徐航 謝瑩 嚴(yán)濤

摘? 要：隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)以課堂教學(xué)為主的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)模式已不能適應(yīng)當(dāng)代大學(xué)生的生活場景與疫情環(huán)境下的新興教學(xué)需求。因此，探索混合式教學(xué)背景下一種適應(yīng)新時(shí)代要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程改革方案已經(jīng)勢在必行。該文以線上教學(xué)平臺為基礎(chǔ)，以實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)為參考，從課程架構(gòu)設(shè)計(jì)、教學(xué)資源建設(shè)、課前學(xué)習(xí)引導(dǎo)、課堂師生互動(dòng)和課后擴(kuò)展實(shí)踐等多個(gè)角度出發(fā)，提出課程改革的一般思路與方法，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和積極性。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；教學(xué)改革；混合式教學(xué)；線上教學(xué)平臺；教學(xué)模式

Abstract： With the development of electronic information technology， the traditional teaching mode of data structure course based on classroom teaching can no longer meet the emerging teaching needs of contemporary college students' life scenes and epidemic environment. Therefore， it is imperative to explore a curriculum reform scheme of data structure course to meet the requirements of the new era under the background of hybrid teaching. Based on the online teaching platform and taking the actual teaching experience as the reference， this paper puts forward the general ideas and methods of curriculum reform from the perspectives of curriculum architecture design， teaching resource construction， pre-class learning guidance， classroom teacher-student interaction and post-class expansion practice， which helps to improve students' learning efficiency and enthusiasm.

Keywords： data structure course; teaching reform; hybrid teaching mode; online teaching platform; teaching mode

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程是計(jì)算機(jī)類專業(yè)大學(xué)本科生的必修基礎(chǔ)課程[1]，其前驅(qū)課程通常包括離散數(shù)學(xué)、C語言等，后繼課程通常包括算法設(shè)計(jì)、計(jì)算復(fù)雜性等[2]。因此，對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的研究往往是構(gòu)造復(fù)雜系統(tǒng)與設(shè)計(jì)高性能算法的基礎(chǔ)，是學(xué)生從數(shù)值計(jì)算到非數(shù)值計(jì)算邏輯的一個(gè)思維轉(zhuǎn)折[3]。近年來，在線開放課程與線上學(xué)習(xí)平臺如雨后春筍般崛起，為促進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合、進(jìn)一步推動(dòng)我國在線課程建設(shè)與應(yīng)用共享等，教育部印發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)高等學(xué)校在線開放課程建設(shè)應(yīng)用與管理的意見》（教高〔2015〕3號），規(guī)定了建設(shè)在線開放課程的三個(gè)基本原則：立足自主建設(shè)、注重應(yīng)用共享、加強(qiáng)規(guī)范管理[4]。此外，受世界范圍的新冠感染疫情影響，我國目前的防疫局勢仍面臨挑戰(zhàn)[5]。以筆者自身為例，所在的學(xué)校與城市受輸入性新冠感染病例影響，開展了數(shù)月的線上教學(xué)。受益于筆者此前對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程線上線下混合式教學(xué)改革的探索經(jīng)驗(yàn)，數(shù)月的線上教學(xué)進(jìn)展順利，在恢復(fù)線下教學(xué)后成功地銜接上既定的教學(xué)計(jì)劃?？梢?，當(dāng)今社會對混合式教學(xué)的需求刻不容緩[6]。

一? 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教改模式探索

（一）? 課程架構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的課程架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)參照既定的人才培養(yǎng)方案要求，結(jié)合所用在線教學(xué)平臺的特點(diǎn)，遵循面向不同院系學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和能力專長，對課程的理論大綱和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)籌安排，將課本內(nèi)各章節(jié)內(nèi)容按照知識點(diǎn)、技能點(diǎn)、重難點(diǎn)進(jìn)行串聯(lián)、梳理和劃分，并合理分配學(xué)時(shí)、學(xué)力，以符合混合式教學(xué)模式中線上線下課程相結(jié)合的特殊需求。

以筆者自身為例，所教學(xué)的班級為新工科產(chǎn)業(yè)學(xué)院的物聯(lián)網(wǎng)工程系學(xué)生，其學(xué)科背景需緊貼新工科產(chǎn)業(yè)需求與物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐，在掌握傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法知識的基礎(chǔ)上還需進(jìn)一步結(jié)合未來的就業(yè)場景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與大作業(yè)設(shè)計(jì)。具體而言，在工程知識上，需掌握數(shù)學(xué)、自然科學(xué)知識，計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)領(lǐng)域的工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識，并將其用于解決物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題；在問題分析上，能應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理思考物聯(lián)網(wǎng)工程與相關(guān)技術(shù)，并通過文獻(xiàn)研究，識別、表達(dá)、分析復(fù)雜工程問題，掌握問題分析方法，獲得有效結(jié)論；在設(shè)計(jì)開發(fā)上，能夠掌握面向應(yīng)用領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)全周期、全流程的基本方法和技術(shù)，設(shè)計(jì)滿足特定需求的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、關(guān)鍵算法及應(yīng)用軟件，并能夠在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識，考慮社會、健康、安全、法律及環(huán)境等制約因素。

