新工科背景下基于混合式教學(xué)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程改革研究

牛秋月 王忠義

(1.河南中醫(yī)藥大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院;2.河南中醫(yī)藥大學(xué)信息化辦公室 河南鄭州 450046)

1 研究背景

新工科是在我國戰(zhàn)略發(fā)展高需求，國際競爭形勢日趨激烈的背景下，提出的未來工程教育發(fā)展的新思維、新方法。新工科堅(jiān)持以立德樹人作為引領(lǐng)方向，其建設(shè)理念為：應(yīng)對變化、塑造未來，并以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享等方法作為主要實(shí)現(xiàn)路徑，來培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型人才[1]。

在新工科背景下，計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)作為工程教育的一大分支備受社會和教育屆人士的矚目，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為計(jì)算機(jī)類專業(yè)的一門主干課程，也是學(xué)生日后考研考博必考的一門專業(yè)課，該課程在計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)方案中占有重要地位。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程主要講授日常生活中非數(shù)值計(jì)算問題中數(shù)據(jù)元素該如何組織、如何存儲、如何書寫算法實(shí)現(xiàn)，該課程是銜接數(shù)學(xué)類課程、計(jì)算機(jī)硬件類課程、計(jì)算機(jī)軟件類課程這三者之間的一門核心課程[2]。但由于該課程知識體系龐大，抽象算法較多，而該門課程開設(shè)時間為大二上學(xué)期，大部分同學(xué)由于之前并沒有工程實(shí)踐背景，在抽象的課程內(nèi)容和工程時間應(yīng)用中很難建立聯(lián)系。因此如何在新工科背景下，更加突出創(chuàng)新型、多元化、交叉融合等特點(diǎn)，還需在原有教學(xué)中不斷探索新的教學(xué)理念和方法，提高教學(xué)效果[3]。

當(dāng)下，問題驅(qū)動法[4]（簡稱“PBL”）與成果導(dǎo)向教育[5]（簡稱“OBE”）這兩種教學(xué)理念，成為了新工科教育改革的方向。近幾年，筆者在教授數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程時，在教學(xué)方法上進(jìn)行了一系列的嘗試和創(chuàng)新，教學(xué)效果較佳。此次改革主要是在原有基礎(chǔ)上引入PBL和OBE教學(xué)理念，整合線上線下資源，開展混合式教學(xué)[6]，重在培養(yǎng)學(xué)生解決生活中非數(shù)值計(jì)算問題的能力，突出新工科背景下多元化、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。

2 PBL案例教學(xué)

PBL案例教學(xué)法[7]本著以學(xué)生為中心，以問題問導(dǎo)向的原則，在教學(xué)過程中先以問題為核心學(xué)習(xí)課程相關(guān)知識點(diǎn)，然后再圍繞問題設(shè)計(jì)解決方案。PBL 教學(xué)法主要按照“教師設(shè)計(jì)問題→學(xué)生自主學(xué)習(xí)相關(guān)知識點(diǎn)→以小組為單位展開討論→教師總結(jié)發(fā)言”的流程來開展教學(xué)。與傳統(tǒng)填鴨式教學(xué)不同，PBL 教學(xué)法轉(zhuǎn)換了傳統(tǒng)教學(xué)的角色，學(xué)生在自主學(xué)習(xí)及討論過程中，能夠在做中學(xué)來獲取更多的知識，能最大限度地提高學(xué)生學(xué)習(xí)算法的興趣，還可培養(yǎng)學(xué)生的溝通協(xié)作、創(chuàng)新實(shí)踐等綜合能力。

針對該課程中一些抽象性強(qiáng)，且學(xué)生不易掌握的知識點(diǎn)，根據(jù)PBL 教學(xué)模式特點(diǎn)設(shè)計(jì)問題驅(qū)動課程教學(xué)。因此，問題設(shè)計(jì)是PBL教學(xué)法的重中之重，設(shè)計(jì)問題是不僅要考慮問題是否符合課程的教學(xué)目標(biāo)和要求，還有顧及問題的情境學(xué)生是否易于理解。

