基于OBE的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程實(shí)踐改革探討

常合友 周愷

【摘要】針對(duì)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程內(nèi)容抽象，學(xué)生普遍有對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握不牢的問(wèn)題，本文分析了當(dāng)前數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中存在的主要問(wèn)題，探討了以O(shè)BE為目標(biāo)，利用OJ對(duì)課程的教學(xué)實(shí)踐和課程評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)進(jìn)行改革。通過(guò)注重過(guò)程化考核、加大實(shí)踐教學(xué)力度、設(shè)計(jì)針對(duì)性題目、開(kāi)展探究式教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的創(chuàng)新能力。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)? 教學(xué)改革? OBE? OJ系統(tǒng)

【基金項(xiàng)目】國(guó)家青年自然科學(xué)基金（NO. 61806098）;江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目（18KJB520029）;南京曉莊學(xué)院青年專(zhuān)項(xiàng)（2017NXY49）。

【中圖分類(lèi)號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B/A 【文章編號(hào)】2095-3089（2021）10-0116-02

隨著我國(guó)綜合實(shí)力和國(guó)際地位的不斷提升，高等工程教育正面臨著由大國(guó)向強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的歷史機(jī)遇。目前，我國(guó)高等工程教育改革的主流方向是與國(guó)際接軌，培養(yǎng)得到國(guó)際認(rèn)可的工程技術(shù)人才。OBE（即Outcomes?Based Education）是一種基于學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向的教育模式。在目前的中國(guó)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證體系中，要求將OBE工程教育理念貫穿于人才培養(yǎng)目標(biāo)、課程體系設(shè)計(jì)、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)要求、教學(xué)評(píng)價(jià)等各環(huán)節(jié)[1]。在實(shí)際的教學(xué)環(huán)節(jié)中，如何建設(shè)課程內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力，提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力是計(jì)算機(jī)工程教育教學(xué)所需考慮的重要問(wèn)題。

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》作為計(jì)算機(jī)學(xué)科理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)必修課，其教學(xué)目標(biāo)是要求學(xué)生掌握各種常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義、特點(diǎn)以及基于這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本算法，具備一定的數(shù)據(jù)抽象能力，學(xué)會(huì)分析算法復(fù)雜度、比較算法性能和優(yōu)化算法，提高應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。由此可見(jiàn)，通過(guò)該課程教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，將對(duì)學(xué)生達(dá)到工程認(rèn)證畢業(yè)要求，如具備解決復(fù)雜工程問(wèn)題所具有的扎實(shí)的工程知識(shí)、問(wèn)題分析能力、深度研究能力以及終身自主學(xué)習(xí)習(xí)慣等起到重要的支撐作用。

雖然工程知識(shí)和基礎(chǔ)理論可通過(guò)課堂教學(xué)傳授獲得，但是如何分析實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)數(shù)據(jù)抽象建立數(shù)學(xué)模型，并選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將問(wèn)題轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠處理的形式等抽象思維過(guò)程很難在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式中培養(yǎng)出來(lái)。學(xué)生只有通過(guò)針對(duì)性的系統(tǒng)化實(shí)踐訓(xùn)練，才能真正培養(yǎng)和提高抽象思維能力，理解和掌握課程的內(nèi)容，培養(yǎng)主動(dòng)和深入學(xué)習(xí)的習(xí)慣，提高分析和解決問(wèn)題的能力，達(dá)到專(zhuān)業(yè)認(rèn)證對(duì)學(xué)生素質(zhì)和能力的要求。

1.教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題

由于《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程包含的知識(shí)點(diǎn)多、邏輯性強(qiáng)且抽象性高，涉及各種常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義、特點(diǎn)以及基于這些基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本算法等，教師常常重點(diǎn)講授理論知識(shí)，使用偽代碼來(lái)描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其算法實(shí)現(xiàn)，教學(xué)內(nèi)容比較抽象[2]。學(xué)生被動(dòng)地接收理論知識(shí)，普遍感覺(jué)課程內(nèi)容過(guò)于抽象，對(duì)抽象數(shù)據(jù)類(lèi)型（Abstract Data Type， ADT）的理解比較膚淺，不知道如何利用 ADT 進(jìn)行相關(guān)算法的設(shè)計(jì)，無(wú)法滿(mǎn)足工程認(rèn)證教育的基本要求。

