留学生“数据结构及算法”课程教学模式探究

刘 影，岳 静，杨先凤

（西南石油大学 计算机科学学院，四川 成都 610500）

引言

教育为国家富强、民族繁荣、人民幸福之本。随着我国综合实力和经济实力的进一步提升，我国高等教育国际化进程加速，来华留学生规模逐年增长。2021年留学生数量突破44万，中国成为亚洲最大留学目的国。特别是我国从2013年提出“一带一路”倡议以来，在人文交流先行思想指导下，我国与“一带一路”国家加强教育合作、扩大人文交流、共同培养人才，为区域发展提供支撑。在此背景下，“一带一路”沿线国家来华留学生数量急剧增加，结构和层次不断提升。来华留学生打破以汉语学习为主的格局，理、工、农、医类学科留学生比例分布更加合理。《国家中长期教育改革和发展纲要（2010—2020）》提出“进一步扩大留学生规模”“优化来华留学生人员结构”“提高来华留学生教育质量”，为中国高校国际化发展指明了方向。留学生规模和培养质量在一定程度上反映了高等学校的教育水平。在国务院颁布的《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》中提出“营造良好的国际化教学和科研环境，增强对外籍优秀教师和高水平留学生的吸引力”。留学生培养成为“双一流”大学建设的组成部分和建设成效的重要衡量指标，提升留学生教育质量是培养知华友华的国际各领域优秀人才的主要途径。

西南石油大学计算机科学学院现有计算机科学与技术、软件工程专业本科、硕士留学生近100人，主要来自孟加拉国、印度尼西亚、马来西亚等亚非国家。自2019年开始，作者对计算机科学学院本科留学生开展了连续三年的全英文“数据结构及算法”课程教学工作，累积授课学时超过190学时，听课学生70余人。由于留学生的学科基础、文化背景、学习方式和习惯、求学目的与中国学生均有明显差异，作者深刻感受到必须针对留学生课程进行建设与教学模式改革，以培养适应国际化需求的计算机专业技术人才。

二、“数据结构及算法”留学生课程概况

“数据结构及算法”课程是计算机大类专业留学生的核心基础课，总学时为64学时。该课程理论和实践性强、内容丰富且抽象。通过该课程的学习，使学生掌握基本的数据结构及算法，熟悉算法复杂性分析，培养学生对问题的抽象和建模能力，为学生分析和解决计算机科学与技术领域的复杂工程问题奠定良好的基础。本课程的学习效果直接影响到学生后续课程学习的积极性和信心，也影响着学生对抽象建模和程序设计能力的培养。

根据教育部颁布的《来华留学生高等教育质量规范》，来华留学生在学科专业上的培养目标和毕业要求与所在学校和专业的中国学生一致。西南石油大学计算机大类专业“数据结构及算法”课程的授课目标是：“使学生理解数据结构的基本概念、计算机内部数据对象的表示和特性，掌握数据的逻辑结构、存储结构以及各种基本操作的实现，能够针对实际问题选择合适的数据结构，并设计出结构清晰、正确易读、复杂性较优的算法；能够综合运用所学的数据结构知识、算法分析与设计知识解决较复杂的实际工程问题；掌握对算法进行时间、空间复杂性分析的基本技能”。

三、留学生课程体验中的主要问题

北京师范大学一项针对来华留学生全英文授课项目的就读体验调查表明，留学生对教学质量基本感到满意，但对课程教学主要有以下意见：开课前教师提供详细课程计划的现象非常少见，学生不知道课程进程安排；在教学深度上，教师对思想的启迪有所欠缺，按照PPT照本宣科的现象比较普遍，不能促发学生思考，没有认知上的进一步拓展；教师对留学生要求标准较低且不严格。这一调查结果在一定程度上反映了其他高校留学生教学中的问题。课程是教学活动的主要载体，学生对课程内容、形式及质量的评价将影响其留学的整体体验。

四、任务驱动型教学模式

传统的课堂讲授为主的授课方式以知识为导向、教师为主体，学生被动接受教师的知识灌输，对学生自主学习、独立思考和解决问题能力的培养明显不足。特别是留学生在语言交流上不够顺畅，教师讲授为主的授课方式更加难以吸引学生参与课堂教学。

针对留学生的课程体验反馈和传统课堂教学模式的不足，我们采用任务驱动型教学模式，开展以学生为主体、以问题为导向、以综合案例贯穿零散知识点的授课模式实施教学改革。通过提出具体的分阶段任务，要求学生独立完成一系列子任务，最终实现课程目标。任务驱动方式能够调动学生主动探索式学习的积极性，学生对课程参与度的提升直接导致教学质量的提升。

（一）任务案例的设计思路

任务驱动型教学方法要求学生完成一系列子任务，最终实现一个完整的综合任务。实现任务案例需要灵活运用课程覆盖的全部主要知识点，打破以往线性表、树、图、查找与排序、算法复杂度分析等知识点零散应用的方式，采用一个相对独立、完整、复杂的案例贯穿主要知识点。任务案例的设计是任务驱动型教学模式的关键，案例可在课程实施过程中根据本学科发展和教师的科研项目进行动态调整，但必须能体现课程学习的达成度。