比如：在學(xué)習(xí)第二章節(jié)線性表時，可讓學(xué)生設(shè)計(jì)一個圖書信息管理系統(tǒng)，完成書目的增刪改查等操作；再如：在學(xué)習(xí)第三章棧和隊(duì)列時，可引入生活中常見的排隊(duì)現(xiàn)象，比如停車場的管理、醫(yī)院門診的就醫(yī)叫號系統(tǒng)等，通過這些案例的分析，可引導(dǎo)學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際生活中的問題。

3 基于OBE理念重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容

為培養(yǎng)符合新工科要求的人才，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)應(yīng)該更加突出對學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，在教學(xué)內(nèi)容上需根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)做出相應(yīng)改變，在原有理論性較強(qiáng)的內(nèi)容基礎(chǔ)上，結(jié)合算法特點(diǎn)，設(shè)計(jì)生活中應(yīng)用較多的實(shí)際案例，達(dá)到學(xué)以致用的目的。

比如：在學(xué)習(xí)第四章串時，該章節(jié)的知識目標(biāo)是讓學(xué)生了解串的順序和堆兩種存儲方法，掌握串的模式匹配算法。常見的模式匹配算法主要有BF 算法和KMP算法兩種，如果在學(xué)習(xí)時僅給學(xué)生介紹這兩種匹配算法的實(shí)現(xiàn)過程，學(xué)生很難理解。此時可結(jié)合這兩種算法的特點(diǎn)和常見的應(yīng)用場景，引入新冠肺炎病毒感染監(jiān)測的案例，新冠肺炎病毒的監(jiān)測和其他病毒監(jiān)測過程相似，研究人員將人的DNA和新冠病毒的DNA都用字母表示成一個字符串序列，然后檢查新冠肺炎病毒的DNA 有沒有在被檢測人員的DNA 序列中出現(xiàn)過，若出現(xiàn)則斷定為感染新冠肺炎病毒。該案例就是使用串的模式匹配算法解決，教師在授課過程中，可先通過案例引入串這一章節(jié)的重點(diǎn)——串的模式匹配，然后通過案例的分析求解，介紹BF 和KMP 兩種算法的特點(diǎn)，最后可讓學(xué)生根據(jù)所學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)一個新冠肺炎病毒監(jiān)測系統(tǒng)。整個教學(xué)過程下來，既讓學(xué)生掌握了串的模式匹配算法，又培養(yǎng)了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

4 混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)混合式教學(xué)摒棄了傳統(tǒng)課堂填鴨式教學(xué)的弊端，充分利用線上學(xué)習(xí)平臺和教學(xué)資源開展混合式教學(xué)。根據(jù)前兩個學(xué)年針對不同教學(xué)平臺的試行情況，結(jié)合自己學(xué)習(xí)實(shí)際，擬采用課堂派作為主要教學(xué)平臺，混合式教學(xué)實(shí)施過程主要分為課前預(yù)習(xí)、課堂講授、課后評價(jià)這3個階段，具體見圖1。

圖1 混合式教學(xué)實(shí)施過程

4.1 課前預(yù)習(xí)

根據(jù)此次教改的思路，課前教師會提前在課堂派發(fā)布每章節(jié)知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)資料、問題案例等教學(xué)資源，學(xué)生可在課前完成課前預(yù)習(xí)任務(wù)，并對老師發(fā)布的話題給予互動，提前做好課前各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。

4.2 課堂講授

在課堂講授環(huán)節(jié)，教師首先針對課前在教學(xué)平臺提供的案例組織學(xué)生討論，并尋求問題的解決思路，接著引入該節(jié)課要學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)。教師通過案例的分析過程講解章節(jié)知識點(diǎn)，這種案例驅(qū)動教學(xué)過程能更一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課堂講授結(jié)束后，教師可布置設(shè)計(jì)任務(wù)，組織學(xué)生利用所學(xué)知識，設(shè)計(jì)算法實(shí)現(xiàn)問題案例。

