基于新工科教育理念《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析》課程教學(xué)改革與實(shí)踐

顏慧

摘要：在大數(shù)據(jù)背景下，基于新工科教育理念對應(yīng)用型本科計算機(jī)專業(yè)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析》課程教學(xué)改革進(jìn)行了探索與實(shí)踐，分析了課程定位、教學(xué)現(xiàn)狀、對改革的內(nèi)容和目標(biāo)、具體措施進(jìn)行了研究、探討和實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);新工科;應(yīng)用型本科;數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析

中圖分類號：G434? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）04-0152-02

Abstract： Under the background of big data， based on the concept of new engineering education， this paper explores and practices the teaching reform of data structure and algorithm analysis course for application-oriented undergraduate computer specialty， analyzes the course orientation， teaching status， contents and objectives of reform， and specific measures.

Key words： Big data; New engineering; applied undergraduate; data structure and algorithm analysis

隨著社會的高速發(fā)展，在社會的生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)和生活等各領(lǐng)域都產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)，對大數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、存儲、管理和分析的技術(shù)也在快速發(fā)展。國家大力地推行和實(shí)施大數(shù)據(jù)的發(fā)展戰(zhàn)略，推動和促進(jìn)大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為了應(yīng)對大數(shù)據(jù)時代的到來，教育部也積極推行新工科建設(shè)，為新興產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力的復(fù)合型人才。其中，新工科專業(yè)就包括了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)等計算機(jī)相關(guān)的專業(yè)。

根據(jù)應(yīng)用型本科院校的定位，需要培養(yǎng)量高素質(zhì)應(yīng)用型技術(shù)技能人才和應(yīng)用型技術(shù)開發(fā)與研究人才，在大數(shù)據(jù)時代的背景下，適應(yīng)時代變化，進(jìn)行計算機(jī)專業(yè)課程教學(xué)的改革，特別是新工科專業(yè)的課程改革的研究，對于培養(yǎng)滿足新興產(chǎn)業(yè)需求的高素質(zhì)人才有重要的意義。

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析》作為計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，需要進(jìn)行一定的變革，以適應(yīng)時代的發(fā)展、滿足應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)的要求。本文從課程定位、教學(xué)現(xiàn)狀分析、改革的目標(biāo)和內(nèi)容、具體改進(jìn)措施等方面進(jìn)行具體闡述。

1 課程定位

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析是計算機(jī)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是所有計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生都要學(xué)習(xí)的一門課程。《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析》在教學(xué)中處于承上啟下的地位，課程中的理論知識與算法是計算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)，很多前沿領(lǐng)域用到的技術(shù)都是在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行的進(jìn)一步研究和發(fā)展，像大數(shù)據(jù)存儲、大數(shù)據(jù)分析等都會涉及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)理論知識與算法。例如，大數(shù)據(jù)技術(shù)中的Hbase數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)中就用到樹形結(jié)構(gòu)與擴(kuò)展線性表;利用大數(shù)據(jù)預(yù)測趨勢與決策用到樹形結(jié)構(gòu)及算法;利用大數(shù)據(jù)對社交網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析就涉及圖形結(jié)構(gòu)及相關(guān)算法;對大數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和分析用到哈希表及相關(guān)算法。因此，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與大數(shù)據(jù)相關(guān)的技術(shù)是密切相關(guān)的，在大數(shù)據(jù)背景下進(jìn)行《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析》這門課程的改革與創(chuàng)新，以學(xué)生為中心進(jìn)行教學(xué)，讓學(xué)生積極主動參與教學(xué)過程，培養(yǎng)學(xué)生的抽象能力和邏輯思維能力，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力，為后續(xù)的課程學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

