融合遞進式教學模式在“數據結構及算法”課程中的應用

［摘 要］ “數據結構及算法”課程是計算機專業的基礎課，旨在培養學生的數據抽象與建模能力、算法設計與分析能力、解決較復雜工程問題的能力。在新工科建設背景下，課程存在教學內容難體現高階性、教學模式難培養創新思維、考核方式難顯示挑戰度等問題，導致“兩性一度”目標難以達成。課程團隊針對教學中的真實問題，從知識、能力、價值三個維度對教學內容進行了重構，以“科教融合、學科交叉、思想引領”為突破口重耕教學內容，體現課程高階性；設計“四環節”遞進式教學模式，為學生搭建學習階梯，循序漸進地培養創新思維；運用信息化工具助力多元化的課程評價，獲取有效學習反饋，引導學生關注學習過程。

［關鍵詞］ 融合遞進式教學模式；新工科；科教融合；教學評價

［基金項目］ 2022年教育部產學合作協同育人項目第2批“基于在線教學平臺的‘數據結構’立體化課程建設與實施”（220801477275447）；2021—2023年西南石油大學高等教育教學改革研究項目“面向工程能力培養的‘數據結構’立體化課程建設和研究”（X2021JGYB043）

［作者簡介］ 岳 靜（1981—），女，四川南充人，碩士，西南石油大學計算機與軟件學院副教授，主要從事人工智能和復雜網絡研究；劉忠慧（1980—），女，四川南充人，碩士，西南石油大學計算機與軟件學院教授，主要從事機器學習研究；劉 影（1980—），女，四川內江人，博士，西南石油大學計算機與軟件學院副教授，主要從事復雜網絡研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）46-0125-04 ［收稿日期］ 2023-09-13

“數據結構及算法”課程是計算機大類平臺課程體系中重要的專業核心課，旨在培養學生良好的數據抽象與建模能力、算法設計與分析能力，并解決較復雜的工程問題，引領價值塑造，實現知識、能力、價值“三維”育人目標。近年來，課程團隊緊隨信息化時代教育變革、新工科人才培養需求，從立體化課程資源建設、課程思政、混合式教學、學科交叉融合等方面進行了持續的改革實踐，形成以工程實踐能力培養為目標的遞進式教學模式。

一、“數據結構及算法”課程目前存在的問題

新工科建設驅動了中國高等教育的新一輪改革，課程建設作為新工科建設的基礎和落腳點［1］，著眼培養愛國敬業、具有創新能力、善于解決復雜工程問題的卓越工程師。對標工科新要求，“數據結構及算法”課程存在如下問題。

（一）教學內容缺乏學科前沿和價值內涵，難以體現課程高階性

傳統教學模式下，課程教學內容以知識傳授為主，難以反映學科發展前沿和時代特征，學生難以了解學科發展；教學設計“就事論事”，未能打破學科間的壁壘、體現跨學科的交叉融合；價值觀引導不深入，難以發揮育人塑魂的“主渠道”作用。

（二）教學模式忽略認知規律，難以循序漸進地培養創新思維

傳統教學模式以“教師”為中心，注重知識輸出而忽略了學生的認知規律；理論教學與工程實踐脫節，導致學生分析和解決實際問題的經驗不足，面對實際問題難以抽象其數據模型并選擇合適的數據結構加以表示，更遑論創新地解決問題。

（三）課程評價方式重分數輕能力，難以激發學生挑戰心

傳統評價方案“一考定成績”，導致學生唯分數輕能力、唯理論輕實踐、唯結果輕過程，瘋狂“內卷”卻忽略了能力培養，難以激勵學生挑戰復雜問題。

二、課程改革思路及舉措

針對教學中存在的問題，課程組采用“重構教學內容、重建教學模式、重塑考核導向”的創新舉措，實現“兩性一度”的“金課”目標。

（一）從知識、能力、價值三個維度重構教學內容，體現課程高階性

1.搭框架：以知識、能力、價值為導向搭建教學內容框架。西南石油大學計算機與軟件學院從2019年開始實施計算機大類招生和培養，構建了大類平臺課程體系?！皵祿Y構及算法”課程與其他四門課程共同構成了大類平臺中的程序設計類課程組群，旨在系統化地培養學生的程序設計能力與計算思維。先修課程已經解決了“會寫程序”的問題，本課程在此基礎上解決“會寫高效程序”的問題，進一步深化計算思維的培養，為后續課程奠定基礎。在明確課程定位的基礎上，課程團隊基于OBE理念，對標畢業要求指標點及知識、能力、價值“三維”育人目標，細化了課程目標，這是重構教學內容的理論依據。以課程目標為指導重新梳理知識脈絡，劃分為數據結構、基本操作、典型應用三個層面，與三個教學目標一一對應，以此作為重構教學內容的基石。

