面向新工科的数据结构课程改革与实践

杨嫘

摘要：本文研究和分析面向新工科的教育改革方法，结合广西师范大学漓江学院计算机类专业的数据结构教学，在新工科背景下对整个教学方案进行了改造和优化，重新设计了基于OBE的课程学习目标、教学内容框架、教学实施方法以及突出过程性考核的评价方式。改革后的教学方案体现产出导向的教学思想，关注学生的学习效果，注重工程实践能力的培养，对工科类应用型课程建设具有一定的参考价值。

关键词：数据结构;OBE;  線上线下混合;实践教学

Abstract： This paper studies and analyzes the educational reform methods for the new engineering， combined with the data structure teaching of the computer science major and the related majors in Lijiang College of Guangxi Normal University， reforms and optimizes the whole teaching plan under the background of the new engineering. Based on OBE，It redesigns the curriculum learning objectives， teaching content framework， teaching implementation methods and evaluation methods that highlight the process assessment.After the reform， the teaching plan reflects the outcome-based education teaching idea， pays attention to the learning effect of students， and the cultivation of engineering practice ability， which has certain reference value for the construction of engineering applied courses.

Key words： data structure;OBE;mix of online and offline;practical teaching

1引言

随着云计算、物联网、大数据和人工智能等新信息技术的兴起与发展，人类社会从工业社会全面进入信息化社会。社会的变革必将导致教育的变革。为主动应对新经济、新产业、新业态和新模式，教育部高教司推动“新工科建设”。2018年3月15日，教育部办公厅印发了关于公布首批“新工科”研究与实践项目的通知，认定612个项目为国家级新工科研究与实践项目[1]。这些项目全面覆盖工科优势高校、综合性高校和地方高校。可见，新形势下的工程教育变革已悄然展开。工程教育的根本任务是培养工程技术人才，人才培养的重点是专业建设，而专业建设的落脚点是课程建设。数据结构是计算机类专业非常重要的一门专业基础课，在学科体系中起着承上启下的作用。如何在新形势下提高该课程的教学质量是一个值得探讨的问题。朱洁、高春晓、赵芸、曲超[2-5]等人对OBE理念下数据结构课程改革进行了有益的探索，主要改革形式有在线课程建设、翻转课堂、综合计算机软件能力认证内容等。本文借鉴以上学者结合OBE教育理念进行课程改革的成功经验，针对本校应用型人才培养定位，对数据结构课程教学方案进行了重新设计，改革后的教学方案体现产出导向的教学思想，更关注学生的学习效果。

2 OBE教育理念

OBE（Outcome-Based Education）教育理念是1981年由William Spady率先提出[6]，并逐渐成为美国、欧盟等国家教育改革的主流理念，美国工程教育认证协会将其贯穿于工程教育认证标准的始终。随着2016年6月，我国加入《华盛顿协议》组织，OBE成为我国工程教育认证体系的核心理念。这一理念关注：学生的学习成果是什么（学习目标）、为什么是这些成果（设计依据）、如何有效地帮助他们取得这些学习成果（教学设计）、如何知道学生已经取得了预定的学习成果（学习评价）以及为了达到预定的学习成果需要不断改进教学过程（持续改进）。显然，在这样的理念指导下，以学科知识体系为核心的课程组织模式已经不能适应新工科背景下的工程教育，应该转向以学习效果为目标驱动的模式。该模式强调反向设计[7]，即首先要准确定义需求，然后由需求确定培养目标，再由培养目标确定毕业要求，最后由毕业要求决定课程体系。同理，课程设计也需要遵循反向设计原则，归纳其设计路线如下：首先课程学习目标的确定需支撑毕业要求的达成，然后倒推课程学习目标需要哪些教学内容作为依托，接着为了让学生掌握这些内容，需要进行怎样的教学设计，最后针对教学设计的效果进行评判，即设计能够客观反映学生学习成果的课程评价方式。

3 基于OBE的数据结构教学设计

3.1 学习目标

我校属于应用型本科院校，计算机类专业实行大类招生，下设计算机科学与技术、软件工程、数据科学与大数据技术等三个专业。专业大类的培养目标是学生具有良好的道德与修养，遵守法律法规，具有社会和环境意识，掌握数学与自然科学基础知识以及计算系统相关的基本理论、基本知识、基本技能和基本方法，具备包括计算思维在内的科学思维能力，能清晰表达，在团队中有效发挥作用，综合素质良好，能通过继续教育或其他的终身学习途径拓展自己的能力，了解和紧跟学科专业发展，在计算系统设计、开发、部署与应用等相关领域具有就业竞争力，能够立足于广西面向珠三角区域，成为高素质应用型技术人才。结合计算机类专业的培养目标，进一步明确如下学生毕业要求。

GR1：知识要求

GR1.1：掌握基本的人文和社会科学知识;

GR1.2：掌握从事计算机类专业工作所需的数学和其他相关的自然科学、系统科学知识;

GR1.3：理解计算学科的基本概念、知识结构、典型方法，建立数字化、算法、模块化与层次化等核心专业意识;