綜上所述，在大數(shù)據(jù)時代的背景下，根據(jù)國家發(fā)展大數(shù)據(jù)的戰(zhàn)略目標(biāo)、教育部推進(jìn)新工科建設(shè)的政策、建設(shè)應(yīng)用型本科、以市場為導(dǎo)向、培養(yǎng)應(yīng)用型人才的定位，來進(jìn)行《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析》課程的改革，與前沿領(lǐng)域相結(jié)合，將大數(shù)據(jù)的相關(guān)內(nèi)容融入該門課程，提高學(xué)生的綜合能力，更好地為新興行業(yè)輸送高素質(zhì)的應(yīng)用型人才。

2 教學(xué)現(xiàn)狀分析

2.1 教學(xué)內(nèi)容

從教材上看，《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析》常見教材的主要內(nèi)容基本上都是介紹線性表、字符串、棧和隊(duì)列、數(shù)組、特殊矩陣、樹、二叉樹、圖等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)和基本操作的實(shí)現(xiàn)，還有一些常用的技術(shù)如遞歸、查找、排序等。教材內(nèi)容基本上都是介紹基礎(chǔ)理論、算法及實(shí)現(xiàn)，基本上沒有結(jié)合具體的案例進(jìn)行講解，也少有涉及一些新技術(shù)、前沿領(lǐng)域相關(guān)知識的介紹。

從課堂教學(xué)上看，教學(xué)內(nèi)容基本上也是根據(jù)教材來進(jìn)行講解，以基礎(chǔ)理論的講解為主，講解算法是如何實(shí)現(xiàn)的，而不注重應(yīng)用，較少結(jié)合實(shí)例來講解相應(yīng)的知識。

從實(shí)踐教學(xué)上看，在實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的安排上，也主要以實(shí)現(xiàn)基本算法的練習(xí)為主，基本上沒有應(yīng)用型的練習(xí)可供學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、獨(dú)立自主地去分析問題和解決問題。因此，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容基本上是一些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，設(shè)計性的實(shí)驗(yàn)和綜合性的實(shí)驗(yàn)較少。

這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)時就會覺得比較枯燥，而且學(xué)完之后不知道這些理論知識能用來做什么，從而學(xué)生上課的積極性和主動性不高，也不利于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力。

2.2 教學(xué)方式

這門課程的傳統(tǒng)教學(xué)方式在形式上比較單一，基本上以教師在課堂上播放PPT講授理論為主，學(xué)生被動接受，學(xué)生較少參與到教學(xué)中來。這種傳統(tǒng)的教學(xué)方式很難調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。而且這門課程的理論課時較多，實(shí)驗(yàn)課時較少，這樣就導(dǎo)致學(xué)生缺乏分析問題解決問題的能力，上機(jī)動手能力也不強(qiáng)。

2.3 考核形式

這門課程的考核形式主要以筆試為主，注重考核學(xué)生對知識點(diǎn)的記憶和理解能力。這樣的考核形式就比較單一，不能完全體現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。比如學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性、自學(xué)能力、抽象能力、邏輯思維能力、動手能力等，這些在卷面上是不能完全體現(xiàn)出來的。因此，考核形式需要進(jìn)行一定的改革。

2.4 學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析》這門課程的理論知識比較抽象，學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)時普遍感覺枯燥、難理解，如果不結(jié)合實(shí)際應(yīng)用來學(xué)習(xí)，學(xué)生學(xué)完之后根本不知道學(xué)這些知識有什么用，在遇到實(shí)際問題時也不知道如何利用所學(xué)知識來解決問題。因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，缺乏學(xué)習(xí)的積極性和主動性，基本很難做到主動課前預(yù)習(xí)、收集資料，課后主動復(fù)習(xí)、上機(jī)練習(xí)，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果較差，從而也很難提高學(xué)生的抽象能力和邏輯思維能力。

3 課程改革的目標(biāo)和內(nèi)容

針對該課程的現(xiàn)狀進(jìn)行改革，目標(biāo)是建立在大數(shù)據(jù)背景下《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析》課程教學(xué)新模式，提高學(xué)生的邏輯思維能力、實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力，更好地培養(yǎng)出適應(yīng)新時代要求的應(yīng)用型人才。課程改革的內(nèi)容包括：教材、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式等方面的改革。

