MOOCs背景下地方院校“數據結構”實踐教學模式

于慶梅, 毛 镠

(1. 上海海洋大學 信息學院, 上海 201306；2. 海南大學 信息科學與技術學院, 海南 海口 570228)

“數據結構”作為計算機專業核心必修課程,其特點是理論抽象程度高、應用實踐性強[1]、課程學習難度大。高等學校計算機科學與技術專業核心課程教學實施方案對于科學型、工程型、應用型3類人才,提出了不同的理論能力要求和實踐能力要求[2]。鑒于地方院校以培養工程型人才為主,應在講授典型數據結構概念、算法的基礎上,加強上機操作訓練,提高學生組織數據及編寫應用程序解決問題的能力,架起從理論走向解決實際問題的橋梁。因此,在教學中既要重視理論內容的講解,又要充分體現本課程理論與實踐緊密結合的特點。對于理論內容的教學,呈爆發式增長的MOOCs(慕課)平臺課程提供了豐富的資源[3-4],國內近20所院校開設的不同層次的中文在線“數據結構”課程,均以理論教學為主。許多院校利用在線課程嘗試如SPOCs教學模式[5-6]、翻轉課堂、線上線下混合教學[7-10]等,以教師為中心的傳統理論教學模式得以改變。“數據結構”實踐教學必須適應新的理論教學模式,與理論教學同步改革,以實現與MOOCs式理論教學的有機結合。以下分析在MOOCs背景下,“數據結構”實踐教學改革的必要性和理論依據——建構主義學習理論以及具體的改革實施方案。

1 改革的必要性

在MOOCs背景下,學生可以隨時上網學習,實踐教學應與這種在學習的時間和內容上的開放性相配合[11]。

首先,目前的“數據結構”實踐教學改革,對于如何利用迅速發展起來的MOOCs資源為學生提供實驗條件和實驗環境,應在以下2方面加強研究與探索：一是從實驗內容上重視算法設計[12-13],設計“數據結構”課內實踐教學方案[14]和教學體系[15],采用基于問題的實驗教學法提高學生實踐能力[16]；二是從實踐內容設置上進行改革[17],構建開放性在線實驗平臺[15, 18]。

其次,由于地方院校學生個體在學習態度、學習方法和編程能力等方面的較大差異,特別是程序設計基礎普遍薄弱,對于“數據結構”實踐課程基礎的“程序設計語言C/C++”課程掌握不扎實,尤其對涉及指針、結構、鏈表和數組等復雜數據類型的理解不透徹,往往在對實際問題完成理論分析和設計后,卻對編碼和調試環節感覺無從下手,導致學習興趣和學習積極性不高。

第三,學生通過MOOCs學習理論知識后,根據要求進行上機操作實驗,但只是在規定的時間和地點進行上機操作,才能得到教師的指導。而且通常一個教師需要同時指導30名以上的學生,遠遠不能滿足學生的要求。

最后,已在MOOCs上開設的“數據結構”課程,也存在一些問題。一是實驗實踐部分的教學資源少,并非所有的在線課程都提供實驗實踐內容；二是即使有實驗部分的教學資源,也不過是在線編程作業,主要檢驗學生對理論教學的理解和掌握,并不適合互聯網環境下學生基礎差異顯著的情況。

在分析“數據結構”實踐教學現狀的基礎上,總結對“數據結構”理論教學開展翻轉課堂的經驗,圍繞實踐教學改革的核心問題——關注學生、關注課內外、關注結果與過程相結合[19],考慮MOOCs教學資源,運用建構主義學習理論的情境創設、自主學習和合作探究教學模式,提出基于建構主義學習理論的微視頻實驗教學模式。該模式以學生為中心,以教師為主導,提供線上自主實驗PTA(pintia)[20]開放平臺,支持學生不受時間和空間限制,隨時隨地參與實驗,以實現MOOCs背景下的“數據結構”教學改革。

