新工科背景下“数据结构”课程中案例教学法的应用与改革

摘要：为了应对新工科背景下培养学生的要求，“数据结构”的课程教学需要在现存问题的基础上，进行课程创新改革。课程改革以工程实践案例为基础，搭建起问题引入、模型建立与问题解决的框架，结合实际工程问题的典型特征归纳、经典模型提取手段，进行课程创新改革，综合培养新工科学生解决复杂工程问题的综合能力。在教学评估方向，建立起案例驱动的立体评价体系，综合考查学生的理论、逻辑与实践三方面学习效果，实现全方位的学习效果评估。通过以上课程创新改革，实现了传统学科缺乏与实际案例相结合的问题，提高了学生解决实际问题的能力。

关键词：新工科；数据结构；教学改革；案例教学

1概述

新经济快速发展迫切需要新型工科人才支撑，所以国家对工业人才的教育、思维和创新力提出更高的要求［12］。如何在新工科培养模式下，让学生更加深刻理解“数据结构”课程，提高解决实际问题的能力，是如今教学改革的重点。课程改革以案例教学为基础，从实际工程案例出发，结合实际案例去搭建问题解决模型，构建创新型的课程教学体系，提高学生的主动性、积极性、参与性［3］以及解决实际问题的能力。

2课程现状

“数据结构”是我校人工智能、计算机科学与技术及相关专业本科生的一门专业必修课程。课程涵盖内容广泛，理论性强，算法描述多使用抽象模型和伪代码［4］，抽象性与逻辑性较高。在学习过程中，学生感觉学习难度较大，就会导致学习积极性不高，且新工科教育特别注重培养学生解决复杂工程问题的能力［5］。所以，现如今教学中需要解决的问题主要有以下三个方面。

（1）分析复杂工程问题的经验与手段。学生在“数据结构”课程学习的过程中，将课本上的伪代码算法完善成可执行的程序，调试成功就算完成任务［6］。虽然可以提高其编程水平，但是不能提高其分析复杂工程问题的经验与手段。

（2）课程知识点高度抽象化，无法直接作用于实际需要解决的工程问题。“数据结构”是一门比较抽象的课程，“数据结构”的“抽象”一直是一个困扰学生的关键点［7］。抽象的概念无法直接作用于实际需要解决的工程问题，提高了课程学习的难度，因此降低了学生的学习兴趣和积极性。

（3）考核方式以理论知识为主，与评价学生问题解决能力的要求脱节。现有的考核模式主要包括笔试期末考试和学生的实验报告，教师根据试卷上理论知识的掌握和学生的实验报告内容来对学生成绩做出不同的评价。这种考核模式仅考查了理论知识的掌握情况，无法对学生解决实际问题的能力进行准确评价。

3课程教学团队背景

河南大学人工智能学院信息融合团队在处理网络通信方面的实际工程问题，特别是无线传感器网络方面有多年的经验累积，团队核心成员具有较强的理论研究功底和突出的工程实现能力，主持国家自然科学基金课题4项，省部级项目7项，在SCI/EI学术期刊发表论文50余篇［8］。人工智能学院也非常关注“数据结构”课程体系建设，委派团队负责人进行课程建设，在经费方面也给予了大力支持。

4课程改革

教学改革构建了以案例教学法为基础的教学改革框架，以实际工程问题作为切入点，采用线上线下混合教学的手段，引领学生实现复杂工程6DdwWKiHjfxJPXYI5vHpjQ==案例的解决。本章节以“数据结构”课程中经典知识点“最小二乘树”为例，展示课程改革的体系、手段以及实施效果。以工程案例为驱动，改革教学的架构以问题解决流程为步骤，划分为三个阶段：问题引入—模型提取—案例解决。首先，在实际工程问题“无线传感器网络”里提取知识点进行问题引入，然后运用模型提取手段搭建解决模型，最后实现案例的解决。

4.1问题引入

现在需要解决的实际工程问题是“如何在一个无线传感器网络的某个时刻中，寻找每个节点到移动汇聚节点的最佳传输路径”。该无线传感器网络由传感器节点、移动汇聚节点、卫星、Internet、控制中心和用户组成，如图1所示。

图1无线传感器网络体系结构图

假设有N个传感器节点随机分布在监测区域内，移动汇聚节点在移动过程中以速度v进行移动，通过阈值计算将每个传感器节点分成各自的区域集合，然后在各自的区域中进行数据传输。当区域内所有数据收集完成后，由图中Ⅰ类传感器节点对收集到的Ⅱ类传感器节点的数据进行融合处理，接着根据移动汇聚节点的当前位置，将融合后的数据发送到移动汇聚节点，直至移动汇聚节点收集完全部数据，该轮数据传输就完成了。教师需要带领学生找到此时刻每个收集好各自区域的Ⅰ类传感器节点，将融合后的数据传输到移动汇聚节点的最佳路径，也就是由移动汇聚节点和Ⅰ类传感器节点组成的最小生成树，因此需要进行模型提取。

4.2模型提取

找到各个区域的传感器节点到移动汇聚节点的最佳传输路径是为了节省网络能耗，延长此无线传感器网络的生命周期。通过分析案例，为了找到最佳传输路径，教师需引入最小生成树模型解决该问题，如图2所示，最上层移动汇聚节点接收来自下两层各个区域的传感器节点融合后的数据，即传感器节点传输路径树。

