新工科背景下《數據結構》課程實驗教學改革探索

李鵬 閔慧 丁長松

摘要： 為了應對新工科環境下計算機專業人才培養的挑戰，文中以《數據結構》課程為例，探索了《數據結構》課程的實驗教學改革方案。在分析該課程現有實驗教學方案不足的基礎上，提出了“項目驅動、線上線下、過程互動、創新培養”四位一體的實驗教學新模式，將該模式運用到《數據結構》課程實驗教學的全過程，有效地解決了理論教學與實踐教學脫節的問題，提升了教學效果和學生解決實際工程問題的能力，可為其他專業課的實驗教學改革提供有價值的參考。

關鍵詞： 新工科;數據結構;實驗教學;改革

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）22-0132-02

在計算機發展的初期，使用計算機的主要目的是解決數值計算問題。隨著計算機軟、硬件的不斷發展，計算機的應用領域不斷地被拓展，非數值計算問題已經占到了計算機所要解決問題的90%以上。解決這類問題的關鍵是對問題中所涉及的數據以及數據之間的關系加以正確的表示和存儲，進而能設計出合適的算法以高效地解決問題。而《數據結構》正是研究非數值計算問題中所出現的計算機操作對象以及它們之間的關系和操作的學科，時至今日，《數據結構》已經成為全國所有高校計算機相關專業的一門核心專業課。數據結構的知識也是后續學習其他專業課程（例如，計算機網絡、數據庫原理和操作系統等） 的重要基礎。通過學習《數據結構》課程，可以使學生了解計算處理對象的特性，將實際問題所涉及的對象在計算機中表示出來并加以處理，同時通過算法訓練來提高學生的邏輯思維能力，促進學生綜合應用能力的提升。

新工科[1]是新時代工程教育改革的新方向。高等院校中的工程類教育作為培養新工科人才的關鍵環節，對于推動技術革新、引領科技發展具有重要的作用[2]。因此，在《數據結構》課程的教學中，我們應該考慮新工科背景下計算機專業人才培養所面臨的新挑戰，重視教學思維和教學方法的研究，特別是對于這樣一門注重培養學生實踐能力的專業課程，積極推動《數據結構》課程的實驗教學改革十分必要，以順應新工科環境下對于信息類人才的需求，著力培養出思維敏捷、邏輯清晰、極具創造性和先進性的高素質人才[3-5]。

1 數據結構實驗教學存在的問題

數據結構作為一門理論與實踐性都很強的專業課，傳統的實驗教學方法存在著較多不足，概括起來包括以下四個方面[6-8]：

（1）教學方式不合理。現有的實驗教學方法大多是一種“作業式”的教學模式，主要由教師根據當前的理論課教學進度來給學生布置上機的作業，例如，在學習基本線性結構這一章節，上機作業可以布置為：用C語言來實現單鏈表的建立、插入、刪除和查找等操作。這種模式過于教條化，限制了學生的創造性思維，上機期間，學生只需按照書中給出的算法偽代碼實現一遍即可，得到鍛煉的程度遠遠不夠，也無法激發學生的熱情和主觀能動性。

（2）學時設置不合理。以湖南中醫藥大學信息科學與工程學院為例，數據結構的開課時間是在大一的第二學期，共計64學時。其中理論教學占了48個學時，實驗教學只有16個學時，嚴重不足。考慮到數據結構課程具有知識點多而雜、抽象、部分內容難度大等特點，這樣的學時設置過于側重理論教學，忽略了對學生動手能力的指導，明顯不符合新工科背景下對于計算機專業人才培養的要求。

（3）教學過程呆板。現有的實驗教學過程完全依賴于教師的主觀意愿，教師怎么布置，學生就怎么做，缺乏有效的師生互動，不利于綜合人才的培養。此外，當前雖然有諸多的在線教學平臺（例如：超星學習通、騰訊課堂、雨課堂等） ，但大多只能用于理論課教學，如何真正地將這些線上平臺融入實驗教學中去，以豐富實驗教學過程還存在諸多困難。

（4）考核模式單一。現有的實驗教學考核模式主要關注學生提交上來的實驗報告，教師根據學生的實驗報告內容來對學生成績做出不同的評價。這種模式過于強調結果而無法評價學生解決實際問題的能力。此外，數據結構的實驗大多是算法實踐題，而現有的教學機制還很難對所有學生的實驗過程和報告結果進行重復性檢測，因此實驗報告成績是否能真實地反映學生的真實水平還值得商榷[9]。

2 數據結構實驗教學改革

為了彌補數據結構課程實驗教學的不足，我們在分析該課程現狀的基礎上，提出了“項目驅動、線上線下、過程互動、創新培養”四位一體的實驗教學新模式，如圖1所示。

2.1 基于項目驅動的啟發式實驗教學

基于項目驅動的啟發式實驗教學如圖2所示。數據結構的實驗教學應該以解決實際應用問題為目標，教師應該將實際問題和數據結構中的知識點聯系起來，以項目思維為導向，對上機的實驗題目進行多樣化設計，結合班上同學的實際情況對學生進行項目分組，以小組為單位開展項目實踐，通過完成一個一個的項目來帶動學生理解書中理論知識，并學會靈活運用這些知識，從而不斷提高學生理論聯系實踐的能力，消除算法設計思路和代碼實現之間的鴻溝。例如，棧的應用通過要求學生求解迷宮問題來進行實現;多個村莊之間鋪設通信電纜的成本費用問題要求學生利用最小生成樹來進行實現等。

