SPOC混合模式在數據結構與算法課程中的應用研究

摘要：為了提升數據結構與算法課程的教學效果，激發學生的學習興趣，提高學生學習的主動性，文章針對課程教學中的挑戰，提出了以能力培養為目標的SPOC混合模式改革思路。該模式圍繞“編程能力和算法思維能力培養”這一核心，從理念、內容、模式、方法和評價五個方面進行SPOC模式混合教學創新設計與實踐，通過線上線下結合、講練結合、任務驅動等方式，有效提升了學生的編程能力和算法思維能力。實踐結果表明，該混合模式顯著提高了學生的學習成效。

關鍵詞：數據結構與算法；SPOC混合模式；教學模式；任務驅動；線上線下結合

中圖分類號：G642" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）16-0149-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

數據結構與算法課程是計算機學科的核心主干課，是計算機專業的學科基礎，也是大數據和人工智能等前沿學科的理論基礎。在研究生入學考試、就業面試、學科競賽中都是考試、考查的重點課程。SPOC（Small Private Online Course，小規模在線課程）" [1-2]它利用網絡平臺，把傳統教學轉變成互動式、討論與反饋式的現代化的教學模式，是典型的傳統教育與網絡教學相結合的混合模式。傳統教學方式的弊端及現有教學改革的不足，結合新工科思想，本文提出了一種SPOC混合教學模式。這種方式主要分為三步：首先，課前的理論性知識學習，主要以課前的線上學習為主；其次，課中的分組討論與講練結合，這種方式主要學習較高難度的知識內容，訓練學生的編程能力和算法思維能力；最后，課后的鞏固與再學習。

1 傳統教學過程中存在的弊端

1.1 課程內容多、學時少、實踐環節不足

隨著教育改革的推進，該課程從早期的總學時數為72學時壓縮至64學時，其中理論內容學時為48，實踐學時數為24。想要系統地完成理論教學內容，難度較大，通常的解決方案是縮減教學內容，或者對于部分內容少講或不講；這就為后續課程的教學以及學生的學習帶來較大困難。并且，僅有的24個實踐學時也多以驗證型實驗為主，實驗內容主要偏向于課本中的基礎實驗，難度較低。在這種模式下，對課程的學習大多只停留在理論分析階段，尤其是對于鏈式存儲、函數、指針等知識理解不透徹，對于結構體類型的使用掌握相對較差，學生的編程能力和算法思維能力都難以得到鍛煉與提升，學生利用所學知識解決問題的能力明顯不足。

1.2 難度大，學習積極性不高

在課程教學過程中，知識有難、有易，對于簡單的知識點，如線性表、棧與隊列，學生學習積極性較高；但是對于難度較高的知識點，如廣義表、樹、圖、查找和排序，學生理解困難，導致學習積極性較差。同時，往年的考試成績也可以看出，這部分內容的得分率相對較低，甚至有少數學生出現不得分情況。加之，傳統教學主要以教師講授為主，學生處于被動學習狀態，學習者沉浸度不高。

1.3 考核方式注重理論，能力欠缺

在新工科背景下，人才培養的目標要求學生有工程應用開發能力，傳統的考試以命題型考試為主，重點考查數據結構與算法的基本理論，對于學生實際編程能力只能以卷面形式呈現。這種方式難以考核學生分析程序、調試程序、運行程序的能力，無法掌握學生解決實際問題的能力。

近年來，隨著教學改革的深入，教學方式方法也有了一定的改善，如PBL（Problem Based Learning，問題導向的學習） 教學、案例教學、翻轉課堂等教學方式相繼進入課堂，教師也需要不斷地摸索新的教學方式，如近年來教師更傾向于線上線下混合教學，這種方式從一定程度上解決了課時不足的問題，教學效果有所提升。然而，在真正實施過程中依然存在以下問題。

1.4 線上學習任務重，課余時間分配少

視頻課程沒有受到課時的限制，教師會將更多、更細的知識呈現在視頻課程中。而學生的開課數目也相對較多，如果教師都采用普通的混合教學模式，那么對于學生來說，則學習相對較重。另外，學生除了正常的學習任務之外，還有其他的課外活動，這樣，學生能夠支配的時間就會相對較少。如果每一位教師都要求學生認真學習線上視頻課程，課后再完成一定數量的課后作業，會導致大多數學生忽略學習效果、疲于應付，實際學習內容的完成度不高。課前環節形同虛設，誤導了教學中對學前狀態的判斷，影響課堂教學效果。即使教師發現了課前這些問題，及時調整教學內容和教學的方式方法，這也難免影響了教學進度與教學任務的完成。

