基于OBE工程教育模式的應(yīng)用型本科“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”課程教學(xué)改革探索

20世紀(jì)末，美國(guó)教育學(xué)家WilliamSpady提出了一種名為“成果導(dǎo)向教育\"（Outcome-BasedEducation，簡(jiǎn)稱(chēng)OBE）的創(chuàng)新教育模式，隨后迅速在北美興起，其先進(jìn)的教育理念在全世界范圍內(nèi)的高等教育領(lǐng)域產(chǎn)生了廣泛的影響。與傳統(tǒng)的“以知識(shí)為主導(dǎo)\"的教學(xué)理念不同，OBE理念創(chuàng)造性地提出了“以學(xué)生為中心”的主動(dòng)型教學(xué)模式，通過(guò)學(xué)生在接受專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)教育后所取得的成果來(lái)評(píng)價(jià)課程教學(xué)的有效性。

在應(yīng)用型本科網(wǎng)絡(luò)工程專(zhuān)業(yè)的課程體系中，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法\"既是一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)必修課，也是一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)核心課程。該課程不僅教授數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)的計(jì)算機(jī)理論關(guān)鍵知識(shí)，更是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新性思維的重要環(huán)節(jié)。為了適應(yīng)行業(yè)發(fā)展和市場(chǎng)需求，提高計(jì)算機(jī)應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量，基于OBE理念對(duì)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法\"課程進(jìn)行教學(xué)改革尤為重要。本研究旨在通過(guò)優(yōu)化課程體系、豐富教學(xué)方法、強(qiáng)化實(shí)踐環(huán)節(jié)等舉措，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

一、應(yīng)用型本科計(jì)算機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”課程現(xiàn)狀分析

（一）課程結(jié)構(gòu)與內(nèi)容單一

目前，許多開(kāi)設(shè)應(yīng)用型本科網(wǎng)絡(luò)工程專(zhuān)業(yè)的高等院校，在“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法\"這門(mén)課程的授課內(nèi)容規(guī)劃上，主要涵蓋基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如線性表、棧、隊(duì)列、樹(shù)、圖等）和常用算法（如排序算法、查找算法、圖算法等）的介紹與實(shí)現(xiàn)。然而，課程內(nèi)容往往過(guò)于偏重理論，缺乏與實(shí)際應(yīng)用的緊密結(jié)合，未涵蓋數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和最新應(yīng)用場(chǎng)景，也未充分融入OBE工程教育理念。因此，教學(xué)內(nèi)容難以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，難以提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

（二）教學(xué)方法與手段落后

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法\"這門(mén)課程在許多院校的教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，仍采用最傳統(tǒng)的方式，即教師課堂講授，學(xué)生臺(tái)下聽(tīng)講，課后完成作業(yè)的模式。這種教學(xué)方式缺乏互動(dòng)，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，學(xué)生很容易在 15～ 20分鐘的精神集中期過(guò)后失去注意力，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳。同時(shí)，課程的教學(xué)手段相對(duì)單一，缺乏多樣化的教學(xué)資源和實(shí)踐平臺(tái)，無(wú)法滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐的需求。此外，本專(zhuān)業(yè)的教學(xué)體系尚不夠完善，與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)相關(guān)的課程之間聯(lián)系不夠緊密，學(xué)生的個(gè)人與團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)、運(yùn)用知識(shí)動(dòng)手解決實(shí)際問(wèn)題的能力以及創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力得不到有效培養(yǎng)。

