面向網(wǎng)絡安全專業(yè)的《數(shù)據(jù)結構》混合式課程建設

尚蕾

摘要：文章結合網(wǎng)絡安全專業(yè)教學實際，對《數(shù)據(jù)結構》課程教學中遇到的問題進行了深入分析，闡述了在混合式課程建設中的課程開發(fā)與教學改革的措施，包括教學內(nèi)容的修訂、教學模式改革、課程考核改革等內(nèi)容，并給出了具體方案。通過實踐，取得了良好的教學效果，為程序設計類混合式課程的建設，以及面向安全專業(yè)的計算機基礎課程優(yōu)化提供了借鑒。

關鍵詞：網(wǎng)絡安全;算法;計算思維;混合式教學

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）16-0083-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

《數(shù)據(jù)結構》課程主要討論現(xiàn)實世界中數(shù)據(jù)的各種邏輯結構，對應保存到計算機存儲器中的各種存儲結構，以及對數(shù)據(jù)進行各種運算的典型方法（即算法）。通過課程的學習要求學生掌握程序設計的理論知識，培養(yǎng)編程實踐能力，為后續(xù)專業(yè)課程（操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、軟件安全、軟件工程等）的學習和從事軟件開發(fā)、信息數(shù)據(jù)安全保護等工作打下堅實的基礎。

學習《數(shù)據(jù)結構》課程可以很好地提升學生的邏輯思維、計算思維，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。在清華MOOC（慕課）平臺“學堂在線”首批推出的5門課程中，《數(shù)據(jù)結構》即是其一。在綜合型大學，選修這門課除了計算機專業(yè)學生，也會包含其他工科專業(yè)學生，甚至文科專業(yè)學生，學生通過課程可以學會計算機科學的思想方法，培養(yǎng)計算思維，用不一樣的思路去解決問題。面對新的形勢，做好《數(shù)據(jù)結構》混合式課程的開發(fā)與改革，對于提高計算機類、網(wǎng)絡安全類工科專業(yè)學生的學科理論水平和計算思維有著至關重要的作用.

2 《數(shù)據(jù)結構》課程教學中存在的問題

《數(shù)據(jù)結構》作為工科課程，不僅有很深的理論知識，也要求培養(yǎng)學生的編程實踐能力和應用能力;同時又是一門承上啟下的課程，課程的講授以學生已掌握一般程序設計為基礎，是學生專業(yè)中后續(xù)學習設計和實現(xiàn)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及其他大型應用程序的重要基礎。當前《數(shù)據(jù)結構》教學中存在以下問題：

1）課程知識理論性抽象性強，課時不足。《數(shù)據(jù)結構》課程本身涉及的概念多、內(nèi)容廣，理論性強、且高度抽象，學生在學習理解上普遍存在一定的困難。課堂教學中學生提不起學習興趣，教學過程參與程度不高，造成了教學效果的下降。

2）教學反饋不及時。傳統(tǒng)的教學模式多是灌輸式，教師面授課程結束后布置作業(yè)，再次上課時講評討論，中間的間隔少則2-3天多則1-2周，這期間學生缺失了對知識深入探索及時查漏補缺的時機，教師也未能及時得到教學反饋，調(diào)整教學工作。

3）課程實踐環(huán)節(jié)薄弱，缺乏綜合型實踐。實踐是《數(shù)據(jù)結構》課程的重要環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生設計開發(fā)復雜高效程序的技能是課程的教學要求之一。實際教學中，實驗課時不足，實驗條件有限，實驗教學內(nèi)容刻板陳舊造成了課程的實踐環(huán)節(jié)較為薄弱，學生在課程學習后往往反映：“課堂內(nèi)容能夠掌握，但上機編程時困難重重無從下手”。目前，課程開設的大都是驗證性的實驗，缺少綜合性和創(chuàng)新性的實驗，也難以起到培養(yǎng)學生綜合運用數(shù)據(jù)結構知識分析問題和解決問題的能力以及創(chuàng)新能力，從而無法達到課程預期的教學目的和教學效果。

4）缺乏合理的考核方式。 目前該課程的考核方式多是試卷考核，期末筆試也主要是基礎知識、基礎算法，這使得學生偏向于只掌握幾個考試重點算法，會畫圖執(zhí)行算法步驟，而忽略對動手實踐能力的訓練，這種狀況實際上不利于應用型人才的培養(yǎng)。

