数据结构实践课程的研究性学习及创新实践能力的教改探索

孟凡荣　张斌　杨雷

摘要：为培养大学生的研究性学习与创新实践能力，高等教育要坚持走以质量提升为核心、以提高实践能力为重点的内涵式发展道路。本文提出了以能力结构培养目标为驱动，构建支持研究性学习与创新实践能力的实践课程教学体系，以提高创新实践能力为重点，完善实践课程教学平台，以能力结构目标分解为依据，实施技能知识单元模块化教学的措施来实现具体的教学目标。

关键词：实践课程；能力结构；研究性学习；创新实践能力；模块化教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）49-0135-03

“十五”期间，国家教育部计算机科学与技术专业教学指导委员会发表了《高等学校计算机本科专业发展战略研究报告暨专业规范（试行）》。《规范》中提出了“专业方向分类”发展的基本思想和三个辅助建议，辅助建议其中之一是“加强学生实践和动手能力的培养”。

数据结构课程是计算机科学与技术专业的一门专业基础课。该课程的任务是学会从解决问题入手，为所加工的数据选取适宜的逻辑结构、存储结构及其算法。初步掌握算法的时间与空间复杂性的分析方法，同时进行复杂程序设计的训练，使编写的程序代码结构清晰、易读理解，符合软件工程的规范。教学计划是一个整体，实践教学体系是整体教学计划的一部分。数据结构实践课程是数据结构课程的重要组成部分。本文从支持研究性学习及创新实践能力的数据结构实践课程教学体系的构建、以提高创新实践能力为重点的数据结构实践平台的完善以及以能力结构教学目标为依据的知识单元模块化教学的具体实施等三个方面进行实践课程的教改探索。

一、以能力结构培养目标为驱动，构建数据结构实践课程教学体系

知识结构、能力结构和综合素质是人才培养与人才评价的三个主要因素。其中，能力结构是第一位的，知识结构与综合素质都是为能力结构做支撑服务的。要强化学生的能力结构，就必须形成较完备的实践教学体系，将实践课程教学体系作为一个系统来构建。理论课程体系的设计主要体现专业结构、知识结构的培养目标要求，从而确定理论课程的知识领域、核心知识单元和知识点。而实践课程体系的设计应主要体现能力结构的培养目标要求，从而确定实践课程体系的各个单元目标和具体指标。数据结构课程的能力结构目标主要包括：学会从解决问题入手，识别典型的数据结构的逻辑结构特性的能力；能够为所加工的数据选取适宜的存储结构的能力；设计及实现问题求解主算法和主函数的能力；基本掌握算法的时间与空间复杂性的分析能力；基于高级编程语言，编写复杂软件的程序代码的基本能力等。数据结构实践课程的教学体系由六个部分构成：课程实习、课程实验、课程设计、课程社会实践、实践教学评测和实践教学文档及资源。

1.课程实习是指对课程实验和课程设计的基本技能和综合技能的研究性学习和实践技能的训练。课程实习的基本技能包括：高级程序设计语言编辑器及语言的使用；程序的模块化划分的技能；常用人机交互界面的简单设计等。综合技能包括：应用抽象数据类型的设计思想，在实现数据结构基本操作的基础上，确定功能模块间必要的联系，设计、调试主算法和主函数，系统的可视化界面的初步设计，对所完成的算法进行时间和空间的性能评价，从而完成数据结构的基本应用。

2.课程实验是指配合课堂理论教学、以增强学生能力结构为目标的专业技能训练。实验课题的基本内容包括：线性表类应用实验、栈和队列类应用实验、树和图类应用实验、查找和排序类应用实验以及自主研究性应用实验等。通过课程实验，使学生加深对课程内容的理解，培养将原理应用于实际的能力。

3.课程设计是指对理论课程的核心知识点以及能力结构的综合技能的专业训练。课程设计的课题包括：综合训练性题目和研究学习性及创新设计性题目两大类。例如，立体化停车场管理、电梯运行模拟、二进制堆及其应用、线段树及其应用等。课程设计的目的是全面落实课程教学大纲，激发学生自主研究性学习及完成创新性实验的积极性，提升学生软件设计的综合实践技能。

4.课程社会实践。课程社会实践是指对课程实验及课程设计的课题所进行的社会调研与实践。课程实验的调研主要是对设计性和研究性课题做调研，课程设计则主要是对应用性和创新性课题做调研，为提高创新实践能力打基础。