作為實(shí)踐性較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)必修課程，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)的重要組成部分。然而有限的實(shí)踐教學(xué)往往過(guò)于注重基本理論的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)題目比較陳舊，多是圍繞消化課堂內(nèi)容而設(shè)計(jì)的一些碎片式的題目，缺乏系統(tǒng)化的實(shí)踐題目設(shè)計(jì)，尤其缺乏對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的核心內(nèi)容，即ADT的系統(tǒng)性訓(xùn)練，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法實(shí)現(xiàn)算法從偽代碼到實(shí)際代碼的真正轉(zhuǎn)換。此外，在編程實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生遇到問(wèn)題時(shí)無(wú)法與教師保持溝通，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法及時(shí)獲得教師的指導(dǎo)，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。由于算法設(shè)計(jì)能力并未從實(shí)踐環(huán)節(jié)中得到實(shí)質(zhì)性的鍛煉和提高，學(xué)生普遍對(duì)實(shí)踐教學(xué)的積極性不高，缺乏學(xué)習(xí)能動(dòng)性，實(shí)踐教學(xué)效果不好。這種狀況顯然不利于學(xué)生分析和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)。

為了真正領(lǐng)悟和掌握抽象思維能力，學(xué)生不僅需要從理論上掌握基本的知識(shí)點(diǎn)，還需要通過(guò)大量的課后訓(xùn)練來(lái)提高算法設(shè)計(jì)能力，只有這樣才能將具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和相關(guān)算法應(yīng)用于解決實(shí)際問(wèn)題。然而，大多數(shù)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力較差，很難自覺(jué)地完成課下訓(xùn)練。此外，《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程大多以書(shū)面和理論知識(shí)考核為主，對(duì)實(shí)驗(yàn)部分的考核則主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。由于課后作業(yè)和課程實(shí)踐報(bào)告中普遍存在抄襲現(xiàn)象，教師無(wú)法全面了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的實(shí)際掌握情況。

2.教學(xué)實(shí)踐改革探討

為了解決上述教學(xué)實(shí)踐過(guò)程存在的問(wèn)題，我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中引入OJ（Online Judge）系統(tǒng)，并圍繞該系統(tǒng)對(duì)教學(xué)方法、實(shí)踐方法以及課程評(píng)價(jià)方法進(jìn)行改革。通過(guò)引入OJ，引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到具體問(wèn)題中，通過(guò)編寫(xiě)程序解決問(wèn)題來(lái)加深學(xué)生對(duì)概念和算法的理解和掌握，進(jìn)而提升學(xué)生的獲得感和學(xué)習(xí)積極性[3]。

OJ系統(tǒng)主要用于在線(xiàn)檢測(cè)程序源代碼的正確性。當(dāng)學(xué)生提交程序后，該系統(tǒng)可以快速地返回學(xué)生一個(gè)狀態(tài)：通過(guò)、答案錯(cuò)誤、超時(shí)、超出輸出限制、超內(nèi)存、運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤、格式錯(cuò)誤或無(wú)法編譯、未知錯(cuò)誤，并返回程序使用的內(nèi)存、運(yùn)行時(shí)間等信息。目前廣泛應(yīng)用于世界各地高校學(xué)生程序設(shè)計(jì)的訓(xùn)練、參賽隊(duì)員的訓(xùn)練和選拔、各種程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽等。

與程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽不同，《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生按照ADT定義實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的能力，按照預(yù)定義的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)函數(shù)的能力以及選擇合適的算法解決問(wèn)題的能力。因此需要根據(jù)實(shí)際需求對(duì)OJ系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，才能有效地將OJ系統(tǒng)嵌入到《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的教學(xué)中。