4.3 課后評價(jià)

傳統(tǒng)課堂的考核方式為：實(shí)驗(yàn)+作業(yè)+期末考試，這種考核方式只能靜態(tài)體現(xiàn)出學(xué)生的成績，達(dá)不到創(chuàng)新性、應(yīng)用性評價(jià)的目的。引入PBL 和OBE 混合式教學(xué)之后，考核方式主要由設(shè)計(jì)任務(wù)+隨堂測試+小組討論+期末考試這4個部分組成。其中：設(shè)計(jì)任務(wù)部分主要是針對每章節(jié)的實(shí)際問題案例設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)算法，針對完成質(zhì)量和創(chuàng)新性評分；隨堂測試主要是測驗(yàn)學(xué)生對教師課堂講授的知識點(diǎn)的掌握程度；小組討論則是針對課前教師提供的問題案例進(jìn)行討論，組內(nèi)每個學(xué)生都要發(fā)表自己的觀點(diǎn)，最后每組選派1～2 名代表陳述本組最后結(jié)論。

5 混合式教學(xué)特點(diǎn)

5.1 創(chuàng)設(shè)問題情境，充分體現(xiàn)以學(xué)生為主體

新工科強(qiáng)調(diào)新思維、新方式，新的教學(xué)理念應(yīng)打破傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容抽象、知識點(diǎn)繁雜，如果在課堂講授時教師還是僅突出知識點(diǎn)的講解，學(xué)生聽不懂，容易產(chǎn)生厭學(xué)心理。引入PBL 和OBE 之后的混合式教學(xué)，主要通過實(shí)際案例的分析引入知識點(diǎn)的講解，能充分調(diào)用學(xué)生的積極性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

比如：在學(xué)習(xí)該課程圖相關(guān)操作時，由于圖是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中最復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型，圖相關(guān)的操作多且實(shí)現(xiàn)起來復(fù)雜，因此在講解該章節(jié)算法時都會以一些經(jīng)典的問題作為背景，活躍課堂氛圍，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如：在學(xué)習(xí)圖的最小生成樹算法時，可以用接近生活的修路問題引入，把所要聯(lián)通的地區(qū)看成是圖中的頂點(diǎn)，地區(qū)之間的連線及距離看成是圖中的邊，如何選擇最經(jīng)濟(jì)的修建路線就是求圖的最小生成樹問題。

5.2 多措并舉，提高學(xué)生參與度

課前教師通過課堂派發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，還可根據(jù)知識點(diǎn)設(shè)置習(xí)題和討論話題，學(xué)生在預(yù)習(xí)時可在平臺上完成習(xí)題的作答和話題的討論等活動，對有疑問的知識點(diǎn)可以在平臺留下疑問。課堂上教師能夠看到學(xué)生的疑問并進(jìn)行答疑，同時，教師可根據(jù)學(xué)生課前的習(xí)題作答情況分析學(xué)生對知識點(diǎn)的可接受程度。此外，在教學(xué)過程中還設(shè)置了自評、互評，自評能夠通過自我檢查、分析而查漏補(bǔ)缺，互評能夠促使學(xué)生互相監(jiān)督、學(xué)習(xí)。

