新工科背景下基于混合式教学的数据结构课程改革研究

牛秋月 王忠义

(1.河南中医药大学信息技术学院;2.河南中医药大学信息化办公室 河南郑州 450046)

1 研究背景

新工科是在我国战略发展高需求，国际竞争形势日趋激烈的背景下，提出的未来工程教育发展的新思维、新方法。新工科坚持以立德树人作为引领方向，其建设理念为：应对变化、塑造未来，并以继承与创新、交叉与融合、协调与共享等方法作为主要实现路径，来培养多元化、创新型人才[1]。

在新工科背景下，计算机相关专业作为工程教育的一大分支备受社会和教育届人士的瞩目，数据结构作为计算机类专业的一门主干课程，也是学生日后考研考博必考的一门专业课，该课程在计算机相关专业的人才培养方案中占有重要地位。数据结构课程主要讲授日常生活中非数值计算问题中数据元素该如何组织、如何存储、如何书写算法实现，该课程是衔接数学类课程、计算机硬件类课程、计算机软件类课程这三者之间的一门核心课程[2]。但由于该课程知识体系庞大，抽象算法较多，而该门课程开设时间为大二上学期，大部分同学由于之前并没有工程实践背景，在抽象的课程内容和工程时间应用中很难建立联系。因此如何在新工科背景下，更加突出创新型、多元化、交叉融合等特点，还需在原有教学中不断探索新的教学理念和方法，提高教学效果[3]。

当下，问题驱动法[4]（简称“PBL”）与成果导向教育[5]（简称“OBE”）这两种教学理念，成为了新工科教育改革的方向。近几年，笔者在教授数据结构课程时，在教学方法上进行了一系列的尝试和创新，教学效果较佳。此次改革主要是在原有基础上引入PBL和OBE教学理念，整合线上线下资源，开展混合式教学[6]，重在培养学生解决生活中非数值计算问题的能力，突出新工科背景下多元化、创新型人才培养。

2 PBL案例教学

PBL案例教学法[7]本着以学生为中心，以问题问导向的原则，在教学过程中先以问题为核心学习课程相关知识点，然后再围绕问题设计解决方案。PBL 教学法主要按照“教师设计问题→学生自主学习相关知识点→以小组为单位展开讨论→教师总结发言”的流程来开展教学。与传统填鸭式教学不同，PBL 教学法转换了传统教学的角色，学生在自主学习及讨论过程中，能够在做中学来获取更多的知识，能最大限度地提高学生学习算法的兴趣，还可培养学生的沟通协作、创新实践等综合能力。

针对该课程中一些抽象性强，且学生不易掌握的知识点，根据PBL 教学模式特点设计问题驱动课程教学。因此，问题设计是PBL教学法的重中之重，设计问题是不仅要考虑问题是否符合课程的教学目标和要求，还有顾及问题的情境学生是否易于理解。

比如：在学习第二章节线性表时，可让学生设计一个图书信息管理系统，完成书目的增删改查等操作；再如：在学习第三章栈和队列时，可引入生活中常见的排队现象，比如停车场的管理、医院门诊的就医叫号系统等，通过这些案例的分析，可引导学生灵活运用所学知识解决实际生活中的问题。

3 基于OBE理念重构教学内容

为培养符合新工科要求的人才，数据结构课程教学应该更加突出对学生实践能力和创新能力的培养。因此，在教学内容上需根据人才培养目标做出相应改变，在原有理论性较强的内容基础上，结合算法特点，设计生活中应用较多的实际案例，达到学以致用的目的。

比如：在学习第四章串时，该章节的知识目标是让学生了解串的顺序和堆两种存储方法，掌握串的模式匹配算法。常见的模式匹配算法主要有BF 算法和KMP算法两种，如果在学习时仅给学生介绍这两种匹配算法的实现过程，学生很难理解。此时可结合这两种算法的特点和常见的应用场景，引入新冠肺炎病毒感染监测的案例，新冠肺炎病毒的监测和其他病毒监测过程相似，研究人员将人的DNA和新冠病毒的DNA都用字母表示成一个字符串序列，然后检查新冠肺炎病毒的DNA 有没有在被检测人员的DNA 序列中出现过，若出现则断定为感染新冠肺炎病毒。该案例就是使用串的模式匹配算法解决，教师在授课过程中，可先通过案例引入串这一章节的重点——串的模式匹配，然后通过案例的分析求解，介绍BF 和KMP 两种算法的特点，最后可让学生根据所学内容设计一个新冠肺炎病毒监测系统。整个教学过程下来，既让学生掌握了串的模式匹配算法，又培养了学生解决实际问题的能力。

4 混合式教学设计

数据结构混合式教学摒弃了传统课堂填鸭式教学的弊端，充分利用线上学习平台和教学资源开展混合式教学。根据前两个学年针对不同教学平台的试行情况，结合自己学习实际，拟采用课堂派作为主要教学平台，混合式教学实施过程主要分为课前预习、课堂讲授、课后评价这3个阶段，具体见图1。

图1 混合式教学实施过程

4.1 课前预习

根据此次教改的思路，课前教师会提前在课堂派发布每章节知识点的学习目标、学习资料、问题案例等教学资源，学生可在课前完成课前预习任务，并对老师发布的话题给予互动，提前做好课前各项准备工作。

