設[J].電氣電子教學學報，2022，44（02）：65-69.

項目：廣西高等教育本科教學改革工程項目：工程能力為導向的信息安全專業建設研究與實踐（2023JGA141）；廣西師范大學校級教育教學改革研究項目（2023SZJG20）

作者簡介：?俞春強（1988年—?），男，漢族，江西上饒人，博士，副研究員，研究方向：計算機教育與圖像處理。

*通訊作者：劉鵬（1979—??），男，漢族，山西臨汾人，博士，教授，研究方向：人工智能與信息安全。