新工科背景下《数据结构》课程实验教学改革探索

李鹏 闵慧 丁长松

摘要： 为了应对新工科环境下计算机专业人才培养的挑战，文中以《数据结构》课程为例，探索了《数据结构》课程的实验教学改革方案。在分析该课程现有实验教学方案不足的基础上，提出了“项目驱动、线上线下、过程互动、创新培养”四位一体的实验教学新模式，将该模式运用到《数据结构》课程实验教学的全过程，有效地解决了理论教学与实践教学脱节的问题，提升了教学效果和学生解决实际工程问题的能力，可为其他专业课的实验教学改革提供有价值的参考。

关键词： 新工科;数据结构;实验教学;改革

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）22-0132-02

在计算机发展的初期，使用计算机的主要目的是解决数值计算问题。随着计算机软、硬件的不断发展，计算机的应用领域不断地被拓展，非数值计算问题已经占到了计算机所要解决问题的90%以上。解决这类问题的关键是对问题中所涉及的数据以及数据之间的关系加以正确的表示和存储，进而能设计出合适的算法以高效地解决问题。而《数据结构》正是研究非数值计算问题中所出现的计算机操作对象以及它们之间的关系和操作的学科，时至今日，《数据结构》已经成为全国所有高校计算机相关专业的一门核心专业课。数据结构的知识也是后续学习其他专业课程（例如，计算机网络、数据库原理和操作系统等） 的重要基础。通过学习《数据结构》课程，可以使学生了解计算处理对象的特性，将实际问题所涉及的对象在计算机中表示出来并加以处理，同时通过算法训练来提高学生的逻辑思维能力，促进学生综合应用能力的提升。

新工科[1]是新时代工程教育改革的新方向。高等院校中的工程类教育作为培养新工科人才的关键环节，对于推动技术革新、引领科技发展具有重要的作用[2]。因此，在《数据结构》课程的教学中，我们应该考虑新工科背景下计算机专业人才培养所面临的新挑战，重视教学思维和教学方法的研究，特别是对于这样一门注重培养学生实践能力的专业课程，积极推动《数据结构》课程的实验教学改革十分必要，以顺应新工科环境下对于信息类人才的需求，着力培养出思维敏捷、逻辑清晰、极具创造性和先进性的高素质人才[3-5]。

1 数据结构实验教学存在的问题

数据结构作为一门理论与实践性都很强的专业课，传统的实验教学方法存在着较多不足，概括起来包括以下四个方面[6-8]：

（1）教学方式不合理。现有的实验教学方法大多是一种“作业式”的教学模式，主要由教师根据当前的理论课教学进度来给学生布置上机的作业，例如，在学习基本线性结构这一章节，上机作业可以布置为：用C语言来实现单链表的建立、插入、删除和查找等操作。这种模式过于教条化，限制了学生的创造性思维，上机期间，学生只需按照书中给出的算法伪代码实现一遍即可，得到锻炼的程度远远不够，也无法激发学生的热情和主观能动性。

（2）学时设置不合理。以湖南中医药大学信息科学与工程学院为例，数据结构的开课时间是在大一的第二学期，共计64学时。其中理论教学占了48个学时，实验教学只有16个学时，严重不足。考虑到数据结构课程具有知识点多而杂、抽象、部分内容难度大等特点，这样的学时设置过于侧重理论教学，忽略了对学生动手能力的指导，明显不符合新工科背景下对于计算机专业人才培养的要求。

（3）教学过程呆板。现有的实验教学过程完全依赖于教师的主观意愿，教师怎么布置，学生就怎么做，缺乏有效的师生互动，不利于综合人才的培养。此外，当前虽然有诸多的在线教学平台（例如：超星学习通、腾讯课堂、雨课堂等） ，但大多只能用于理论课教学，如何真正地将这些线上平台融入实验教学中去，以丰富实验教学过程还存在诸多困难。

（4）考核模式单一。现有的实验教学考核模式主要关注学生提交上来的实验报告，教师根据学生的实验报告内容来对学生成绩做出不同的评价。这种模式过于强调结果而无法评价学生解决实际问题的能力。此外，数据结构的实验大多是算法实践题，而现有的教学机制还很难对所有学生的实验过程和报告结果进行重复性检测，因此实验报告成绩是否能真实地反映学生的真实水平还值得商榷[9]。

2 数据结构实验教学改革

为了弥补数据结构课程实验教学的不足，我们在分析该课程现状的基础上，提出了“项目驱动、线上线下、过程互动、创新培养”四位一体的实验教学新模式，如图1所示。

2.1 基于项目驱动的启发式实验教学

基于项目驱动的启发式实验教学如图2所示。数据结构的实验教学应该以解决实际应用问题为目标，教师应该将实际问题和数据结构中的知识点联系起来，以项目思维为导向，对上机的实验题目进行多样化设计，结合班上同学的实际情况对学生进行项目分组，以小组为单位开展项目实践，通过完成一个一个的项目来带动学生理解书中理论知识，并学会灵活运用这些知识，从而不断提高学生理论联系实践的能力，消除算法设计思路和代码实现之间的鸿沟。例如，栈的应用通过要求学生求解迷宫问题来进行实现;多个村庄之间铺设通信电缆的成本费用问题要求学生利用最小生成树来进行实现等。

