蔡運娟，高天鵬

（電子科技大學公共管理學院，四川成都 611731）

0 引言

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法應(yīng)用是管理科學與工程類教學質(zhì)量國家標準規(guī)定的信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)（以下簡稱信管專業(yè)）基礎(chǔ)必修課程，也是后續(xù)信息系統(tǒng)分析與設(shè)計、計算機網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用、數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用、社會計算、管理系統(tǒng)模擬、數(shù)據(jù)挖掘與大數(shù)據(jù)分析等課程的基礎(chǔ)課程，在信管專業(yè)人才培養(yǎng)中具有重要作用。

由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容多、學習難度大，為了提高課程教學效果，各高校教師進行了大量教學改革研究與實踐。例如王青松等［1］嘗試了以真實問題為導向的教學；閻海玲等［2-3］進行了項目教學法的研究與實踐；陳琳［4］嘗試了以賽促學的教學改革；李娟［5］探討了基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)需求的課程改革；李照奎等［6］面向工程認證進行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的改革實踐。這些教學改革取得了較好的成效，但在這些研究與實踐中，針對信管專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的研究并不多，較少考慮如何提升課程的高階性和挑戰(zhàn)性，對于適應(yīng)新時代要求的一流本科課程建設(shè)方面的探討與實踐不足。

為了響應(yīng)《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》（教高〔2019〕8 號）的要求，建設(shè)符合“兩性一度”的信管專業(yè)金課，更好地激發(fā)學生的學習動力與學習興趣，培養(yǎng)學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維，滿足其多元化和個性化的學習需求，課程組進行了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法應(yīng)用挑戰(zhàn)性課程教學設(shè)計與教學實踐。

1 課程教學中的主要問題

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法應(yīng)用課程概念抽象、難度大、算法編寫復雜、程序調(diào)試不易，學生在學習時會存在一定困難，因此在教學中遇到了一些問題，主要表現(xiàn)為：

（1）先修課程基礎(chǔ)不扎實，影響學生學習信心。課程先修課程包括高級語言程序設(shè)計和離散數(shù)學。由于目前信管專業(yè)培養(yǎng)方案中既包括技術(shù)類，也包括管理類課程，加上培養(yǎng)方案中課程學時的減少，使得程序設(shè)計課程學時較少，而且未開設(shè)離散數(shù)學課程。因此，學生在程序設(shè)計中對于指針、結(jié)構(gòu)體、文件等知識點的實踐不足，并且缺乏離散數(shù)學相關(guān)知識，可能會使學生在學習鏈表、圖等相關(guān)內(nèi)容時比較困難，特別是在進行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的程序?qū)崿F(xiàn)時容易出現(xiàn)較多問題，從而影響學生的學習信心。

（2）課程難度影響學生學習興趣。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識介于數(shù)學、計算機軟硬件之間，內(nèi)容抽象，本身就有較大難度［7］。如果采用簡單的灌輸法進行講解，學生不容易理解，因而無法產(chǎn)生學習興趣，更難以掌握算法的應(yīng)用。部分學生可能會產(chǎn)生畏難心理，學習僅僅是為了完成任務(wù)，許多學生考試結(jié)束后會忘記大部分知識。

（3）教學內(nèi)容沒有體現(xiàn)專業(yè)特點，影響學生的理解。目前很多非計算機專業(yè)都開設(shè)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程，但市場上的教材基本上都是針對計算機專業(yè)的，即使有少量針對信管專業(yè)的教材，與計算機專業(yè)教材內(nèi)容也相差不大。對于這樣一門理論性、抽象性很強的課程，如果課程內(nèi)容無法與學生專業(yè)背景相融合，讓學生結(jié)合專業(yè)知識加深對相關(guān)理論的理解，同時也讓學生真正體會到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論是為專業(yè)實踐服務(wù)的［8］，則無法提升學生學習興趣，也無法達到理想的學習效果。

為解決上述問題，課程組進行了基于Seminar 的教學改革，通過項目驅(qū)動的方式，充分調(diào)動學生的學習積極性，提高學生的綜合能力。在教師的指導下，學生從被動學習向主動學習轉(zhuǎn)變。但在教學改革過程中也發(fā)現(xiàn)，學生在學習主動性及參與度、挑戰(zhàn)自我的勇氣等方面還沒有達到期望的目標，面對實際問題，學生的學習潛能還未得到充分激發(fā)。因此，課程組調(diào)整教學設(shè)計，期望能夠通過挑戰(zhàn)性課程教學，促使學生學習達到一個新高度。

