劉玉秀 李奕

摘? 要： 在“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念下，分析目前“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”課程實(shí)踐問題，提出“線上線下結(jié)合、課內(nèi)課外互補(bǔ)、基礎(chǔ)綜合配套、自主分組并行”的全方位全過程課程實(shí)踐設(shè)計思路，闡述了對應(yīng)于過程性考核方式的實(shí)踐教學(xué)的實(shí)施過程，在教學(xué)實(shí)踐中取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法； 實(shí)踐教學(xué)； 以學(xué)生為中心； 過程性考核

中圖分類號：TP311.1? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2023）09-155-04

Student-centered practice teaching exploration for "Data Structure and Algorithm" course

Liu Yuxiu， Li Yi

（Naval University of Engineering Department of Computer and Data Engineering， Wuhan， Hubei 430033， China）

Abstract： Under the teaching concept of "student-centered"， the current curriculum practice problems of "Data Structures and Algorithms" course are analyzed， and an all-round course practice design idea of "combining online and offline， complementing in-class and extra-class， basic and comprehensive supporting， autonomous and grouping in parallel" is proposed. The implementation of the process assessment method corresponding to practical teaching is elaborated. It has achieved good effect in teaching practice.

Key words： data structure and algorithm; practical teaching; student-centered; process assessment

0 引言

1952年著名心理學(xué)家卡爾.羅杰斯提出“以學(xué)生為中心”的教育理念，引起了有關(guān)教育的討論[1]?！耙詫W(xué)生為中心”強(qiáng)調(diào)了學(xué)生在學(xué)校里的主體地位，要求教師站在學(xué)生的角度，了解、理解、尊重、關(guān)心學(xué)生，一切以學(xué)生的發(fā)展、學(xué)習(xí)和效果為中心[2]。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程是計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，其為后續(xù)計算機(jī)專業(yè)課程做有力支撐[3，4]。本課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程[5]，為理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法原理并靈活運(yùn)用，需要不斷實(shí)踐。傳統(tǒng)教學(xué)以理論講授為主，對實(shí)踐重視不夠，學(xué)生編程實(shí)現(xiàn)和實(shí)際運(yùn)用時無從著手，學(xué)習(xí)效果不佳[6]。如何站在學(xué)生的角度，充分考慮學(xué)生的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，更好地設(shè)計課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)習(xí)效果，需要深入思考和研究。

為了提高數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法實(shí)踐效果，已有研究者提出多種課程改革思路[4，6，7]。本文在分析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法實(shí)踐環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上，提出一套“線上與線下結(jié)合、課內(nèi)與課外互補(bǔ)、基礎(chǔ)與綜合配套、自主與分組并行”的課程實(shí)踐設(shè)計思路。

1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程實(shí)踐實(shí)施環(huán)節(jié)現(xiàn)狀分析

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程是計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的核心課程，其對算法思維和編程實(shí)踐能力要求較高，學(xué)生學(xué)習(xí)會感到吃力，實(shí)踐中無從著手，容易產(chǎn)生挫敗心，效果不佳，究其原因，主要如下：

⑴ 重理論、輕實(shí)踐。教師偏重各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的原理講解，而對于其實(shí)踐應(yīng)用則輕描淡寫，實(shí)踐占比少[8]。學(xué)生被動灌輸理論知識，缺乏充分實(shí)踐鞏固，對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的原理理解浮于表面，容易遺忘，實(shí)際運(yùn)用無從下手，學(xué)習(xí)效果較差。

⑵ 理論實(shí)踐脫節(jié)。傳統(tǒng)教學(xué)，通常在整個章節(jié)理論學(xué)完后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，理論實(shí)驗(yàn)間隔較久。學(xué)生的理論知識未及時得到實(shí)踐鞏固和深入理解，實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生理論印象模糊，動手實(shí)踐吃力，理論實(shí)踐脫節(jié)。

