基于泛在学习环境的六层递进式数据结构与算法教学创新改革

［摘 要］ 从“课程内容、课堂教学方法、实践模式”等方面分析了传统的数据结构与算法课程存在痛点问题，提出构建泛在学习环境，“懂—通—熟—精—化—神”六层递进教学模式创新改革思路并实施，实现了知识的三层内化，保障学生的知识目标、能力和素养目标、情感目标的达成。

［关 键 词］ 泛在学习；六层递进；知识内化；课程教学创新；在线实训

［中图分类号］ G642 ［文献标志码］ A ［文章编号］ 2096-0603（2024）30-0105-04

数据结构与算法课程内容抽象，涉及概念和原理较多，传统的“听讲式”课堂重知识诠释、轻思维培养，加上学生先导课程不扎实、教学资源不丰富、实践教学定时定点、实践时长和持续性不足、实践内容单薄、课外实践缺约束等原因，学生学习多为纸上谈兵，遇到问题感到无从下手，普遍反映课程“难懂、难做、难用”。而传统教学以教材为本，重知识轻素养，思政育人功能缺失，难以支撑新工科建设对课程提出的素质目标达成[1]。随着信息技术和智能设备的发展，学生利用丰富的互联网资源随时随地学习（泛在学习）成为可能。课程创新改革深度融合中国大学MOOC、头歌等平台，建设泛在学习资源，打造泛在学习环境，实施“懂—通—熟—精—化—神”六层递进教学创新，实现学生对所学知识的三层内化，解决了传统课程教学存在的痛点问题。

一、传统课程教学存在的痛点问题

传统课程教学以“课堂授课+课后辅导+实验室实验”为主要模式，在固定的上课时间和教室（或实验室）开展教学活动[2]，教学易于规划和实施，但对新工科建设对课程提出的综合能力、素养要求达成的支撑明显不足。存在的痛点问题主要有：

（一）课程内容抽象、难懂，传统“讲授型”课堂重知识诠释，轻思维训练，知识内化不理想。历届学生都反馈课程难懂，学习效果不佳

1.传统的“听讲式”课堂重知识诠释，计算思维训练少，学生被动“听讲”，加上程序设计基础、抽象思维能力弱，学生在课堂听不懂，产生畏难情绪，逐渐丧失学习兴趣和信心。

2.课后教学资源不丰富，学生想自学也无从下手。

3.教学评价方式单一，反馈周期长，教师不能及时感知学生的学习短板，无法给予精准辅导。

（二）实践深度不够、难做，传统“实验室”训练不足，遇到较复杂问题时难以灵活应用，学习胜任力不足

1.课程实践性较强，但传统的实践依赖于课内实验室实验，定时定点，实践学时和持续性不足。

2.为保证大部分学生能在课内完成实验，实验内容设计较为单薄，复杂度和挑战度不够[3]，导致学生学得肤浅，学习多为“纸上谈兵”。

3.课外实践无监督、缺约束、少指导，学生无继续提升的主动性，加上实验单点化、碎片化，综合应用训练不足，导致解决复杂问题的能力弱。学生在遇到较复杂的问题时难以灵活应用，总有不知所措、难做之感。

（三）以教材为本，思政功能缺失，情感目标达成无保障

传统的课程教学以教材为本，教材重专业知识诠释，缺乏思政元素，缺失思政内容，加上课程授课学时有限，教师重知识传授、轻素养培养，育人效果难以保障。

二、课程教学创新改革的目标和思路

课程教学创新改革的核心目标：解决教学中存在的痛点问题，实现课程知识、能力和素养塑造目标的全面达成，并期望通过课程改革实施，带动学生养成良好的学习习惯，终身受益。

课程创新改革思路：通过三个举措，实现四个转变，促使改革目标实现。

三个举措：深度融合信息技术，建设泛在学习资源，构建泛在学习环境；以OBE理念为指导，实施形成性多元化全方位评价；系统规划课程思政，多培育途径，保障思政育人效果。

四个转变：学生学习从被动学到主动学的转变；课程教学从知识传授到知识学习、能力培养和素养塑造并重的转变；实践模式从定时定点实验室实践到随时随地随需的泛在实践的转变；教学评价从结果评价到多元化形成性评价的转变。