2.1案例化、層次化教學(xué)

從實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，進(jìn)行問(wèn)題驅(qū)動(dòng)教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，刺激學(xué)生進(jìn)行自主探究。例如在講解線(xiàn)性表內(nèi)容時(shí)，從圖書(shū)館借書(shū)開(kāi)始，讓學(xué)生思考如何才能快速定位到圖書(shū)，進(jìn)一步探討如何擺放圖書(shū)可以提高定位效率;再比如講解圖相關(guān)內(nèi)容時(shí)，提出如下問(wèn)題：從學(xué)校東門(mén)步行到地鐵站，有幾條路線(xiàn)可以選擇？哪條路線(xiàn)耗時(shí)最少？通過(guò)案例教學(xué)法幫助學(xué)生理解復(fù)雜問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生思考問(wèn)題，利用所掌握的知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。

利用OJ系統(tǒng)，教師可以針對(duì)知識(shí)點(diǎn)布置隨堂作業(yè)。針對(duì)學(xué)生的不同能力，作業(yè)分為必做和選做兩部分。必做題重點(diǎn)考核學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況;選做題涉及更多的知識(shí)點(diǎn)，主要針對(duì)學(xué)習(xí)能力較好的學(xué)生。只有在完成必做題的前提下，學(xué)生才能打開(kāi)選做題。比如在二叉樹(shù)的遍歷部分，必做題包括給定二叉樹(shù)，利用遞歸思想實(shí)現(xiàn)先序、中序和后序遍歷。選做題則要求學(xué)生利用線(xiàn)性表、棧和隊(duì)列等知識(shí)，完成非遞歸方式的二叉樹(shù)先序、中序和后序遍歷。得益于其強(qiáng)大的后臺(tái)統(tǒng)計(jì)能力，教師可以快速掌握學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度，進(jìn)而開(kāi)展針對(duì)性、層次化教學(xué)。通過(guò)有重點(diǎn)地講解，幫助學(xué)生理解和掌握難度較大的知識(shí)點(diǎn)。

2.2有效整合教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)

利用OJ系統(tǒng)，教師可以將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)合二為一，即全部課程均在機(jī)房完成，教師在講授知識(shí)點(diǎn)后，學(xué)生立刻進(jìn)入OJ系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練，從而打破傳統(tǒng)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的異步性問(wèn)題，提高教學(xué)效率。另外，OJ系統(tǒng)可以對(duì)學(xué)生的實(shí)踐結(jié)果進(jìn)行快速地判別，幫助教師及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的問(wèn)題，便于教師開(kāi)展指導(dǎo)，保證問(wèn)題得到及時(shí)解決，進(jìn)而提高學(xué)生的獲得感。在教學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們?cè)贠J系統(tǒng)中增加交流平臺(tái)。教師可以通過(guò)該平臺(tái)與本班學(xué)生進(jìn)行交流，回答學(xué)生的提問(wèn)，進(jìn)而更好地了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度。通過(guò)增加師生的交流和了解，促進(jìn)教師因材施教，提高教學(xué)質(zhì)量。OJ系統(tǒng)還可以自動(dòng)檢測(cè)代碼的重復(fù)度。通過(guò)引入懲罰機(jī)制，可以有效杜絕抄襲現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立完成作業(yè)的習(xí)慣。

2.3注重過(guò)程化考核，優(yōu)化考核方式

借助OJ全天候開(kāi)放的優(yōu)點(diǎn)，學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行練習(xí)。通過(guò)提交程序代碼，鍛煉自己分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。為了強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，有效監(jiān)督學(xué)生保質(zhì)保量完成訓(xùn)練任務(wù)，課程改革中強(qiáng)調(diào)過(guò)程化考核，即期末總分=隨堂練習(xí)部分×20%+課下練習(xí)部分×30%+實(shí)驗(yàn)作業(yè)部分×20%+期末考試×30%。值得注意的是，四部分均在OJ環(huán)境下完成，OJ系統(tǒng)會(huì)記錄學(xué)生使用系統(tǒng)的信息，包括練習(xí)、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)以及交流情況，保證考核和評(píng)價(jià)的客觀性。通過(guò)不斷優(yōu)化考核方式，逐步建立起完善的評(píng)價(jià)與管理機(jī)制。