2.填內容：科教融合重耕教學內容，學科交叉提升課程內涵。為體現工科新要求，課程組以“科教融合”為切入點重耕教學內容，將科研成果或實踐項目融入教學案例，以科學研究的方法分析、解決問題，潛移默化地培養學生的科學素養和創新意識，體現了課程的高階性。例如，在講授最短路徑時，選取了新冠藥物篩選的科研成果，秉持“提出問題—抽象模型—推導算法—編程實現”的思路，引導學生分析問題、解決問題。經過長期的思維訓練，學生解決復雜工程問題的能力逐漸內化。

此外，教學內容注重學科交叉融合，用計算機的方法解決跨學科問題，幫助學生開闊眼界、拓展思路，初步培養跨界思維與整合能力，為培養復合型工科人才打下基礎。例如，新冠藥物篩選案例利用圖的最短路徑算法解決了生物醫學領域中的藥物篩選問題，體現了學科的交叉融合。

3.塑靈魂：課程思政融入教學內容，價值引領樹立精氣神。充分挖掘教學案例中滲透的思政元素，構建了傳授知識與引領思想并行的教學內容陣列，從家國情懷、科學精神、理想信念、職業素養等方面樹立了課程的精神氣質。例如，在講解算法效率時延伸到我國軟件行業飛速發展，在講解鏈式存儲結構時提到我國區塊鏈發展戰略，讓學生了解國家科技發展戰略、感受祖國科技軟實力，從而激發學生的民族自豪感和文化自信。在講解算法時，通過哈夫曼、迪杰斯特拉等科學家的生平軼事，樹立積極正面的學習典范，引導學生樹立無私奉獻、迎難而上的品格。通過授課案例中滲透的個人信息安全、新聞熱搜等話題，引導學生樹立守法意識、職業規范、社會公德。課程中許多知識點均以科教融合的案例進行引入，通過這些案例向學生傳授科學研究的一般方法，從而引導學生積極投身科研事業，勇攀科學高峰。

課程團隊建立了授課案例與思政案例相結合的案例庫，將思政要點寫入課程教學大綱和課程教案，再通過深刻形象的課堂講授，在知識傳遞的同時潤物無聲地完成價值塑造，激發學生的專業認同感和學習熱情，從而反哺課程學習。

（二）“四環節”融合遞進式教學模式搭建能力階梯，逐步培養創新思維

課程團隊從學生認知規律出發，緊密圍繞教學目標，設計了課前知識儲備—課堂思維訓練—實驗模仿應用—考核應用創新“四環節”融合遞進式教學模式［2］，各環節前后呼應、層層遞進，形成有效的教學閉環，為學生搭建知識與能力階梯，讓學生能夠拾級而上，逐步達成工程能力培養目標。

1.課前知識儲備。課前，學生在導學文檔的指導下完成對基礎知識的識記和理解，再通過慕課堂測驗、線上討論分享等形式檢驗和鞏固線上學習效果。為使學生更好地理解交叉融合的教學案例，教師在課前提供拓展閱讀材料，讓學生提前了解案例中涉及的跨學科知識，為線下教學做好知識儲備。

2.課中案例分析。課中以科教融合的“案例驅動+問題鏈驅動”的模式開展教學，以分析案例—抽象模型—算法推導—解決問題的思路，培養學生解決復雜工程問題的能力。打破以教師為主的傳統教學模式，引導學生積極參與，通過學生分享、課堂辯論、補全代碼、學生質疑等形式讓課堂“活起來”，培養學生大膽質疑、勇于創新的精神。

3.實踐分層通關。實踐教學作為課堂教學的延伸和進階，是強化工程實踐能力培養的重要環節［3］。為了解決“編碼難”的問題，課程依托PTA平臺實施了分層實踐模式，將實驗項目劃分為基礎算法、簡單設計型實驗、綜合型實驗三個層次。學生經過課上的思維訓練，再以通關的形式完成各級實驗項目，逐步走上了知識與能力階梯。綜合型實驗要求學生針對實際問題選用合適的數據結構并設計高效的算法，體現了課程的挑戰度［4］。經過前期的訓練，學生已有能力從課堂案例延伸到綜合性實驗，在已搭建好的階梯上“跳一跳”便能夠得著，學生的創造思維、組合思維、計算思維得到了進一步訓練。

4.考核注重能力。傳統的期末考試多采用筆試或機考等形式“一考定成績”，對于新工科要求的諸多能力點難以考查。本課程改變了傳統的期末考試形式，采用標準答案與非標答案相結合的考核方式，更加注重考查學生解決復雜問題的能力，能更好地檢驗課程目標的達成。基于PTA平臺進行標準答案考試，側重理論知識和基本算法的考核；通過期末大作業進行非標答案考核，主要考查學生深度融合所學知識，創新地解決復雜問題的能力［5］，與此同時，學生的創新思維、批判性思維都得到發展。非標考題多為開放性問題，不強調答案唯一性，具有挑戰度，同時非標考題也與前期的課堂案例、實驗項目形成了呼應，體現了從課堂到實驗再到考核的教學閉環。