GR1.4：掌握计算学科的基本思维方法和研究方法;

GR1.5： 了解与计算机类专业相关的职业和行业的重要法律法规及方针政策，理解工程技术与信息技术应用相关的伦理基本要求，在系统设计过程中能够综合考虑经济、环境、法律、安全、健康、伦理等制约因素;

GR1.6：了解计算学科的发展现状和趋势。

GR2：能力要求

GR2.1：具有运用辩证唯物主义的基本观点及方法认知、分析和解决问题的能力，能够综合运用所掌握的知识、方法和技术解决实际问题;

GR2.2： 具有组织管理能力、表达能力、独立工作能力、人际交往能力和团队合作能力;

GR2.3：具有终身学习意识，能够运用现代信息技术获取相关信息和新技术、新知识，持续提高自己的能力;

GR2.4：具有创新意识，并能够对技术和产品进行初步创新;

GR2.5：具有初步的外语应用能力，能阅读本专业的外文材料，熟悉本专业国内外现状和发展趋势，具有国际视野和跨文化交流、竞争与合作能力。

GR3：素质要求

GR3.1：具有人文社会科学素养、职业道德和心理素质，社会责任感强;

GR3.2：具备健康的体魄、良好的身体及心理素质，具有正确的世界观、人生观与价值观。

我校计算机类专业实行大类招生，前1.5年所开设的课程相同，在培养方案中，数据结构课程在一年级第二学期开设，包括51个理论课时和34个实验课时。根据OBE反向设计原则，该课程需要对学生培养起到支撑作用，结合我校的专业培养目标和毕业要求定义如下课程学习目标。

LO1：理解数据结构和算法基本概念和基础知识;

LO2：掌握算法的时间复杂度和空间复杂度分析方法，具备算法的时间复杂度和空间复杂度分析能力;

LO3：掌握线性表、栈、队列、树、图、查找和排序等基本数据结构及其相关算法的设计， 理解递归、贪心、分治等程序设计方法;

LO4：掌握从逻辑结构、存储结构到基本运算算法设计的流程，能够编写程序实现相关的算法;

LO5：初步了解线性表、栈、队列、树、图和排序的相关算法的应用;

LO6：具备个人工作和團队协作的能力;

LO7：能够进行自主学习，运用不同数据结构和算法提高解决问题的效率。

OBE教育理念更关注学生学什么，学会了多少。不同于传统以学科知识体系为核心设计课程教学目标，我们需要设计的是课程学习目标。而学习目标需要与专业的毕业要求相关联，表1是课程能力支撑矩阵，给出了课程目标与毕业要求的映射关系，它们之间是一一对应关系，如课程目标LO2支撑着毕业要求GR1.2的达成，LO1支撑着毕业要求GR1.3的达成。

3.2 教学内容

对于应用型本科院校，课程学习更应该突出实践能力和工程能力的培养，学生的动手能力定位要高于研究型本科院校。于是，我们设计了一个以项目为载体的工程化教学框架（表2），将与达成学习目标相关的学科知识融入其中。

在上述重构的教学内容框架中，项目难度分为初级和高级。初级项目是必须完成的任务，否则实验成绩记不合格，而高级项目是选做项目，项目组可根据小组情况决定是否完成该任务。一个项目组由3～5名学生组成，项目需要通过团队协作的方式完成任务。项目开展过程中，教师全程参与，一方面以项目为载体讲授内容，把两大技术（排序和查找）和五种数据结构及其算法内化在整个教学过程中，另一方面录制项目代码视频，便于学生能够“手把手”地完成初级项目，但高级项目仅提供部分视频，即在教师部分“放开手”的情况下，学生尝试独立完成项目。这种任务明确，情境真实的教学内容框架设计既能培养学生解决复杂工程问题的能力，又能保证学习的趣味性和成就感，从而增强学生学习的主动性。

3.3 教学实施

在教学实践过程中，我们关注的核心问题是：如何让学生达到预定的学习目标。进一步分解，就需要回答怎么做才能保证每个学习小目标的达成。我们采取的做法大致如图1所示。首先以周为单位下发学习任务单，接着学生根据学习任务单学习、参与教学活动，教学活动结束后，学生需要对自己的学习效果做出评价以及参与阶段性测试，最后结合学生的主观评价和客观测试情况对教学过程进行必要的调整，以达到持续改进的目的。

学习任务单是每周学习的向导，当中列出一周内需要完成的各项任务，并且明确每个任务必须完成的时间节点。这种依照任务单开展学习的方式，能够量化学习目标，让学生更明确某段时间内需要学习的知识。同时，任务单也是学生对自己学习成效主观判断的依据，即学生可以根据任务清单，对各项任务的完成度和完成效果进行判断，一方面梳理知识框架，另一方面提醒自己还有哪些不足之处。

在任务的设计上，我们将任务划分为“3+2”的形式： “3”是课前、课中和课后三个阶段，“2”是线上、线下两种形式。具体的教学实施主要依托线上线下混合式教学和基于Online Judge的实践教学。