（三）教學(xué)評(píng)價(jià)體系片面

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法\"課程的教學(xué)評(píng)價(jià)體系通常由理論和實(shí)踐兩個(gè)重要部分組成。其中，理論教學(xué)評(píng)價(jià)的目標(biāo)是考核學(xué)生掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本理論知識(shí)以及理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的重難點(diǎn)程度；實(shí)踐教學(xué)評(píng)價(jià)的目標(biāo)則是考核學(xué)生掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)，能夠熟練運(yùn)用編程工具，并針對(duì)實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)有效算法解決問(wèn)題的能力。然而，很多高校對(duì)這門(mén)課的評(píng)價(jià)主要以理論課的考試成績(jī)?yōu)橹鳎瑳](méi)有單獨(dú)考核實(shí)驗(yàn)教學(xué)，或者只是將其作為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程考核的一個(gè)組成部分，且所占比例相對(duì)較低。這種評(píng)價(jià)體系忽視了對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程和能力的全面評(píng)價(jià)，無(wú)法有效考查學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作、創(chuàng)新思維等綜合素質(zhì)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

二、OBE工程教育模式下的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”課程教學(xué)改革

本文以桂林電子科技大學(xué)北海校區(qū)網(wǎng)絡(luò)工程專(zhuān)業(yè)的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法\"課程作為研究對(duì)象，結(jié)合最新的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)課程目標(biāo)和內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整和優(yōu)化，以確保學(xué)生掌握最前沿的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法知識(shí)。

（一）課程目標(biāo)與內(nèi)容改革

1.明確課程目標(biāo)

在OBE工程教育模式下，課程目標(biāo)應(yīng)明確、具體、可衡量，并聚焦于學(xué)生能力培養(yǎng)。針對(duì)本課程，設(shè)定以下課程目標(biāo)：

（1）課程教學(xué)目標(biāo)1—了解

了解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的意義與發(fā)展過(guò)程；

了解一元多項(xiàng)式的表示；

了解循環(huán)鏈表和雙向循環(huán)鏈表；

了解平衡二叉樹(shù)的建立和查找；

了解字典、跳躍鏈表的概念。

（2）課程教學(xué)目標(biāo)2—知識(shí)理解及掌握

理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念、算法含義、特征和性能標(biāo)準(zhǔn)；

理解二分查找算法、一元多項(xiàng)式的表示、棧的特點(diǎn)及運(yùn)用、隊(duì)列的特點(diǎn)及運(yùn)用；

理解樹(shù)的基本術(shù)語(yǔ)、二叉樹(shù)的遍歷方式及算法應(yīng)用、哈夫曼樹(shù)的概念;

理解樹(shù)、森林的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、二分查找判定樹(shù)、二叉排 序樹(shù)的概念、平衡二叉樹(shù);

理解圖的基本術(shù)語(yǔ)、圖存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、圖深度和廣度遍歷、最小生成樹(shù)的概念、迪杰斯特拉算法；

理解排序的概念及各種排序算法的特點(diǎn);

掌握算法時(shí)間復(fù)雜度、空間復(fù)雜度；

掌握線性表的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及操作的實(shí)現(xiàn);

掌握棧的兩種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的基本操作實(shí)現(xiàn)、隊(duì)列的兩種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的基本操作實(shí)現(xiàn);

掌握二叉樹(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性質(zhì)、二叉樹(shù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)、二叉樹(shù)的遍歷方式及遞歸算法；

掌握哈夫曼樹(shù)的構(gòu)造、哈夫曼編碼的算法實(shí)現(xiàn);

掌握樹(shù)、森林與二叉樹(shù)的轉(zhuǎn)換、二叉排序樹(shù)的構(gòu)造方法；

掌握?qǐng)D的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、圖的遍歷方式、最小生成樹(shù)的構(gòu)造、圖的應(yīng)用和查找最短路徑；

掌握散列表的構(gòu)造方法、各種查找方法的平均查找長(zhǎng)度、散列表平均查找長(zhǎng)度的計(jì)算方法;

掌握插入和選擇的排序算法，能對(duì)排序方法進(jìn)行時(shí)間復(fù)雜度分析，并對(duì)各種排序算法進(jìn)行比較進(jìn)行選擇性應(yīng)用。

（3）課程教學(xué)目標(biāo)3—能力培養(yǎng)

