基于线上线下融合的数据结构实验教学模式探究

王涛春　陈付龙　俞庆英　孙丽萍　郭良敏　左开中

关键词：验证性实验；综合性实验；线上线下融合；考核方案

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）14-0137-03

1 引言

数据结构是计算机类相关专业重要的基础课程。要求学生在掌握数据结构基本知识的基础上，能为实际问题选择合适的逻辑结构、存储结构和相应的算法[1]，并编程实现。实验教学是数据结构教学的重要组成部分，能够进一步加深学生对理论知识的理解，实验教学与理论教学相辅相成。此外，数据结构实验不仅是对前导程序设计课程的巩固和加强，也是后续操作系统、数据库等课程的重要基础。因此，数据结构实验教学对计算机类相关专业学生非常重要[2]，需要探究实验课程的教学效果，提高学生实践能力[3]。

数据结构课程具有知识点多和抽象性高等特点，且教材普遍采用伪代码描述算法，编程能力相对较弱学生完成实验相对困难，造成实验作业存在抄袭现象[4]。为了保证数据结构实验教学效果，本文提出了基于线上线下融合的实验教学模式，根据理论课程内容，教师设计与理论教学同步的实验内容，并利用在线评测系统通过线上方式发布给学生，学生在线完成实验试题。学生通过实验作业巩固并加强所学的理论知识，并了解自身存在的短板，教师根据学生的完成情况动态调整实验内容和进度。同时，教师通过线下方式发布与综合性实验以锻炼学生运用所学知识解决现实复杂的工程问题。在此基础上，对每个环节设置对应的考核方案，提高学生学习的积极性。

2 实验教学存在的问题

数据结构课程知识面广、理论性强和难点多等特点[5]使得部分学生将主要精力放在理论知识学习上，对于数据结构实验的兴趣和积极性不足，且普遍存在目标不明确，实验内容单一固定，考核方案不够合理等问题，具体表现如下：

1）目标不明确。数据结构实验是在程序设计课程的基础上对数据结构理论知识的验证和巩固，以及提高运用数据结构知识解决实际复杂工程问题的能力，并为操作系统和数据库等后续课程打下坚实的基础。然而，很多任课教师主要关注数据结构本身知识点，即根据理论课程内容设计相应的验证性实验内容，对提高学生运用数据结构知识解决复杂工程问题能力不够重视，为后续数据库等课程项目类实验支撑力度有待进一步提高。

2）实验内容单一固定。高校扩招使得大多数教学班人数超过60人，由于采用人工方式检查费时费力，使得教师很难实时掌握全班学生实验总体完成情况，教师只能根据历史经验设计实验内容，不能根据班级学生实验情况动态调整实验内容，实验内容单一固定。此外，学生之间理论知识掌握和实验能力差异较大，造成部分学生感觉实验题目难度和数量偏少，而另一部分同学不能按时完成教师发布的实验作业，实验内容没能充分考虑学生的差异性。

3）实验教学效果不理想。通常数据结构实验课程以某种语言为基础，按理论知识讲解并布置相应的验证性实验作业。学生根据教师讲解基本能够完成的验证性实验，但运用数据结构中的逻辑结构、物理结构和操作等理论知识解决现实复杂工程问题的能力还远远不足。同时，学生的表达、文档撰写和协作等能力培养也有待加强，实验教学效果需要进一步提高。

4）考核方案不够合理。由于现有实验内容主要为验证性实验且存在抄袭情况，学生的考核结果普遍较好，不能正确反映学生实际能力和工作量，降低了学生学习的积极性和主动性。同时，由于班级人数较多，部分教师完成依靠在线评测系统给学生评分，学生的源代码的撰写质量和表达能力等没有体现在考核方案中，考核方案不够合理，考核方案需要体现学生综合实验能力。

基于上述存在的问题，数据结构实验课程包括2 个环节：线上验证性实验环节和线下综合性实验环节。① 为了进一步巩固学生理论知识，给出与理论课程内容同步的验证性实验。同时，教师利用在线评测系统具有的实时验证和统计等功能实时掌握班级学生实验完成情况并以此动态调整实验内容。此外，将验证性实验分为必做部分和选做部分，从而满足不能层次学生的学习要求。② 为了提高学生运用数据结构知识解决复杂工程问题能力以及培养学生的计算思维能力，教师发布基于现实问题的综合性实验作业，学生在完成源代码的同时，需要撰写实验报告并进行一对一讲解，以此来培养和提高学生的综合素养。在上述2个实验环节的基础上设置合理的考核方案，调动学生的积极性，提升数据结构实验的教学效果。