（1）线上线下混合式教学

数据结构课程存在抽象、术语多、理解难度大等特点，学生学习有一定的难度。我们将陈述性知识以SPOC形式发布供学生课前学习和课后复习，课上通过教学平台发布互动答题对学习效果进行检测。SPOC依托微课呈现知识打破时间和空间的限制，使得学生可以根据自身的学习情况，进行个性化学习。对于程序性知识，则开展以项目为载体的线下课堂教学。在作业的设计方面，我们采取小组作业和个人作业相结合的形式。小组作业要求线下合作讨论开展项目并完成实验报告，而个人作业是线上基于Online Judge（简称OJ）平台开展的编程作业。

（2）基于OJ的实践教学

OJ是指在线的判题系统，它支持源代码程序的在线提交，对源代码可以进行编译和执行，并能通过预先设计的测试数据对源代码程序进行自动评测。这种方式不仅极大减轻了教师批改程序类作业的负担，还做到了对学习过程的实时反馈。OBE教育理念更关注学生的学习效果，基于OJ布置编程作业，能够对学生的编程过程做出反馈，这样未通过的学生可针对反馈信息进行反复训练，直到通过为止。此外，系统后台提供代码查重、数据监测等功能，便于我们使用信息化手段对学生的学习过程进行有效监督。

3.4 评价方法

基于OBE理念的教学始终围绕着学生的学习效果展开设计和实施。传统以知识记忆为主、期末一次考核的方式不适合衡量学生学习目标的达成度。因此，我们需要针对上述课程实施过程，设计一种新的评价方法，多角度、全方位地检验学生的学习效果。定义如下表3所示的评价方法。

考核成绩由原来期末一个总体的评价划分为三个阶段，且同时兼顾线上和线下学习效果检测。SPOC成绩是课前观看完视频，参与话题讨论的得分;阶段测试是针对概述、线性结构、树、图等知识学习效果的测试，允许学生反复测试，直到通过为止;期末测试类似于传统考核的期末考试，是对所有知識的综合测评;针对SPOC学习效果的检测通过互动答题体现。根据专业应用型人才培养的需求，需要突出工程实践能力，我们将实验设置为单独考核。在实验考核的成绩构成上，小组实验报告主要评价团队沟通和协作能力;对于个人编程能力的评价，分为OJ闭卷测试和OJ开卷测试，闭卷测试是针对线性结构、排序和查找等基础内容的测试，可迭代测评;OJ开卷测试类似于期末实验考试的机试。

4 结语

新工科建设是国家主动应对新科技革命与产业变革在教育上的战略行动，高等院校工科类专业教育教学改革应紧紧围绕这一行动展开。数据结构作为计算机类专业的一门核心基础课，在新形势下传统的教学模式已经无法取得良好的教学效果。因此，我们基于OBE教育理念对课程进行改革，改革采用反向设计原则，从专业人才培养和毕业要求倒推课程学习目标，构建课程能力支撑矩阵，重构教学内容，实施以学习效果为中心的教学设计，提出突出过程、迭代式的评价方式。后续，我们需要对改革效果进行更详尽的分析，探索更多有效的教学设计，对教学过程进行持续改进，以帮助学生学习目标的达成。

参考文献：

[1] 教育部办公厅. 教育部办公厅关于公布首批“新工科”研究与实践项目的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201803/t20180329_331767.html.

[2] 朱洁，王海艳，黄海平，等.基于OBE的数据结构教学改革实践[J].计算机教育， 2019，10（10）：95-98.

[3] 高春晓，许晟华. 基于学习结果的工程教育模式在数据结构课程中的应用与实践[J]. 计算机教育， 2019，10 （10）：42-44.

[4] 赵芸，徐兴. 基于翻转课堂和OBE的算法与数据结构教学新模式 [J]. 浙江科技学院学报，2020（1）：76-80.

[5] 曲超，陶铭，卢安，等. OBE 模式下基于CSP 的数据结构课程教学方法研究[J]. 东莞理工学院学报，2019 （5）：121-126.

[6] Spady， W. Choosing Outcomes of Significance[J].Educational Leadership.1994 （51） 6： 18-22.

[7] 李志义. 成果导向的教学设计[J].中国大学教学，2015（3）：32-39.

[8] 刘强. 基于OBE 理念的“软件工程”课程重塑[J].中国大学教学，2018（10）：25-31.

[9] 邱劲，王平. 以项目为导向的数据结构课程改革与实践探索[J]. 西南师范大学学报（自然科学版），2019（9）：167-172.

[10] 吴际，孙青，荣文戈，等. 基于OBE 理念的“软件工程”课程重塑[J].中国大学教学，2018（10）：37-43.

[11] 王永泉，胡改玲，段玉岗，等. 产出导向的课程教学：设计、实施与评价[J]. 高等工程教育研究，2019（3）：62-75.

[12] 戴成秋. 数据结构课程混合式教学实践与评估[J].计算机教育，2019，1（1）：80-83.

【通联编辑：王力】