1.5 分組教學中，團隊意識不夠

團結協作和心齊勁足是團隊合作的關鍵，同樣，一個團隊要實現最終的目標，必須確保目標明確、一致，并相互認同和支持。團隊協作可以極大提高工作效率，當團隊成員共同合作、分工明確時，可以更快地完成任務。通過各個成員的專業知識和技能的結合，可以充分利用每個人的優勢，有效地解決問題。然而，在實際教學過程中發現：學生的團隊意識不強，學習好的學生更愿意獨立解決問題，這些學生不愿意讓其他學生影響自己的進度，他們更愿意用自己的方法獨立解決問題；而學習弱的學生不好意思求助別人，這就導致分組成為虛設，難以達到團隊協作的目的。

2 以能力培養為目標的數據結構與算法課程教學創新改革

2.1 創新理念

SPOC由加州大學的阿曼德.?？怂菇淌谧钤缣岢龊蛻玫?。SPOC能根據教學的每個環節、針對小范圍的學生進行針對性的在線教學設計，既克服了傳統教學方法單一片面的缺點，又彌補了MOOC（Massive Open Online Courses，大型開放式網絡課程） [1-2]疏于管理、難以交互的缺陷，是 MOOC 的繼承、發展與超越。SPOC混合模式課程教學堅持以學生為中心，還課堂于學生，把知識性學習和理論性學習等都轉移到線上由學生以自己的節奏去學習，這樣不同理解力學習能力的同學都能獨立完成理論學習[3-4]。

通常的教學過程是理論與實踐相分離，理論課上講理論，實踐課上做實驗，一般情況下實踐課時間滯后于理論課時間，這種理論與實踐相分離的模式，使得一個完整的教學內容需要很長時間來完成，且完成周期較長[5-7]。這種模式導致學生理論與實踐脫節，理論知識無法指導實踐內容，學生進度較慢，不但會很快遺忘理論知識，且對于理論知識理解不透徹。

為了實施SPOC混合模式教學改革，課程教學團隊因地制宜地為學生制作了優秀的微課教學資料，包含微課視頻、微課PPT和教學案例等，其中微課視頻建設是重點，總計106個，時長近39小時。課堂教學的采用講練結合的模式，以講帶練，練中有講，融講于練，講練一體化，旨在將教師的講授和學生的訓練有機結合，使講與練在教學目標的統領下，互相促進、相得益彰，迅速而高效地完成教學任務，達成教學目標。教師的講只須快速梳理知識點，精講重難點，重點突出、難點突破，節約了講授所花費的時間，縮短了理論到實踐的轉化過程，增加了編程訓練的時間；以編程能力培養和計算思維能力培養為目標，加快了知識內化的進程。

以任務驅動、小組討論、啟發教學為主，以學生為主、教師為輔的模式構建學生課堂任務的學習。教師引導性地進行課堂教學，學生協同完成相關任務，這是一個“啟發—引導—提問—答疑”循環往復的過程，這樣的方式真正做到了理論融入學習、講練結合、沉浸與放松相結合。

2.2 SPOC教學模式改革

教學改革過程中將教學分為三個主要階段：課前線上學習、課中知識梳理與課后知識鞏固。

課前線上學習內容主要包括視頻學習和瀏覽PPT。這一環節不要求學生完全理解并掌握相關內容，尤其是較難知識點只要求學生了解相關知識，以便在課堂教學中盡快與教師達成同步，能夠更好地理解和掌握相關知識；同時，也有助于教師了解學生線上學習情況，以便課堂教學時更多地掌握學生的理解程度，及時調整教學進度和教學方式。

課堂教學主要以學生參與為主，教師講解為輔。教師使用少部分時間進行重難點知識梳理，以便使學生高效理解理論知識。學生參與為主，主要是教師通過任務驅動、啟發式教學、探究式學習、小組討論等多種形式進行以學生為主體的教學，學生針對線上學習后出現的問題進行研討，教師針對問題在課堂上進行講解；對于共性問題和普遍存在的問題進行統一講解，對于個性問題可以在課堂上進行解答，也可以在私下向學生解答。

