趙晨陽 張苗 廖天力

摘 要 將研究性教學(xué)理念引入教學(xué)實踐是培養(yǎng)學(xué)生研究性能力和創(chuàng)新觀念的一種有效途徑。針對目前數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)在研究性教學(xué)方面的不足，探索研究性教學(xué)在該課程教學(xué)中的應(yīng)用。文章將科學(xué)問題和課程知識單元結(jié)合，實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)，將研究性教學(xué)理念和線上線下混合式教學(xué)模式融合，提出研究性教學(xué)視域下的混合式教學(xué)模式，將知識考核和研究性能力考核相結(jié)合，設(shè)計體現(xiàn)研究性教學(xué)的教學(xué)效果評價體系。實踐表明，該課程教學(xué)實踐不僅提升了教學(xué)效果，而且增強了學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)能力。

關(guān)鍵詞 研究性教學(xué)；混合教學(xué)模式；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；教學(xué)實踐

中圖分類號：G642?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.8.020

Teaching Practice on Data Structure Based on Research-oriented Teaching

ZHAO Chenyang，ZHANG Miao，LIAO Tianli

（College of Information Science and Engineering， Henan University of Technology， Zhengzhou，Henan 450001）

Abstract Introducing the concept of research-oriented teaching into teaching practice is an effective way to cultivate students' research abilities and innovative concepts. To address the shortcomings of research-oriented teaching in data structure， the application of research-oriented teaching in this course is explored. The article achieves the reconstruction of teaching content by combining scientific issues with knowledge units， proposes a mixed online and offline teaching model from the perspective of research-oriented teaching，designs a teaching effectiveness evaluation system by integrating knowledge evaluation with research abilities evaluation. The teaching practice of this course proves that it not only improves teaching effectiveness but also enhances students' research abilities.

Keyword research-oriented teaching; mixed teaching mode; data structure; teaching practice

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程研究數(shù)據(jù)的組織形式，是大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等新興技術(shù)領(lǐng)域的重要技術(shù)支撐。課程教學(xué)不是僅僅讓學(xué)生學(xué)到知識，而是使學(xué)生在學(xué)習(xí)中體會使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)解決問題的奧秘，提高科學(xué)研究興趣，鍛煉科學(xué)研究能力，以達到研究性人才的培養(yǎng)目標(biāo)。為此，近年來，研究性教學(xué)[1]在國內(nèi)外高校得到廣泛關(guān)注。研究性教學(xué)既是育人理念，也是育人方式，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)教師從授業(yè)到引導(dǎo)的轉(zhuǎn)變，也能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生從被動學(xué)習(xí)到自主研究的轉(zhuǎn)向。然而，目前該課程普遍采用的線上線下混合式教學(xué)模式不能充分體現(xiàn)研究性教學(xué)，學(xué)生的研究性能力還有待加強。為了解決這些問題，仍需要深度挖掘研究性教學(xué)的理念，以學(xué)生為中心，持續(xù)改進教學(xué)過程，在線上線下混合式教學(xué)中充分融入研究性教學(xué)元素，進一步增強學(xué)生的解決問題能力、科學(xué)研究能力和創(chuàng)新能力。因此，本文結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程，研究先進研究性教學(xué)理念，分別從研究性教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)、研究性教學(xué)視域下混合式教學(xué)模式和研究性教學(xué)效果評價體系三個方面進行課程實踐，實現(xiàn)提升學(xué)生研究能力的育人效果。

1 研究性教學(xué)的現(xiàn)狀

在計算機類課程教學(xué)中，如何將研究性教學(xué)理念有機地融合到課程教學(xué)實施過程中，提升學(xué)生專業(yè)素質(zhì)和研究能力，是目前課程改革重點關(guān)注的問題。閆蓓等[2]在課程實踐中采用啟發(fā)式、探究式等研究性教學(xué)方法進行實踐；譚德坤等[3]探討以科研案例為對象的研究性教學(xué)實施過程；尹嬙等[4] 重構(gòu)教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容，探索基于案例庫的研究性教學(xué)課程改革。以上研究未將研究性教學(xué)和混合式教學(xué)充分融合，因此本文系統(tǒng)性地研究將研究性教學(xué)無縫融入整個混合式教學(xué)過程的方法，并增強了研究性教學(xué)和課程教學(xué)的融合度。