2 挑戰(zhàn)性課程建設(shè)目標

2.1 信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)培養(yǎng)目標

教育部在提出“六卓越一拔尖”計劃2.0 系列要求時，強調(diào)要推動新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科建設(shè)。另一方面，在大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的影響下，國家正大力推進治理體系與治理能力現(xiàn)代化建設(shè)及“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃，需要大量具備現(xiàn)代信息技術(shù)以及國際視野的高層次復合型數(shù)字治理人才。

信管專業(yè)本身就是技術(shù)與管理的復合型專業(yè)，能夠較好地順應(yīng)新文科建設(shè)需求。由于學院在數(shù)字治理、智慧城市管理等方向上已取得較為豐碩的學術(shù)成果，使信管專業(yè)有了培養(yǎng)的落腳點，能夠形成自己的專業(yè)特色。所以學院信管專業(yè)培養(yǎng)目標定位為：增強學生的社會責任感；培養(yǎng)學生的信息技術(shù)應(yīng)用能力、數(shù)據(jù)分析能力、管理決策能力；重視面向數(shù)據(jù)服務(wù)領(lǐng)域的創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)，重點提升學生在數(shù)據(jù)科學、信息管理等領(lǐng)域的社會實踐能力，使學生能夠利用技術(shù)推動社會管理手段、管理模式與管理理念創(chuàng)新，更好地服務(wù)社會發(fā)展。

2.2 課程建設(shè)目標

按照計算機或通信等純工科專業(yè)的教學目標，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的知識體系及實例選取可能更多偏向于純粹的程序設(shè)計與算法，以及在操作系統(tǒng)、軟件工程、計算機網(wǎng)絡(luò)、通信等領(lǐng)域的應(yīng)用。但是圍繞信管專業(yè)培養(yǎng)目標，在新文科背景下應(yīng)更關(guān)注面向新興信息技術(shù)的應(yīng)用帶來的行業(yè)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)融合，培養(yǎng)學生分析、解決問題的能力。因此，課程教學目的及任務(wù)是實現(xiàn)理論與實際應(yīng)用相結(jié)合，不僅要學習數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本知識，更要學習如何在分析現(xiàn)實問題時用計算機程序輔助決策，使學生能夠根據(jù)數(shù)據(jù)對象特性，有效地組織數(shù)據(jù)，設(shè)計高效的算法，提高其解決實際問題的能力，并為后續(xù)課程打下一定的理論與實踐基礎(chǔ)。

特別是針對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實踐環(huán)節(jié)的教學目標，不過多強調(diào)程序設(shè)計技巧，而是將重心放在培養(yǎng)學生將經(jīng)典數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法、程序用于解決社會問題及管理問題上。實驗案例、實驗項目會更多地選擇如排隊仿真、交通規(guī)劃、項目管理、生產(chǎn)運作管理、微博熱門話題分析、社交網(wǎng)絡(luò)分析等與社會管理密切相關(guān)的內(nèi)容。

2.3 課程挑戰(zhàn)性表現(xiàn)

課程挑戰(zhàn)性設(shè)計不是故意“為難”學生，而是在學生學習態(tài)度、知識、能力、思維與方法4 個層面設(shè)置相應(yīng)的挑戰(zhàn)性教學目標。

（1）態(tài)度方面。首先，激發(fā)學生接受挑戰(zhàn)的勇氣，能夠在所學知識有限，不一定完全勝任該任務(wù)的情況下接受任務(wù)，通過持續(xù)學習努力完成任務(wù)，追求卓越。其次，在學習過程中能夠與他人形成一個良好的合作氛圍，傾聽他人意見，表達自己想法，通過溝通達成一致目標，合作完成任務(wù)。

（2）知識方面。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法應(yīng)用課程知識點比較抽象，理解難度大，邏輯性強，學習內(nèi)容具有挑戰(zhàn)性。而且在挑戰(zhàn)性實驗中，也會涉及一些其它相關(guān)知識，這些知識之前沒有學習過，需要學生自己去學習、理解與掌握，對于學生而言也具有較大挑戰(zhàn)性。但相比教師講解、學生記憶或理解的初級認知層次，挑戰(zhàn)過程中的認知是一種高級認知，能夠在分析、評價、創(chuàng)造中更有效地達成學習目標。