三、课程教学创新改革举措

（一）深度融合信息技术，构建线上线下混合的泛在学习环境，实施“懂—通—熟—精—化—神”六步递进式教学

深度融合信息技术，拓展传统的线下课内课堂，构建线上线下结合的“课前+课堂+课后”广义多元化课堂（泛在学习环境）。实施“懂—通—熟—精—化—神”六步递进式教学（见图1）：课前线上“学—练—测”结合激兴趣，强基础；课堂线上线下结合“教—学—练—测—评”穿插多元化教学固新知、拓思维；课后线上线下 “测—练—评”互补，强能力、塑素养，实现学生对所学知识的三层内化，提升学生的学习胜任力、解决复杂问题的能力。

“懂”，采取思维降级法，使抽象的模型具象化。具体做法：课前——进行计算思维提升训练和程序设计专项提升训练（解决学生先导课不扎实和抽象思维能力不足问题）。课堂——改变传统的以教材为本，知识传授型授课模式。从具体问题入手，引导学生分析其内含的数据（数学）模型，并建立数据（数学）模型，让学生听懂和了解每种数据结构的本质。

“通”，采取思维平移法，使具象问题理论化。具体做法：从案例库中选取多个同类问题，引导学生进行课堂专题讨论，使学生看到同类问题时能贯通思路。

“懂”和“通”层次通过思考、比较、提问、总结、认同和模仿等实现知识的第一层内化，同时训练和提升学生的计算思维。

“熟”，采取课上做中学实践法。具体做法：在理论讲解（懂—通）后完成验证性实践微项目，编码实现每种数据结构的初始化、删除、插入、查找等基本操作，做中学。学生学后立即验证，在实践中进一步熟悉数据结构的特点，熟练掌握数据结构上的基本操作，有助于更好地理解数据结构；同时在每种数据结构的验证性实践项目中设计若干个应用关卡，让学生不但能熟练使用数据结构的基本操作，还能应用其掌握的知识解决一些实际问题。

“精”，采取课后做中悟实践法。具体做法：在课后完成设计性实践微项目，使学生在熟悉基本理论、基本操作的基础上能举一反三解决更复杂的问题，通过做中悟进一步提升思维能力和提高解决复杂问题的能力。

“熟”和“精”层次通过大量应用，量变到质变实现知识的第二层内化。

“化”，采取思维升级法。具体做法：完成贯通课程多种数据结构和典型算法的综合性实践微项目。综合性实践微项目要求学生在精通的基础上变化地用活数据结构来解决更复杂的实际问题。

“神”，采取团队综合实践法。具体做法：学生寻找学习、生活等有关的复杂工程问题，在可行性答辩通过后作为团队项目选题。团队项目由学生自组团队，合作完成，在“化”的基础上让学生更熟能生巧地解决实际工程问题，同时培养学生团队合作、沟通交流、理解和包容能力等。

“化”和“神”层次通过演化和创新实现知识的第三层内化。

（二）进行课程内容再造，编制泛在学习资源

教学微视频：重构教学内容，建设理论教学和实践指导微视频46个。

测试资源：微视频弹窗测试（46个，用于视频学习过程测试）、课堂测试（28个，用于测试课堂学习效果）、单元测试（8个，用于单元学习后测试学习效果）。

在线实训：验证性实践微项目、设计性实践微项目、综合性实践微项目难度递进的在线实训项目23个，共100个关卡。[4]

教学案例库：对线性表、栈、队列、树、图等每种典型数据结构建设3～5个典型教学案例。综合项目课题有压缩软件、迷宫小游戏、24点游戏、校园导航、碳足迹计算器、文件备份系统、贪吃蛇等五十余个。

