“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程QAE實(shí)踐教學(xué)模式的探索與實(shí)踐

黨源源 王紅梅 劉冰

摘 要：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一門應(yīng)用實(shí)踐性強(qiáng)的課程，為加強(qiáng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)踐課程建設(shè)，分析了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)踐課程教學(xué)中存在的問題，提出了以問題驅(qū)動為基礎(chǔ)、立體化進(jìn)階式教學(xué)與考核為手段、時空拓展實(shí)踐教學(xué)為特色（QAE）的教學(xué)模式。從實(shí)際問題出發(fā)重新組織教學(xué)素材，完成教學(xué)內(nèi)容“階”的劃分，并制定進(jìn)階規(guī)則；將實(shí)踐教學(xué)拓展為四個階段，逐步培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力?？偨Y(jié)教學(xué)模式實(shí)施效果，分析改進(jìn)思路。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；QAE；進(jìn)階；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：Data Structure is a practice-oriented application course.To strengthen the construction of this practice course，this paper analyzes the current problems in the teaching of the practice course and provides a teaching model which takes the question-driven as the basis，stereoscopic advanced teaching and evaluation as the method，space-time expansion of practical teaching as the characteristic （QAE）.Starting from actual problems，it reorganizes the teaching materials，completes the division of Steps in teaching content，and establishes the advanced rules.Moreover，it has expanded the practical teaching into four stages，cultivating the practice ability of students gradually，summarizing the teaching model and practicing effects，and analyzing the improvement ideas.

Keywords：Data Structure；QAE；advanced；practical teaching

1 引言（Introduction）

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中的核心課程，也是計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)考研和水平等級考試的必考科目。要從事和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)相關(guān)的工作，尤其是計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)和研制工作，必須具備堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[1]。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程既有很強(qiáng)的理論性，又有較高的實(shí)踐要求[2]。本文針對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)，采用以問題驅(qū)動為基礎(chǔ)、立體化進(jìn)階式教學(xué)與考核為手段、時空拓展實(shí)踐教學(xué)為特色（QAE）的教學(xué)模式，以培養(yǎng)學(xué)生抽象思維、計(jì)算思維能力，提高學(xué)生運(yùn)用理論知識解決實(shí)際問題的能力，達(dá)到學(xué)以致用的實(shí)踐教學(xué)目的。

課內(nèi)實(shí)踐（驗(yàn)）是指與理論課相捆綁的實(shí)踐教學(xué)，即嵌入到專業(yè)基礎(chǔ)課或?qū)I(yè)課內(nèi)的實(shí)踐教學(xué)[3]。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程具有理論抽象程度高和應(yīng)用實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)[4]。因此如何提高課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)水平，在實(shí)踐中不斷地夯實(shí)理論知識，并將理論知識運(yùn)用到實(shí)際問題的解決中顯得尤為重要。但傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)踐教學(xué)存在以下問題[5-8]：（1）課程要求理論實(shí)踐并重，學(xué)習(xí)跨度大。（2）學(xué)生學(xué)習(xí)起點(diǎn)、學(xué)習(xí)規(guī)律不同，統(tǒng)一、同一的教學(xué)設(shè)置無法滿足教學(xué)需求。（3）原有實(shí)踐題目與實(shí)際問題契合不緊密。（4）課程學(xué)時分散、學(xué)時不足、難與課程其他實(shí)踐設(shè)置相關(guān)聯(lián)。（5）考核機(jī)制平面化、考核形式單一化，難以形成激勵效果。

2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程QAE實(shí)踐教學(xué)模式框架（The framework for data structure course QAE practice teaching model）