首先要根據(jù)教學(xué)改革的目標(biāo)進(jìn)行教材建設(shè)，組織相關(guān)的教學(xué)團(tuán)隊(duì)編寫教材。在教材中除了介紹傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念、算法及實(shí)現(xiàn)之外，還需要增加相應(yīng)的應(yīng)用案例，結(jié)合案例來闡述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。通過教材建設(shè)，結(jié)合時代特點(diǎn)和應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的要求，對傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充和更新，并可加入大數(shù)據(jù)相關(guān)的一些前沿知識的介紹，使得教材實(shí)用性和適用性更強(qiáng)。

其次教學(xué)內(nèi)容上，改變只講授基礎(chǔ)理論、注重講解基本算法的現(xiàn)狀。教學(xué)內(nèi)容要結(jié)合新技術(shù)，而且以應(yīng)用為主。教學(xué)內(nèi)容不但要包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)理論，還要結(jié)合前沿領(lǐng)域的知識和案例。例如將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論與大數(shù)據(jù)等前沿領(lǐng)域的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行相結(jié)合，把大數(shù)據(jù)的存儲、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)中與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)容作為案例或者思考題添加到課程里來。而且教學(xué)內(nèi)容不能只單純講授基礎(chǔ)理論和算法，而是要以項(xiàng)目的形式來組織教學(xué)內(nèi)容，注重知識的應(yīng)用，以問題為主線引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，以提高學(xué)生的分析問題、解決問題的應(yīng)用能力。

在教學(xué)模式上，改變傳統(tǒng)的以教師講授為主的課堂教學(xué)方式，采用線上線下混合多元化的教學(xué)模式。組織教師團(tuán)隊(duì)積極建設(shè)線上教學(xué)資源，包括課件、視頻、題庫、資料庫等。課堂外，學(xué)生在線上使用教學(xué)資源實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)，初步掌握基礎(chǔ)知識;課堂上則實(shí)施以學(xué)生為中心的教學(xué)模式，教師對本堂課的重難點(diǎn)進(jìn)行分析和講解，積極引導(dǎo)學(xué)生思考，以分析問題、討論問題為主，以小組的形式展開討論，讓學(xué)生主動參與到教學(xué)中來。

在考核方式上實(shí)現(xiàn)多元化的考核方式。考核不以卷面成績?yōu)橹鳎蔷C合考察學(xué)生的線上學(xué)習(xí)情況、課堂上的學(xué)習(xí)情況、小組項(xiàng)目的參與情況、上機(jī)動手能力等，推行多元化的考核方式，從而體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的總體情況。

在教學(xué)改革的過程中，要解決的關(guān)鍵問題是首先如何將大數(shù)據(jù)等前沿領(lǐng)域的知識更好地融入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)中，需要深入地研究和探討;其次要建立相應(yīng)的線上資源，可供學(xué)生在課堂外的時間來自學(xué);最后線上線下混合多元化的教學(xué)模式的開展是個新事物，教師和學(xué)生都需要有一個摸索和適應(yīng)的過程。

4 課程改革的具體措施

4.1 構(gòu)建在線教學(xué)資源庫

建立完整的線上教學(xué)資源，包括教學(xué)大綱、教學(xué)計劃、課件、教學(xué)視頻、題庫等資源的建設(shè)，教學(xué)資源庫的建設(shè)可部署在超星等教學(xué)平臺上。在線教學(xué)資源庫的建設(shè)是教學(xué)改革的基礎(chǔ)，以在線教學(xué)資源庫為依托，進(jìn)行教學(xué)模式、課程評價體系的變革。