⑶ 難度缺乏梯度。實(shí)驗(yàn)學(xué)時少，內(nèi)容單一，難度缺乏梯度。學(xué)生思維能力和編程基礎(chǔ)不一，單一難度實(shí)驗(yàn)無法適應(yīng)所有學(xué)生。基礎(chǔ)差的學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)較困難，挫敗感強(qiáng)，學(xué)習(xí)積極性不高；基礎(chǔ)好的學(xué)生沒有機(jī)會深入拓展，課程高階性和挑戰(zhàn)度不夠。

⑷ 實(shí)踐形式單一。傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)僅限課內(nèi)單人單組，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容常常是從零開始完成編程實(shí)現(xiàn)，形式單一。實(shí)驗(yàn)過程閉塞，學(xué)生無互相交流，也無課外參考資料，知識局限在書本中和課堂上，學(xué)習(xí)能力未得到很好培養(yǎng)。

2 全方位全過程實(shí)踐教學(xué)探索

2.1 實(shí)踐設(shè)計思路

針對以上問題，本文秉承“以學(xué)生為中心”理念，充分考慮學(xué)生現(xiàn)實(shí)情況，提出“線上線下結(jié)合、課內(nèi)課外互補(bǔ)、基礎(chǔ)綜合配套、自主分組并行”的全方位全過程課程實(shí)踐設(shè)計思路，以此加強(qiáng)學(xué)員實(shí)踐力度、補(bǔ)充實(shí)踐梯度、豐富實(shí)踐形式，達(dá)到提升實(shí)踐能力、提高教學(xué)效果目的。設(shè)計思路見圖1。

⑴ 線上線下結(jié)合

線上實(shí)踐，依托EduCoder實(shí)踐教學(xué)平臺[9]。線上實(shí)踐主要分兩大塊：①對于簡單實(shí)驗(yàn)，布置線上作業(yè)，依托EduCoder自動評測、統(tǒng)計過程數(shù)據(jù)等功能，教師充分了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況，及時進(jìn)行輔導(dǎo)答疑；②對于綜合實(shí)驗(yàn)，借助EduCoder平臺闖關(guān)式實(shí)驗(yàn)設(shè)計功能，拆解成多個小關(guān)卡，層層遞進(jìn)，步步引導(dǎo)，幫助學(xué)生逐步突破難點(diǎn)。

線下實(shí)驗(yàn)，依托VisualStudio集成編程環(huán)境。對于復(fù)雜算法，要求學(xué)生學(xué)會調(diào)試程序[10]，借助工具跟蹤、分析程序運(yùn)行過程。線下實(shí)踐主要分兩大塊：①作為線上實(shí)踐的輔助手段，線下調(diào)試算法；②對于項目式課程大作業(yè)，線下查閱文獻(xiàn)、分析問題，設(shè)計算法，編程實(shí)現(xiàn)，調(diào)試運(yùn)行。

⑵ 課內(nèi)與課外互補(bǔ)

課內(nèi)實(shí)踐分理論課和實(shí)驗(yàn)課。理論課上，在知識點(diǎn)理論原理學(xué)習(xí)完后，教師通過提問啟發(fā)、程序填空等方式，引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)關(guān)鍵代碼。講解完冒泡排序算法原理后，引導(dǎo)學(xué)生思考冒泡排序需要幾重循環(huán)來推出算法框架，并啟發(fā)學(xué)生根據(jù)算法原理演示過程推導(dǎo)循環(huán)邊界。讓學(xué)生從整體到細(xì)節(jié)逐步填充代碼，逐步實(shí)現(xiàn)代碼。理論課內(nèi)實(shí)踐，縮短了理論實(shí)踐的間隔，降低了實(shí)踐難度，理論學(xué)習(xí)更扎實(shí)。有了理論課實(shí)踐的基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)課實(shí)踐可設(shè)置兩個目標(biāo)：①驗(yàn)證算法代碼，鞏固理論知識；②將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)拓展提升，將多個理論知識點(diǎn)綜合，如冒泡排序的基本實(shí)現(xiàn)、改進(jìn)、應(yīng)用綜合。