課后知識鞏固主要是對所學知識進行一個完整的閉合。首先，學生可以依據自身情況進行視頻的再次學習，并完成每一章的章節測試；其次，教師在超星平臺發布與教學內容相關的作業以檢驗學習效果和鞏固學習內容。章節測試和作業包括有主觀題和客觀題，客觀題由系統自動批閱，主觀題需要教師及時批閱，并對作業情況再次進行答疑解惑，此時的答疑并不占用課堂時間，而是每周一次的課余固定時間。

2.3 過程性考核與上機考核并重

過程性考核包含線上考核與線下考核。線上考核占最終考試成績的20%，線上考核主要是課程視頻和PPT的學習、章節測試、課后做業；線下考核占最終考試成績的80%包括程序設計、實驗報告撰寫以及末期考核。末期考核將通常試卷命題考試方式更改為系統自動組卷方式，盡可能做到一人一卷，試卷覆蓋面廣、知識點全、題型多樣等特點，試題更側重實踐能力的考核而非記憶性知識的重組。

3 教學改革效果

從超星平臺導出的數據可以看出，較之前的教學效果，此次教學改革后的教學成果顯著有效，學生對于算法的理解能力有所增強，編程能力和計算思維能力均有大幅提升。2023年秋季學期，學院的3個專業共8個班同時開設數據結構與算法課程，學院對其中的6個班進行了教學改革，兩個班的教學沒有參與教學改革，學期結束后從教務系統導出的學生成績分布數據如表1表示，上述班級的良好率、中等率、及格率以及平均分的數據如圖1所示。

從表1和圖1可以看出，雖然八個的標準差沒有明顯的差異，但從等級率、及格率和平均分上可以看出：實施教學改革班級的整體成績明顯優于未實施教學改革班級的成績，其中計科2202班級的優秀率為4.40%，計科2322班級的優秀率為3.57%，而未實施教學改革的班級均未出現考核優秀的學生；良好率在20%以上的3個班級均為教學改革的班級；及格率達到80%以上的4個班級均為參與教學改革的班級，及格率低于50%的班級為智能2201，此班級未進行教學改革。從此表的數據可以看出，實施教學改革班級的教學效果明顯優于未實施教學改革的班級。

在課程進行過程中，不間斷與學生溝通，將學生反饋意見進行總結，大致可以歸納為以下幾點：1） 共同認知：數據結構與算法課程相對較難，理論知識理解較難；2） 未實施教學改革的班級：傳統教學方式對學習過程沒有明顯改善，對于較難理解的知識和算法實現通常借助于多種方式解決或是等待下次上課時與教師溝通解決；3） 實施教學改革的班級：初期不太適應這種教學方式，但幾周后發現通過“課前—課中—課后”和講練結合的學習方式，更容易理解相關內容，對于沒有掌握的知識可以通過線上視頻多次學習，尤其是鏈表、圖、樹等知識的學習；團隊協作效果明顯優于自己獨立完成，尤其是編程實現各種算法時，以“優帶弱”的團隊效果非常顯著，編寫代碼所用的時間明顯縮短；課程設計期間，團隊協作，成員發揮各自所長，使得項目完成率及完成效果大幅提升。

綜上所述，教學資源的整合與優化為優秀學生提供了更為廣闊的學習平臺，使得他們獲取知識的方式更多樣化，對知識的理解更全面和更透徹，對知識的掌握更持久，對理論知識的運用更靈活，因此教學改革取得了較好的效果。

4 結束語

本課程以金課建設為目標，針對新工科人才培養需求，課程團隊建設了優質的微課視頻、電子教案、教學案例和教學設計等，基于這些開展的以能力培養為目標的數據結構與算法課程SPOC混合模式的教學改革與實踐，改變了教學模式及考核方式，充分調動了學生學習的積極性，真正做到以學生為中心，以教師為指導，達到了為學生賦能的目標。但是教學改革還有進一步改進的空間，例如，如何縮小學生學習效率的差距，在現有基礎上如何提高學生的良好率和優秀率，這是以后教學改革研究的重點。

參考文獻：

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[5] 曲宏山，王淼.計算機基礎教學中計算思維能力培養探索與實踐[C]//全國高等院校計算機基礎教育研究會.北京：清華大學出版社，2012.

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【通聯編輯：王 力】