（3）能力方面。主要培養(yǎng)學生以下幾個方面的能力：①學習能力。能夠利用課程內(nèi)外有限的時間和資源，完成知識的建構(gòu)、集成與運用，并對學習效果進行評價，找到自己學習中的不足；②分析、解決問題的能力。在理論課程案例及挑戰(zhàn)性實驗中，需要具備分析、解決復雜社會問題的能力，能夠在其中找到問題關(guān)鍵及解決問題的辦法；③程序設(shè)計能力。課程中涉及大量算法分析與程序設(shè)計，需要學生具備較強的程序設(shè)計能力；④創(chuàng)新能力。在分析解決問題過程中，不斷突破現(xiàn)有知識框架的約束，找到新辦法，對于學生的創(chuàng)新能力是個挑戰(zhàn)；⑤終身學習能力。不僅是運用已學會的知識與工具，通常還需要學生能夠快速獲取和運用新知識及新工具，并學會交叉運用多學科知識；⑥溝通與合作能力。團隊協(xié)作是挑戰(zhàn)性課程的一個共性。

（4）思維方面。在挑戰(zhàn)性實踐中，學生需要分析復雜的管理問題與社會問題，抽象出問題對象的數(shù)據(jù)特征，通過對數(shù)據(jù)的加工處理驗證問題或解決問題，從而更好地鍛煉學生的抽象思維與計算思維。

3 挑戰(zhàn)性課程關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計

3.1 理論課程挑戰(zhàn)性設(shè)計

為了使課程具有挑戰(zhàn)性，使學生不再只是聽講、做作業(yè)就可以拿到高分成績，理論課程不再全部由教師講解，也不僅是講解后的簡單討論，而是借助網(wǎng)絡(luò)平臺與智慧課堂，引導學生課下通過學習資料或大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)開放課程（Massive OpenOnline Courses，MOOC）進行學習。課堂提出案例或任務(wù)問題，學生通過互動式學習進一步深入理解課程重點與難點，通過對典型算法代碼的討論，理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)與應(yīng)用，幫助學生取得期望的學習目標與成效。借鑒清華大學挑戰(zhàn)性課程建設(shè)要素［9］，理論課程挑戰(zhàn)性主要通過以下幾方面要素實現(xiàn)：

（1）教學內(nèi)容。每章內(nèi)容學習前均在智慧課堂——雨課堂發(fā)布本章擬討論的案例或任務(wù)，學生分組討論問題關(guān)鍵點，并提出解決問題的思路，在學習完本章內(nèi)容后，重新思考問題的解決辦法，并對比前后方法的優(yōu)劣。

（2）課堂教學形式。課堂教學講解減少，著重講解重點與難點，并通過師生互動、生生互動等學習方式使學生完全沉浸在學習中［9］。針對部分學生不愿意發(fā)言的情況，可在討論過程中借助雨課堂，通過發(fā)送彈幕等形式參與到討論中。教師也可通過雨課堂中的課堂練習，發(fā)現(xiàn)學生學習中的問題。

（3）課下學習。包括對預(yù)習內(nèi)容、自學內(nèi)容、擴展內(nèi)容等內(nèi)容的學習。為了充分發(fā)揮學生的主動性，課內(nèi)與課外學習時間之比在1∶4 以上。

（4）課下討論。學生有問題時可以在雨課堂上或QQ群中提問，學生之間首先進行討論，當學生無法解決時，教師對其進行指導。

（5）教學資源。將各類文獻、網(wǎng)絡(luò)資源在QQ 群中分享，并在雨課堂中提前發(fā)布相關(guān)資料，便于學生學習，同時也能查閱每個學生的學習情況。

3.2 實踐環(huán)節(jié)挑戰(zhàn)性設(shè)計

在本課程開設(shè)前1～2 周，提供給學生一個案例程序及針對案例程序的一些問題，案例程序用指針和文件實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問與數(shù)據(jù)存儲。學生學習過程中，教師可以在QQ群中進行答疑指導，以保證學生在學習本課程之前能熟練使用指針、結(jié)構(gòu)體、文件等，從而有效銜接本課程內(nèi)容。

