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        信息與計算科學(xué)專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)探索

        2019-01-23 03:50:20
        計算機(jī)教育 2019年1期
        關(guān)鍵詞:助教數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)目標(biāo)

        王 嘉

        (太原科技大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院,山西 太原 030024)

        0 引 言

        信息與計算科學(xué)專業(yè)主要研究信息技術(shù)的核心基礎(chǔ)與運(yùn)用現(xiàn)代計算工具高效求解科學(xué)與工程問題的數(shù)學(xué)理論與方法[1],著重培養(yǎng)掌握信息技術(shù)和計算技術(shù)等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的應(yīng)用型人才。在本專業(yè)課程體系中,計算機(jī)課程起著將理論轉(zhuǎn)換為實踐的重要作用,而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為重要的專業(yè)課,主要用于“非數(shù)值計算”,處理字符、表格和圖像等具有一定結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)[2],實現(xiàn)數(shù)據(jù)在計算機(jī)內(nèi)的表示、存儲和運(yùn)算,形成解決特定問題的高效算法。

        為適應(yīng)人工智能領(lǐng)域和大數(shù)據(jù)人才發(fā)展的需要,響應(yīng)地方高校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的要求,迎接建設(shè)“新工科”的浪潮,學(xué)院針對本專業(yè)學(xué)生計算機(jī)實踐能力薄弱,數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不扎實的問題開展了教學(xué)改革,對培養(yǎng)方案和多門專業(yè)課程的教學(xué)大綱進(jìn)行了調(diào)整。對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程也不斷反思,研究如何提高學(xué)生解決實際問題的能力,以達(dá)到應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

        1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)現(xiàn)狀

        由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的抽象程度高,算法多,邏輯性強(qiáng),實踐要求高,課程的考核通過率一直偏低,2017年本專業(yè)兩個班的卷面不及格率更是高達(dá)47.91%。分析原因,可以歸納為以下幾個方面。

        (1)學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確。部分學(xué)生缺乏對專業(yè)前景的了解以及對自身的職業(yè)規(guī)劃,未能認(rèn)識到數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和計算機(jī)實踐之間相輔相成的關(guān)系,對數(shù)據(jù)分析、人工智能算法、大數(shù)據(jù)應(yīng)用等就業(yè)方向缺少了解,一些學(xué)生直到工作面試時,被問到“樹”“排序”等熱點問題,才意識到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性。

        (2)理論和實踐脫節(jié)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)要求學(xué)生具有較高的邏輯思維能力和抽象能力,這本該是數(shù)學(xué)系學(xué)生的優(yōu)勢,然而從理論能力到實踐能力的轉(zhuǎn)化需要不斷的實踐和總結(jié)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對編程能力要求較高,由于實踐環(huán)節(jié)課時不足,本專業(yè)學(xué)生的編程基礎(chǔ)普遍較差,邏輯概念無法順利轉(zhuǎn)換為代碼,造成后續(xù)學(xué)習(xí)的障礙。

        (3)教學(xué)形式落后。單純的PPT教學(xué)內(nèi)容刻板,互動性差,學(xué)生容易開小差;數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的理論比重大,機(jī)房教學(xué)也不能滿足教學(xué)要求;成長于互聯(lián)網(wǎng)時代的學(xué)生,習(xí)慣于從電腦、手機(jī)上獲得知識和互動,傳統(tǒng)課堂不能滿足其多元化的需求,頻繁使用手機(jī)更干擾著課堂教學(xué)效果。

        (4)實踐環(huán)節(jié)學(xué)時不足。本專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論學(xué)時52個,上機(jī)12學(xué)時,學(xué)生只有6次上機(jī)的機(jī)會,兩個小時內(nèi)要完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型定義、操作定義和算法的學(xué)習(xí),還要解決各種編碼錯誤,沒有扎實的編程基礎(chǔ)、不在課下抽時間鉆研是無法掌握的。同時,這些實踐內(nèi)容只能覆蓋到基礎(chǔ)知識,對于綜合案例,學(xué)生幾乎沒有時間完成。

