基于混合式教學的數據結構課程改革與探索

徐航 謝瑩 嚴濤

摘? 要：隨著電子信息技術的發展，傳統以課堂教學為主的數據結構課程教學模式已不能適應當代大學生的生活場景與疫情環境下的新興教學需求。因此，探索混合式教學背景下一種適應新時代要求的數據結構課程改革方案已經勢在必行。該文以線上教學平臺為基礎，以實際教學經驗為參考，從課程架構設計、教學資源建設、課前學習引導、課堂師生互動和課后擴展實踐等多個角度出發，提出課程改革的一般思路與方法，有助于提高學生的學習效率和積極性。

關鍵詞：數據結構；教學改革；混合式教學；線上教學平臺；教學模式

Abstract： With the development of electronic information technology， the traditional teaching mode of data structure course based on classroom teaching can no longer meet the emerging teaching needs of contemporary college students' life scenes and epidemic environment. Therefore， it is imperative to explore a curriculum reform scheme of data structure course to meet the requirements of the new era under the background of hybrid teaching. Based on the online teaching platform and taking the actual teaching experience as the reference， this paper puts forward the general ideas and methods of curriculum reform from the perspectives of curriculum architecture design， teaching resource construction， pre-class learning guidance， classroom teacher-student interaction and post-class expansion practice， which helps to improve students' learning efficiency and enthusiasm.

Keywords： data structure course; teaching reform; hybrid teaching mode; online teaching platform; teaching mode

數據結構課程是計算機類專業大學本科生的必修基礎課程[1]，其前驅課程通常包括離散數學、C語言等，后繼課程通常包括算法設計、計算復雜性等[2]。因此，對數據結構的研究往往是構造復雜系統與設計高性能算法的基礎，是學生從數值計算到非數值計算邏輯的一個思維轉折[3]。近年來，在線開放課程與線上學習平臺如雨后春筍般崛起，為促進信息技術與教育教學的深度融合、進一步推動我國在線課程建設與應用共享等，教育部印發的《關于加強高等學校在線開放課程建設應用與管理的意見》（教高〔2015〕3號），規定了建設在線開放課程的三個基本原則：立足自主建設、注重應用共享、加強規范管理[4]。此外，受世界范圍的新冠感染疫情影響，我國目前的防疫局勢仍面臨挑戰[5]。以筆者自身為例，所在的學校與城市受輸入性新冠感染病例影響，開展了數月的線上教學。受益于筆者此前對數據結構課程線上線下混合式教學改革的探索經驗，數月的線上教學進展順利，在恢復線下教學后成功地銜接上既定的教學計劃。可見，當今社會對混合式教學的需求刻不容緩[6]。

一? 數據結構課程教改模式探索

（一）? 課程架構設計

數據結構的課程架構設計應參照既定的人才培養方案要求，結合所用在線教學平臺的特點，遵循面向不同院系學生的認知規律和能力專長，對課程的理論大綱和實驗內容進行統籌安排，將課本內各章節內容按照知識點、技能點、重難點進行串聯、梳理和劃分，并合理分配學時、學力，以符合混合式教學模式中線上線下課程相結合的特殊需求。

以筆者自身為例，所教學的班級為新工科產業學院的物聯網工程系學生，其學科背景需緊貼新工科產業需求與物聯網專業實踐，在掌握傳統數據結構與算法知識的基礎上還需進一步結合未來的就業場景進行實驗與大作業設計。具體而言，在工程知識上，需掌握數學、自然科學知識，計算機及信息技術領域的工程基礎和專業知識，并將其用于解決物聯網應用領域的復雜工程問題；在問題分析上，能應用數學、自然科學和工程科學的基本原理思考物聯網工程與相關技術，并通過文獻研究，識別、表達、分析復雜工程問題，掌握問題分析方法，獲得有效結論；在設計開發上，能夠掌握面向應用領域的物聯網系統開發全周期、全流程的基本方法和技術，設計滿足特定需求的物聯網系統、關鍵算法及應用軟件，并能夠在設計環節中體現創新意識，考慮社會、健康、安全、法律及環境等制約因素。

例如，在學期末尾，可組織學生針對物聯網工程實踐中的傳感器部署應用場景研究設計一個與之相關的資源優化算法，作為課程設計的大作業提交。學生可以小組為單位，在指導老師的建議下，查閱相關文獻并利用各種開源的代碼實驗平臺，分階段、分領域、深入淺出地自學啟發式群智能搜索算法（如遺傳算法、粒子群算法等）。從而在實踐應用中加深對數據結構課程的知識應用，擴展對算法設計分析的概念理解。