目前，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中采用的線上線下混合式教學(xué)模式主要存在以下問題：①教學(xué)內(nèi)容未充分體現(xiàn)研究性學(xué)習(xí)。課程主要介紹線性表、樹、圖等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲實現(xiàn)以及相應(yīng)算法，但是教學(xué)內(nèi)容很少體現(xiàn)科學(xué)問題和研究性方法。②混合式教學(xué)模式未充分融入研究性教學(xué)。目前的混合式教學(xué)僅僅依靠案例驅(qū)動，鼓勵學(xué)生自主解決任務(wù)，但缺乏培養(yǎng)學(xué)生研究學(xué)習(xí)和科學(xué)思維的系統(tǒng)性訓(xùn)練。③課程考核未充分衡量研究性教學(xué)效果?，F(xiàn)有考核體系缺乏研究性教學(xué)元素，無法兼顧學(xué)生的知識考核和研究能力考核。因此，本文探索將研究性教學(xué)無縫地融入教學(xué)實施過程的方法，為研究性教學(xué)建設(shè)提供一些參考。

2 實施研究性教學(xué)的課程教學(xué)實踐

2.1 以科學(xué)問題為切入點，重構(gòu)課程知識單元

本文根據(jù)研究性教學(xué)理念，以科學(xué)問題為切入點，將研究性教學(xué)與課程知識單元有機融合，著重加強教學(xué)內(nèi)容與科學(xué)研究的結(jié)合，以實現(xiàn)課程知識單元的重構(gòu)。因此，課程教學(xué)內(nèi)容不僅包括課程知識單元，還涵蓋了計算機學(xué)科領(lǐng)域的最新科學(xué)問題、先進科研成果以及優(yōu)秀教研成果。

首先構(gòu)造課程知識單元，重新梳理其內(nèi)涵，找出蘊含的相關(guān)子知識點。其次，將課程知識單元與計算機學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)問題相匹配，找出相關(guān)的科學(xué)問題。再次，以科學(xué)問題為切入點，將知識單元學(xué)習(xí)與科學(xué)問題相融合，重構(gòu)課程知識點，增加先進科研成果以及優(yōu)秀教研成果，延伸知識內(nèi)容，即通過解決科學(xué)問題，為課程知識單元增加研究意義、研究目的、研究方法、科學(xué)思維以及解決問題流程等一系列研究性教學(xué)內(nèi)容。通過科學(xué)問題的解決，激發(fā)學(xué)生的科研興趣，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識，使學(xué)生領(lǐng)會科學(xué)問題研究的流程，體會問題解決的方法和途徑。最后，為知識單元增加課下拓展學(xué)習(xí)內(nèi)容，使學(xué)生了解到科學(xué)研究永無止境，一個科學(xué)問題可能會引出另外一些新的科學(xué)問題，促使學(xué)生對新問題進行探索學(xué)習(xí)和創(chuàng)新思考，從而強化課程知識單元與科學(xué)研究的有機融合。

本文結(jié)合哈夫曼樹知識單元具體闡述研究性教學(xué)內(nèi)容的重構(gòu)過程。該知識單元包括二叉樹、哈夫曼樹、哈夫曼編碼、哈夫曼解碼和信息熵。通過對知識單元的梳理，將文本壓縮科學(xué)問題與之有機融合，重構(gòu)該知識單元。重構(gòu)后的知識單元包括兩條路線，即知識點路線和科學(xué)研究路線。其中，知識點路線按照學(xué)習(xí)次序依次是“二叉樹—哈夫曼樹—哈夫曼編碼—哈夫曼解碼—信息熵”，與之對應(yīng)的科學(xué)研究路線為“字符編碼—字符最優(yōu)編碼—壓縮技術(shù)—解壓技術(shù)—有損/無損壓縮技術(shù)”。兩者之間的具體融合過程為：首先，由二叉樹分支標(biāo)注學(xué)習(xí)，得出可以通過二叉樹分支標(biāo)注解決字符編碼問題，但該編碼可能不是最短編碼，為節(jié)省存儲空間，需要改進編碼策略，從而引入哈夫曼樹。通過對哈夫曼樹的學(xué)習(xí)，引入字符的最優(yōu)編碼。接著，學(xué)習(xí)哈夫曼編碼原理，實現(xiàn)文本的編碼和最大限度的壓縮。然后，逆向思維學(xué)習(xí)，介紹哈夫曼解碼，引出解壓技術(shù)，還原文本文件。最后，拓展知識單元，引出信息熵概念，使學(xué)生課下了解有損/無損壓縮技術(shù)。綜上，通過兩條路線的對應(yīng)交叉學(xué)習(xí)，實現(xiàn)體現(xiàn)研究性教學(xué)的課程知識單元的重構(gòu)。

