新工科背景下“數據結構”課程中案例教學法的應用與改革

摘要：為了應對新工科背景下培養學生的要求，“數據結構”的課程教學需要在現存問題的基礎上，進行課程創新改革。課程改革以工程實踐案例為基礎，搭建起問題引入、模型建立與問題解決的框架，結合實際工程問題的典型特征歸納、經典模型提取手段，進行課程創新改革，綜合培養新工科學生解決復雜工程問題的綜合能力。在教學評估方向，建立起案例驅動的立體評價體系，綜合考查學生的理論、邏輯與實踐三方面學習效果，實現全方位的學習效果評估。通過以上課程創新改革，實現了傳統學科缺乏與實際案例相結合的問題，提高了學生解決實際問題的能力。

關鍵詞：新工科；數據結構；教學改革；案例教學

1概述

新經濟快速發展迫切需要新型工科人才支撐，所以國家對工業人才的教育、思維和創新力提出更高的要求［12］。如何在新工科培養模式下，讓學生更加深刻理解“數據結構”課程，提高解決實際問題的能力，是如今教學改革的重點。課程改革以案例教學為基礎，從實際工程案例出發，結合實際案例去搭建問題解決模型，構建創新型的課程教學體系，提高學生的主動性、積極性、參與性［3］以及解決實際問題的能力。

2課程現狀

“數據結構”是我校人工智能、計算機科學與技術及相關專業本科生的一門專業必修課程。課程涵蓋內容廣泛，理論性強，算法描述多使用抽象模型和偽代碼［4］，抽象性與邏輯性較高。在學習過程中，學生感覺學習難度較大，就會導致學習積極性不高，且新工科教育特別注重培養學生解決復雜工程問題的能力［5］。所以，現如今教學中需要解決的問題主要有以下三個方面。

（1）分析復雜工程問題的經驗與手段。學生在“數據結構”課程學習的過程中，將課本上的偽代碼算法完善成可執行的程序，調試成功就算完成任務［6］。雖然可以提高其編程水平，但是不能提高其分析復雜工程問題的經驗與手段。

（2）課程知識點高度抽象化，無法直接作用于實際需要解決的工程問題。“數據結構”是一門比較抽象的課程，“數據結構”的“抽象”一直是一個困擾學生的關鍵點［7］。抽象的概念無法直接作用于實際需要解決的工程問題，提高了課程學習的難度，因此降低了學生的學習興趣和積極性。

（3）考核方式以理論知識為主，與評價學生問題解決能力的要求脫節?，F有的考核模式主要包括筆試期末考試和學生的實驗報告，教師根據試卷上理論知識的掌握和學生的實驗報告內容來對學生成績做出不同的評價。這種考核模式僅考查了理論知識的掌握情況，無法對學生解決實際問題的能力進行準確評價。

3課程教學團隊背景

河南大學人工智能學院信息融合團隊在處理網絡通信方面的實際工程問題，特別是無線傳感器網絡方面有多年的經驗累積，團隊核心成員具有較強的理論研究功底和突出的工程實現能力，主持國家自然科學基金課題4項，省部級項目7項，在SCI/EI學術期刊發表論文50余篇［8］。人工智能學院也非常關注“數據結構”課程體系建設，委派團隊負責人進行課程建設，在經費方面也給予了大力支持。

4課程改革

教學改革構建了以案例教學法為基礎的教學改革框架，以實際工程問題作為切入點，采用線上線下混合教學的手段，引領學生實現復雜工程6DdwWKiHjfxJPXYI5vHpjQ==案例的解決。本章節以“數據結構”課程中經典知識點“最小二乘樹”為例，展示課程改革的體系、手段以及實施效果。以工程案例為驅動，改革教學的架構以問題解決流程為步驟，劃分為三個階段：問題引入—模型提取—案例解決。首先，在實際工程問題“無線傳感器網絡”里提取知識點進行問題引入，然后運用模型提取手段搭建解決模型，最后實現案例的解決。

4.1問題引入

現在需要解決的實際工程問題是“如何在一個無線傳感器網絡的某個時刻中，尋找每個節點到移動匯聚節點的最佳傳輸路徑”。該無線傳感器網絡由傳感器節點、移動匯聚節點、衛星、Internet、控制中心和用戶組成，如圖1所示。

圖1無線傳感器網絡體系結構圖

假設有N個傳感器節點隨機分布在監測區域內，移動匯聚節點在移動過程中以速度v進行移動，通過閾值計算將每個傳感器節點分成各自的區域集合，然后在各自的區域中進行數據傳輸。當區域內所有數據收集完成后，由圖中Ⅰ類傳感器節點對收集到的Ⅱ類傳感器節點的數據進行融合處理，接著根據移動匯聚節點的當前位置，將融合后的數據發送到移動匯聚節點，直至移動匯聚節點收集完全部數據，該輪數據傳輸就完成了。教師需要帶領學生找到此時刻每個收集好各自區域的Ⅰ類傳感器節點，將融合后的數據傳輸到移動匯聚節點的最佳路徑，也就是由移動匯聚節點和Ⅰ類傳感器節點組成的最小生成樹，因此需要進行模型提取。

4.2模型提取

找到各個區域的傳感器節點到移動匯聚節點的最佳傳輸路徑是為了節省網絡能耗，延長此無線傳感器網絡的生命周期。通過分析案例，為了找到最佳傳輸路徑，教師需引入最小生成樹模型解決該問題，如圖2所示，最上層移動匯聚節點接收來自下兩層各個區域的傳感器節點融合后的數據，即傳感器節點傳輸路徑樹。