針對上述問題，將培養(yǎng)學(xué)生抽象思維、計(jì)算思維能力；提高學(xué)生運(yùn)用理論知識解決實(shí)際問題的能力；因材施教拓展個人學(xué)習(xí)發(fā)展空間設(shè)定為實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)。借鑒巴特勒與拋錨式教學(xué)模式[9]，制定以問題驅(qū)動為基礎(chǔ)、立體化進(jìn)階式教學(xué)與考核為手段、時空拓展實(shí)踐教學(xué)為特色（QAE）的教學(xué)模式，如圖1所示。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程組通過總結(jié)多年的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合課程組編著的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（C++）》立體化教材（“十一五”國家規(guī)劃教材），基于長春工業(yè)大學(xué)“計(jì)算機(jī)軟件基礎(chǔ)課程群實(shí)驗(yàn)平臺”，應(yīng)用QAE實(shí)踐教學(xué)模式對原有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)踐課程進(jìn)行了改革。將問題驅(qū)動式教學(xué)方法貫穿于整個實(shí)踐教學(xué)過程；重新組織設(shè)置實(shí)驗(yàn)題目，使其層次分級、推進(jìn)分階；為學(xué)生架設(shè)時空可擴(kuò)展的立體化實(shí)踐學(xué)習(xí)平臺；結(jié)合進(jìn)階實(shí)踐學(xué)習(xí)建立多層次立體化課程考核機(jī)制。

3 QAE中基于問題驅(qū)動的立體化進(jìn)階式教學(xué)設(shè)置 （Stereoscopic advanced teaching settings based on problem-driven in QAE model）

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程涉及計(jì)算機(jī)求解問題過程的兩大基石：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法[10]。QAE教學(xué)模式，在回歸課程主旨的同時緊扣課程內(nèi)容，將實(shí)踐課程內(nèi)容進(jìn)行了橫向分階與縱向分層的立體化組織，并結(jié)合理論知識設(shè)置了一系列具有現(xiàn)實(shí)背景的實(shí)踐題目。以此為基礎(chǔ)開展問題驅(qū)動式實(shí)踐教學(xué)。

3.1 問題驅(qū)動式教學(xué)設(shè)置

為解決學(xué)生遇問題無想法的問題，設(shè)置具有實(shí)際背景的問題（表1），并通過“解決問題”推進(jìn)教學(xué)進(jìn)程。

實(shí)踐題目設(shè)置原則：（1）理論知識覆蓋范圍明確。（2）問題求解目標(biāo)明確。（3）難度分級明確。（4）背景生動簡潔。

教學(xué)設(shè)置：（1）針對訓(xùn)練內(nèi)容由實(shí)際問題出發(fā)，將學(xué)生帶入問題情境。（2）引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)理論知識構(gòu)建問題模型。（3）引導(dǎo)學(xué)生針對問題模型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)。（4）指導(dǎo)學(xué)生基于存儲結(jié)構(gòu)完成設(shè)計(jì)算法。（5）指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行算法分析。（6）引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)。

問題驅(qū)動式實(shí)踐教學(xué)以應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問題為主旨，通過“問題”的解決對學(xué)生進(jìn)行問題模型抽象、算法設(shè)計(jì)分析的訓(xùn)練。來源于生活的問題具有親和力，通過由易到難的問題導(dǎo)入可使學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行平滑過渡。通過“問題”的不斷解決，使學(xué)生自然形成計(jì)算思維，最終到達(dá)遇“問題”有“想法”的教學(xué)目的。

3.2 立體化進(jìn)階式課程組織

將實(shí)踐課程內(nèi)容進(jìn)行橫向分階與縱向分層的立體化組織（限于篇幅截取部分章節(jié)），如表1所示。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行立體化進(jìn)階式實(shí)踐教學(xué)。