2.2 研究性教學(xué)視域下的混合式教學(xué)模式

張偉剛等[5]提出了基于引入問題（Problem）、尋找方法（Method）、科學(xué)分析（Analysis）、有效解決（Solution）和效果評價（Evaluation）五個環(huán)節(jié)的P-MASE模型。該模型與研究性教學(xué)的理念相一致，描述了研究性教學(xué)的過程。本文將其融入傳統(tǒng)的混合式教學(xué)模式，為其注入研究性學(xué)習(xí)的理念，使研究性教學(xué)貫穿整個線上線下教學(xué)環(huán)節(jié)。

根據(jù)混合式教學(xué)模式不同階段的學(xué)習(xí)特點，結(jié)合P-MASE模型，本課程選擇工程案例啟發(fā)式、小組合作式、主題討論式、科研融入式、拓展探索式等研究性教學(xué)方法，將科學(xué)研究方法和研究規(guī)程充分體現(xiàn)在教學(xué)過程中。①工程案例啟發(fā)式：選擇工程案例引入知識單元，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，帶著任務(wù)自主探索，主動分析和解決問題。②小組合作式：以小組為單位，由組長帶領(lǐng)，對共同任務(wù)進行分工、調(diào)研、探索，協(xié)同完成任務(wù)。③主題討論式：通過激烈的辯論和教師的引導(dǎo)，學(xué)生走到探究學(xué)習(xí)的軌道上。④科研融入式：將科學(xué)研究過程與教學(xué)過程融合，讓學(xué)生了解科研的過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)新意識。⑤拓展探索式：通過布置拓展作業(yè)，要求學(xué)生自主探索，提出解決問題的方案，實現(xiàn)知識升華和遷移的目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和探索精神。通過以上研究性教學(xué)方法的實施，保障研究性教學(xué)目標(biāo)的達成。

本文結(jié)合最小生成樹知識單元具體闡述研究性教學(xué)視域下線上線下混合式教學(xué)模式的實施。課前階段，教師發(fā)布帶有研究性的課前任務(wù)，即圖的生成樹問題。學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)，探索生成樹內(nèi)涵以及如何由圖生成一棵樹，并完成任務(wù)自測。通過學(xué)生的自測任務(wù)的反饋結(jié)果，教師分析結(jié)果并優(yōu)化教學(xué)設(shè)計。課中階段，教師通過管道鋪設(shè)工程案例，引導(dǎo)學(xué)生利用最小生成樹思想進行解決。期間進行小組合作式學(xué)習(xí)，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生通過組間辯論以及小組成員的合作，研究使用最小生成樹算法解決該工程任務(wù)。同時，教師采用科研融入式方法，引入數(shù)據(jù)聚類問題和北斗通信線路設(shè)計等科學(xué)問題，使之貫穿到討論中，使學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)問題解決的流程和方法，體會科學(xué)的意義，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。課后階段，教師布置一個礦井通風(fēng)管道設(shè)計的研究式作業(yè)，要求以小組合作的形式進行探索，促使學(xué)生將所學(xué)知識進行遷移和升華，轉(zhuǎn)化為自身的科學(xué)思維素養(yǎng)。整個教學(xué)實施過程中，教師需要掌握整個學(xué)習(xí)過程，及時發(fā)現(xiàn)問題，積極引導(dǎo)學(xué)生，幫助學(xué)生分析和解決問題，并在教學(xué)過程完成后不斷優(yōu)化教學(xué)設(shè)計，持續(xù)改進。

2.3 體現(xiàn)研究性教學(xué)的教學(xué)效果評價體系

本文設(shè)計了體現(xiàn)研究性教學(xué)效果的評價體系，該體系不僅能夠衡量學(xué)生對課程知識的理解，而且還能夠衡量學(xué)生的研究能力和創(chuàng)新能力。