例如，在學(xué)期末尾，可組織學(xué)生針對物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)踐中的傳感器部署應(yīng)用場景研究設(shè)計(jì)一個(gè)與之相關(guān)的資源優(yōu)化算法，作為課程設(shè)計(jì)的大作業(yè)提交。學(xué)生可以小組為單位，在指導(dǎo)老師的建議下，查閱相關(guān)文獻(xiàn)并利用各種開源的代碼實(shí)驗(yàn)平臺，分階段、分領(lǐng)域、深入淺出地自學(xué)啟發(fā)式群智能搜索算法（如遺傳算法、粒子群算法等）。從而在實(shí)踐應(yīng)用中加深對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的知識應(yīng)用，擴(kuò)展對算法設(shè)計(jì)分析的概念理解。

總體而言，本文所提出的基于混合式教學(xué)模式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的整體架構(gòu)如圖1所示。以理論和實(shí)驗(yàn)大綱為理論基石，以線下課堂的面對面師生交流為主干，以線上教學(xué)平臺的各種開放資源為補(bǔ)充，有機(jī)結(jié)合，同時(shí)對理論和實(shí)驗(yàn)大綱進(jìn)行合理的反饋與修正，三者合一，共同構(gòu)成了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程地混合式教學(xué)架構(gòu)模式。下面將就圖1中混合式教學(xué)模式的各個(gè)構(gòu)成要素逐一展開說明。

（二）? 教學(xué)資源建設(shè)

工欲善其事，必先利其器。一個(gè)好的線上教學(xué)平臺對混合式教學(xué)的作用是毋庸置疑的[7]。筆者主要采用的是超星線上教學(xué)平臺，包括其內(nèi)部關(guān)聯(lián)的超星學(xué)習(xí)通網(wǎng)頁版、手機(jī)APP版等，以實(shí)現(xiàn)大部分課程資源的上傳、下載和分享，以及在線課堂上的師生互動(dòng)（如簽到、通知、提問、討論、課堂小測和線上考核等）。此外，還應(yīng)廣泛結(jié)合其他線上教學(xué)平臺，如中國大學(xué)MOOC（慕課）、bilibili課堂頻道和網(wǎng)易公開課等知名網(wǎng)絡(luò)平臺，從而全方位地?cái)U(kuò)充學(xué)生的知識面、補(bǔ)齊學(xué)生的知識短板、夯實(shí)學(xué)生的理論基礎(chǔ)。

以超星平臺的靜態(tài)教學(xué)資源建設(shè)為例，如圖2所示，教師在進(jìn)入課程主頁后可以自由上傳與編輯課程教學(xué)資源。每一章的教學(xué)資源可以包括電子書籍、PPT課件、線上公共開放視頻以及教師自己錄制的課堂或線下教學(xué)視頻等，不一而足。學(xué)生在進(jìn)入課程主頁后，可以選擇相應(yīng)章節(jié)的內(nèi)容自由安排學(xué)習(xí)計(jì)劃，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性。此外，如圖3所示，在對應(yīng)教師的課程檔案界面里亦可編輯建設(shè)當(dāng)前教學(xué)班級的本學(xué)期課程檔案資料，既方便了教師對課程資源建設(shè)的復(fù)用與總結(jié)，又增加了學(xué)生復(fù)習(xí)、預(yù)習(xí)課程知識的渠道途徑。

（三）? 課前學(xué)習(xí)引導(dǎo)

磨刀不誤砍柴工。做好課前預(yù)習(xí)和學(xué)習(xí)引導(dǎo)是提高學(xué)生聽課效率的不二法門[8]。針對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和不同章節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)難度，筆者采用量身定制學(xué)習(xí)任務(wù)單和知識點(diǎn)指南雙管齊下的方法，以應(yīng)對混合式教學(xué)的特殊環(huán)境。首先，利用超星平臺的通知功能對所有學(xué)生進(jìn)行廣播，以預(yù)告下次線上或線下課程的學(xué)習(xí)任務(wù)單。根據(jù)線上和線下課程的不同需求，學(xué)習(xí)任務(wù)通常包括但不限于要求學(xué)生觀看一定課時(shí)的教學(xué)視頻、完成一定題量的課堂知識小測、參與某些開放式的關(guān)鍵問題討論等。其次，還將利用超星平臺的資源存儲與共享功能，針對下次線上或線下課程即將講授的重難點(diǎn)知識進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的總結(jié)、歸納和梳理，從而讓學(xué)生能做到胸中有溝壑，事半功倍地學(xué)習(xí)。