對于簡單的驗證性程序，無須占用大量實驗時間，如要求學生課后自已完成對每種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，由教師提供大部分代碼，重要部分或關(guān)鍵程序采用填空或改錯的方式，引導學生進行思考，加深對知識的理解。

課程有16 個學時的實驗學時，實驗學時需要完成的則是具有挑戰(zhàn)性的項目。因?qū)W時不多，只設(shè)置2 個項目，2個項目均分為基本問題和進階問題。學生3～4 人一組，根據(jù)個人能力選擇解決不同級別的問題。信管專業(yè)的學習目標決定了實驗題目設(shè)置應(yīng)與管理問題、社會問題相結(jié)合，而不是一個單純的計算機科學問題。初步設(shè)計2 個項目，但在教學過程中可根據(jù)近期發(fā)生的熱點問題或?qū)W生感興趣的問題重新設(shè)計題目，2 個項目之間也有難度跨度。

（1）項目1：排隊問題的虛擬仿真——理發(fā)館經(jīng)營問題。

基本問題：假設(shè)理發(fā)館有N 把理發(fā)椅，可同時為N 位顧客理發(fā)。顧客進門時，若有空閑理發(fā)椅，則立即入座理發(fā)，否則依次排隊等候。一旦有顧客理發(fā)完成離去時，排在隊頭的顧客便開始理發(fā)。假如理發(fā)館每天連續(xù)營業(yè)T小時（只要有顧客等待，理發(fā)椅就不空置），通過仿真的方法預(yù)測一天內(nèi)顧客在理發(fā)館內(nèi)的平均逗留時間（包括理發(fā)所需時間與排隊等候時間）和排隊等候理發(fā)人數(shù)的平均值（排隊長度的平均值）。

進階問題：在排隊模擬問題基礎(chǔ)上增加預(yù)測經(jīng)營狀況的功能。

每個顧客有選擇理發(fā)師的服務(wù)要求，理發(fā)師分為3 個等級（一級、二級和三級），對應(yīng)不同的服務(wù)收費標準。當顧客進門時，如果想選擇某級別理發(fā)師，但該級別的理發(fā)師不空閑，則排隊等候。程序?qū)⑦M一步統(tǒng)計每天營業(yè)額以及不同級別理發(fā)師的創(chuàng)收［10］。

該項目雖然屬于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的經(jīng)典實驗項目，但與傳統(tǒng)教學不同的是，以前當學生可在多個項目中選擇時，學生往往不會選擇該項目，因為其難度更高。另外傳統(tǒng)教學中會對項目涉及到的關(guān)鍵問題進行講解，包括離散事件的仿真方法等，而在挑戰(zhàn)性課程中，教師的提示會更少，學生需要思考與自我學習的內(nèi)容更多，許多相關(guān)知識都由學生自己發(fā)現(xiàn)、學習與應(yīng)用，教師只起到指導作用。

因此，學生在該項目中面臨的挑戰(zhàn)是：①隊列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征及其常見操作算法的學習；②管理系統(tǒng)建模與仿真中的離散事件仿真建模方法學習；③程序中顧客進門時刻與服務(wù)時間隨機數(shù)產(chǎn)生方法的分析；④通過實際調(diào)研，調(diào)整產(chǎn)生隨機數(shù)的方法及其它參數(shù)，使仿真更接近實際情況；⑤通過對程序運行結(jié)果中有價值量化指標的分析，輔助管理人員決策，以減少顧客排隊時間或提高營業(yè)收入。

（2）項目2：社交網(wǎng)絡(luò)中的問題分析。

學生對社交網(wǎng)絡(luò)非常熟悉，通過對社交網(wǎng)絡(luò)中各種問題的分析，讓學生能夠利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和其它相關(guān)知識（如信息傳播、社會治理等）更深入地認識、研究與利用社交網(wǎng)絡(luò)。

基本問題：微博社區(qū)內(nèi)信息傳播的“小世界現(xiàn)象”研究。

采集一些微博社區(qū)名人用戶，通過“是否關(guān)注”描述用戶之間的關(guān)系，形成鄰接矩陣。計算用戶之間的平均距離、最大距離與最小距離，驗證網(wǎng)絡(luò)的“小世界現(xiàn)象”。計算節(jié)點中介中心度，發(fā)現(xiàn)影響整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信息擴散的關(guān)鍵節(jié)點與連線。