編程能力：學(xué)生能夠理解問(wèn)題需求，綜合應(yīng)用課本上的經(jīng)典算法來(lái)解決現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際問(wèn)題。

問(wèn)題解決能力：培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、對(duì)問(wèn)題進(jìn)行精準(zhǔn)分析、最優(yōu)解決問(wèn)題的能力。

（4）課程教學(xué)目標(biāo)4—獲得新知識(shí)的自學(xué)能力

引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成通過(guò)網(wǎng)上及其他途徑學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)的習(xí)慣。

在教學(xué)過(guò)程中，以實(shí)際問(wèn)題為培養(yǎng)導(dǎo)向，同時(shí)夯實(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論知識(shí)，為學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)做好鋪墊。

（5）課程教學(xué)目標(biāo)5——溝通交流及團(tuán)隊(duì)合作

在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，鼓勵(lì)學(xué)生針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行自由探討，并以小組為單位開(kāi)展算法的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，鍛煉學(xué)生的溝通及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

2.優(yōu)化課程內(nèi)容

根據(jù)課程目標(biāo)，對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行全面優(yōu)化，注重理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合，增加實(shí)際應(yīng)用案例和前沿技術(shù)的介紹。具體改革措施包括：（1）精簡(jiǎn)理論內(nèi)容，突出重點(diǎn)和難點(diǎn)，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，使學(xué)生更加聚焦于核心知識(shí)的掌握。 （2）引人現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際案例，將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景相結(jié)合，通過(guò)實(shí)例分析提高學(xué)生的實(shí)踐能力和問(wèn)題解決能力。（3）融入前沿技術(shù)，如大數(shù)據(jù)處理、人工智能算法等，拓寬學(xué)生的知識(shí)視野，使學(xué)生了解并掌握最新的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

（二）課程教學(xué)設(shè)計(jì)與手段改革

1.創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)

在OBE工程教育模式下，教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)以學(xué)生為中心，注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維。具體改革措施包括：（1）采用項(xiàng)目式教學(xué)方法，通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法知識(shí)，提升學(xué)生的實(shí)踐能力。（2）運(yùn)用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，讓學(xué)生成為課堂的主導(dǎo)者，課堂上進(jìn)行實(shí)踐操作和討論，提高教學(xué)效果。（3）鼓勵(lì)學(xué)生組成學(xué)習(xí)小組，相互合作，共同分析、探討和解決問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)和能力。

2.多樣化教學(xué)手段

為了激發(fā)學(xué)生在課堂上的學(xué)習(xí)興趣和積極性，應(yīng)采用多樣化的教學(xué)手段。具體改革措施包括：（1）利用PPT課件、科教視頻、算法演示動(dòng)畫(huà)等教學(xué)資源，豐富教學(xué)內(nèi)容和形式。（2）借助各大主流在線學(xué)習(xí)教育平臺(tái)，如對(duì)分易、傳智播客、頭歌等，布置教學(xué)任務(wù)、提供學(xué)習(xí)資源和互動(dòng)功能，方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)和交流。（3）鼓勵(lì)和組織學(xué)生積極參加學(xué)科競(jìng)賽實(shí)踐活動(dòng)，如ICPC、CCPC、藍(lán)橋杯等比賽，提升學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

（三）課程教學(xué)評(píng)價(jià)方式改革

1.構(gòu)建多元化評(píng)價(jià)體系

在OBE工程教育模式下，教學(xué)評(píng)價(jià)應(yīng)注重對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)成果的全面評(píng)價(jià)，反映學(xué)生整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程和其具備的學(xué)習(xí)能力。具體改革措施包括：（1）采用多元化評(píng)價(jià)方式，如課堂與課后作業(yè)、課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、項(xiàng)目成果等，全面反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。（2）注重階段性過(guò)程性評(píng)價(jià)，學(xué)生的每一個(gè)章節(jié)的學(xué)習(xí)小成果都是這一階段學(xué)習(xí)表現(xiàn)的體現(xiàn)，要及時(shí)給予反饋和指導(dǎo)。