5.实践教学评测。实践教学评测是指对实践课程教学效果的评价和对学生实践课程成绩的评定。实践教学评测的目的是依据课程的能力结构培养目标，科学合理的评定学生的实践课程成绩，使课程教学效果得到及时反馈，以促进实践课程教学的不断改进。

6.实践教学文档及资源。实践教学文档及资源是指为了保证实践课程教学体系的各个环节有机结合、正常运转的课程教学文件和参考资料。实践教学文档及资源包括：课程实习、课程实验、课程设计、课程社会实践的教学大纲和实施方案，实践课程教学考核与评价的实施方案，以及实践课程教材与多媒体实践课件等。

数据结构实践课程的教学体系要从自身的特点出发，对课程实习、课程实验、课程设计、课程社会实践、实践教学评测等诸多教学环节进行整体、系统的优化组合。以能力结构培养目标为驱动，并将支持学生的研究性学习及创新实践能力机制纳入到体系中。

二、以提高创新实践能力为重点，完善实践课程教学平台

大学生的实践能力包括基础性实践能力、综合性实践能力和创新性实践能力。如何在数据结构实践课程教学体系中，通过日常的教学活动和过程管理，形成以提高创新实践能力为重点的教学机制，是实践课程教学体系建设的中心任务。研究性学习是指在教师指导下，根据所选择的课题，主动地获取和应用知识、解决问题的教学活动。创新的基础在于研究性学习，研究性学习的核心活动是实践和创新，创新能力的培养在于实践。课程实验和课程设计的研究性学习是以研究和设计为中心的实践性教学活动。在构建实践课程教学体系的基础上，通过设计课题项目、组建课题项目团队、开展项目教学法、注重项目过程管理、鼓励研究性学习和实践创新能力、实施创新评测机制等，逐步完善以提高创新实践能力为重点的实践课程创新实践平台。图1是基于数据结构实践课程教学体系，以提高创新实践能力为重点的实践课程创新实践平台的总体框架设计。其中，课程实习、课程实验、课程设计是创新实践平台的核心内容。

1.开展项目教学法，注重项目过程管理。项目教学法是通过实施一个完整的项目而进行的教学工作。在数据结构实践课程教学中，将项目教学法应用到课程实习、课程实验、课程设计等各个教学活动中，培养学生良好的科研素质。通过课题的立项与开题、组建课题小组、方案分析、方案设计、方案实现和项目验收的工作流程对学生进行科技创新活动的工程实践训练。抓好课题项目的过程管理是十分重要的工作任务。其中，抓好课题组长的业务培训、课题组项目的认定、课题的阶段验收是项目过程管理的重点。

2.重视课题项目设计，促进拔尖创新人才发展。依据培养目标的能力结构和教学规律，科学、合理的设计课题项目，是开展项目教学法和项目过程管理的第一要素，也是教师发挥教学活动中的主导地位的首要任务和关键环节。课程实验的课题类型有验证性实验、应用性实验和创新设计性实验。验证性实验属于学生自主研究性学习的课下实验；设计应用性试验和自主创新性实验是课上实验，还要完成相应的实验课题报告。课程设计的课题类型有综合训练型和研究创新型。遵从教育规律和认知规律，将课程设计的课题项目分级分类设计，以促进学生的阶梯式发展。

3.组建课题小组，形成研究性学习氛围。根据多元智能理论，每个人都拥有不同程度的八种智能，由于智能组合形式以及每种智能的表现形式不同，每个人的智能是独一无二的，这也体现了个体的差异性。以学生自愿为原则，组建课题小组。课题小组的人员构成要考虑学生的气质和性格差异，达到智能互补和优势互补，促进学生的个性发挥和全面发展。通过组建项目团队，竞争项目负责人，在课题组长的带领下，开展课题项目研究，协同合作、相互交流，体现团队精神，营造研究性学习氛围，还可以使拔尖创新人才脱颖而出。

4.建立创新评测机制，激励创新人才。建立一套完善的实践教学的评测机制是十分重要的，实践课程教学评测的指标中，应有创新人才的激励机制。只有将学生的课程实习、课程实验、课程设计、课程社会实践等实践教学环节都纳入到评测机制中，才能对学生进行综合全面的考核和评价。