4.2 课堂讲授

在课堂讲授环节，教师首先针对课前在教学平台提供的案例组织学生讨论，并寻求问题的解决思路，接着引入该节课要学习的知识点。教师通过案例的分析过程讲解章节知识点，这种案例驱动教学过程能更一步激发学生的学习兴趣。课堂讲授结束后，教师可布置设计任务，组织学生利用所学知识，设计算法实现问题案例。

4.3 课后评价

传统课堂的考核方式为：实验+作业+期末考试，这种考核方式只能静态体现出学生的成绩，达不到创新性、应用性评价的目的。引入PBL 和OBE 混合式教学之后，考核方式主要由设计任务+随堂测试+小组讨论+期末考试这4个部分组成。其中：设计任务部分主要是针对每章节的实际问题案例设计实现算法，针对完成质量和创新性评分；随堂测试主要是测验学生对教师课堂讲授的知识点的掌握程度；小组讨论则是针对课前教师提供的问题案例进行讨论，组内每个学生都要发表自己的观点，最后每组选派1～2 名代表陈述本组最后结论。

5 混合式教学特点

5.1 创设问题情境，充分体现以学生为主体

新工科强调新思维、新方式，新的教学理念应打破传统的填鸭式教学，数据结构课程内容抽象、知识点繁杂，如果在课堂讲授时教师还是仅突出知识点的讲解，学生听不懂，容易产生厌学心理。引入PBL 和OBE 之后的混合式教学，主要通过实际案例的分析引入知识点的讲解，能充分调用学生的积极性，激发学生学习兴趣。

比如：在学习该课程图相关操作时，由于图是数据结构课程中最复杂的数据类型，图相关的操作多且实现起来复杂，因此在讲解该章节算法时都会以一些经典的问题作为背景，活跃课堂氛围，激发学生的学习兴趣。例如：在学习图的最小生成树算法时，可以用接近生活的修路问题引入，把所要联通的地区看成是图中的顶点，地区之间的连线及距离看成是图中的边，如何选择最经济的修建路线就是求图的最小生成树问题。

5.2 多措并举，提高学生参与度

课前教师通过课堂派发布学习任务，还可根据知识点设置习题和讨论话题，学生在预习时可在平台上完成习题的作答和话题的讨论等活动，对有疑问的知识点可以在平台留下疑问。课堂上教师能够看到学生的疑问并进行答疑，同时，教师可根据学生课前的习题作答情况分析学生对知识点的可接受程度。此外，在教学过程中还设置了自评、互评，自评能够通过自我检查、分析而查漏补缺，互评能够促使学生互相监督、学习。

5.3 多种教学方法并用，营造良好教学氛围

鉴于数据结构课程内容抽象、不易理解，在教学过程中，教师可根据每章节内容的特点，选取不同的教学方法，比如：前文中提到的PBL 教学法，主要是通过问题案例导入知识点的教学，易于学生接受；另外，对于课程中一些抽象的算法流程，教师还可提前设计动态的图形和动画来模拟算法的实现，能将抽象的、看不见的算法显现到学生面前，加深学生理解。如图2所示，在学习直接插入算法的伪代码实现时，可通过图形展示算法的实现过程。同时，在该课程的小组讨论环节，还可使用翻转教学法，课前教师已经把学习资料等发布到在线教学平台上，学生可将在课前自主学习过程中遇到的问题可在平台上留下疑问。课堂讲授时，教师可对学生疑问较多的知识点突出重点讲解，知识讲授结束后，教师还可组织学生以小组为单位针对课前设置的问题展开讨论并设计解决方案。

图2 结合图形展示直接插入算法实现过程

5.4 建立多元化考核体系，突出形成性评价

传统的课程考核以期末笔试为主，手写实验报告册为辅，主要考核学生的应试成绩，达不到考核学生实践能力的目的。新工科强调应用型、创新型人才的培养，因此课程考核必须做出相应调整。新的课程考核将采用多元化考核体系，突出形成性评价，采用阶段测试、随堂测验、小组讨论、设计任务等多种评价方法，充分体现以学生为中心，提高学生的创新实践能力。其中阶段测试和随堂测验主要考查学生在学习过程中对知识的掌握程度；小组讨论则是教师结合知识点给出某个话题和案例，组织学生展开讨论，能促使学生主动分析问题和利用计算思维解决问题；设计任务则是结合专业特点和培养目标去设计、完成一个与所学知识点相关的项目。

6 教学效果

数据结构课程在上述混合式教学改革之后，在2021—2022学年第二学期对学院软件工程专业学生试行了一学期的混合模式教学，经对比近三学年的成绩发现，混合式教学改革之后，学生成绩有了很大的提高。当然，此次教学模式改革仅经过一学期的试行，并且样本学生较少，改革最终效果还需时间验证。近三学年数据结构课程混合式改革试行专业学生成绩分布如表1所示，成绩分析直方图对比如图3所示。

表1 近三学年数据结构课程混合式改革试行专业学生成绩分布

图3 试行改革专业学生近三年成绩对比

7 结语

该文以新工科为契机，以培养创新型、应用型人才为导向，针对数据结构课程抽象难懂的特点，引入PBL、OBE 等混合式教学理念，摒弃了传统教学的弊端，以实际案例的分析引入知识点的讲解，能够激发学生学习兴趣。另外，针对章节知识点的不同，合理选取教学方法，做到因内容而施教。同时，新的教学模式还采用多元化考核体系，更加突出形成性教学评价，力争为国家培养更多具有综合能力和创新思维的卓越工程人才。