2.2 线上和线下的混合式实验教学

为了解决现有的数据结构课程实验教学课时短缺这一问题，我们拟采用线上和线下的混合式教学方法来对整个课程的实验教学环节进行优化，以突破实验教学课时的现有时空约束。例如，就线下实验教学部分而言，在有限的课时内，教师依托实验室提供的硬件资源来搭载数据结构的实践环境，并开展实验内容讲解和重要部分的代码演示，同时借鉴“同伴教学法[10]”和“以赛促学法[11]”的理念来引导学生，提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

就线上实验教学部分而言，可以采用本院自己设计和上线的湖南中医药大学OJ（Online Judge）系统来开展实验教学。OJ系统是一个在线的判题系统，教师可以在系统的后台发布实验任务，学生通过在线提交程序源代码来完成實验任务，系统对源代码进行编译和执行，并通过预先设计的测试数据来检验程序源代码的正确性。此外，还可以采用腾讯课堂、超星学习通等平台来深化实验教学的细节，例如，主动生成实验教学回放记录，使得学生可以随时对实验教学过程中出现的重点难点问题进行反复观看和揣摩，从而提升实验教学质量。

2.3 面向过程的互动式实验教学

相比于理论教学而言，实验教学更需要师生间的互动。特别就《数据结构》课程的特点而言，如果在实验教学过程中师生之间缺乏有效的交流和沟通，教学效果必然不理想。鉴于此，我们有必要展开面向过程的互动式实验教学。具体而言，教师可以从某一实际应用问题入手来引导学生切入实验教学内容，并采用一定激励手段来鼓励学生独立地设计问题解决方案，通过翻转课堂模式开展学生之间或师生之间的反复讨论，使得学生对于整个实验过程有深刻的理解，具有强烈的参与感，从而对实验课产生浓厚的兴趣。

此外，教师还可以采用腾讯课堂、超星学习通等平台来展开广泛的实验教学互动（如抢答、签到、评论区发言讨论等），主动生成回放记录，使得学生可以对实验教学过程中的重点难点问题反复进行观看，提升教学质量。最后，教师还可以根据线上平台提供的实验教学历史记录进行大数据分析，进一步优化互动式实验教学的细节，以达到因材施教的目的。

2.4 面向创新培养的实验教学评价

实验教学评价对于人才培养具有重要的指导意义，应该以学生为中心，以是否有利于提升学生的创新意识和创新能力为基本准则。为此，评价方法主要有：（1）多元化评价。实验报告是学生完成实验的主要依据。教师在评价学生完成的实验质量时，不应该仅仅关注代码是否已经实现、系统功能是否完善等细节，也应该从多元化的角度看待学生是否形成了自己的逻辑思路、是否打破了传统方法的界限而提出了新颖的问题解决方案等，避免结果评价的片面化。（2）阶段化过程考核。主要是指学生在实验过程中的参与度、兴趣度、实验完成度和出勤率等，通过阶段化考查学生的日常表现来评价实验教学的效果。（3）学生之间自评、互评。教师可以提高学生的创新意识和创新能力为目标，有目的地设计出调查问卷，然后要求每个学生对其在整个实验过程中的自我表现进行评价。此外，教师还可以在学生之间相互发放调查问卷或采用访谈的方式来了解不同学生的实验具体情况，要求每个学生真实地反馈和评价其他学生的整体表现，从而完成对实验教学质量的总体评价。

3 实验教学改革成效

《数据结构》课程面向本院的计算机科学与技术、医学信息工程和信息管理和信息系统等三个专业进行开设，我们随机选择了其中的200名本科生作为研究对象，对文中提出的实验教学改革方案进行了教学满意度的综合调查，调查结果如下表1所示。

从表1可以明显看到，有89%的学生对于自己的理论知识掌握情况感到满意;有84%的学生认为确实提升了自己的编程能力;有76%的学生则认为有助于锻炼自己解决实际问题的能力;最后，有96.5%的学生都对改革后的实验教学方案感到满意。

4 结束语

为了充分适应新工科背景下计算机人才培养的需要，探索了《数据结构》课程实验教学改革方案。该方案主要采用了基于项目驱动的启发式教学、线上和线下的混合式实验教学、面向过程的互动式实验教学和面向创新培养的实验教学评价等四位一体的新模式，教学反馈结果良好，学生接受程度高，便于实现，可以为其他高校的工科类课程改革提供有意义的参考。

参考文献：

[1] 李学鹏，范金波，励建荣，等.地方高校食品专业“五位一体”新工科卓越人才培养体系的构建与实践[J].中国食品学报，2021，21（11）：417-425.

[2] 赵晓霞，王卫东，蒋琦玮，等.新工科视角下土木工程核心能力实践教育体系建设[J].高等工程教育研究，2020（1）：31-36.

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[10] 芦慧，王慧虹，孙仁娟，等.同伴教学法在内科護理教学的应用[J].护理学杂志，2017，32（23）：70-72.

[11] 刘世红.以赛促学法在高职高专针灸学教学中的实践[J].中医教育，2012，31（3）：76-77.

【通联编辑：王力】