        2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程改革探索與實踐

        2.1 學(xué)習(xí)目標(biāo)分級的探索

        在教學(xué)過程中,教師不僅要保證授課難度的遞增,還要尊重學(xué)生之間的能力差異和個體學(xué)習(xí)過程的漸進(jìn)性。因此,教師有必要結(jié)合學(xué)生的特點重新評估教學(xué)內(nèi)容的適應(yīng)度,有步驟、有層次、有針對性地實施教學(xué)。

        結(jié)合以上思路,教學(xué)內(nèi)容被劃分為CPS三級目標(biāo),具體劃分如下:

        C級(Concept),即概念級:要求學(xué)生掌握基礎(chǔ)概念、基本技能,能夠獨立完成基礎(chǔ)習(xí)題,熟悉運(yùn)算步驟,并能根據(jù)指導(dǎo)把偽碼轉(zhuǎn)化為程序代碼。

        以線性表為例,C級要求:能獨立完成課后填空選擇題,掌握建表、判空、查找、定位、插入、刪除等基本操作的核心語句,能夠上機(jī)完成。

        P級(Practice),即實踐級:在達(dá)成C級的基礎(chǔ)上,能夠獨立完成教材算法的延伸,能通過協(xié)作、討論等方式完成課后習(xí)題中低難度的算法題目。

        仍以線性表為例,學(xué)生能夠模仿C級算法,獨立完成循環(huán)鏈表、雙向鏈表帶頭結(jié)點和不帶頭結(jié)點情況下的延伸算法以及習(xí)題中尾插法創(chuàng)建單鏈表、線性表的就地逆置這類難度較低的算法。

        S級(Solve),即應(yīng)用級:在達(dá)成P級的基礎(chǔ)上,鼓勵學(xué)生完成課后習(xí)題中較高難度的算法題目,能通過協(xié)作和討論完成案例的分析、設(shè)計和實現(xiàn)。

        線性表S級要求:寫出無序表和有序表的合并算法,實現(xiàn)一元多項式的運(yùn)算、設(shè)計并實現(xiàn)一個通訊錄。

        三級學(xué)習(xí)目標(biāo)將教學(xué)內(nèi)容從整體分解為小目標(biāo),最后再回到整體,既便于教師實施階段性考核,也符合學(xué)生的學(xué)習(xí)認(rèn)知過程。

        2.2 實踐環(huán)節(jié)的探索和改革

        針對實踐教學(xué)中存在的諸多問題,有必要對原有實踐內(nèi)容進(jìn)行改革,建立理論與實踐緊密結(jié)合的分層次、開放性、多渠道交流的實驗教學(xué)模式,提高實驗課程的利用率,充分達(dá)到應(yīng)用型本科教育的目的[3]。實踐的具體內(nèi)容被編寫為上機(jī)指導(dǎo),發(fā)布在教師博客,供學(xué)生預(yù)習(xí)和參考。上機(jī)指導(dǎo)原有6章,分別是:①順序表和鏈表;②棧和隊列;③二叉樹;④圖;⑤查找;⑥排序。最新修改的17級大綱中增加了2個機(jī)時,補(bǔ)充了串、矩陣和廣義表的內(nèi)容,作為第4章。每章內(nèi)容包括從易到難的三個模塊,與CPS學(xué)習(xí)目標(biāo)相對應(yīng),見表1。

        表1 CPS三級學(xué)習(xí)目標(biāo)與實踐能力對照

        Part1:基礎(chǔ)內(nèi)容的實踐。要將教材內(nèi)的算法轉(zhuǎn)化為代碼,并編寫主函數(shù)完成調(diào)用和測試。該模塊起著將理論轉(zhuǎn)化為實踐、鞏固大綱知識點的重要作用,要求所有學(xué)生必須獨立完成,對應(yīng)學(xué)習(xí)目標(biāo)的C級。