2 改革的理論依據——建構主義學習理論

2.1 建構主義學習理論

建構主義學習理論認為,知識是學生在一定的情境下,在學習過程中借助教師和學習伙伴的幫助,利用必要的學習資料,通過意義建構的方式而獲得的。其中“情境”“協作”“會話”和“意義建構”是建構主義學習觀的4大要素。“情境”“協作”和“會話”強調學習的條件和過程,而“意義建構”是指學習過程的最終目標[21]。

建構主義認為,學習是在教師指導下,以學生為中心的過程,既強調學生的認知主體作用,又重視教師的主導作用。一方面,學生是信息加工的主體,是意義的主動建構者。在學習過程中學生主體作用[22]的發揮主要體現在：用探索和發現法建構知識意義；主動查找和分析相關信息和資料,對所學內容提出各種假設并努力加以驗證；把這些內容所反映的事物盡量與自己已知的事物、知識或經驗等相聯系,并對這種聯系加以認真思考。另一方面,教師是學生建構意義的幫助者和主導者,在教學過程中教師主導作用[22]的發揮主要體現在：激發學生的好奇心和學習興趣,幫助學生形成學習動機；通過創設符合實踐教學內容要求的情境和提示理論與實踐之間的聯系,幫助學生建構當前實踐活動的意義；為了使意義建構更有效,教師應在可能的條件下組織小組討論與交流等協作型、探究型學習,引導協作學習過程朝著有利于意義構建的方向發展。

2.2 基于建構主義學習理論的學習環境

在上述建構主義學習理論指導下,與建構主義學習環境相適應的教學模式是,“以學生為中心,在整個教學過程中由教師起到組織者、指導者、幫助者和促進者的作用,利用情境、協作、會話等學習環境要素充分發揮學生的主動性、積極性和首創精神,最終達到使學生有效地實現對當前所學知識的意義建構目的”[22]。建構主義學習理論中的學習環境4要素：“情境”“協作”“會話”和“意義建構”,在教學過程中表現為情境創設、自主學習和合作探究。

情境創設指在實踐教學中教師有目的地引入具有一定感情色彩、生動具體的場景,引導學生積極參與體驗的過程。要求教師設計出的實驗項目能夠反映真實社會中的問題,是學生關心的現實問題,從而激發學生的好奇心,使之產生學習動力。

自主學習指教師在創設的情境下,引導學生主動進行意義建構,使之在已有知識經驗基礎上,對新知識進行主動探索和主動發現。因為學生已有知識經驗及理論知識水平因人而異,所以要為他們提供各種MOOCs資源、網絡資源或相關鏈接,幫助他們根據自身情況自主選擇、自主學習。教師從創設情境出發,促使學生通過自主學習,為實驗做好充分準備。

合作探究是指學生在自主學習基礎上,以教師為主導,以學生為中心,以小組為單位,以意義建構為目標,在組內交流、組間交流、生生交流和師生交流基礎上,通過觀點的碰撞、補充和修正,進行智慧和思維共享,探究實驗難點和疑點,最終完成實驗任務和實現意義建構。

3 改革實施方案

基于MOOCs背景下“數據結構”實踐教學改革必要性分析及建構主義理論,設計并實施實踐教學改革方案。該方案從地方院校“數據結構”課程授課實際情況出發,同時考慮基于大規模MOOCs的自主學習需求,設計具有情境創設的題目,提供基礎實驗微視頻,使用開放PTA系統,組織線上或線下合作探究,充分利用信息技術手段,實現實踐教學信息化。

3.1 創設實踐教學情境,關注學生本身

實踐教學設計中要考慮有利于學生建構意義的情境創設問題。教師根據實驗內容,依據真實物理情境創設實驗情境,使實驗題目具有現實意義。即把要做的實驗置于一個真實情境中,使之與現實生活中的具體問題聯系起來,引導學生積極發現問題和探究問題,思考應采用何種數據結構、何種高效算法及如何編程來解決實際問題。創設情境可以使學生清楚實驗要解決的問題類型,增強對現實世界的體驗,主動從相關數據結構理論知識中尋找解決方案。