5.3 多種教學(xué)方法并用，營造良好教學(xué)氛圍

鑒于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容抽象、不易理解，在教學(xué)過程中，教師可根據(jù)每章節(jié)內(nèi)容的特點(diǎn)，選取不同的教學(xué)方法，比如：前文中提到的PBL 教學(xué)法，主要是通過問題案例導(dǎo)入知識點(diǎn)的教學(xué)，易于學(xué)生接受；另外，對于課程中一些抽象的算法流程，教師還可提前設(shè)計(jì)動態(tài)的圖形和動畫來模擬算法的實(shí)現(xiàn)，能將抽象的、看不見的算法顯現(xiàn)到學(xué)生面前，加深學(xué)生理解。如圖2所示，在學(xué)習(xí)直接插入算法的偽代碼實(shí)現(xiàn)時，可通過圖形展示算法的實(shí)現(xiàn)過程。同時，在該課程的小組討論環(huán)節(jié)，還可使用翻轉(zhuǎn)教學(xué)法，課前教師已經(jīng)把學(xué)習(xí)資料等發(fā)布到在線教學(xué)平臺上，學(xué)生可將在課前自主學(xué)習(xí)過程中遇到的問題可在平臺上留下疑問。課堂講授時，教師可對學(xué)生疑問較多的知識點(diǎn)突出重點(diǎn)講解，知識講授結(jié)束后，教師還可組織學(xué)生以小組為單位針對課前設(shè)置的問題展開討論并設(shè)計(jì)解決方案。

圖2 結(jié)合圖形展示直接插入算法實(shí)現(xiàn)過程

5.4 建立多元化考核體系，突出形成性評價(jià)

傳統(tǒng)的課程考核以期末筆試為主，手寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告冊為輔，主要考核學(xué)生的應(yīng)試成績，達(dá)不到考核學(xué)生實(shí)踐能力的目的。新工科強(qiáng)調(diào)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，因此課程考核必須做出相應(yīng)調(diào)整。新的課程考核將采用多元化考核體系，突出形成性評價(jià)，采用階段測試、隨堂測驗(yàn)、小組討論、設(shè)計(jì)任務(wù)等多種評價(jià)方法，充分體現(xiàn)以學(xué)生為中心，提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。其中階段測試和隨堂測驗(yàn)主要考查學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對知識的掌握程度；小組討論則是教師結(jié)合知識點(diǎn)給出某個話題和案例，組織學(xué)生展開討論，能促使學(xué)生主動分析問題和利用計(jì)算思維解決問題；設(shè)計(jì)任務(wù)則是結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)和培養(yǎng)目標(biāo)去設(shè)計(jì)、完成一個與所學(xué)知識點(diǎn)相關(guān)的項(xiàng)目。

6 教學(xué)效果

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程在上述混合式教學(xué)改革之后，在2021—2022學(xué)年第二學(xué)期對學(xué)院軟件工程專業(yè)學(xué)生試行了一學(xué)期的混合模式教學(xué)，經(jīng)對比近三學(xué)年的成績發(fā)現(xiàn)，混合式教學(xué)改革之后，學(xué)生成績有了很大的提高。當(dāng)然，此次教學(xué)模式改革僅經(jīng)過一學(xué)期的試行，并且樣本學(xué)生較少，改革最終效果還需時間驗(yàn)證。近三學(xué)年數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程混合式改革試行專業(yè)學(xué)生成績分布如表1所示，成績分析直方圖對比如圖3所示。

表1 近三學(xué)年數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程混合式改革試行專業(yè)學(xué)生成績分布

圖3 試行改革專業(yè)學(xué)生近三年成績對比

7 結(jié)語

該文以新工科為契機(jī)，以培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才為導(dǎo)向，針對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程抽象難懂的特點(diǎn)，引入PBL、OBE 等混合式教學(xué)理念，摒棄了傳統(tǒng)教學(xué)的弊端，以實(shí)際案例的分析引入知識點(diǎn)的講解，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。另外，針對章節(jié)知識點(diǎn)的不同，合理選取教學(xué)方法，做到因內(nèi)容而施教。同時，新的教學(xué)模式還采用多元化考核體系，更加突出形成性教學(xué)評價(jià)，力爭為國家培養(yǎng)更多具有綜合能力和創(chuàng)新思維的卓越工程人才。