        Part2:教材內(nèi)容的延伸。基于C級實現(xiàn)的自定義結(jié)構(gòu)類型,擴(kuò)展算法的操作。該模塊引導(dǎo)學(xué)生從模仿到思考,起著提升學(xué)習(xí)興趣的作用,對應(yīng)學(xué)習(xí)目標(biāo)的P級。

        Part3:解決案例問題。該模塊需要學(xué)生從問題出發(fā),建立抽象模型、定義數(shù)據(jù)模型、定義操作函數(shù),到最后解決問題,以團(tuán)隊為單位,完成一篇小論文。這一過程可以極大地提升學(xué)生實踐能力,培養(yǎng)團(tuán)隊協(xié)作性,對應(yīng)學(xué)習(xí)目標(biāo)的S級。

        為確保在有限的機(jī)時內(nèi)完成編碼和測試,可要求學(xué)生預(yù)習(xí)第1模塊,提前完成數(shù)據(jù)類型的定義部分,在機(jī)房完成第2模塊。第3模塊由16級學(xué)生自選完成,17級大綱新增了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計環(huán)節(jié),可以進(jìn)行充分實踐。

        2.3 教學(xué)信息化的實踐

        2017年10月,本校鼓勵全校教師通過“微助教”平臺推進(jìn)信息化教學(xué)。教師可以創(chuàng)建課堂、實施多元化教學(xué)或者進(jìn)行課堂資源管理。課堂專屬二維碼在課堂首頁左下角,教師點擊此處會彈出引導(dǎo)學(xué)生掃碼加入課堂的完整頁面,學(xué)生根據(jù)提示打開微信掃碼即可快速加入課堂,無需再手動輸入課堂編號[4]。一個基于CPS三級目標(biāo)、完整的線上線下教學(xué)流程如圖1所示。

        圖1 基于“微助教”的教學(xué)流程

        1)課前準(zhǔn)備。

        教師登錄—開啟校方認(rèn)證課堂—通知學(xué)生加入班級—上傳并開放課件—創(chuàng)建題庫和答案—開啟預(yù)習(xí)題目—規(guī)定答題時間—查看答題情況。

        學(xué)生登錄—加入課堂—預(yù)習(xí)課件—完成前測—系統(tǒng)根據(jù)答案打分。

        教師提前上傳課件和題庫,學(xué)生預(yù)習(xí)指定章節(jié),完成相應(yīng)知識點的前測題目,前測對應(yīng)學(xué)習(xí)目標(biāo)的C級,用以增進(jìn)學(xué)習(xí)動力,檢驗學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的認(rèn)知程度,進(jìn)而調(diào)整教學(xué)內(nèi)容的難易程度,可通過提問、測驗、討論等多種方式進(jìn)行[5],其中“微助教”答題的形式最為便捷。

        2)課堂管理。

        常用課堂管理包括分組和簽到,教師可以按班級分組,或指定更小的組別。學(xué)生在手機(jī)上進(jìn)行簽到,沒有帶手機(jī)或者不能上網(wǎng)的學(xué)生可手動修改狀態(tài)[4]。系統(tǒng)自動在姓名旁顯示超距離的定位,如500 m,以防學(xué)生作弊。簽到結(jié)束后可公示人數(shù)、出勤率、名次等信息。教師可以導(dǎo)出整個學(xué)期的簽到結(jié)果為Excel表格,分?jǐn)?shù)自動匯總,便于考核。

        3)多元化教學(xué)。

        多元化教學(xué)是常規(guī)教學(xué)的補(bǔ)充,目的是強(qiáng)化學(xué)生的注意力,調(diào)動學(xué)習(xí)積極性。教師需要結(jié)合前測結(jié)果有針對性地實施授課內(nèi)容,并在學(xué)生有疑問、學(xué)習(xí)效果不理想、課堂氣氛不活躍的時候介入多元化的教學(xué),本課程的多元化教學(xué)方式包括算法動畫演示、點答、討論和游戲。