例如在排序實驗中,把設計“奧運排行榜”作為具體實驗情境,引導學生設計排序算法。不同國家的排行榜略有不同。如2008年夏季奧運會,中國金牌總數列第一時,中國媒體就公布“金牌榜”；美國獎牌總數第一時,美國媒體就公布“獎牌榜”；人口少的國家則公布“國民人均獎牌榜”或“國民人均金牌榜”等,每個國家的媒體都可給出自己國民樂于看到的“排行榜”。在這樣一個情境設定里,學生會根據奧運金牌數和各國人口數據及自己感興趣的國家,利用已學過的各種排序算法理論,編寫程序,得到不同排行榜,學生的實驗興趣和積極性大大提高。

3.2 提供基礎實驗微視頻等學習資源,關注學生課內外實驗

實驗教學不僅與理論教學相輔相成,而且對理論知識的鞏固和實踐能力的提高至關重要。對于地方院校的學生,通過“數據結構”在線課程可以學習理論知識,但不足以支持他們完成實驗內容。因此,制作了基礎實驗講解教學視頻,為學生通過自主學習完成實驗內容提供在線視頻資源。實驗視頻不僅包括實驗題目分析,而且包括與實驗題目相關的基礎實驗代碼講解,為C/C++編程基礎弱的學生掃除學習障礙。

以前文提到的“奧運排行榜”實驗題目為例,針對理論教學中與排序算法相關的冒泡、選擇、插入等內容,錄制算法實現及代碼實現的具體講解視頻。這樣,學生在算法實現部分就不會無從下手,而是能夠輕松愉快地完成實驗題目,激發了基礎薄弱學生實驗的興趣和積極性。

將優秀學生對實驗題目的分析、求解過程及對問題的討論過程也錄制成視頻,供其他學生在線學習時參考,發揮優秀學生的示范作用。

3.3 提供開放平臺PTA,實現遠程實驗

PTA是由杭州百騰教育科技有限公司開發的程序設計類實驗輔助教學平臺。“數據結構”實踐教學中利用該系統,可通過預設實驗題目的輸入、輸出和限制條件,實現對學生提交的實驗代碼的自動檢查和評測。基于建構主義學習理論,教師給出的實驗題目要有利于意義建構,要反映復雜實際問題,要針對每個知識點,把實驗題目按照內容分為基礎型、設計型和綜合型,按照題目形式分為函數題和編程題。

(1) 基礎型題目主要以函數題的方式在PTA系統中給出。這部分實驗內容涉及理論教學中講過的基本算法,并已在實驗微視頻中對具體的代碼進行了講解。學生及其他MOOCs學習者在進行理論學習時,通過獨立完成這部分實驗,進行理論知識的內化。

(2) 設計型題目主要以編程題的方式在PTA系統中給出。這部分實驗內容旨在解決簡單實際問題,通常是只涉及一種簡單數據結構或算法。學生首先對問題進行分析,然后通過線上、線下討論,得到問題求解的基本算法,最后通過編程求解實際問題。

(3) 綜合型題目也是以編程題的方式在PTA系統中給出的。這部分實驗內容旨在解決復雜實際問題。相對于設計型題目,綜合型題目涉及多種數據結構和算法,考查學生對知識的綜合應用能力。由于題目較為復雜,通常通過小組協作來完成。

3.4 開展以教師為主導的合作探究,構建協作和會話環境要素

在教師指導下,學生基于個人主動性,并通過小組合作、會話、交流和競爭,運用“數據結構”理論知識,完成對問題的求解。這種形式的合作探究貫穿實驗的全過程,包括對實驗資料的共享、對實驗結果的評價和最終實驗程序的實現等。

