基于工程教育认证与STEAM教育的数据结构实践教学探索

摘要：本文从工程教育认证与STEAM教育的视角出发，对目前数据结构实践教学存在的问题进行深入分析，并通过整合工程教育认证的核心要求，融入STEAM教育的跨学科理念，提出基于案例驱动的启发式教学、学生为中心的分享研讨式教学和注重多元融合的教学评价体系的教学改革思路，旨在优化数据结构实践教学，提升学生的实践能力和跨学科素养。该教学思路不仅为数据结构实验教学的改革提供了有益参考，而且为培养符合现代工程教育需求的高素质人才奠定了基础。

关键词：工程教育认证；STEAM教育；数据结构；实践教学改革

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2024）16-0109-04

引言

自教育部2017年2月发布《关于开展新工科研究与实践的通知》后，高校正式启动了“新工科”建设。[1-2]随着计算机相关学科成为新工科的核心专业，计算机专业复合型人才的培养变得更加迫切。数据结构是计算机相关专业的核心课程，其实验教学在提升学生的实践能力与创新思维上发挥着举足轻重的作用。随着工程教育认证的不断推进，将工程教育认证与STEAM教育理念相结合，对数据结构实验教学进行改革，具有重要的现实意义和应用价值。在数据结构领域，也有学者开始探索将STEAM教育理念应用于实验教学中，通过设计综合性实验项目、引入跨学科内容等方式，尝试打破传统实验教学的局限，培养学生的实践能力和创新思维。然而，目前这一领域的研究仍处于起步阶段，需要进一步深入研究和探索。

数据结构实践教学现状

1.学生在学习中存在的问题

基础知识掌握不扎实：部分学生在进入数据结构课程前，对先修课程如编程语言、算法逻辑等知识掌握不够牢固，导致在学习数据结构时有畏难心理。

实践动手能力不足：数据结构课程强调理论与实践的结合，但学生课程实践参与不够，大部分学生更偏向于理论学习，对编程实现和算法设计缺乏兴趣，导致实践动手能力不足。

缺乏主动学习意识：由于课程在理论上比较抽象，实践操作要求又比较高，部分学生在面对复杂的数据结构和算法时，出现畏难心理，不积极寻找解决问题方案，而是选择逃避，缺乏主动克服困难的积极心理。

2.教师在教学中存在的问题

教学方法单一：部分教师在教学方式和手段上仍然采用传统的灌输式教学，在实践教学过程中，仍以教师演示过程为主，只让学生将实验项目重复实践一遍，这种教学方式限制了学生的探索和创新能力的培养，导致学生在学习的过程中逐渐失去兴趣和主动性。

项目设计不合理，缺乏跨学科融合：数据结构作为计算机科学的核心课程，与其他学科领域有着密切的联系，在实践教学中，项目的设计至关重要。然而，现有的实验教学过于注重验证性实验， 设计性、综合性、创新性实验项目相对较少，限制了学生的视野和创新能力。

反馈与指导不足，课程评价方式单一：在实践教学过程中，部分教师不能对学生提交的项目设计进行及时反馈和指导，导致学生无法及时了解自己的不足并进行改进。

工程教育认证与STEAM教育理念的融合

“以学生为中心、成果导向、持续改进”是工程教育认证的核心理念。以产出为导向培养工科人才才能适应社会复合型人才需求，因此要打破传统的以学科为导向的人才培养模式，转为以能力提升为主的多学科融合的人才培养模式，才能满足社会经济发展的需要。STEAM教育则注重科学、技术、工程、艺术和数学的跨学科融合，培养学生的创新能力和综合素养，其核心理念在于跨学科思维，强调从做中学，注重培养学生在解决实际问题过程中对多学科知识的综合应用能力，这与工程教育认证所强调的解决复杂工程问题的能力不谋而合。[3-4]因此，笔者提出要以工程教育认证为目标和指导，将STEAM教育理念作为具体实现途径，通过改进实践教学模式，进一步提高学生的高阶思维能力，打破传统的以教师为主导的教学模式，树立起“以学生为中心”的理念，在实践教学和训练过程中，充分发挥学生的主体性和创造性。

数据结构实践教学模式改革

笔者基于数据结构在教学过程中存在的问题，在工程教育认证的框架下，依据STEAM教育理念，设计了如下的教学模式：

依据工程教育认证所赋予的课程地位及其支撑作用，分析毕业时学生应达成的各项目标，并在此基础上制订针对性的课程目标。

在明确教学目标的基础上，进一步设定相应的教学内容。主要以实际生活中的问题为起点，深入展现复杂的工程问题，旨在通过以问题为核心的教学方法，实现数学、科学、工程知识的有机融合。构建以实践项目为单元的课程体系，以进一步增强学生的实践能力和跨学科素养。