3 《數(shù)據(jù)結構》課程建設沿革

針對數(shù)據(jù)結構教學中存在的問題，許多學者專家在課程建設中探索改進，既有教學內(nèi)容的修訂也有教學方法上的改革。2013年北京大學張銘教授在Coursera 上開設了“數(shù)據(jù)結構與算法”（https：//class.coursera.org/dsalgo-001），是國內(nèi)首批中文MOOC課程;徐衛(wèi)、劉端陽等在課堂教學環(huán)節(jié)提出基于PBL（Problem-Based Learning，問題式學習）的數(shù)據(jù)結構課堂教學思路、實施流程，并設計了PBL教學實例;陳川等提出基于微課的案例教學法，探討了以微課為技術手段制作案例，將案例應用于《數(shù)據(jù)結構》教學的混合式教學模式，可以充分調(diào)動學生的主動性，實現(xiàn)良好的師生互動和反饋;戴成秋提出基于 MOOC+SPOC （Small Private Online Course）的混合式教學思路，既融合大規(guī)模在線開放課程的優(yōu)點，同時也彌補傳統(tǒng)課堂的不足;李清等提出以問題驅(qū)動教學法培養(yǎng)學生計算思維和計算技能，并給出了《數(shù)據(jù)結構》課程中的教學實施路徑;李高云等對課程的無紙化考試方式做了探索。這些研究成果推動了《數(shù)據(jù)結構》課程的建設，對教學改革有很大的借鑒作用，作為應用型高校要結合自己的專業(yè)定位和人才培養(yǎng)目標開展《數(shù)據(jù)結構》混合式課程的建設。

4 《數(shù)據(jù)結構》混合式課程改革實例

4.1修訂教學內(nèi)容，突出安全特色

《數(shù)據(jù)結構》課程是計算機學科知識結構的核心和技術體系的基石，計算機類專業(yè)本科生都要學習，很多高校在研究生入學考試時設為必考課程、主要復試課程，各類軟件、系統(tǒng)架構職業(yè)資格類證書考試中也對數(shù)據(jù)結構知識有所涵蓋。雖然課程教學中存在著課時不夠的情況，但教學內(nèi)容不能壓縮，否則會影響學生的后續(xù)專業(yè)科學習、繼續(xù)深造和職業(yè)發(fā)展。課程內(nèi)容多，理論知識豐富，抽象性強，如何變抽象為直觀，在課程內(nèi)容優(yōu)化上我們將知識點與生活場景結合，與學生的安全專業(yè)結合，理論與實踐相結合，來激發(fā)學生的學習興趣和實踐動力。例如字符串部分的模式匹配算法是學習重點，基本算法有BF（Brute Force）、KMP（Knuth-Morris-Pratt），單一的學習和驗證實驗比較枯燥，我們在算法講解后鼓勵學生開發(fā)“作業(yè)查重程序”，課下拓展學習“多模匹配算法與入侵檢測系統(tǒng)”，以實際應用和專業(yè)應用激勵學生的實踐。經(jīng)過兩輪的教學實踐，將數(shù)據(jù)結構與網(wǎng)絡安全內(nèi)容結合，我們做了以下教學內(nèi)容的調(diào)整和優(yōu)化。

4.2教學方法改革

1）MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂

混合式教學，是將在線教學和傳統(tǒng)教學的優(yōu)勢結合起來的一種“線上”+“線下”的教學，最終目的是有效提升學生的學習深度。混合式教學中的關鍵是教學設計，課內(nèi)外學習任務分配、問題反饋機制設計、課堂學習活動設計、課外作業(yè)輔導、考核等。

在教學內(nèi)容的面授和網(wǎng)絡學習劃分上，我們將課程的重點、難點放在課上，由老師引導學生構建課程的完整知識框架，實施翻轉(zhuǎn)課堂，鼓勵學生分享思考過程、學習方法;對線上學習任務的設計，一部分是學生在前導課中已接觸過的知識如單鏈表建立、棧結構、隊列結構特點等，再就是往“安全”方向算法拓展學習的背景知識。我們?yōu)閷W生明確了自主學習任務單，并在大綱、教案、授課計劃中得以體現(xiàn)，做到課前任務有的放矢，與慕課視頻內(nèi)容和翻轉(zhuǎn)課堂有效對接。同時，為線上、線下學習設計了問題反饋機制（圖2）。教師要善用網(wǎng)絡學習數(shù)據(jù)挖掘?qū)W生的學習規(guī)律，發(fā)揮好引導、啟發(fā)、監(jiān)控教學過程的作用，充分調(diào)動學生作為學習主體的主動性、積極性與創(chuàng)造性，獲得最佳的學習效果。

