數據結構課程實踐教學平臺的設計與應用

孟佳娜，李錫祚，李 威，王玲芬，劉勇奎

數據結構課程實踐教學平臺的設計與應用

孟佳娜，李錫祚，李 威，王玲芬，劉勇奎

（大連民族大學 計算機科學與工程學院，遼寧 大連 116600）

論述了數據結構課程在計算機科學與技術專業課程體系中的重要性，介紹了數據結構課程實踐教學改革。通過構建數據結構課程實踐教學平臺，形成了從平時實驗、期中和期末考試、課程設計到ACM競賽編程訓練的一體化培養模式。依靠該教學平臺和資源，實現了多角度的以教師為主導、學生為主體的教學改革和實踐。

數據結構; 教學改革; 實踐教學; 培養目標

數據結構課程是計算機專業的一門理論性和實踐性都很強的核心基礎課，該課程的目標是使學生掌握數據基本的邏輯和存儲結構、典型的數據結構算法，學會程序設計的方法和技巧，在分析數據對象特點的基礎上，為數據選擇適當的邏輯結構、存儲結構，并具有分析算法復雜度的基本技術和能力[1-3]。

數據結構是數據庫原理、操作系統和編譯原理等課程的重要基礎，在計算機科學與技術專業課程體系中占據重要地位，其教學效果將直接影響學生程序設計能力和抽象邏輯思維能力的培養[4-7]。該課程既有高度抽象的概念和邏輯性很強的結構描述，還對學生的編程能力有很高要求。如何提高教學效果是教師面臨的重要課題，如何掌握課程內容是學生面臨的主要困難。

1 實踐教學在數據結構課程中的重要性

數據結構課程的教學環節包括理論教學與實踐教學，在教育部實施的“高等學校教學質量與教學改革工程”中，提出要“高度重視實踐環節，提高學生實踐能力”[8-9]。實踐教學不僅是培養學生算法設計和實現能力的主要教學環節，更是培養學生計算思維、創新能力和團隊協作精神的有效途徑[10-13]。多年的授課經驗發現，學生一直對上機實驗頗感困惑，很難把本就難以理解的算法和抽象概念轉化為可具體實現的代碼。為了解決這個難題，我們設計了旨在加強實踐能力培養的數據結構實踐教學平臺。

2 利用現代化手段加強實踐能力培養

近年來，信息技術高速發展，為教學模式的變革與創新提供了強有力的推動，也促進了教育教學與信息技術的深度融合[14-15]。教育部在2018年10月頒布的《教育部關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》，強調實踐育人平臺建設，要求“綜合運用校內外資源，建設滿足實踐教學需要的實驗實習實訓平臺。加強校內實驗教學資源建設，構建功能集約、資源共享、開放充分、運作高效的實驗教學平臺”[16]。

為此，我們進行了基于課程網絡教學平臺的教學模式和教學方法改革，設計和實現了數據結構課程實踐教學平臺，如圖1所示。學生通過課堂學習和網絡實踐平臺2種形式完成學習任務，其中在課堂上進行理論學習，在網絡教學平臺上完成實驗、作業、考試等教學環節。學生可根據自己的學習情況和學習計劃利用平臺進行自主學習，增強了學習的自主性和靈活性。該平臺解決了計劃學時實驗時間不足的問題，使學生能夠在一個開放、多元的實踐環境中，隨時上機實驗并獲得實驗結果，隨時提出問題并得到解答，促進學生程序設計能力、計算思維能力、實踐能力與創新能力的提升。

圖1 數據結構課程實踐教學平臺架構

3 數據結構課程實踐教學平臺建設

3.1 總體設計

通過多年教學實踐，構建了網絡環境下的實踐教學平臺，主要包括練習模塊實驗教學模塊、考試模塊、ACM競賽模塊、分析與匯總模塊，只要登錄校園網，即可使用該平臺進行學習和訓練。

平臺面向學生提供自學自測功能，測試結果即時顯現。實現了在線練習和考試、競賽和討論，并提供范例代碼、優化代碼和競技排名等。圖2為學生通過用戶名、密碼進入系統后的界面。其中，實驗教學模塊為學生提供了網上編程環境，學生可根據教師布置的實驗題目，按照規定時間在網上完成代碼編程、調試、提交等工作；考試模塊可使學生完成教學過程所要求的平時上機測驗和期末上機考試；自測練習模塊（見圖3）可使學生在課余時間上網完成教師提供的編程練習題，加強編程能力訓練，提高編程能力；分析與匯總模塊以圖表形式對學生實驗情況和考試情況進行分析和匯總，為教師進行教學管理及教學資源重組提供了便利。