3 实验教学

结合数据结构实验课程目标，设计了分层的实验教学内容，如下图所示，主要包括：① 验证性实验，巩固理论知识的学习和能力的提高，通過线上形式发布，并利用在线评测系统经常评分；② 综合性实验，培养学生运用所学知识解决实际问题的能力和思维创新能力，通过线下方式发布，并通过检查源代码、实验报告和一对一讲解及问答等进行评分。

3.1 线上实验内容

基于在线评测系统的实验内容与数据结构理论教学内容基本同步，学生通过在线评测系统实现并验证所学理论知识，并以此巩固和加强理论知识的掌握，理论联系实际，通过实验内容引导学生的学习兴趣。同时，实验内容设计要兼顾不同层次的学生，设计不同难度和数量的实验题以满足不同水平学生的需求。以学生为中心，将实验内容分为必做部分和选做部分，具体如下表所示：

3.2 线下实验内容

在数据结构实验教学过程中，为了更好地培养学生应用理论知识解决复杂的工程问题的能力，授课教师根据逻辑结构类型凝练几组复杂的实验内容并发布。同时，为了同时培养学生的文档撰写能力，学生在完成相关问题代码开发的基础上完成实验报告等相关文档的撰写。综合性实验内容如表3所示。

此外，综合实验要求每位学生对完成的源代码和相关文档进行讲解，且设置了问答环节，不仅培养学生的表达能力，还使得教师更直观准确了解每位同学的学习情况，同时该环节能大大降低学生的抄袭现象。

4 考核方案

合理的考核方案是数据结构实验教学重要的组成部分，也是调动学生积极主动完成实验操作的关键因素。除了考勤等常规考核以外，还包括线上验证性实验环节考核和线下综合性实验环节。

1）验证性实验环节

教师在完成数据结构理论内容教学之后通过线上发布同步的验证性实验为主的题目，由于不同学生的理论内容掌握情况不同，且实验能力差距较大，如果教师发布固定的实验作业，可能出现下面情况：学习成绩好的同学感觉题目数量和难度不够，达不到进一步提升的效果；学习成绩相对落后的同学很难在规定的时间内完成实验作业，甚至出现抄袭情况。同时，人工批改实验作业很难及时发现上述情况并，也就不能及时调整实验内容，降低了学生学习的积极性，不能完全达到实验教学的目的。针对上述情况，数据结构实验课程的验证性实验环节通过线上的方式发布给学生，利用在线评测系统的实时评测和统计功能让教师能够实时掌握学生的完成情况，同时，教师发布的实验作业包括必做部分和选做部分来满足不同学习情况的同学。此外，利用在线评测系统的查重功能以及提交时间、代码长度等相关信息能够部分解决学生作业抄袭情况。每次实验作业评分包括完成度（70%）+完成时间（15%）+其他（15%），再通过加权平均得到该环节的得分。

2）綜合性实验环节

综合性实验主要考查学生运用所学的数据结构理论知识解决复杂的工程问题的能力，包括数据结构的逻辑结构、物理结构和相关操作，并对解决方案进行时空性能的分析。为了保证综合实验成绩的公平性，以及进一步提升学生学习的积极性，锻炼学生的表达能力等。综合性实验环节，学生在提交源代码和实验报告等文档的基础上，每位学生还需要进行源代码解释和功能展示，在此过程中，教师随机提问，学生给予解答。最终，教师分别给每个部分进行打分，再按比例计算出每位同学的综合实验环节得分，具体为实验报告（25%）+源代码质量（15%）+讲解及问题回答（30%）+功能实现及性能（30%），教师再通过加权平均得到该环节的得分。

3）课程综合考核

验证性实验和综合性实验的考核模式的目标能够兼顾到各个层次的学生，巩固数据结构理论知识，提升解决复杂问题的实践能力，以及语言表达、文档撰写和自主学习等综合能力。教师对每个环节进行多次评价，最终给出综合考核成绩，具体为平时表现（10%）+验证性实验环节（50%）+综合性实验环节（45%）。

5 结束语

数据结构课程是计算机类专业核心课程，数据结构实验是数据结构课程的必要环节，是近年来计算机类教育教学关注的重点。为了数据结构实验满足各个层次学生的实验需求，通过线上验证性实验和线下综合性实验相结合的教学和考核模式是对数据结构实验教学改革的一次有意义的尝试。线上验证性实验必做部分和选做部分能够满足不同层次的学生的基本知识巩固需求，提升学生学习的积极性和主动性。同时，OJ的自动评分使得教师能够及时掌握每道题的学生完成情况，并根据结果进行相应的针对性调整。线下综合实验能够培养学生运用数据结构理论知识解决实际复杂工程问题的能力，为后续课程打下坚实基础。