課外實(shí)踐，通過課后作業(yè)形式，對課上的實(shí)踐進(jìn)一步擴(kuò)展、補(bǔ)充，將學(xué)習(xí)從課內(nèi)延伸到課外。課內(nèi)解決基礎(chǔ)的，核心的算法，課外調(diào)動學(xué)生的開創(chuàng)思維，培養(yǎng)學(xué)生利用知識解決實(shí)際問題的能力。課內(nèi)課外互補(bǔ)，既幫助學(xué)生夯實(shí)基礎(chǔ)，又引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新挑戰(zhàn)。

⑶ 基礎(chǔ)與綜合配套

在實(shí)踐內(nèi)容上，基礎(chǔ)和綜合實(shí)踐配套，由淺入深，層層遞進(jìn)。理論課上和線上作業(yè)，安排基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生消化鞏固理論知識。實(shí)驗(yàn)課上，安排中等難度的綜合實(shí)驗(yàn)，達(dá)到對理論知識綜合理解和簡單應(yīng)用的目的。大作業(yè)上，安排和實(shí)際貼近的項目式實(shí)踐，達(dá)到學(xué)以致用，創(chuàng)新進(jìn)取的目的。通過基礎(chǔ)和綜合實(shí)踐配套，幫助學(xué)生夯實(shí)基礎(chǔ)、突破難關(guān)、挑戰(zhàn)高度、銳意創(chuàng)新。

⑷ 自主與分組并行

在實(shí)踐形式安排上，自主和分組并行。對于基礎(chǔ)的、簡單的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生獨(dú)立自主完成，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力。對于融合多個知識的貼近實(shí)際應(yīng)用的項目式大作業(yè)，以3～5人一組，分組進(jìn)行綜合實(shí)踐，要求每組提交設(shè)計思路、分工安排、程序講解、運(yùn)行演示和組內(nèi)人員貢獻(xiàn)度互評。綜合實(shí)踐實(shí)現(xiàn)方法多樣，解決方案不一，不僅能培養(yǎng)學(xué)生查閱資料、分析問題、算法設(shè)計、編程實(shí)現(xiàn)等能力，還能培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)體意識、職業(yè)道德和溝通表達(dá)能力。

各章節(jié)線上線下、課內(nèi)課外、基礎(chǔ)綜合、自主分組實(shí)踐具體安排見表1。

2.2 課程考核設(shè)計

課程考核是課程實(shí)施的重要一環(huán)，在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中起著指揮棒的作用，實(shí)踐教學(xué)思路能否真正落地實(shí)現(xiàn)，能否達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)，課程考核方式起著至關(guān)重要作用。本文根據(jù)實(shí)踐教學(xué)思路，設(shè)計了圖2過程性課程考核方式。

學(xué)生最終成績由三部分構(gòu)成：平時、實(shí)驗(yàn)和期末成績。平時成績占10%，主要考核點(diǎn)為學(xué)生課堂表現(xiàn)和作業(yè)，其中課堂表現(xiàn)重點(diǎn)考查課內(nèi)啟發(fā)式編程的活躍程度。實(shí)驗(yàn)成績占30%，考核點(diǎn)為課內(nèi)線上實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)踐。課內(nèi)實(shí)驗(yàn)依托EduCoder平臺統(tǒng)計得分，統(tǒng)計數(shù)據(jù)包含學(xué)生實(shí)驗(yàn)關(guān)卡成功與否、關(guān)卡所用時間、算法運(yùn)行時間、代碼查重情況、測試次數(shù)等。分組實(shí)踐考評學(xué)生實(shí)踐作品的算法設(shè)計思路、代碼質(zhì)量、運(yùn)行結(jié)果、總結(jié)匯報情況，其中同一組中每個成員得分差異主要考慮組內(nèi)人員貢獻(xiàn)度排名。終結(jié)性考核占60%，形式為半開卷筆試。學(xué)生可將經(jīng)典算法原理，過程抄寫到紙上帶進(jìn)考場，以此側(cè)重學(xué)生對算法理解、應(yīng)用、編碼實(shí)現(xiàn)的考核，而不是算法記憶的考核，在筆試中，加大算法編程實(shí)現(xiàn)的比例，注重學(xué)生實(shí)踐能力考核。