總體而言，本文所提出的基于混合式教學模式的數據結構課程的整體架構如圖1所示。以理論和實驗大綱為理論基石，以線下課堂的面對面師生交流為主干，以線上教學平臺的各種開放資源為補充，有機結合，同時對理論和實驗大綱進行合理的反饋與修正，三者合一，共同構成了數據結構課程地混合式教學架構模式。下面將就圖1中混合式教學模式的各個構成要素逐一展開說明。

（二）? 教學資源建設

工欲善其事，必先利其器。一個好的線上教學平臺對混合式教學的作用是毋庸置疑的[7]。筆者主要采用的是超星線上教學平臺，包括其內部關聯的超星學習通網頁版、手機APP版等，以實現大部分課程資源的上傳、下載和分享，以及在線課堂上的師生互動（如簽到、通知、提問、討論、課堂小測和線上考核等）。此外，還應廣泛結合其他線上教學平臺，如中國大學MOOC（慕課）、bilibili課堂頻道和網易公開課等知名網絡平臺，從而全方位地擴充學生的知識面、補齊學生的知識短板、夯實學生的理論基礎。

以超星平臺的靜態教學資源建設為例，如圖2所示，教師在進入課程主頁后可以自由上傳與編輯課程教學資源。每一章的教學資源可以包括電子書籍、PPT課件、線上公共開放視頻以及教師自己錄制的課堂或線下教學視頻等，不一而足。學生在進入課程主頁后，可以選擇相應章節的內容自由安排學習計劃，充分發揮主觀能動性。此外，如圖3所示，在對應教師的課程檔案界面里亦可編輯建設當前教學班級的本學期課程檔案資料，既方便了教師對課程資源建設的復用與總結，又增加了學生復習、預習課程知識的渠道途徑。

（三）? 課前學習引導

磨刀不誤砍柴工。做好課前預習和學習引導是提高學生聽課效率的不二法門[8]。針對數據結構課程的學習特點和不同章節內容的學習難度，筆者采用量身定制學習任務單和知識點指南雙管齊下的方法，以應對混合式教學的特殊環境。首先，利用超星平臺的通知功能對所有學生進行廣播，以預告下次線上或線下課程的學習任務單。根據線上和線下課程的不同需求，學習任務通常包括但不限于要求學生觀看一定課時的教學視頻、完成一定題量的課堂知識小測、參與某些開放式的關鍵問題討論等。其次，還將利用超星平臺的資源存儲與共享功能，針對下次線上或線下課程即將講授的重難點知識進行結構化的總結、歸納和梳理，從而讓學生能做到胸中有溝壑，事半功倍地學習。

以學習周第二周的某一節線上課程為例，一般會對學生做以下學習任務通知（通過超星學習通APP軟件發布）。

1）完成超星平臺課程目錄中第二章所有小節的任務點學習（含視頻和測試），視頻至少要看到90%的進度，可以選擇雙倍速度播放，測試需達到60分以上。

2）完成當天發布的手勢簽到和線上討論活動，會在學習過程中發布重難點討論主題，請大家踴躍參與。另外，物聯203的同學還需要在理論課后繼續參加實驗課的線上學習，請同學們不要錯過！

3）線上學習后，還要完成課后布置的小測作業以檢驗大家的學習情況。

4）本周暫時采用觀看錄像、線上討論、互動答疑和課后小測等方式綜合授課，下周會視具體情況考慮是否使用線上直播的方式授課，請大家提前安裝好騰訊會議軟件。

（四）? 課堂師生互動

良好的師生互動是混合式教學成功的基石。針對學生對數據結構課程中艱深算法內容與復雜計算環節的吸收不良問題，筆者采用的策略是在講完一個重難點知識之后，馬上進行隨機點名與提問。若是處在線上教學環境，則充分利用超星平臺的作業發布與在線提問功能進行有針對性的線上小測與提問等，并且將學生的表現納入平時分的考慮范疇，對表現好的學生予以獎勵，對表現差的予以激勵。此外，在線上教學的授課方式上，筆者采用視頻錄播與實時直播相結合的方式。以騰訊會議軟件的錄播和直播功能為基礎，根據線上和線下課程的不同教學需求進行錄播或直播。需要注意的是，錄播雖然打破了授課時間的限制，讓學生在學習安排上有了更大的自由度，但是在互動溝通的實時性上卻不如線上直播。因此，還需要借助超星平臺的開放式討論功能和微信群的實時聊天功能來彌補錄播教學模式師生互動的不足。

如圖4所示，筆者會在課前發出主題討論的通知，并在課間與課后同學生針對某個學習重難點進行開放式的討論。此方法的特點是所有人都可參與，討論熱度較高，容易激發學生的學習興趣與參與感，且沒有時效限制，可以帶著問題一直學習，并在學習的過程中思考與解決問題。缺點是很難做到實時討論，通常在一問一答中存在一定的時延，由于所處環境等復雜因素有時無法及時回復學生。因此，如前文所述，線上的師生互動應該多樣化、靈活化，教師應綜合使用線上平臺及其他通訊互聯工具同學生展開同步或異步的互動交流，從而最大限度地掌握學生的學習動態，加深學生的知識吸收與理解。