圖2 學生端界面

圖3 學生自測練習模塊

該平臺面向教師提供了學生作業和實驗在線評測、代碼抄襲檢測、在線討論、考試和競賽及成績自動管理等功能，圖4為教師進入系統后的界面。通過實驗教學模塊，教師可上網發布實驗題目和實驗要求，并實時了解學生提交情況和成績情況。圖5為實驗總體完成情況。教師可進行代碼抄襲自動檢測，把教師從繁重的評判工作中解脫出來；在線討論功能可使教師隨時與學生在線討論教學內容，為學生答疑解惑；利用考試模塊和ACM競賽模塊，教師可網上發布考試題目、競賽題目，便于學有余力的學生進一步提高編程能力；成績自動管理功能能夠對學生的作業、實驗和考試成績進行自動匯總、導出和分析，便于教師掌握教學情況并進行及時總結和分析。

圖4 教師端界面

圖5 學生實驗完成情況反饋

3.2 實驗教學模塊

教師通過該模塊上傳實驗題目和實驗要求，并設置好提交代碼截止時間，學生可使用該模塊利用課上或課下時間，在規定的時間內完成教師布置的這些題目。學生完成提交后，系統會根據學生完成情況進行自動評分，教師可隨時進入系統查看情況，期末可在截止時間后，查看并下載學生成績表，做好計入學生總成績的準備。學生通過實驗教學模塊完成實驗任務，其實驗過程、學習行為和學習結果均呈現于平臺以供查看，既有助于教師分析學生的個體情況，對進度較慢或質量較差的學生進行及時提醒，也有助于學生的自我了解，以便對學習時間和進度作出調整。

實踐教學平臺建立后，學生可以不限時間、地點地使用，可以通過系統的編譯環境完成編譯、運行和測試等代碼調試過程，當遇到困難時，還可以通過問題發布，隨時得到教師或其他學生的幫助，緩解師資力量不足問題[10]。

3.3 考試模塊

數據結構課程是理論和實踐并重的課程，因此既設計了理論考核環節，也設計了實驗考核環節。理論考核主要為期末卷面考試，卷面分數占總成績的40%~ 60%，實驗考核主要包括實驗作業、期中上機考核和期末上機考核，其中實驗作業主要圍繞課程知識點展開，例如設計了線性表、棧、隊列、二叉樹、圖、查找、排序等相關實驗。期中和期末上機考核利用平臺集中進行，考核成績匯入總成績。

3.4 平臺使用效果

平臺的使用顯著提升了學生的編程實踐能力。目前平臺注冊人數為2712人，代碼提交量達到44萬次，每年近百名學生依托平臺參加程序設計競賽。近3年來，學生在ACM大學生程序設計競賽、仿真機器人大賽等學科競賽中獲得國家級獎勵26項、省級獎勵33項；獲得軟件著作權8項；獲批3項國家級和2項省級大學生創新創業訓練計劃項目。學生通過該平臺，既提高了計算思維能力和編程能力，也提高了創新能力，為成為復合型人才打下了基礎。

4 結語

數據結構課程實踐教學平臺10多年的使用經驗表明，該平臺培養和提高了學生的實踐能力，達到了預期目標，實現了以教師為主導、學生為主體、教學平臺和資源為保障的多角度教學改革和實踐。今后還將進一步完善平臺功能，改善學生學習體驗，例如結合雨課堂、微課等，不斷拓展學生獲取學習資源的渠道，提升學生的學習興趣和學習效果。

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Design and application of practical teaching platform for Data Structure course

MENG Jiana, LI Xizuo, LI Wei, WANG Lingfen, LIU Yongkui

(College of Computer Science and Engineering, Dalian Nationalities University, Dalian 116600, China)

The significance of the Data Structure course in the Computer Science and Technology specialty curriculum system is discussed, and the methods of the practical teaching reform of the Data Structure course are introduced. Through the construction of the practical teaching platform of the Data Structure course, an integrated training mode has been formed, which includes normal experiment, mid-term and final examination, course design and ACM contest programming training. Based on this teaching platform and resources, the reform and practice of the teacher-led and student-centered teaching from multiple perspectives are realized.

data structure; teaching reform; practical teaching; training objective

G642.0

A

1002-4956(2019)07-0182-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.044

2018-11-20

2017年遼寧省大學生實踐教育基地建設項目和大連民族大學校級教改項目（20176004）

孟佳娜（1972—），女，吉林四平，博士，教授，系主任，主要研究方向為數據挖掘、大數據應用.E-mail: mengjn@dlnu.edu.cn