進階問題：開放性研究性問題。

學習相關(guān)文獻，針對特定輿情事件提出研究問題并建立模型。采集微博信息，通過程序計算與研究問題相關(guān)模型的值，如意見領(lǐng)袖影響力等，分析如何有效引導輿情事件中的微博輿論，如議程設(shè)置、高影響力意見領(lǐng)袖引領(lǐng)等。

學生在該項目中面臨的挑戰(zhàn)如下：①數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖特征及其存儲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)方法的學習；②圖的遍歷算法與最短路徑算法的學習；③微博信息采集方法的學習與實踐（可用Python 爬取數(shù)據(jù)，也可用已有軟件爬取數(shù)據(jù)）；④社會網(wǎng)絡(luò)分析中的點度中心度、中介中心度、接近中心度等概念及其實際意義的學習；⑤編寫程序完成社交網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)存儲及計算；⑥文獻學習與開放性問題選?。虎呦嚓P(guān)理論與抽樣方法、研究方法學習，相關(guān)模型構(gòu)建；⑧項目研究報告撰寫。

3.3 考核方式改革

考核成績比例：基本知識學習成績占30%，挑戰(zhàn)性內(nèi)容學習成績占70%。

其中挑戰(zhàn)性學習內(nèi)容包括：

（1）課堂教學中案例/任務(wù)的課堂討論。主要通過人工記錄以及雨課堂的自動分組、彈幕、投稿、習題等自動記錄，考核學生參與課堂討論情況。

（2）課下學習效果。相關(guān)知識的資料發(fā)布在雨課堂中，可在雨課堂中查看學生學習情況。另外，在學生解決問題過程中，記錄并考核學生自己查找與學習其它相關(guān)知識，以及將該知識應(yīng)用于實踐的情況。

（3）課下討論。對QQ 群和雨課堂上學生發(fā)布問題、回答問題、參與討論的情況進行考核。

（4）實踐環(huán)節(jié)的進階程度。實踐環(huán)節(jié)設(shè)置的2 個題目進階程度不同，難度也不同，可分別設(shè)定難度系數(shù)，在學生解決問題的成績基礎(chǔ)上乘以難度系數(shù)，作為其實驗報告的成績。

（5）實踐環(huán)節(jié)展示與答辯。實踐環(huán)節(jié)的展示與答辯對所有學生也是個挑戰(zhàn)，解決問題后不僅要完成實驗報告，還要制作PPT 進行展示，接受所有學生的質(zhì)疑并進行答辯。這一環(huán)節(jié)成績由所有其它組學生與課程組共同打分。

4 初步成效

初步教學實踐結(jié)果表明，學生對學習過程與學習成效比較滿意，表現(xiàn)為學生評教結(jié)果為五星優(yōu)秀。在“教學內(nèi)容”、“教學方法”、“學習獲得感”幾個一級指標的評價中，特別是對于“學習獲得感”一級指標下的二級指標“激發(fā)了學習興趣，掌握了基本理論和方法，增強了理論聯(lián)系實際能力”，優(yōu)評總數(shù)占比明顯提高。而且在學生的文字評價中，對學習效果等方面評價良好，主要集中在以下幾個方面：①提高了學習興趣，擴展了知識面，增強了自主學習能力與研究能力；②增強了應(yīng)用實踐能力，提高了分析、解決問題的能力；③提高了復雜程序設(shè)計能力，初步掌握了工程化方法；④實驗題目貼近社會真實問題，更愿意主動參與實驗，激發(fā)了創(chuàng)造力和潛能。

5 結(jié)語

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法應(yīng)用挑戰(zhàn)性課程對于信管專業(yè)學生確實是一個很大的挑戰(zhàn)，不僅課程本身具有難度，還需要自學大量其它知識。但在挑戰(zhàn)性學習過程中，可以改變教學中學生被動接受的固有思維模式，創(chuàng)造開放及自由的創(chuàng)新學習環(huán)境，使學生積極參與到挑戰(zhàn)性學習與實踐中，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，提高學生的綜合素質(zhì)。今后在挑戰(zhàn)性課堂教學環(huán)節(jié)和挑戰(zhàn)性問題設(shè)計與實施方面還需要總結(jié)不足，繼續(xù)在原有基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新，以期使課程教學更加符合信管專業(yè)培養(yǎng)目標及學生的個性化學習需求。