图2无传感器节点传输路径树

4.3案例解决

在案例解决步骤中，实现对于传感器网络模型的抽象化，使其衍化成为“数据结构”课程中的经典模型，并通过教师的讲述实现知识点的讲解以及工程问题的解决。

在课程的教学过程中，线上线下混合教学的交互式教学手段贯穿整个过程中。线上部分注重学生的自主学习，线下部分注重学生对问题更深层次的理解，成功将各个教学环节深度融合，有效地提升了教学质量［9］，如图3所示。

图3线上线下混合教学手段

在课前，教师先将本节课学生需要学习的最小生成树基本概念发布在雨课堂上，让学生进行线上预习，并且鼓励学生自己运用网络资源进行自主学习［9］。通过线上预习，学生会对该节课需要学习的知识点有了了解，能够带着自己的疑问在课堂上进行学习，在探索中学习的模式可以大大提高学生的学习积极性。在课堂上，首先教师带领学生进行知识点的回顾与学习，接着引导学生将知识点与实际工程问题相结合，引入提取的解决模型；然后教师将学生分成小组，让他们根据所学知识点和模型进行讨论；最后由教师汇总每个小组的讨论结果，进行比较，给出结论，得到该无线传感器网络某一时刻的最小传输路径生成树，如图4所示。每个Ⅰ类传感器节点先将各自区域Ⅱ类传感器节点的数据收集并进行信息融合后，将处理好的数据通过路径（实线条或虚线条）传输给此时刻的移动汇聚节点，每条线上的数字代表着从发送传感器到接收传感器的路径权值，最佳传输路径即最优权值。将实际问题引入提取的解决模型后，可以得到由实线条、移动汇聚节点V0以及5个传感器区域集合V1、V2、V3、V4、V5组成的树，就是该时刻的最小传输路径生成树，问题也随之解决。在解决该实际工程案例后，教师根据考勤率、课堂小组讨论的表现以及代码完成度对学生进行打分。

图4传输路径最小生成树

课后，教师在雨课堂上发布习题，将该实际案例中无线传感器网络另一时刻的移动汇聚节点接收各个区域数据传输的最小路径生成树作为举一反三的测试，来检验学生是否在课堂中掌握了该知识点，并且在雨课堂上设立线上答疑和讨论区，学生有不懂的问题可以留言给教师进行解答，同学之间也可以相互交流讨论。

4.4课程效果评估与效果

课程效果评估则由教师建立起案例驱动的立体评价体系，综合考查学生理论、逻辑与实践三方面的学习效果，实现全方位的学习效果评估。理论方面以期末考试成绩为主，实验报告为辅。期末考试采用闭卷形式，主要考核学生对知识点的掌握和理解，占总成绩的50%。逻辑与实践方面以平时课堂表现为主，小组讨论为辅，占总成绩的50%。在集体讨论的过程中，教师检查学生是否能够将所学知识点与实际工程案例相结合，打破传统思维的禁锢，提高创新能力，以及是否可以解决课后小测的实际工程问题。

在河南大学的100名人工智能专业本科生中进行教学改革实践后，进行了分数统计，如下表所示。从表中可以看出，所有学生的期末成绩均为良好。同时，通过课中以及课后的师生讨论也可以看出，在教学改革之后，同学不仅真正掌握了“数据结构”课程的知识，还可以熟练运用“数据结构”课程的知识解决实际工程问题，这种思维也为其他专业课程的学习奠定了良好的基础。

结语

在新工科背景下，培养学生解决实际问题的能力是我国高等教育的发展趋势。本项目立足新工科背景下人才培养的要求，以教学案例为切入点，利用线上线下混合教学手段，在课堂中将知识点与实际案例相结合，用经典模型提取手段建立模型将实际问题解决，进行课程创新改革。同时，在教学过程中，采用立体评价体系。在提升教学质量的基础上，弥补了传统学科与实际案例结合少的缺陷，还提高了学生解决实际问题的能力。

参考文献：

［1］吴爱华，侯永峰，杨秋波，等.加快发展和建设新工科和引领新经济［J］.高等工程教育研究，2017（1）19.

［2］张盛天，郭文俊，康耀龙，等.新工科背景下高校Java公共课教学改革探究［J］.中国教育技术装备，2022（05）113115.

［3］黎忠文，KarenH.Jin，张志强.高校“数据结构”课程教改现状与经验［J］.信息系统与工程，2022（10）：161164.

［4］何国良，汪紫煌，辛欣.新工科背景下数据结构课程的教学研究［J］.科教导刊，2019（24）：118121.

［5］姜磊，文一凭.新工科背景下项目驱动的“软件工程”课程教学实践研究［J］.当代教育理论与实践，2022（14）：6164.

［6］徐志敏.新工科背景下的数据结构教学研究［N］.德州学院学报，2022，04.

［7］刘娜，路莹，李明霞.“互联网+”背景下混合教学模式探析——以“数据结构”课程为例［J］.创新教学，2022（03）：132134.

［8］魏倩，白可，金勇，等.面向研究生的凸优化课程教学设计与实践［J］.软件导刊，2022（21）：236239.

［9］鹿旸.数据结构与算法课程线上线下结合教学模式探索［J］.教育教学论坛，2021（20）：6972.

基金项目：2022年度河南大学本科教育教学改革研究与实践项目《基于项目驱动的“数据结构”启发式教学模式探索》（118）

作者简介：魏倩（1984—），女，汉族，河南开封人，博士，讲师，研究方向：无线传感器网络；陈赞如（2002—），女，汉族，河南商丘人，2022级硕士在读，研究方向：水下无线传感器网络路由协议优化。