以學(xué)習(xí)周第二周的某一節(jié)線上課程為例，一般會對學(xué)生做以下學(xué)習(xí)任務(wù)通知（通過超星學(xué)習(xí)通APP軟件發(fā)布）。

1）完成超星平臺課程目錄中第二章所有小節(jié)的任務(wù)點(diǎn)學(xué)習(xí)（含視頻和測試），視頻至少要看到90%的進(jìn)度，可以選擇雙倍速度播放，測試需達(dá)到60分以上。

2）完成當(dāng)天發(fā)布的手勢簽到和線上討論活動(dòng)，會在學(xué)習(xí)過程中發(fā)布重難點(diǎn)討論主題，請大家踴躍參與。另外，物聯(lián)203的同學(xué)還需要在理論課后繼續(xù)參加實(shí)驗(yàn)課的線上學(xué)習(xí)，請同學(xué)們不要錯(cuò)過！

3）線上學(xué)習(xí)后，還要完成課后布置的小測作業(yè)以檢驗(yàn)大家的學(xué)習(xí)情況。

4）本周暫時(shí)采用觀看錄像、線上討論、互動(dòng)答疑和課后小測等方式綜合授課，下周會視具體情況考慮是否使用線上直播的方式授課，請大家提前安裝好騰訊會議軟件。

（四）? 課堂師生互動(dòng)

良好的師生互動(dòng)是混合式教學(xué)成功的基石。針對學(xué)生對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中艱深算法內(nèi)容與復(fù)雜計(jì)算環(huán)節(jié)的吸收不良問題，筆者采用的策略是在講完一個(gè)重難點(diǎn)知識之后，馬上進(jìn)行隨機(jī)點(diǎn)名與提問。若是處在線上教學(xué)環(huán)境，則充分利用超星平臺的作業(yè)發(fā)布與在線提問功能進(jìn)行有針對性的線上小測與提問等，并且將學(xué)生的表現(xiàn)納入平時(shí)分的考慮范疇，對表現(xiàn)好的學(xué)生予以獎(jiǎng)勵(lì)，對表現(xiàn)差的予以激勵(lì)。此外，在線上教學(xué)的授課方式上，筆者采用視頻錄播與實(shí)時(shí)直播相結(jié)合的方式。以騰訊會議軟件的錄播和直播功能為基礎(chǔ)，根據(jù)線上和線下課程的不同教學(xué)需求進(jìn)行錄播或直播。需要注意的是，錄播雖然打破了授課時(shí)間的限制，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)安排上有了更大的自由度，但是在互動(dòng)溝通的實(shí)時(shí)性上卻不如線上直播。因此，還需要借助超星平臺的開放式討論功能和微信群的實(shí)時(shí)聊天功能來彌補(bǔ)錄播教學(xué)模式師生互動(dòng)的不足。

如圖4所示，筆者會在課前發(fā)出主題討論的通知，并在課間與課后同學(xué)生針對某個(gè)學(xué)習(xí)重難點(diǎn)進(jìn)行開放式的討論。此方法的特點(diǎn)是所有人都可參與，討論熱度較高，容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與參與感，且沒有時(shí)效限制，可以帶著問題一直學(xué)習(xí)，并在學(xué)習(xí)的過程中思考與解決問題。缺點(diǎn)是很難做到實(shí)時(shí)討論，通常在一問一答中存在一定的時(shí)延，由于所處環(huán)境等復(fù)雜因素有時(shí)無法及時(shí)回復(fù)學(xué)生。因此，如前文所述，線上的師生互動(dòng)應(yīng)該多樣化、靈活化，教師應(yīng)綜合使用線上平臺及其他通訊互聯(lián)工具同學(xué)生展開同步或異步的互動(dòng)交流，從而最大限度地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，加深學(xué)生的知識吸收與理解。