2）創(chuàng)新實踐教學、支撐學科競賽

《數(shù)據(jù)結構》是一門理論與實踐并重的課程，在課程的實踐教學方面，我們引入了綜合性課程設計這一模式，設計了“驗證實驗—〉應用實驗—〉創(chuàng)新項目實驗”的實驗教學體系。使學生不僅得到良好的程序設計實踐，更重要的是初步感受到軟件開發(fā)過程的項目管理方法與規(guī)范，獲得工作經(jīng)驗。具體的改革措施有：借助虛實結合的在線實驗環(huán)境，滿足教師和學生“任何時間、任何地點”開展實驗的需求;通過交互可視化的形式動態(tài)展示算法的執(zhí)行過程，使學生更容易理解算法思想;基于 ACM 競賽和在線評測系統(tǒng)，激勵學生提高編程能力。

實踐教學內(nèi)容的課堂活動中，主要有學生實踐成果的展示，鼓勵學生做實踐經(jīng)驗的分享，教師引導學生分組、做好學生學習過程的監(jiān)測和記錄、作品講評等，對于項目設計類實驗不鼓勵單人完成，而要鼓勵學生強弱組合、加強團隊協(xié)作。

4.3課程中的人文素質(zhì)教育

網(wǎng)絡強國戰(zhàn)略，實質(zhì)是網(wǎng)絡人才強國戰(zhàn)略，對網(wǎng)絡人才的要求除了技術扎實，更要政治過硬、道德高尚，這也是對安全專業(yè)“課程思政”的具體要求，以立德樹人為根本，培養(yǎng)德智體美全面發(fā)展的網(wǎng)絡安全人才。教師在課堂教學中不僅要注重學生知識和能力的培養(yǎng)，更要做好學生思想引領和價值觀的塑造工作。一方面教師在講授課程知識本身之外，也要努力發(fā)掘并讓學生領略到課程中蘊含的美。抽象是數(shù)據(jù)結構的特點，有的學生摸不透害怕抽象，在講述相關知識的時候，可以結合具體的例子，如圖部分，可以從數(shù)學家歐拉研究著名的德國哥尼斯堡七橋問題引出，讓學生領略數(shù)學抽象思維的魅力。“數(shù)據(jù)結構”中每個結構都有其嚴謹之處，每個過程都可以用數(shù)學推導，學習過程就是提升學生的邏輯思維，培養(yǎng)創(chuàng)新思維的過程。

另一方面，激勵學生積極響應網(wǎng)絡強國戰(zhàn)略，扎實專業(yè)學習，激發(fā)學生的專業(yè)使命感、自豪感，確立努力學習，為國家安全、民族復興奮斗的愛國主義情懷。

4.4課程考核改革

與《數(shù)據(jù)結構》混合式教學相對應的是建立多層次的評價機制，一方面要提高平時成績在課程總成績中的比重，這樣可以調(diào)動學生線上學習的積極性，重視學習過程。教師需要健全完善過程性評價的指標，如對線上學習情況的跟蹤和評估，課堂學習過程的評價和記錄，學習小組內(nèi)成員間的評價等;另一方面，探索試卷考試以外的課程考核形式，如程序在線評測、線上考試等。

5 結束語

網(wǎng)絡空間安全領域的研究中離不開數(shù)據(jù)結構和算法分析等基礎知識的支撐，相對于傳統(tǒng)的計算機類專業(yè)，該專業(yè)的《數(shù)據(jù)結構》課程在內(nèi)容設計和實踐教學方面有其自身特色。混合式課程建設中我們將“網(wǎng)絡安全”的特色貫穿于理論教學和實驗教學，突出教學內(nèi)容的特色和先進性，為學生帶來前沿的學科知識，提升課程品質(zhì)，促進應用型網(wǎng)絡安全人才培養(yǎng)目標的實現(xiàn)。未來，還將在微課制作、教材建設、在線考試等方面積極探索，完善課程。

參考文獻：

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【通聯(lián)編輯：王力】