該課程教學(xué)效果評價體系采用多元化的考核方式，主要由過程性考核和期末考核兩部分組成。其中，期末考核采用閉卷形式，重點突出分析題的設(shè)計，其目的是考查學(xué)生利用綜合知識創(chuàng)造性解決問題的能力。過程性考核包括平時成績考核和實驗成績考核。平時成績由線上和線下兩部分組成。線上主要包括課前學(xué)習(xí)視頻完成度和課前任務(wù)自測完成情況，兩者都由網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺記錄；線下主要包括課堂表現(xiàn)、主題討論、合作式學(xué)習(xí)、課堂/階段測試和創(chuàng)新拓展作業(yè)組成，課堂/階段測試由網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺記錄，其他由課堂記錄表記錄。實驗成績考核根據(jù)實驗報告質(zhì)量和實驗中學(xué)生過程表現(xiàn)綜合評分。最終成績由平時成績考核（線上線下混合）、實驗成績考核和期末考試考核組成，占比分別是30%、20%和50%。同時，鼓勵學(xué)生參加科研項目、發(fā)表論文、撰寫專利、參加比賽，這些也是研究性教學(xué)效果評價的重要組成部分，并記錄到過程性考核中。

3 課程教學(xué)實踐效果

以河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程2020級和2021級的學(xué)生的學(xué)習(xí)情況為對象進行比較。其中，研究性教學(xué)從2021級學(xué)生開始實施，而2020級學(xué)生仍采用傳統(tǒng)的線上線下混合式教學(xué)模式。本文通過目標(biāo)達成度和調(diào)查問卷兩個方面進行教學(xué)效果比較。

一方面，在基于產(chǎn)出導(dǎo)向的工程認證教學(xué)理念下，從目標(biāo)達成度方面進行比較。2021級學(xué)生的優(yōu)良成績?nèi)藬?shù)占總?cè)藬?shù)的72.18%，相比2020級學(xué)生提升了5.36%。對于2021級學(xué)生，該課程的四個課程目標(biāo)達成度相比2020級學(xué)生，分別提升了5.1%、6.3%、5.8%和6.6%。這些數(shù)據(jù)充分證明，融入研究性教學(xué)的線上線下混合式教學(xué)模式能夠?qū)崿F(xiàn)教學(xué)效果的提升。

另一方面，通過調(diào)查問卷對2021級學(xué)生進行調(diào)研，內(nèi)容涵蓋課程滿意度、學(xué)習(xí)興趣、科研案例引入、問題解決能力、創(chuàng)新思維和團隊合作六個方面，要求學(xué)生根據(jù)自身感受和學(xué)習(xí)過程進行自我評價。發(fā)放和收回調(diào)查問卷224份，通過統(tǒng)計和分析得出：95.2%的學(xué)生對課程教學(xué)表示十分滿意和比較滿意；91.5%的學(xué)生認為課程幫助他們提高了學(xué)習(xí)興趣，其中對學(xué)習(xí)充滿渴望的學(xué)生占比為25.3%；認為科研案例對學(xué)習(xí)非常有利和比較有利的學(xué)生占比達到90.2%；91.6%的學(xué)生認為通過教學(xué)過程基本了解問題解決的方法和流程；90.7%學(xué)生認為啟發(fā)式和討論式的教學(xué)方法激發(fā)了他們的創(chuàng)新靈感；91.3%的學(xué)生認為團隊協(xié)作有益于解決問題。這些調(diào)查結(jié)果從另一角度證明了該課程教學(xué)改革效果顯著，并得到了學(xué)生的廣泛認可。

4 結(jié)語

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容通常蘊含著豐富的研究性元素，需要結(jié)合教學(xué)目標(biāo)，將知識單元的學(xué)習(xí)過程與研究性學(xué)習(xí)過程無縫地融合在一起。本文從研究性教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)、研究性教學(xué)視域下混合式教學(xué)模式和研究性教學(xué)效果評價體系三個方面進行課程教學(xué)實踐，并獲得良好成效，但該課程教學(xué)實踐只是研究性教學(xué)實踐的一隅，仍然需要緊跟最新科學(xué)研究和研究性教學(xué)成果進一步深入研究，最終把研究性教學(xué)的育人目標(biāo)落實到實際教學(xué)中去。

*通訊作者：趙晨陽

基金項目：2023年河南工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革研究與實踐項目“研究性教學(xué)視域下混合式教學(xué)模式的研究與實踐——《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程為例”（JXYJ2023012）；2024年河南省研究生課程思政示范課程項目“計算機圖形學(xué)”（YJS2024SZ11）。

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