2.強(qiáng)化實(shí)踐能力評(píng)價(jià)

針對(duì)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法\"課程的實(shí)踐性特點(diǎn)，應(yīng)強(qiáng)化實(shí)踐能力評(píng)價(jià)。具體改革措施包括：（1）設(shè)定實(shí)踐環(huán)節(jié)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如編程能力、算法設(shè)計(jì)能力、問(wèn)題解決能力等。（2）開(kāi)展實(shí)踐環(huán)節(jié)的評(píng)價(jià)活動(dòng)，如編程比賽、項(xiàng)目實(shí)踐等，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力進(jìn)行客觀、公正的評(píng)價(jià)。（3）將實(shí)踐能力評(píng)價(jià)結(jié)果納入課程總成績(jī)，激勵(lì)學(xué)生注重實(shí)踐能力的培養(yǎng)和提升。

三、教學(xué)實(shí)踐效果分析

（一）課程目標(biāo)完成度分析

通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法\"課程的目標(biāo)完成度較高。絕大部分學(xué)生都能夠掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中幾種基本結(jié)構(gòu)的概念和使用方法，明確在何種情境下應(yīng)使用何種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并能運(yùn)用這些知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。同時(shí)，學(xué)生也能夠深人理解算法的概念和原理，不僅熟練運(yùn)用常用算法，還能獨(dú)立完成新算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。此外，學(xué)生的邏輯思維、問(wèn)題解決能力和實(shí)踐技能得到了顯著提升，創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力也得到了有效培養(yǎng)。

（二）課程教學(xué)設(shè)計(jì)效果分析

教學(xué)實(shí)踐表明，基于OBE工程教育模式的教學(xué)設(shè)計(jì)取得了顯著成效。項(xiàng)目式教學(xué)方法和翻轉(zhuǎn)課堂模式的運(yùn)用，以及多樣化的教學(xué)手段，豐富了教學(xué)內(nèi)容和形式，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的參與度，教學(xué)質(zhì)量得到明顯提升。小組合作學(xué)習(xí)模式增強(qiáng)了學(xué)生的個(gè)人溝通能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。同時(shí)，學(xué)科競(jìng)賽等課外實(shí)踐活動(dòng)也為學(xué)生提供了寶貴的實(shí)踐鍛煉機(jī)會(huì)，進(jìn)一步提高了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

（三）課程教學(xué)評(píng)價(jià)真實(shí)性分析

采用“多元化評(píng)價(jià) + 強(qiáng)化實(shí)踐能力”的評(píng)價(jià)體系更加真實(shí)、客觀、全面，反映了學(xué)生的平時(shí)學(xué)習(xí)情況，而注重階段性過(guò)程評(píng)價(jià)使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確、可靠。同時(shí)，實(shí)踐能力評(píng)價(jià)的引入，使得總體評(píng)價(jià)結(jié)果更加貼近實(shí)際，能夠真實(shí)反映學(xué)生的知識(shí)掌握水平和動(dòng)手實(shí)踐能力。此外，教學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果的及時(shí)反饋和指導(dǎo)也促進(jìn)了學(xué)生的自我反思和改進(jìn)，有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

四、結(jié)語(yǔ)

本課程教學(xué)改革研究通過(guò)明確課程目標(biāo)、優(yōu)化課程內(nèi)容、創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)手段、構(gòu)建多元化評(píng)價(jià)體系以及強(qiáng)化實(shí)踐能力評(píng)價(jià)等措施，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)生的實(shí)踐能力，并促進(jìn)了學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力提高，取得了顯著成效。未來(lái)，教育從業(yè)者將繼續(xù)深化教學(xué)改革，不斷探索和發(fā)展適合應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的教學(xué)方法和手段，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才貢獻(xiàn)自己的力量。

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