（三）多元化評價與反饋機制引導學生關注學習過程，激發學生挑戰心

1.過程性評價與終結性評價相結合的考核機制。課程充分利用信息化平臺，構建了基于多目標（知識目標、能力目標、價值目標）、多維度（定量與定性相結合，過程性評價與終結性評價相結合）的考核機制（見表1），客觀全面地評價學生學習效果，引導學生關注學習過程。

過程性評價注重點面結合，以課堂表現環節為例，既有全員參與的課堂測驗，也有部分學生的成果展示，通過優秀學生的示范引領帶動大多數學生積極投入挑戰性任務，兼顧了不同層次學生個性化學習的需求。期末考試采取標準答案與非標答案相結合的考核方式，設置綜合性、挑戰性的任務，從偏向知識的考核轉向注重能力的考核，激發學生的創造性思維。

2.信息化工具助力可信的學習評價，達成有效學習反饋。課程充分利用中國大學MOOC、慕課堂、PTA實踐教學平臺等信息化工具實施過程性評價，教師基于各環節的學習數據進行學情分析，以便在下一環節進行學習干預，形成有效的評價閉環。評價數據覆蓋了教學各個環節，學習數據的真實可信度是值得關注的。為解決這一問題，課程利用PTA平臺提供的代碼查重、OMS監考系統等質量保證手段獲取可信度較高的學習數據，再基于數據進行分析，掌握學生學習規律，找出學習壁壘，從而有針對性地調整教學策略，形成持續改進的良性循環。

三、實施成效

（一）痛點問題得以改善

2022年，面向計算機類2021級學生發放調查問卷，對426份有效問卷進行分析，結果顯示：80%以上的學生認為通過輔助包賦能的學習模式能夠促進能力提升，83%的學生對科教融合的案例教學持肯定態度，96%的學生能夠主動關注學習過程。

（二）課程目標達成情況向好

利用過程性評價、終結性評價數據進行課程目標達成度分析，結果顯示近五年的課程目標達成情況逐漸向好（見圖1）。

（三）課程建設成效初顯

經過多年改革實踐，課程建設取得初步成效。課程獲批省級線上線下一流本科課程、首批國家級虛擬教研室建設課程、校級課程思政示范課程、非標準答案考試改革課程。以本課程為重要支撐的教改成果獲第九屆省級教學成果獎一等獎。

結語

課程團隊以新工科背景下計算機人才培養需求為目標進行了一系列改革，包括以科教融合為切入點重構教學內容，實現能力培養和價值塑造協同效應；設計“四環節”遞進式教學模式為學生搭建學習階梯；重設評價與反饋機制，引導學生關注學習過程?；谝陨细母锎胧?，課程問題得以解決和改善，課程目標達成度穩步提升，同時課程建設“上臺階”。

參考文獻

［1］黃治同，紀越峰，尹長川.面向電子信息類創新人才培養的一流本科課程建設探索與實踐［J］.中國大學教學，2021（10）：43-48.

［2］王燕，羅佳琪，王曙燕，等.能力導向的數據結構課程“五環節”混合教學改革［J］.計算機教育，2023（1）：76-80.

［3］滑亞慧，石鋒，王建.基于工程認證的“數據結構”課程教學改革實踐［J］.教育教學論壇，2022（44）：54-57.

［4］邱勁，王平.以項目為導向的數據結構課程改革與實踐探索［J］.西南師范大學學報（自然科學版），2019，44（9）：167-172.

［5］王青松，接磊，劉慶楠.真實問題為導向的數據結構課程教學改革實踐［J］.教育教學論壇，2020（9）：131-132.

The Application of Integrated and Successive Teaching Pattern in Data Structure and Algorithm Course

YUE Jing， LIU Zhong-hui， LIU Ying

（School of Computer Science and Software Engineering， Southwest Petroleum University， Chengdu， Sichuan 610500， China）

Abstract： The Data Structure and Algorithm course is a basic course for computer majors， which aims at cultivating students’ ability of data abstraction and modeling， algorithm design and analysis， and solving complex engineering problems. Under the background of new engineering construction， the teaching content is difficult to reflect the high order， the teaching mode is difficult to cultivate innovative thinking， and the assessment method is difficult to show the challenge degree. According to the problems， the teaching content is reconstructed from the three dimensions of “knowledge， ability and value”. With “integration of science and education， interdisciplinary and ideological guidance” as the breakthrough point， the teaching content is recultivated to reflect the high order of the curriculum. The four-link successive teaching pattern is designed to build a learning ladder for students and gradually develop innovative thinking. Information tools are used to facilitate course evaluation， obtain effective learning feedback， and guide students to pay attention to the learning process.

Key words： integrated and successive teaching pattern; new engineering; integration of science and education; instructional evaluation