（1）課程內(nèi)容層次化設(shè)置：分層教學(xué)即根據(jù)不同專業(yè)和不同水平層次的受教育對象，制定不同的教學(xué)體系及與之相適應(yīng)的教學(xué)方法[11]。QAE教學(xué)模式將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了四個層次的劃分，分別為：章節(jié)基礎(chǔ)進(jìn)階層、章節(jié)探索進(jìn)階層、章節(jié)應(yīng)用進(jìn)階層、課程綜合進(jìn)階層。四個層次由單知識點(diǎn)基礎(chǔ)訓(xùn)練到課程知識綜合訓(xùn)練由淺及深逐層遞進(jìn)。層次化教學(xué)設(shè)置可提供多樣化的學(xué)習(xí)方式，在完成基本學(xué)習(xí)的前提下學(xué)生可選擇單點(diǎn)深入學(xué)習(xí)也可選擇分層迭代學(xué)習(xí)，以應(yīng)對學(xué)生學(xué)習(xí)起點(diǎn)、學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)目標(biāo)的差異，滿足個性化教與學(xué)的需求。QAE教學(xué)模式層次設(shè)置：①章節(jié)基礎(chǔ)進(jìn)階層，緊扣章節(jié)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)置章節(jié)基礎(chǔ)訓(xùn)練題目，題目類型分為基礎(chǔ)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)兩部分。其中基礎(chǔ)驗(yàn)證試驗(yàn)在理論課教學(xué)中詳細(xì)講解，設(shè)置為預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)在課前完成。②章節(jié)探索進(jìn)階層，基于章節(jié)內(nèi)容設(shè)置與實(shí)際問題相結(jié)合的實(shí)踐題目，并設(shè)定課程考核基線和層次拓展基線。章節(jié)考核基線（*號標(biāo)識）為本章節(jié)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)要求，層次拓展基線（+號標(biāo)識）為通往下一層次的解鎖控制（兩條基線可根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況動態(tài)調(diào)整）。③章節(jié)應(yīng)用進(jìn)階層，設(shè)置以本章節(jié)內(nèi)容為主并結(jié)合其他章節(jié)知識的具有實(shí)際背景的綜合性應(yīng)用題，并設(shè)定層次拓展基線。④課程綜合進(jìn)階層，設(shè)置具有一定難度和規(guī)模的課程綜合性題目。

（2）課程內(nèi)容進(jìn)階設(shè)置。為降低實(shí)踐課程學(xué)習(xí)門檻，解決學(xué)生學(xué)習(xí)跨度大的問題，對課程內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)階設(shè)置?！斑M(jìn)階”機(jī)制可平滑推進(jìn)教學(xué)進(jìn)程、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。進(jìn)階也將階與階之間進(jìn)行了有效聯(lián)通，使其獨(dú)立而不孤立。

定義1：階。將知識模塊與知識考核相結(jié)合，內(nèi)聚而獨(dú)立的學(xué)習(xí)單元稱之為“階”。

定義2：進(jìn)階。課程學(xué)習(xí)中“階”的推進(jìn)、迭代過程為“進(jìn)階”。

QAE教學(xué)模式中階的建設(shè)，以章節(jié)“圖”為例。（1）將內(nèi)容劃分為知識模塊：圖的存儲結(jié)構(gòu)、圖的遍歷、最小生成樹、最短路徑、拓?fù)渑判颉㈥P(guān)鍵路徑、圖的其他應(yīng)用。（2）針對知識模塊設(shè)置不同難度等級的實(shí)踐題目，形成“階”（如表1：圖、階）。1階，知識模塊：圖的存儲結(jié)構(gòu)。難度：基礎(chǔ)。2階，知識模塊：圖的遍歷、圖的其他應(yīng)用。難度：基礎(chǔ)。3階，知識模塊：圖的遍歷。難度：中等。4階，知識模塊：圖的遍歷。難度：較難。5階，知識模塊：拓?fù)渑判?、圖的其他應(yīng)用。難度：較難。6階，知識模塊：最小生成樹。難度：難。7階，知識模塊：最短路徑。難度：難。8階，知識模塊：拓?fù)渑判颉ｋy度：難。9階，知識模塊：關(guān)鍵路徑、圖的其他應(yīng)用。難度：難。

QAE教學(xué)模式中進(jìn)階設(shè)置。結(jié)合層次劃分，進(jìn)階設(shè)置分為兩部分：（1）課程學(xué)習(xí)進(jìn)階。隨課程學(xué)習(xí)的推進(jìn)而推進(jìn)，在“章節(jié)基礎(chǔ)進(jìn)階”和“章節(jié)探索進(jìn)階”中完成。達(dá)到章節(jié)考核基線視為章節(jié)學(xué)習(xí)通過。當(dāng)前章節(jié)學(xué)習(xí)通過方可進(jìn)行下一章節(jié)的學(xué)習(xí)。（2）章節(jié)層次進(jìn)階。層次進(jìn)階考察學(xué)習(xí)的深度，通過四個拓展層次來體現(xiàn)。除“章節(jié)基礎(chǔ)進(jìn)階”（必修）外，達(dá)到進(jìn)階基線可進(jìn)入下一層次的學(xué)習(xí)。