以线性表为例，建设的泛在学习资源有教学案例库（约瑟夫问题、大数运算、多项式求值）。测试资源（便于教师发现学生学习存在的缺项）的课堂测试以选择题、判断题为主，用于课堂学习效果检测；单元测试以算法设计与分析、应用题为主，用于本单元学习效果的测试。在线实训的验证性微项目包括顺序表（7个关卡，第1关到第5关：顺序表的初始化、插入、查找和删除；第6关：替换顺序表中指定元素；第7关：去除顺序表中重复元素）和链表（5个关卡，包括链表的初始化、插入、删除、查找、去重），通过验证性微项目的实训，学生可掌握数据结构基本的操作，为使用、设计和改进数据结构奠定基础。设计性微项目主要是基于已经实现的基本数据结构解决较复杂的问题，线性表的设计性微项目包括顺序表（3个关卡，第１关：求顺序表中连续子表的最大和；第２关：寻找缺失的第一个正数；第３关：在有序顺序表中寻找目标值出现的第一个和最后一个位置）和链表（3个关卡，第1关：一元多项式相加；第2关：集合运算模拟；第3关：大数相加）。线性表综合性微项目基于培养方案中的课程计划设计，项目首先给出课程计划的表格样式，标识项目中需要处理的课程信息（属性），要求学生根据教学计划的格式，自行设计线性表结构，根据要求完成课程信息初始化、课程信息插入、删除、查找和统计等功能。

（三）以学生学习成效为中心，设计“一主线二维度三层次”线上线下结合的学习效果测评与反馈体系

课程围绕“思政素质评价—知识技能评价—综合（能力）素质评价”一条主线，从“线上学习—线下课堂”两个维度线上线下结合对学生的学习效果进行测评，有机集成过程性评价与结果评价，实现多维度全方位评价[5]。线上学习：一视频一测（线上自主视频学习中使用弹窗测试，课前测），一知识单元一测（课中测），一章一测（课后测）。线下课堂：随机抽查、课堂讨论、学习分享、期末考试。教师基于学习数据分析和反馈，精准把握学生个体学习情况，为学习困难学生配置互助学习小组，提供个性化指导，为提升全体学生的学习成效保驾护航。

（四）从基本品格养成和专业素养造就两个层次，设计“两层次五主题”课程思政体系，保障育人效果

系统设计了“基本品格养成—专业素养造就”两个层次，“家国情怀和历史使命、科学精神、合作与共赢、软件工程师社会责任和软件工程师职业道德素养”五个思政主题的课程思政体系（见表1）。每个思政主题围绕课程核心内容从“时事热点、日常生活”两个维度选取思政案例，通过“专题讨论、案例反思、实训实践”三个培育途径，将思政内容有机融入专业课程内容，提升思政育人效果。

每个思政主题都贯穿线性表、树、图三种基本数据结构，在每个基本数据结构寻找适合的思政切入点，从不同维度选取思政案例，如线性表章节以有序结构为思政切入点，选取了时事热点事件（播放视频：奶茶店排队，孕妇插队，全部排队人员依次转到队列最后），引导学生反思理解包容。在排序章节，通过折半查找引导学生思考为什么是折半，三分之一查找效率如何，培养学生的批判质疑精神。在队列章节，通过凯撒移位加密，为学生讲解信息安全、数据安全、隐私保护，引导学生合理、合法使用数据。

四、课程教学创新改革成效

（一）成就感驱动，学习投入增加，提高学生学习主动性

泛在学习环境中，学生充分感受到学习的趣味性，学有所得的愉悦感和成就感促使学生主动投入学习，学习主动性提高了。从统计数据看，每个实训人均投入学习时间超2小时，在线评测人均超过270次，90%以上的学生能提前完成学习任务。改革实施以来，线上学习人数8573人，完成实训作业334个，线上学习任务完成率84%。