所謂教師主導就是教師圍繞已確定的主題,設計引起爭論的初始問題及將討論進一步引向深入的后續問題。例如對于前文中情境創設中給出的“奧運排行榜”問題,教師設置以下初始問題：需要知道哪些信息？這些信息采用什么樣的數據結構？對求解時間和空間的要求是什么？何種算法能夠滿足排行榜的時間和空間要求？這樣,一步一步引導學生進行意義建構,運用意義建構結果解決實際問題。

所謂協作包括學生與實驗資源間協作、學生與學生間協作和學生與教師間協作,協作形式可以是線上網絡協作或線下面對面協作。協作過程中最基本的方式是會話,協作學習的過程就是會話的過程。

(1) 學生與實驗資源間協作。學生根據已確定的實驗主題,在教師指導下,查找相關資源,包括視頻資源與文本資源,對資源進行梳理,剔除與實驗主題不相關的資源,不斷積累和補充具有意義建構的資源,并予以有效利用。

(2) 學生與學生間協作。包括組內協作與組間協作。教師依據組內異質和組間同質的原則劃分學習小組。由于組內各成員間的差異性,組內學生對實驗問題的理解會有所不同。因此他們需在自主學習基礎上,發揮各自特長和優勢,通過相互溝通和交流,更深入、更全面地理解問題。組間同質性使各個小組總體水平基本一致,確保各小組間的公平競爭。經過小組討論并形成小組觀點與實驗解決方案之后,各小組在實驗課上進行組間交流,比較不同實驗方案和算法的特點,進行方案和算法優化。在前文提到的“奧運排行榜”例子中,不同小組提出了不同的排序算法,并用實驗程序驗證了他們算法的可行性和效率。

(3) 學生與教師間協作。包括教師與單個學生之間、教師與學生小組之間以及教師與全體學生之間的協作,具體體現在教師課后面對面和網絡在線對學生一對一的答疑輔導、參與小組的討論交流及針對實驗難點的課上引導等。在實踐教學中,教師通過情境創設,引導學生討論問題,提供與實驗內容相關的微視頻及解決問題線索,支持學生自主學習；學生有問題時可通過線上和線下隨時向教師請教,進行互動與交流。在協作中,教師還可對學生進行實驗評估。

(4) 線上網絡協作與線下面對面協作。對于簡單問題,學生可以通過教師提供的實驗微視頻和理論教學中教授的相關知識找到答案,對于復雜問題,學生可通過MOOCs線上或在實驗課中面對面與教師及其他學習者交流協作,探究解決問題的方法。

在合作探究的同時,教師能夠記錄學生參與討論與交流的過程,并對學生的表現給予正確評價,作為對學生實驗成績考核的主要內容,體現了實驗結果與實驗過程相結合的實驗教學理念。

4 效果及結論

通過對MOOCs背景下“數據結構”實踐教學改革必要性分析,構建符合地方院校學生特點的“數據結構”實踐教學模式,并在我校計算機科學與技術專業2016級學生的“數據結構”實踐教學中進行了嘗試。經與2015級學生進行對比,得到學生“數據結構”課程平均成績(其中包括實驗成績30%)、獲得MOOCs證書數和學生參加中國高校計算機大賽——團體程序設計天梯賽成績,如表1所示。

表1 “數據結構”實踐教學改革前后教學效果對比

數據表明：實踐教學改革有益于學生提高理論知識水平；適合學生水平的實驗資源有助于學生達到MOOCs教學水平要求,提高課程通過率；學生實踐能力的提高,大大提高了學生程序設計競賽成績。

5 結語

以建構主義學習理論為依據,將以情境創設、微視頻和PTA開放平臺相結合的合作探究式實踐教學應用于“數據結構”實踐教學,既可為通過MOOCs進行“數據結構”理論學習的學生進行實驗實踐服務,又可為基于MOOCs開展的SPOCs教學及翻轉課堂混合式教學提供豐富的教學資源,具有借鑒意義。