圖2無傳感器節點傳輸路徑樹

4.3案例解決

在案例解決步驟中，實現對于傳感器網絡模型的抽象化，使其衍化成為“數據結構”課程中的經典模型，并通過教師的講述實現知識點的講解以及工程問題的解決。

在課程的教學過程中，線上線下混合教學的交互式教學手段貫穿整個過程中。線上部分注重學生的自主學習，線下部分注重學生對問題更深層次的理解，成功將各個教學環節深度融合，有效地提升了教學質量［9］，如圖3所示。

圖3線上線下混合教學手段

在課前，教師先將本節課學生需要學習的最小生成樹基本概念發布在雨課堂上，讓學生進行線上預習，并且鼓勵學生自己運用網絡資源進行自主學習［9］。通過線上預習，學生會對該節課需要學習的知識點有了了解，能夠帶著自己的疑問在課堂上進行學習，在探索中學習的模式可以大大提高學生的學習積極性。在課堂上，首先教師帶領學生進行知識點的回顧與學習，接著引導學生將知識點與實際工程問題相結合，引入提取的解決模型；然后教師將學生分成小組，讓他們根據所學知識點和模型進行討論；最后由教師匯總每個小組的討論結果，進行比較，給出結論，得到該無線傳感器網絡某一時刻的最小傳輸路徑生成樹，如圖4所示。每個Ⅰ類傳感器節點先將各自區域Ⅱ類傳感器節點的數據收集并進行信息融合后，將處理好的數據通過路徑（實線條或虛線條）傳輸給此時刻的移動匯聚節點，每條線上的數字代表著從發送傳感器到接收傳感器的路徑權值，最佳傳輸路徑即最優權值。將實際問題引入提取的解決模型后，可以得到由實線條、移動匯聚節點V0以及5個傳感器區域集合V1、V2、V3、V4、V5組成的樹，就是該時刻的最小傳輸路徑生成樹，問題也隨之解決。在解決該實際工程案例后，教師根據考勤率、課堂小組討論的表現以及代碼完成度對學生進行打分。

圖4傳輸路徑最小生成樹

課后，教師在雨課堂上發布習題，將該實際案例中無線傳感器網絡另一時刻的移動匯聚節點接收各個區域數據傳輸的最小路徑生成樹作為舉一反三的測試，來檢驗學生是否在課堂中掌握了該知識點，并且在雨課堂上設立線上答疑和討論區，學生有不懂的問題可以留言給教師進行解答，同學之間也可以相互交流討論。

4.4課程效果評估與效果

課程效果評估則由教師建立起案例驅動的立體評價體系，綜合考查學生理論、邏輯與實踐三方面的學習效果，實現全方位的學習效果評估。理論方面以期末考試成績為主，實驗報告為輔。期末考試采用閉卷形式，主要考核學生對知識點的掌握和理解，占總成績的50%。邏輯與實踐方面以平時課堂表現為主，小組討論為輔，占總成績的50%。在集體討論的過程中，教師檢查學生是否能夠將所學知識點與實際工程案例相結合，打破傳統思維的禁錮，提高創新能力，以及是否可以解決課后小測的實際工程問題。

在河南大學的100名人工智能專業本科生中進行教學改革實踐后，進行了分數統計，如下表所示。從表中可以看出，所有學生的期末成績均為良好。同時，通過課中以及課后的師生討論也可以看出，在教學改革之后，同學不僅真正掌握了“數據結構”課程的知識，還可以熟練運用“數據結構”課程的知識解決實際工程問題，這種思維也為其他專業課程的學習奠定了良好的基礎。

結語

在新工科背景下，培養學生解決實際問題的能力是我國高等教育的發展趨勢。本項目立足新工科背景下人才培養的要求，以教學案例為切入點，利用線上線下混合教學手段，在課堂中將知識點與實際案例相結合，用經典模型提取手段建立模型將實際問題解決，進行課程創新改革。同時，在教學過程中，采用立體評價體系。在提升教學質量的基礎上，彌補了傳統學科與實際案例結合少的缺陷，還提高了學生解決實際問題的能力。

參考文獻：

［1］吳愛華，侯永峰，楊秋波，等.加快發展和建設新工科和引領新經濟［J］.高等工程教育研究，2017（1）19.

［2］張盛天，郭文俊，康耀龍，等.新工科背景下高校Java公共課教學改革探究［J］.中國教育技術裝備，2022（05）113115.

［3］黎忠文，KarenH.Jin，張志強.高?！皵祿Y構”課程教改現狀與經驗［J］.信息系統與工程，2022（10）：161164.

［4］何國良，汪紫煌，辛欣.新工科背景下數據結構課程的教學研究［J］.科教導刊，2019（24）：118121.

［5］姜磊，文一憑.新工科背景下項目驅動的“軟件工程”課程教學實踐研究［J］.當代教育理論與實踐，2022（14）：6164.

［6］徐志敏.新工科背景下的數據結構教學研究［N］.德州學院學報，2022，04.

［7］劉娜，路瑩，李明霞.“互聯網+”背景下混合教學模式探析——以“數據結構”課程為例［J］.創新教學，2022（03）：132134.

［8］魏倩，白可，金勇，等.面向研究生的凸優化課程教學設計與實踐［J］.軟件導刊，2022（21）：236239.

［9］鹿旸.數據結構與算法課程線上線下結合教學模式探索［J］.教育教學論壇，2021（20）：6972.

基金項目：2022年度河南大學本科教育教學改革研究與實踐項目《基于項目驅動的“數據結構”啟發式教學模式探索》（118）

作者簡介：魏倩（1984—），女，漢族，河南開封人，博士，講師，研究方向：無線傳感器網絡；陳贊如（2002—），女，漢族，河南商丘人，2022級碩士在讀，研究方向：水下無線傳感器網絡路由協議優化。