（二）课堂上教学活动参与度提高，课堂活起来，学习效果提升明显，学生对课程认可度提高

多元化课堂将“讲授—实际演练—测试—点评—指导”等教学活动有机融合，实现了两个转变：课堂教师主体到教师主导、学生主体的转变；学生被动学习到主动学习的转变。学生在课堂上活起来了，思维提上来了，学习效果好起来了。实施改革后，课堂测试得分率平均超过90%。连续五年对期末考核结果进行跟踪、统计和对比分析，在课程期末考核难度提高的情况下（去除选择题20分，将算法设计和分析题分值从原来的30分提升到50分），算法分析和设计题得分率都有较大提高，课程通过率、优秀率较改革前有明显提升。在应届毕业生调查中，连续三年本课程都被以最高票评选为“大学最有用的课程”。

（三）学生创新意识增强，解决复杂问题的能力提高，实践作品丰富，且完成质量高

实施课程改革以来组织学生自选课题、自建团队进行线下团队综合实验，累计完成实验中心排课系统、校园导航、迷宫游戏、压缩软件、文件分类管理器、算法可视化演示系统等30多个综合实验（项目）作品，作品质量有很大提升。桌面日历、贪吃蛇、二十四点游戏、校园导航等作品都在学生中被推广使用。在迷宫游戏基础上继续开发的栈结构及其应用于2021年获广西区虚拟仿真实验教学一流课程。

（四）学生参加蓝桥杯全国软件和信息技术专业人才大赛获奖数量和质量明显提高

学生在课程学习后参加蓝桥杯竞赛，实施课程改革后，超过50%的学生能在区赛获奖，获全国奖励的学生数量有明显增加。2018—2019年，学生在蓝桥杯全国赛中获奖总量16～17个，2020—2023年，学生在蓝桥杯全国赛获奖总量提升至40个以上。

（五）泛在学习资源不断优化，为全国师生服务

课程泛在学习资源不断完善和优化，在头歌平台、中国大学MOOC、智慧树等平台上线，为全国师生提供服务。以头歌平台课程为例，全国有124个单位（SPOC单位数）、268个课堂使用课程建设的资源，24559名学生受益。

（六）课程获国家级一流课程，教学模式创新改革与实践获广西教学成果一等奖，该模式推广到学校其他计算机类课程

课程于2020年获首批国家级线上线下混合式一流课程，教学模式创新于2020年获第三届全国绿色计算创新大赛全国一等奖，2021年获第四届中国软件开源创新大赛全国二等奖，于2021年获广西教学成果一等奖。该模式推广到学校其他计算机类课程，课程组主持建设的数据库系统原理课程获国家级线上线下混合式一流课程、广西课程思政示范课程。

五、结束语

本课程在教学改革中强调“问题—数据—算法”的抽象过程，通过“思维降级—思维平移—思维升级”逐层递进培养学生的抽象思维能力，通过课程思政案例的融入引导关注数据结构和算法的时空效率、数据伦理、信息安全和软件质量，学生编写出高质量程序，还通过综合实践培养学生解决复杂问题的能力、团队合作和沟通交流能力、理解包容、绿色环保和可持续发展等专业核心素养。课程创新改革提升了课程两性一度，同时提升了学生的学习胜任力和解决复杂问题的能力。

参考文献：

［１］ 教育部.高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知［EB/OL］.（2017-02-20）［２０２４－０５－０９］.http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201702/t20170223_

297158.html.

［２］ 展金梅，张起荣.“课练赛研”协同促进的数据结构课程教学模式［J］.计算机教育，2024（2）：1-6.

［３］ 张晴，高广银.学科竞赛驱动的数据结构教学改革研究［J］.电脑知识与技术，2024（3）：174-176.

［４］ 王霞，徐永华，胡彩平.基于CBE的地方本科院校数据结构教学改革［J］.计算机教育，2023（6）：116-120.

［５］ 冉婕，漆丽娟，何佳颖.基于BOF的数据结构教学模式探索［J］.计算机教育，2023（12）：376-380.

◎编辑 郑晓燕