4.2 實(shí)施線上線下混合的多元化教學(xué)模式

以建設(shè)好的在線教學(xué)資源庫作為平臺，進(jìn)行教學(xué)改革，改變以教師為中心的教學(xué)模式，轉(zhuǎn)向以學(xué)生為中心的教學(xué)模式。

在課堂外，學(xué)生使用線上教學(xué)資源庫進(jìn)行在線自主學(xué)習(xí)。課前先行預(yù)習(xí)下次課的內(nèi)容，對要學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)有一定的掌握;在課中，可結(jié)合本次課的重點(diǎn)和難點(diǎn)，對相關(guān)知識點(diǎn)加深理解;在課后，可復(fù)習(xí)該次課的知識點(diǎn)，并通過作業(yè)、測試等練習(xí)加深鞏固知識點(diǎn)。通過線上教學(xué)資源的建設(shè)，學(xué)生可在課堂外自主學(xué)習(xí)，提高了課堂的學(xué)習(xí)效率，使得課堂從以教師為中心向以學(xué)生為中心進(jìn)行轉(zhuǎn)變，而且也提高了學(xué)生的自學(xué)能力和學(xué)習(xí)的主動性。

在課堂上，以學(xué)生為中心進(jìn)行教學(xué)，以教師引導(dǎo)為主，不再主要講解基本知識點(diǎn)，而是講解重點(diǎn)、難點(diǎn)，進(jìn)行知識點(diǎn)和問題的歸納總結(jié)。而且課堂上以案例為主線進(jìn)行教學(xué)，教師引導(dǎo)學(xué)生分組討論案例的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，通過討論將知識點(diǎn)融會貫通，并使得學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)習(xí)的理論知識用于指導(dǎo)實(shí)踐應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用的目標(biāo)。在教學(xué)開展過程中，采用多種教學(xué)手段進(jìn)行輔助，如選人、搶答、小組評分等，并積極收集教師及學(xué)生的反饋意見，不斷改進(jìn)和完善教學(xué)模式。

4.3 采用項(xiàng)目化教學(xué)

針對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論性較強(qiáng)、學(xué)生較難理解的現(xiàn)狀，在教學(xué)中，采用項(xiàng)目化教學(xué)的方式。項(xiàng)目經(jīng)過精心設(shè)計，將多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用串聯(lián)在一起，每學(xué)習(xí)一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就完成項(xiàng)目的一個部分，按照教學(xué)進(jìn)程分階段來完成項(xiàng)目的制作，最終完成一個完整的項(xiàng)目。通過項(xiàng)目化教學(xué)，學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)的理論知識應(yīng)用到實(shí)踐中，不但掌握了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識，理解了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用場景，并且能夠?qū)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于實(shí)際問題的求解，提高了學(xué)生的思維能力、創(chuàng)新能力和動手能力。

4.4 建立多元化的課程考核評價體系

改變傳統(tǒng)的課程考核模式，建立多元化的課程考核評價體系。課程考核內(nèi)容包括考察學(xué)生的線上學(xué)習(xí)情況、課堂上的學(xué)習(xí)情況、小組項(xiàng)目的參與情況、上機(jī)動手能力等，從而建立并完善科學(xué)的、多元化的課程考核評價體系。應(yīng)用型本科的學(xué)生注重動手能力，因此，在建立課程考核評價體系時，學(xué)生參與項(xiàng)目的程度、項(xiàng)目的完成情況等應(yīng)該占較大比重。

5 結(jié)束語

隨著時代的發(fā)展，在線教學(xué)逐漸成為一種新興的教學(xué)方式。而大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展又給新工科建設(shè)提出了新的要求。本文結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析課程的特點(diǎn)，對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析課程進(jìn)行了教學(xué)改革的探討和實(shí)踐，提出了線上線下混合多元化教學(xué)、項(xiàng)目化教學(xué)的模式，提高學(xué)生的思維能力和應(yīng)用能力，并提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

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【通聯(lián)編輯：王力】