（五）? 課后擴(kuò)展實(shí)踐

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的最佳標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的混合式教學(xué)不應(yīng)止步于課堂教學(xué)，還應(yīng)進(jìn)一步延伸至課后的擴(kuò)展研究與項(xiàng)目實(shí)踐當(dāng)中，這對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程而言尤為重要。因此，應(yīng)該發(fā)揮混合式教學(xué)的優(yōu)勢，通過線上指導(dǎo)，輔助學(xué)有余力的學(xué)生在課外學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)知識點(diǎn)的延伸與應(yīng)用，以及課本中相關(guān)算法設(shè)計(jì)的升級與優(yōu)化，從而進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造力。此外，筆者在學(xué)期中段還會組織感興趣的學(xué)生參與自己主持的多個(gè)科教研項(xiàng)目，從而鍛煉學(xué)生的科研實(shí)踐能力，加深對課本知識的理解。

遺傳算法是一種基于混沌搜索的啟發(fā)式群智能算法，通常由于解決優(yōu)化類的NP復(fù)雜問題。其結(jié)構(gòu)簡單、功能強(qiáng)大且數(shù)十年間在國內(nèi)外取得了長足的發(fā)展，網(wǎng)上的學(xué)習(xí)案例與實(shí)驗(yàn)代碼俯拾皆是。相比復(fù)雜的數(shù)學(xué)理論推演，其更加注重實(shí)驗(yàn)編程實(shí)踐，非常適合計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的學(xué)生入門學(xué)習(xí)。因此，筆者常常會以遺傳算法為學(xué)習(xí)目標(biāo)布置學(xué)期末的課程設(shè)計(jì)案例，以達(dá)到拓展學(xué)生學(xué)術(shù)知識、培養(yǎng)學(xué)生科研能力和加深學(xué)生算法領(lǐng)悟的目的。通常，筆者會先讓學(xué)生以3～5人為單位劃分小組，再給予其2～3周的時(shí)間，通過查閱圖書文獻(xiàn)及互聯(lián)網(wǎng)電子文獻(xiàn)（如知網(wǎng)、IEEE、ACM等學(xué)校已購的學(xué)術(shù)數(shù)據(jù)庫）的方式自主學(xué)習(xí)遺傳算法的基本框架、發(fā)展歷史、實(shí)際應(yīng)用和改進(jìn)方向，并要求其在學(xué)期末提交一份學(xué)習(xí)報(bào)告或進(jìn)行一段PPT講演，主題可以從老師提供的幾個(gè)選項(xiàng)當(dāng)中選擇，亦可自主選擇切合主旨的題目。此外，那些表現(xiàn)優(yōu)異且對科研產(chǎn)生濃厚興趣的學(xué)生還會被邀請參與到筆者主持的一些科研項(xiàng)目當(dāng)中，從而進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的科研素養(yǎng)，加深對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法知識的拓展應(yīng)用，并為一部分勵(lì)志讀研的學(xué)生提前累積一定的學(xué)術(shù)經(jīng)驗(yàn)與科研技能。

二? 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教改效果反饋

最后，筆者會在學(xué)期末組織學(xué)生完成若干份反饋混合式教學(xué)成果的調(diào)查問卷，其主要目的在于統(tǒng)計(jì)學(xué)生的學(xué)習(xí)偏好和成效，以分析過往教學(xué)的不足之處。例如，圖5—圖8就顯示了某班學(xué)生對四個(gè)示例問題進(jìn)行匿名問卷調(diào)查的結(jié)果。由圖5—圖7可知，雖然大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中的“樹與二叉樹”章節(jié)是最難理解的，但也恰恰是其最為喜歡且掌握程度較高的一個(gè)章節(jié)。這說明大多數(shù)學(xué)生面對困難反而爆發(fā)出了更高的學(xué)習(xí)積極性與主動(dòng)性，從而達(dá)到了更好的學(xué)習(xí)效果。由圖8可知，大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為使用超星線上教學(xué)平臺觀看授課老師錄制好的視頻對自己的線上學(xué)習(xí)幫助最大，而觀看中國大學(xué)慕課平臺或其他線上教學(xué)平臺的開放視頻則要次之。這是對授課老師的一種認(rèn)可，也從側(cè)面反映了混合式教學(xué)模式的優(yōu)越性與普適性。

三? 結(jié)束語

本文以筆者對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的線上線下教學(xué)經(jīng)驗(yàn)為例，結(jié)合當(dāng)今社會背景與國家需求，進(jìn)一步討論了混合式教學(xué)模式的課程框架設(shè)計(jì)、課程資源建設(shè)、課前知識引導(dǎo)、課堂師生互動(dòng)和課后擴(kuò)展實(shí)踐等重要環(huán)節(jié)。通過對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的混合式教學(xué)改革，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率與積極性得到了提高，為學(xué)生畢業(yè)后的求職、科研和教學(xué)道路奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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