针对各个教学环节展开全面评估，并紧密结合工程教育持续改进的核心理念，不断引导教学目标和教学内容的改革，满足社会和行业的不断发展需求。具体框架如下图所示。

1.基于工程教育认证设计课程目标

在工程教育认证中，课程目标要围绕“以学生为中心、产出导向、持续改进”进行设计，才能够准确有效地支撑毕业要求达成。

在知识目标上，要求学生深入理解并掌握数据结构的基本概念、原理和应用，掌握算法设计的基本方法和步骤，了解如何对算法进行优化和评估。

在能力目标方面，要注重培养学生的实践能力、创新思维，以及解决复杂工程问题的能力。因此在教学过程中，教师要激发学生主动学习的能动性，在项目实践训练中，项目内容应紧扣工程教育认证中解决复杂工程问题和综合性问题的要求进行设计，将多学科知识、多领域进行深度融合，真实反映复杂的工程问题本质，确保学生能够学到企业所需的工程技术。

在素质目标上，要关注学生的综合素质和职业道德的培养。通过课程学习，学生应认识到数据结构在工程实践中的重要性，并具备高度的责任心和敬业精神，有团队合作意识及沟通协作能力，并争取成为具有创新精神和国际视野的高素质工程人才。

2.以STEAM教育理念设计实践教学内容和模式

要想达到工程教育认证产出的效果，必须做好实践项目的设计。

首先，教师应根据工程教育认证的要求和行业需求，结合STEAM教育要求解决真实社会问题的特点，对实践教学内容进行优化和调整。增加具有工程背景的实践项目，将数据结构的应用与实际工程问题相结合，同时，邀请企业工程师进行指导，使学生在工程实践能力和应用创新能力方面都得到提升。

其次，注重实验内容的层次性和递进性，满足不同水平学生的需求。围绕学生实践能力和工程能力的培养，以问题为研究对象，从问题出发，按照提出问题、分析问题、总结问题的步骤进行设计。实践教学内容按照循序渐进螺旋式上升的方式设计，实践教学环节按照从易到难的点、线、面的理念设计实验项目，具体分为基础验证型实验、设计型实验、综合型实验三个层次。

最后，为了培养学生的跨学科素养和综合能力，需要将数据结构实验教学与其他学科领域相结合。例如，可以与计算机科学、数学、物理等学科进行合作，共同设计综合性实验项目，让学生在跨学科的环境中学习和实践。以图的实践为例，题目设计如表1所示。

在教学模式的创新上，要打破传统以教师为中心、学生被动接受知识的固有模式，积极探索并建立以学生为中心的教学模式。为了更好地实施这一教学模式，笔者采用了基于雨课堂平台的线上线下混合式教学模式，这种模式实现了课前、课中、课后全方位的价值素质和全过程的能力素质提升。课前，教师通过平台发布预习资料和任务，引导学生提前了解学习内容和需要完成的任务；课中，教师利用平台实时互动功能，激发学生的学习兴趣和参与度；课后，教师则通过平台对小组任务进行管理，开展多元评价和学情数据分析，及时了解学生的学习情况并给予反馈。同时，在教学过程中，注重融入“以赛促学，以赛促教，赛教融合”的理念，大力鼓励和支持学生积极参加相关的学科竞赛，将竞赛的相关内容巧妙地融入到日常教学中。学生在学习的过程中不仅能够掌握基础知识，还能够体验到学科竞赛的魅力和挑战，进一步提升学习兴趣和实践能力。

3.建立以能力评价为主的多维度课程考核方式

教师要以工程教育认证为依据，构建多样化、多元化的课程评价体系（如表2）。将学生的实践能力、创新能力和跨学科素养等三方面的能力纳入课程考察中，即要在评价体系中体现出学生理论联系实际、解决复杂工程问题的能力以及科学、工程、技术、数学综合能力。同时，可以增加课外评价，让学生主动参与到课程评价中，充分发挥学生的主体作用。

结语

基于工程教育认证与STEAM教育的数据结构实践教学改革，旨在通过加强实践教学与理论教学的融合、丰富实践教学内容、创新实践教学方式以及融入STEAM教育理念等措施，优化数据结构实践教学，提升学生的实践能力和跨学科素养。这一改革策略不仅有助于提高学生的综合素质和就业竞争力，还能为培养具备创新精神和跨学科素养的工程人才提供有力支持。

参考文献：

[1]教育部高等教育教学评估中心.中国工程教育质量报告——面向工业界 面向世界 面向未来[M].北京：教育科学出版社，2014.

[2]《中国制造 2025》与工程技术人才培养研究课题组.《中国制造 2025》与工程技术人才培养[J].高等工程教育研究，2015（06）：6-10+82.

[3]郭延辉，潘明华，孙洪峰.工程教育认证与STEM教育融合的实践教学改革[J].计算机教育，2023（07）：35-40.

[4]赵慧臣，陆晓捧.开展STEAM教育，提高学生创新能力——访美国STEAM教育知名学者格雷特·亚克门教授[J].开放教育研究，2016，22（05）：4-10.

作者简介：罗富贵（1984—），女，壮族，广西来宾人，硕士，副教授，主要研究方向为数字图像处理、模式识别；李明珍 （1986—），通讯作者，女，汉族，河南新乡人，讲师，博士，主要研究方向为网络安全、隐私保护。

基金项目：广西教育科学“十四五”规划专项课题“工程认证视域下基于STEAM教育的计算机专业实践教学研究”（2023ZJY569）;广西高等教育本科教学改革项目（2023JGA299）;中国高校产学研创新基金——新一代信息技术创新项目（2021ITA11017）。