3 實(shí)踐教學(xué)實(shí)施過程及效果

3.1 全方位實(shí)踐教學(xué)實(shí)施

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程知識點(diǎn)多而雜，如果沒有從整體高度引導(dǎo)，學(xué)生學(xué)習(xí)容易管中窺豹，對自身的學(xué)習(xí)目標(biāo)和當(dāng)前達(dá)成程度沒有明確定位。針對這個問題，為落實(shí)實(shí)踐教學(xué)的效果，實(shí)施時采用了能力達(dá)成梯度模式，將能力達(dá)成和教學(xué)實(shí)施環(huán)節(jié)一一對應(yīng)，使學(xué)生能明確定位自己學(xué)習(xí)情況和提升方向，實(shí)施過程如表2所示。

以線性表章節(jié)為例，前導(dǎo)知識為數(shù)組、指針。課前布置EduCoder基礎(chǔ)作業(yè)，推送相關(guān)慕課，學(xué)生自行完成；理論課上，學(xué)習(xí)順序表和鏈表存儲原理，課上引導(dǎo)學(xué)生完成線性表的添加、刪除、定位、創(chuàng)建等基本操作關(guān)鍵代碼；理論課后布置作業(yè)，讓學(xué)生根據(jù)課上學(xué)習(xí)的各個操作代碼，寫出完整的順序表和鏈表結(jié)構(gòu)，并補(bǔ)全實(shí)現(xiàn)課上未講的操作，學(xué)生通過作業(yè)可以從整體上掌握順序表和鏈表的實(shí)現(xiàn)；實(shí)驗(yàn)課安排鏈表反轉(zhuǎn)、線性表合并等基礎(chǔ)應(yīng)用題目，這些題目代碼可以借鑒課上學(xué)習(xí)的代碼，適當(dāng)修改即可，避免學(xué)生從零開始實(shí)現(xiàn)算法產(chǎn)生的畏難情緒，同時讓學(xué)生在掌握線性表后能做到一定程度擴(kuò)展、應(yīng)用；在整個章節(jié)學(xué)習(xí)完后安排一元多項式相加或手機(jī)通訊錄等實(shí)際案例的分組綜合實(shí)踐，鍛煉學(xué)生對已學(xué)知識的綜合應(yīng)用能力。

3.2 實(shí)踐教學(xué)實(shí)施效果

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法課程在2022年實(shí)施全過程全方位實(shí)踐教學(xué)設(shè)計，與2021年對比發(fā)現(xiàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性提高，動手實(shí)踐能力增強(qiáng)，基礎(chǔ)自主實(shí)驗(yàn)完成度好，綜合實(shí)踐匯報體現(xiàn)出學(xué)生對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的深刻理解和靈活運(yùn)用。與2021年相比，學(xué)生期末考試成績平均分由76.77上升到79.77分，提升了3.9%。其中，兩次考試編程實(shí)踐題均占30分，此部分得分，2022年均分較2021年提高了25%，教學(xué)效果提升明顯。

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程，理論性強(qiáng)，對編程實(shí)踐能力要求高。本文貫徹落實(shí)“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，從學(xué)生實(shí)踐角度分析出此課程的問題。為解決學(xué)生編程基礎(chǔ)差、實(shí)踐開展難的問題，提出“線上線下結(jié)合、課內(nèi)課外互補(bǔ)、基礎(chǔ)綜合配套、自主分組并行”的全方位全過程課程實(shí)踐思路，幫助學(xué)生更好筑牢理論知識，更順利地將理論知識應(yīng)用到實(shí)際問題中。從實(shí)施的結(jié)果看，此思路調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐編程能力，對教學(xué)效果提升較明顯。

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