（二）基于新冠疫情防控研究的案例设计举例

这里我们以基于新冠疫情防控研究的案例为例，说明任务驱动型课程的教学设计和实施过程。新冠病毒引发的流行病在世界范围内暴发，给人类的生产、生活造成极大的影响。世界各国在应对疫情过程中付出了巨大的经济代价，流行病的传播与控制是人类共同关注的话题。我们以新冠疫情防控为背景，提出“构建人类接触传播网络并识别网络中最具影响力的传播源”这一问题作为课程任务案例。为解决该问题，需要应用“数据结构及算法”课程主要知识点，包含线性表、堆栈、队列、树、图、查找和排序等，实现对人类接触网络的构建、感染个体的加入与删除、最具影响力的传播源的识别与排序等。为了实现“新冠疫情中最有影响力的传播源识别”这一任务，围绕线性结构、树形结构、图结构、查找与排序等核心知识点，我们设计若干几个子任务：（1）个体数据的采集及存储；（2）人类接触网络的构建及分析；（3）网络社区检测；（4）网络节点中心性的计算；（5）最有影响力的传播源识别。

解决上子任务涉及知识点包括线性结构的存储及运算算法、图结构的存储及运算算法、树结构的存储及运算算法、查找和排序算法这五大核心知识模块。我们设计针对上述任务的子任务，各子任务与课程知识点的对应关系如表1所示。

表1 综合案例的任务分解

课程一开始就将任务下达给学生，学生可以通过网络教学资源预习相关章节，尝试实现子任务。在实现任务过程中，学生可以灵活地应用所学知识，提出创造性地解决问题的办法。这种形式有利于促发学生的主动思考。

五、教学设计和实施

（一）教学过程设计

围绕课程任务案例，将每个子任务的实现和相对应的知识点设计为一个单元，每个单元分为课前预习、课堂理论教学、课后实践、任务评价四个环节，如图1所示。

图1 教学过程阶段划分

在课前预习环节，教师向学生提供本单元学习指导。学习指导主要包括如下部分：应掌握的知识点、在线英文学习资源、本单元学习完成后应完成的子任务、课后作业提交方式及截止时间。计算机类课程的全英文在线资源较为丰富。如美国加州大学伯克利分校开设，内容主要包括数组、字符串、链表、堆栈、队列、树、图、压缩存储等结构及其运算算法。美国普林斯顿大学开设，内容包括最重要的数据结构及算法，特别是排序、查找、图和字符串。澳大利亚昆士兰大学开设，内容主要包括贪心算法、动态规划、分治法，基于图的算法。这些教学内容与我们课程目标点基本吻合。学生可以通过访问课程网站、在线开放课程，进行课前自主学习，在此基础上尝试实现子任务。对任务截止时间的限定使得对留学生的管理更为严格和规范。

在课堂理论教学环节，首先组织学生对预习和任务初步探索过程中遇到的困难进行讨论，找准学生学习难点。然后教师结合自身的教学经验和学生的实际情况，重点突出地对关键知识点进行讲解，并以演示形式应用在解决任务中。这一环节对教师的英文水平提出较高的要求。教师不但要讲解自己熟悉的课程内容，还要与来自不同国家、具有不同口音的留学生进行面对面的交流。这就要求教师不断锤炼自身英文授课的基本功，以便流畅地与学生进行双向交流。

在完成课堂教学之后，学生对关键知识点有了更深一步的理解。为了按时完成子任务，学生需要花费大量的课后时间结合开放学习资源进行自主学习。面对任务，学生能够发挥个人的创造性，利用所学知识分析和解决问题。例如，在实现表1中所示子任务5“网络中节点的接近中心性计算”时，学生需要自行查阅网络科学相关论文，学习“接近中心性”的计算算法。由于接近中心性需要计算最短路径，算法时间复杂度较高，学生需要选择合适的数据存储结构使得计算复杂度较低。这样在完成该任务时，锻炼了学生的科研探索能力、综合分析能力和对核心知识的应用能力，实现了主动的课后延伸。

最后，教师组织学生一起对任务完成情况进行评价。评价由任务完成报告和课堂报告两部分组成。针对任务完成报告，主要评估学生是否完成任务所要求的功能和性能。由于课程学时所限，对于每个子任务选择有代表性的1～2个同学进行汇报，教师对报告内容进行点评，对学生完成任务的情况进行反馈。与学生就任务进行及时、明确的沟通，营造开放的课堂氛围，能够保证教学活动顺利推进，带给学生更加积极的学习体验。

（二）课后延伸

在学生顺利完成课堂教学后，进一步以多种渠道鼓励学生进行课后延伸，强化对课程内容的掌握和调动学生学习的积极性。一是尝试引导学生参加ACM国际大学生程序设计比赛、大学生互联网+创新创业项目等含金量高的大赛，二是鼓励留学生加入教师科研团队，尽早展开科研训练。这样不仅可以快速积累知识和经历，还为就业或继续深造做好储备。

结语

留学生是国际交流和合作的纽带，提升来华留学生培养质量是促进我国高等教育国际化、提高国际影响力和培养知华友华的国际人才的必然要求。本文将任务驱动型教学方法引入留学生“数据结构及算法”课程教学，举例说明基于综合案例的任务驱动型教学模式。通过提出任务和解决问题导向，调动学生学习的主动性和能动性，同时利用学生的反馈信息激励教师不断地改进教学方式和教学内容，将“教”与“学”统一起来，做到教学相长，切实提高留学生课程质量。