2.4題庫(kù)設(shè)計(jì)

基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)大綱，適應(yīng)工程認(rèn)證教育的要求，我們重新設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)踐題目。目前，試題庫(kù)已包含了 200 余道題目，15個(gè)專(zhuān)題試題集。這些題目的內(nèi)容包括：（1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（線(xiàn)性表、鏈表、棧、隊(duì)列、二叉樹(shù)、最優(yōu)樹(shù)、圖）的完整 ADT 設(shè)計(jì);（2）建立在 ADT 基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用算法題目;（3）算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)部分（結(jié)構(gòu)體、排序、查找）題目等。上述三部分內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣，層層遞歸。ADT設(shè)計(jì)考查學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的掌握程度，應(yīng)用算法題目要求學(xué)生按照給定的ADT實(shí)現(xiàn)特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)部分則要求學(xué)生根據(jù)算法的定義實(shí)現(xiàn)特定算法，解決特定問(wèn)題。

3.實(shí)踐案例

以圖為例，我們安排了18道實(shí)訓(xùn)題目，如表 1 所示。題目可對(duì)應(yīng)于四個(gè)階段：階段 1，建立圖的鄰接矩陣、鄰接表存儲(chǔ)結(jié)構(gòu);階段 2：在圖存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)之上，完成各種遍歷操作，包括深度優(yōu)先遍歷、廣度優(yōu)先遍歷，完成后將其加入到圖的 ADT 基本操作集中。階段 3：在存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及各種遍歷算法的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn) ADT 的其他基本操作，包括拓?fù)渑判?、連通分量、生成樹(shù)等，完成后將其加入到二叉樹(shù)的 ADT 基本操作集中。階段 4：通過(guò)完成的圖的抽象數(shù)據(jù)類(lèi)型，完成簡(jiǎn)單的應(yīng)用算法設(shè)計(jì)。

實(shí)訓(xùn)內(nèi)容包含的知識(shí)要點(diǎn)滿(mǎn)足OBE要求，題目從易到難并環(huán)環(huán)相扣，有助于學(xué)生鞏固所學(xué)理論知識(shí)并加以應(yīng)用，幫助不同水平層次的學(xué)生提升算法設(shè)計(jì)能力。

4.結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行了探討，提出了以O(shè)BE為目標(biāo)，將OJ系統(tǒng)全方位引入到該課程的教學(xué)和實(shí)踐改革中的幾點(diǎn)措施。通過(guò)幾年的建設(shè)，《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程在教學(xué)實(shí)踐方法、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和考核方式等越來(lái)越系統(tǒng)化，能夠滿(mǎn)足多層次、多角度的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)?！稊?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的教學(xué)實(shí)踐改革不僅促進(jìn)了學(xué)生動(dòng)手能力和思維能力的培養(yǎng)，還提高了學(xué)生應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，有效地提高了教學(xué)效果。在未來(lái)的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，我們會(huì)繼續(xù)從實(shí)踐教學(xué)方法和手段等多個(gè)方面入手，不斷完善《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的OBE建設(shè)，提高課程的實(shí)踐教學(xué)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]駱小紅，馬永紅.基于OBE理念的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)設(shè)計(jì)[J]. 科技視界，2018（30）：112-113.

[2]譚定英，陳平平，劉慧玲.以問(wèn)題為中心的案例教學(xué)法在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)教育，2013（12）：50-53.

[3]張仕，吳聞，郭躬德，等.基于PCOJ的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J].計(jì)算機(jī)教育，2015（3）：30-32.

作者簡(jiǎn)介：

常合友，男，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)器學(xué)習(xí)，模式識(shí)別。

周愷，男，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)橹悄芙煌ā?/p>