3.3 QAE教學(xué)模式中時空拓展式實(shí)踐教學(xué)設(shè)置

當(dāng)前實(shí)踐課程存在學(xué)時分散、學(xué)時不足等問題。為解決上述問題課程組進(jìn)行了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺，打破教學(xué)硬件資源的限制，對原有的10學(xué)時課上實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行時空拓展。結(jié)合“立體化進(jìn)階式課程組織”將原有單一的實(shí)踐課程分為四個階段：課前實(shí)踐、課上實(shí)踐、課后實(shí)踐、課程延伸實(shí)踐。教學(xué)設(shè)置如表2所示。

4 多層次立體化實(shí)踐課程考核（Multi-level and stereoscopic practice course evaluation）

借鑒智豬博弈理論[12]，結(jié)合進(jìn)階學(xué)習(xí)過程，采用減量加移位與分層考核相結(jié)合的立體化考核方式。對應(yīng)課程實(shí)施的四個階段，課程考核也分為課前實(shí)踐考核、課上實(shí)踐考核、課后實(shí)踐考核、課程延伸實(shí)踐考核四個層次。再將四個層次應(yīng)用在不同的章節(jié)實(shí)踐中，形成立體化考核體系?？己嗽O(shè)定為百分制延伸考核，所有考核在實(shí)驗(yàn)平臺中完成，考核成績由實(shí)驗(yàn)平臺自動生成并進(jìn)行累加。課前實(shí)踐考核為實(shí)踐課的門檻考核，只設(shè)置通過標(biāo)識不記入分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)，通過者方可進(jìn)行課上實(shí)踐。課上實(shí)踐考核，要求通過章節(jié)考核基線，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺自動評判實(shí)踐分?jǐn)?shù)，并累計(jì)平臺中實(shí)驗(yàn)報(bào)告評判分?jǐn)?shù)（教師給出），得出課上實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)，滿分為70分。課后實(shí)踐考核，依據(jù)進(jìn)階規(guī)則實(shí)驗(yàn)平臺自動累計(jì)分?jǐn)?shù)，滿分為30分。課程延伸實(shí)踐考核，依據(jù)進(jìn)階規(guī)則實(shí)驗(yàn)平臺自動累計(jì)分?jǐn)?shù)，成績累計(jì)入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)，成績突出者計(jì)入創(chuàng)新學(xué)分。

各層考核標(biāo)準(zhǔn)（考核基線、進(jìn)階基線）可根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況在實(shí)驗(yàn)平臺中動態(tài)調(diào)整。分層進(jìn)階、逐層遞進(jìn)、多次考核、成果延伸的考核形式將原有分散的實(shí)踐課程有機(jī)的結(jié)合起來，并有效的延伸到相關(guān)的實(shí)踐教學(xué)中，充分激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。同時實(shí)驗(yàn)平臺的自動化評價考核管控機(jī)制大大節(jié)省了教師的工作時間，使教師有更多的時間用于學(xué)生的學(xué)習(xí)指導(dǎo)。

5 結(jié)論（Conclusion）

從2015年開始針對“計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐課程教學(xué)改革，并不斷完善QAE教學(xué)模式。應(yīng)用課題組編著教材，基于實(shí)驗(yàn)平臺重新組織教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式和考核形式。經(jīng)過三年多的積累，通過學(xué)生橫縱向考核比較，QAE實(shí)踐教學(xué)模式在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力上有明顯效果。在實(shí)驗(yàn)完成的數(shù)量、深度均有較大幅度提高，據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺數(shù)據(jù)跟蹤，學(xué)生知識繼承轉(zhuǎn)化（創(chuàng)新實(shí)踐、競賽）也取得了較好的效果。

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作者簡介：

黨源源（1980-），女，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：數(shù)據(jù)挖掘，計(jì)算機(jī)教育.

王紅梅（1968-），女，碩士，教授.研究領(lǐng)域：數(shù)據(jù)挖掘，計(jì)算機(jī)教育.

劉 冰（1978-），男，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：軟件開發(fā)，計(jì)算機(jī)教育.