对于学生实践环节的成绩认定，要依据能力结构指标考核并单设成绩计入学分，不合格的同样需要补考或重修。以课题组为单位，组员和组长间都可以互评，作为考评依据。

三、以能力结构目标分解为依据，实施技能知识单元模块化教学

计算机科学与技术专业学生的能力要求可以归纳为计算机思维能力、算法设计与分析能力、程序设计与实现能力和系统能力。数据结构实践课程的能力结构要求在上述能力结构中都有相应的体现。可以按能力结构培养目标的要求，将目标分解，采用分阶段的技能知识单元模块化教学。

1.能力结构教学目标分解。采用质量目标管理方法，将实践课程能力结构的教学目标以计算思维能力为基础，通过层次分解，将数据结构课程教学目标分解为理论知识单元和技能知识单元，再分解为若干知识模块，每个知识模块又蕴含若干知识点。例如，可以将数据结构课程中线性表的基本技能知识目标分解为静态顺序表、动态顺序表、单链表、双链表、循环链表等具体的存储结构、基本操作和简单应用等实践教学目标。通过对实践教学目标的分解，使得师生都清楚具体的质量目标定位，掌握学习进度，激发教师的主动性、学生的自主性及研究性学习热情，将充分的精力投入到提升创新实践能力的活动中。

2.技能知识单元模块化教学。依据分解的数据结构实践课程的能力结构教学目标，打破传统的以理论知识为中心的学科式课程内容体系，取消章节限制，把密切相关的理论和实际操作技能有机地结合起来，组成知识领域，建立若干知识模块，每个知识模块又可由若干子模块构成。每个子模块又由若干个知识单元或课题组成，从而使实践课程的教学形成一个“积木组合式”的模块化教学模式。例如，数据结构实验课程的基本技能模块包括：线性表子模块、栈和队列子模块、树和图子模块、查找和排序子模块及自主研究性应用子模块等。线性表子模块又包括顺序表子模块和链表子模块。子模块的内容又根据目标分解的技能指标构成。技能知识单元模块化教学是以技能训练为核心的一种教学模式。通过技能模块化教学方法的实施，可以强化学生的技能训练，促进学生动手能力的提高。

3.打造实践课程教学团队。建设一支由课程主讲教师、实验指导老师、实验基地组成的实践课程教学团队，针对实践课程教学的各个环节，从课程实习与实验指导、实践环境维护管理、课程设计与课程社会实践、研究性学习与创新实践能力等方面全力指导，由团队负责课题项目的设计、组织和实施，统一于教学目标，服务于教学质量。

4.搞好实践课程教学评测与教学资源建设。构建实践课程教学体系及完善实践课程教学平台，这是培养创新人才的硬件要素；搞好实践课程教学评测与教学资源建设，则是培养创新人才的软件要素，二者缺一不可。对数据结构实践课程引入技能单元模块化教学后，每个模块是一个相对独立的能力实体，每个模块结束后，都可以进行考核，及时检验模块化教学的学习效果。课程实验成绩的评定可以采用百分制，由平时实验课成绩、实验报告成绩、实验程序验收成绩组成，按一定的比例折算到实践课程的总成绩。

四、结语

实践课程教学改革在计算机科学与技术专业2010级的学生中试行，在2011～2012级的两个年级中实施，实际受益人数达600余人。经过两个年度的实践课程教改探索，确定了数据结构实践课程的总体改革方案以及实施方案，精心准备并完善了课程实验和课程设计实践课题，组建了课题小组，培训学生课题组骨干，完成了相关的教学文档建设和课程资源建设。综上所述，通过对数据结构实践课程体系的分析和研究，论述了以能力结构培养目标为驱动出发，构建研究性学习与创新实践能力的实践课程教学体系，以提高创新实践能力为重点，完善实践课程教学平台，以能力结构教学目标分解为依据，实施知识单元模块化教学的措施，从而实现数据结构实践课程的具体教学目标，推进计算机专业的整体化教学改革。

参考文献：

[1]教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导委员会.高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告暨专业规范（试行）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]孟凡荣，贾杰，王兴伟.网络工程专业创新性实践课程体系构建与实施[J].计算机教育，2013，14（194）：104-108.

[3]谢书良.创设“多元”条件，激发学生潜能[J].计算机教育，2010，1（109）：17-20.