        動畫:本課程使用的教材提供了微視頻教學(xué)資源,每個算法旁邊都有一個二維碼,學(xué)生用手機(jī)掃描就能觀看算法的步驟和效果。

        點答:教師在“微助教”上使用點答功能,指定學(xué)生回答問題,點答包括手工點答、搶答和隨機(jī)點答,學(xué)生姓名下方顯示搶答次數(shù)和評分。

        討論:教師在“微助教”上創(chuàng)建討論,學(xué)生在手機(jī)上輸入觀點或問題,討論結(jié)果以彈幕或詞云的形式呈現(xiàn),頻率最高的詞匯代表了大多數(shù)人的想法,可以引導(dǎo)學(xué)生歸納出某個結(jié)論。討論結(jié)束后可以導(dǎo)出Excel表格,便于進(jìn)行評分。

        游戲:算法的動畫演示雖然直觀,有助于理解,但要熟練掌握需要反復(fù)練習(xí)或模擬,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的很多算法都可以進(jìn)行現(xiàn)場的模擬,比如讓學(xué)生充當(dāng)數(shù)據(jù)元素演示隊列的入隊和出隊、二叉樹的平衡化、排序等過程。

        4)后測。

        后測包括隨堂測驗、課后大作業(yè)和單元考核,用以檢驗教學(xué)效果與教學(xué)目標(biāo)的吻合度。

        授課完畢就可以在“微助教”上開啟練習(xí)進(jìn)行隨堂測驗,難度較前測有所提高,教師立刻可以獲知某個知識點的掌握度。大作業(yè)每章一次,共7次,為筆答題目,難度為P級。單元考核可根據(jù)實際情況進(jìn)行,本課程分為3個單元:線性結(jié)構(gòu)、樹和圖、排序和查找。通過“微助教”的題庫可以直接創(chuàng)建組卷,考核難度主要對應(yīng)學(xué)習(xí)目標(biāo)的C、P級和少量S級。

        3 結(jié) 語

        近兩年,學(xué)院逐漸加大了本專業(yè)“應(yīng)用型”人才的培養(yǎng)力度,引入校企合作,協(xié)同育人模式,從大一開始為學(xué)生樹立正確的就業(yè)觀進(jìn)行職業(yè)規(guī)劃,致力于強(qiáng)化學(xué)生的計算機(jī)實踐能力。在此形勢下,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程積極開展了探索和改革。學(xué)習(xí)目標(biāo)和實踐的分級是本次教學(xué)改革的基礎(chǔ),圍繞這個基礎(chǔ)需要不斷完善教學(xué)資源,包括PPT課件、線上平臺的前測、后測題目以及用于引導(dǎo)式學(xué)習(xí)的討論題目、上機(jī)指導(dǎo)等。

        借助“微助教”平臺,分級化教學(xué)的理念得以落實,學(xué)生在線上預(yù)習(xí)基礎(chǔ)內(nèi)容并完成前測,教師則有更多時間進(jìn)行深入教學(xué),多元的教學(xué)形式和導(dǎo)學(xué)方式有助于培養(yǎng)學(xué)生思考和解決問題的能力。

        今后還計劃完成基于“微助教”的導(dǎo)學(xué)模塊的建設(shè),利用簡答題引導(dǎo)學(xué)生填寫上機(jī)記錄,實現(xiàn)實踐環(huán)節(jié)的信息化;利用填空題實現(xiàn)“算法導(dǎo)寫”,指導(dǎo)編碼能力薄弱的學(xué)生填寫算法語句,根據(jù)注釋填寫語句,根據(jù)函數(shù)填寫代碼段,最終培養(yǎng)學(xué)生獨立編碼的能力。

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