基于《數據結構》實驗的翻轉課堂教學研究

熊 瑩 毛雪松

（[1]武漢科技大學計算機科學與技術學院 湖北·武漢 430065；[2]湖北省智能信息處理與實時工業系統湖北省重點實驗室 湖北·武漢 430065；[3]武漢科技大學信息科學與工程學院 湖北·武漢 430081）

0 引言

新興技術給教育工作者帶來了許多便利的教學新工具，如何利用這些教學工具來改進學生的學習過程、提高教學效率已成為重要的研究課題。

教育工作者利用技術進步創建新的教學模式，其中的翻轉課堂是近年來非常流行的模式之一。根據這一模型，學生課后預先學習教師布置的學習資料，而在課堂上通過針對學習資料提問、解答問題以及參與討論的方式學習。圍繞這一教學方法的很多研究與實踐表明，該方法能夠有效增強學生的學習主動性、改善教學效果，然而大部分文獻討論理論課堂的翻轉教學，針對工科學生實驗教學的翻轉課堂設計以及評價方面的研究偏少。

《數據結構》是計算機科學與技術學院大學本科學生的重要基礎課程，按照傳統教學方式，學生在課堂上學習完理論知識后，參加實驗老師指導的編程實驗課。學生將課堂的主要時間用于完成教師布置的實習課題，教師在課后閱讀大量的學生實驗報告，卻很少有時間與學生互動完成實驗教學。由于學生存在對知識掌握程度的差異，這種教學方式僅對個別優秀學生有效，大部分學生在課堂上難以完成編程任務，很多學生為了應付完成作業，被迫相互抄襲。

隨著社會的發展，大部分學生購買了個人筆記本電腦，這一現實情況為《數據結構》的實驗教學采用翻轉課堂教學方式提供了可行的基礎條件。因此，在實驗教學中，我們采取將編程任務預先布置給學生，將課堂時間主要用于討論編程中遇到的問題。通過這種方式，學生有足夠的時間思考問題，提高編程中的邏輯能力，教師也有足夠的時間與學生互動，幫助學生解決學習中遇到的問題，提高自身的教學能力。

1 《數據結構》課程的翻轉課堂設計

《數據結構》課程的理論性很強，如何將理論課堂學習到的知識以代碼的形式在計算機上運行通過，是檢驗學生理論知識的掌握程度和將理論知識轉化為實際能力的重要指標。實驗題目邏輯性強、編寫代碼枯燥，按照傳統教學方式、學生完成理論課堂學習后，在實驗課堂上完成編碼實踐。由于很難在指定的時間內完成學習計劃，部分學生敷衍了事。為提高學生學習興趣，教師組將《數據結構》的實驗教學選定為翻轉課堂教學改革的先導課程，針對不同章節設計了完整的翻轉課堂教學方案。充分利用大學生的個人筆記本電腦，將實踐課題與要求按教學計劃預先分發給學生。例如，在“結合二叉樹的二叉排序樹設計”的實驗教學中，設計的課題為：用C語言創建一棵采用鏈式存儲結構的二叉排序樹，寫一個算法，刪除某一個結點，要求刪除該結點后，此樹仍是一棵二叉排序樹，并且高度不增長。要求學生復習二叉排序樹的相關理論課程知識，在一周內完成代碼的編寫。

代碼編寫完成后，要求在指定時間內將代碼交給教師審閱。課堂上教師根據學生的完成情況，采取靈活的翻轉課堂方式。翻轉課堂有多種形式，具體可包括標準翻轉課堂、部分翻轉課堂、討論式翻轉課堂、基于演示的翻轉課堂、基于分組的翻轉課堂、角色翻轉課堂等。在課程設計方面，主要采取標準翻轉課堂與分組翻轉課堂兩種形式，即采取學生課后完成作業，對部分內容教師課堂上分析總結學生作業完成中存在問題的方式，對其它內容在課堂上實行分組討論、小組總結的方式。

2 翻轉課堂在學生技能培養中的效果

標準翻轉主要針對課程前期相對簡單的內容，大部分學生完成情況較好的情況下，由教師在課堂上針對學生課后編程中的優秀代碼抽取出來分享，對部分學生在編碼中出現的問題進行分析總結，另外還會針對完成的實踐課題做適當變形引導學生對問題做深入的思考。

在課程后期，進入樹的理論學習后，理論知識抽象，學生學習難度較大，實驗教學上開始實施分組教學。實施分組翻轉課堂教學一周前，教師根據實驗室電腦位置將學生按每組6~8人分組，確定每一小組的任務，然后向學生講解實驗過程中需要注意的重點和難點。每一小組通過內部選舉確定本小組的組長，由組長在民主討論的基礎上確定每一成員在課題中須完成的任務。各小組須在課后學習預先分發的實驗程序設計手冊，可自行編寫調試相應代碼。在實驗課堂教學中，小組成員一起完成代碼調制，調試程序的時間確定為1學時。程序調試完成后，再分配1學時用于成果展示、發表報告和教師對學生工作總結。對于未能按任務要求完成程序調試的小組，教師幫助學生一起尋找問題、解決問題，督促學生堅持完成任務，不能中途而廢。