（五）? 課后擴展實踐

實踐是檢驗真理的最佳標準。數據結構課程的混合式教學不應止步于課堂教學，還應進一步延伸至課后的擴展研究與項目實踐當中，這對數據結構課程而言尤為重要。因此，應該發揮混合式教學的優勢，通過線上指導，輔助學有余力的學生在課外學習數據結構相關知識點的延伸與應用，以及課本中相關算法設計的升級與優化，從而進一步培養學生的主觀能動性和創造力。此外，筆者在學期中段還會組織感興趣的學生參與自己主持的多個科教研項目，從而鍛煉學生的科研實踐能力，加深對課本知識的理解。

遺傳算法是一種基于混沌搜索的啟發式群智能算法，通常由于解決優化類的NP復雜問題。其結構簡單、功能強大且數十年間在國內外取得了長足的發展，網上的學習案例與實驗代碼俯拾皆是。相比復雜的數學理論推演，其更加注重實驗編程實踐，非常適合計算機領域的學生入門學習。因此，筆者常常會以遺傳算法為學習目標布置學期末的課程設計案例，以達到拓展學生學術知識、培養學生科研能力和加深學生算法領悟的目的。通常，筆者會先讓學生以3～5人為單位劃分小組，再給予其2～3周的時間，通過查閱圖書文獻及互聯網電子文獻（如知網、IEEE、ACM等學校已購的學術數據庫）的方式自主學習遺傳算法的基本框架、發展歷史、實際應用和改進方向，并要求其在學期末提交一份學習報告或進行一段PPT講演，主題可以從老師提供的幾個選項當中選擇，亦可自主選擇切合主旨的題目。此外，那些表現優異且對科研產生濃厚興趣的學生還會被邀請參與到筆者主持的一些科研項目當中，從而進一步強化學生的科研素養，加深對數據結構與算法知識的拓展應用，并為一部分勵志讀研的學生提前累積一定的學術經驗與科研技能。

二? 數據結構課程的教改效果反饋

最后，筆者會在學期末組織學生完成若干份反饋混合式教學成果的調查問卷，其主要目的在于統計學生的學習偏好和成效，以分析過往教學的不足之處。例如，圖5—圖8就顯示了某班學生對四個示例問題進行匿名問卷調查的結果。由圖5—圖7可知，雖然大多數學生認為數據結構課程中的“樹與二叉樹”章節是最難理解的，但也恰恰是其最為喜歡且掌握程度較高的一個章節。這說明大多數學生面對困難反而爆發出了更高的學習積極性與主動性，從而達到了更好的學習效果。由圖8可知，大多數學生認為使用超星線上教學平臺觀看授課老師錄制好的視頻對自己的線上學習幫助最大，而觀看中國大學慕課平臺或其他線上教學平臺的開放視頻則要次之。這是對授課老師的一種認可，也從側面反映了混合式教學模式的優越性與普適性。

三? 結束語

本文以筆者對數據結構課程的線上線下教學經驗為例，結合當今社會背景與國家需求，進一步討論了混合式教學模式的課程框架設計、課程資源建設、課前知識引導、課堂師生互動和課后擴展實踐等重要環節。通過對數據結構課程的混合式教學改革，學生的學習效率與積極性得到了提高，為學生畢業后的求職、科研和教學道路奠定了堅實的基礎。

參考文獻：

[1] 耿國華，張德同，周明全.數據結構——用C語言描述[M].北京：高等教育出版社，2015.

[2] 嚴蔚敏，李冬梅，吳偉民.數據結構（C語言版）[M].北京：人民郵電出版社，2015.

[3] 崔洪振，劉夢琳，張偉，等.基于數據結構教學內容的混合式教學過程研究與探索[J].中國教育信息化，2021（13）：88-92.

[4] 教育部關于加強高等學校在線開放課程建設應用與管理的意見[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201504/t20150416_189454.html.

[5] 王樹梅，杜明.疫情背景下《數據結構》課程實驗教學改革研究[J].湖南理工學院學報（自然科學版），2021，34（2）：80-84.

[6] 蘇彩霞，丁嵐.《算法與數據結構》課程線上線下混合教學模式探索[J].創新創業理論研究與實踐，2021，4（13）：19-21.

[7] 王宇英.基于Educoder平臺的“數據結構與算法”實驗教學模式改革研究[J].教師，2021（20）：107-108.

[8] 李立.《數據結構》課程的教學改革創新研究[J].中國新通信，2021，23（8）：181-183.