2.2 線上和線下的混合式實驗教學

為了解決現有的數據結構課程實驗教學課時短缺這一問題，我們擬采用線上和線下的混合式教學方法來對整個課程的實驗教學環節進行優化，以突破實驗教學課時的現有時空約束。例如，就線下實驗教學部分而言，在有限的課時內，教師依托實驗室提供的硬件資源來搭載數據結構的實踐環境，并開展實驗內容講解和重要部分的代碼演示，同時借鑒“同伴教學法[10]”和“以賽促學法[11]”的理念來引導學生，提高學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。

就線上實驗教學部分而言，可以采用本院自己設計和上線的湖南中醫藥大學OJ（Online Judge）系統來開展實驗教學。OJ系統是一個在線的判題系統，教師可以在系統的后臺發布實驗任務，學生通過在線提交程序源代碼來完成實驗任務，系統對源代碼進行編譯和執行，并通過預先設計的測試數據來檢驗程序源代碼的正確性。此外，還可以采用騰訊課堂、超星學習通等平臺來深化實驗教學的細節，例如，主動生成實驗教學回放記錄，使得學生可以隨時對實驗教學過程中出現的重點難點問題進行反復觀看和揣摩，從而提升實驗教學質量。

2.3 面向過程的互動式實驗教學

相比于理論教學而言，實驗教學更需要師生間的互動。特別就《數據結構》課程的特點而言，如果在實驗教學過程中師生之間缺乏有效的交流和溝通，教學效果必然不理想。鑒于此，我們有必要展開面向過程的互動式實驗教學。具體而言，教師可以從某一實際應用問題入手來引導學生切入實驗教學內容，并采用一定激勵手段來鼓勵學生獨立地設計問題解決方案，通過翻轉課堂模式開展學生之間或師生之間的反復討論，使得學生對于整個實驗過程有深刻的理解，具有強烈的參與感，從而對實驗課產生濃厚的興趣。

此外，教師還可以采用騰訊課堂、超星學習通等平臺來展開廣泛的實驗教學互動（如搶答、簽到、評論區發言討論等），主動生成回放記錄，使得學生可以對實驗教學過程中的重點難點問題反復進行觀看，提升教學質量。最后，教師還可以根據線上平臺提供的實驗教學歷史記錄進行大數據分析，進一步優化互動式實驗教學的細節，以達到因材施教的目的。

2.4 面向創新培養的實驗教學評價

實驗教學評價對于人才培養具有重要的指導意義，應該以學生為中心，以是否有利于提升學生的創新意識和創新能力為基本準則。為此，評價方法主要有：（1）多元化評價。實驗報告是學生完成實驗的主要依據。教師在評價學生完成的實驗質量時，不應該僅僅關注代碼是否已經實現、系統功能是否完善等細節，也應該從多元化的角度看待學生是否形成了自己的邏輯思路、是否打破了傳統方法的界限而提出了新穎的問題解決方案等，避免結果評價的片面化。（2）階段化過程考核。主要是指學生在實驗過程中的參與度、興趣度、實驗完成度和出勤率等，通過階段化考查學生的日常表現來評價實驗教學的效果。（3）學生之間自評、互評。教師可以提高學生的創新意識和創新能力為目標，有目的地設計出調查問卷，然后要求每個學生對其在整個實驗過程中的自我表現進行評價。此外，教師還可以在學生之間相互發放調查問卷或采用訪談的方式來了解不同學生的實驗具體情況，要求每個學生真實地反饋和評價其他學生的整體表現，從而完成對實驗教學質量的總體評價。

3 實驗教學改革成效

《數據結構》課程面向本院的計算機科學與技術、醫學信息工程和信息管理和信息系統等三個專業進行開設，我們隨機選擇了其中的200名本科生作為研究對象，對文中提出的實驗教學改革方案進行了教學滿意度的綜合調查，調查結果如下表1所示。

從表1可以明顯看到，有89%的學生對于自己的理論知識掌握情況感到滿意;有84%的學生認為確實提升了自己的編程能力;有76%的學生則認為有助于鍛煉自己解決實際問題的能力;最后，有96.5%的學生都對改革后的實驗教學方案感到滿意。

4 結束語

為了充分適應新工科背景下計算機人才培養的需要，探索了《數據結構》課程實驗教學改革方案。該方案主要采用了基于項目驅動的啟發式教學、線上和線下的混合式實驗教學、面向過程的互動式實驗教學和面向創新培養的實驗教學評價等四位一體的新模式，教學反饋結果良好，學生接受程度高，便于實現，可以為其他高校的工科類課程改革提供有意義的參考。

參考文獻：

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[11] 劉世紅.以賽促學法在高職高專針灸學教學中的實踐[J].中醫教育，2012，31（3）：76-77.

【通聯編輯：王力】