積極推行翻轉課堂實驗教學后，教師根據學生編程代碼驗收通過率總結翻轉課堂的教學效果，結果表明，學生編寫程序代碼的可讀性、執行效率、正確性等方面均明顯優于過去接受傳統實驗教學方式。前一學年在同一年級不同班級之間的實驗結果表明，對于實驗“一元多項式相加”，參加翻轉課堂學生的程序代碼驗收一次通過率平均達到88%，按傳統教學方式編寫程序代碼的學生代碼驗收一次通過率平均僅為25%。對于實驗“結合二叉樹的二叉排序樹設計”，參加翻轉課堂學生的程序代碼驗收一次通過率平均達到78.3%，按傳統教學方式編寫程序代碼的學生代碼驗收一次通過率平均僅為6.6%。總結翻轉教學實驗教學效果，實際代碼一次驗收通過率前一年大為83.3%，次年加大難點講解和引入組內評分機制后達到了94.5%。對比傳統教學方式，可以看出翻轉課堂由于能夠更加激發學生的學習主動性，其教學效果明顯優于傳統的教學方式。在今后的教學活動中，教師還將積極改革教學方法，增加學習的趣味性、挑戰性，調動學生的學習主觀能動性。

3 翻轉課堂在學生創新能力培養中的作用

對學生創新性能力的訓練是21世紀教育的最基本要求，在知識經濟和全球化的浪潮中，創新型人才的培養已成為各級教育的重點目標。從教育者方面看，在教師評價、聘任、評分等指標中都包含有對學生創造力培養的指標。從被教育者方面看，各級學校的入學考試以及大學生畢業后的就業活動中，創造性被作為一種選拔標準。顯然，創造性已成為未來教育發展的趨勢。

《數據結構》實驗課程具有三個顯著特征：首先，它具有很強的專業性；其次，它具有很強的實踐性；第三，就是學科要求具有很強的創新性。傳統教學中，一些常見問題無法激發學生的學習欲求，例如教學材料與實際需求的脫節、教學模式和理念陳舊、過重強調理論和細節等。

翻轉課堂是改革傳統教學方式，訓練學生創新性思維的一種嘗試。教師是翻轉課堂的設計者與主導者，但不是課堂活動的中心。教學活動將學生作為中心，以學生自主學習達到訓練獨立分析、探索、實踐、提問和創新的目的。教師在設計課堂活動任務時，更多考慮學生通過完成群體任務實現合作學習與批判思維訓練的內容。

為在教學活動中訓練學生的創新能力，在給學生分發的課前學習資料內，設置問題并啟發式引導；在成果展示、發表報告階段，各小組共同參與、共同思考成果展示小組的程序編寫解決方法以及存在的問題、改進方案。從課堂教學氛圍觀察，大部分學生都能集中到課堂教學活動中，且對教學問題表現出興趣。根據驗收閱讀各小組編寫的程序，程序編寫格式明顯帶有思考的內容，例如數組下標的范圍、二叉樹中指針的運用，不同于傳統教學模式下學生所交程序千篇一律、相互抄襲。

4 積極改進翻轉課堂的實踐途徑

相比于傳統的教學方式，翻轉教學雖然在數據結構的實驗教學中獲得成功，但翻轉教學方式不局限于當前的分組教學，形式可以靈活多樣，其圍繞的宗旨在于創建主動學習環境。分組教學存在的明顯缺陷在于對學習主動性差的學生不能起到很好的督促作用，存在部分小組成員在驗收中搭便車、濫竽充數的現象，這些狀況需要在今后的教學實踐中通過增加翻轉課堂的教學手段的方式得到改進。

除了分組的翻轉課堂方式以外，還存在很多形式，但每種形式在實踐中都會存在不足。第一個問題是分發給學生學習的資料質量問題。如果一次分發的資料過長，或者一份資料中包含多個目標，學生在自主學習過程中就會失去學習興趣。另外，如果有學生課前并沒有認真學習教師分配的學習資料，那么教師將很難按照制定的課程計劃完成教學。最后，每周準備教學資料，特別是視頻資料，對教師的工作提出非常高的要求，教師所分發的學習資料可能對學生沒有吸引力。雖然翻轉課堂是學生的一種有效學習方法，但老師不能確保每個學生在上課前都學習了所分發的資料、觀看了教學視頻。學生不主動學習，其中一個原因可能與分發的資料質量有關，任何學生不參加課程準備的傾向都可能對他們的學習成績產生負面影響。

很顯然，翻轉課堂教學是一種需要技術支撐的教學方式，在每一種翻轉學習方法中，都必須注入教與學的藝術。互聯網技術正在重塑教育，有大量在線開放平臺提供教學課程以及學習管理系統，需要教育工作者仔細甄別使用。目前，我們的翻轉學習還僅限于翻轉課堂，但隨著技術的發展，很多先進的手段可以集成到教育中，這些技術正在逐漸成為現代教育的一種社會環境，教育工作者應主動運用先進技術改革教學方法。綜上所述，翻轉教學是一種不同程度集成了現代技術的教育手段，在教育實踐中，需要教育工作者以提高學生的學習體驗為目的，不斷推陳出新，達到提高學生學習能力和提升自身教學能力的雙贏結果。