數(shù)據(jù)結構課程線上教學設計與實施

王全蕊

（河南科技學院信息工程學院，河南新鄉(xiāng) 453003）

0 引言

我國高等教育經(jīng)多年發(fā)展，質量有較大提升，但還不能完全滿足經(jīng)濟社會發(fā)展需要，高校專業(yè)設置和結構不盡合理，學生實踐能力和創(chuàng)新精神亟待加強，教師隊伍整體素質有待提高，人才培養(yǎng)模式、教學內容和方法需進一步轉變［1］。繼續(xù)深化本科教學教育改革，根據(jù)市場需求不斷調整本科人才培養(yǎng)模式，不斷提高人才培養(yǎng)質量仍是高校工作重中之重。本科生已有基本的自主學習和解決問題能力，因此本科教學不應禁錮于傳統(tǒng)課堂教學模式，混合式教學成為主流教學模式和未來發(fā)展趨勢。

2020 年突如其來的疫情雖然帶來巨大災難和諸多不便，但同時為本科線上教學發(fā)展提供了良好機遇。在疫情期間為更好地實施在線教學，教育研究者針對課程特點、學生居家學習狀態(tài)和學習環(huán)境等主要教學因素，以及教學過程中可能出現(xiàn)的問題進行了詳盡深入的調研和分析。其中周爽等［2］分析了疫情期間課程轉為純線上教學后教師面對的挑戰(zhàn)和問題，并提供了相應對策和建議；石凌等［3］指出教師在教學過程中存在技術、知識拓展和壓力瓶頸等問題，提出利用多主體、多層面、多途徑的辦法形成常態(tài)化機制，以解決教師互聯(lián)網(wǎng)教學能力的不足；謝幼如等［4］通過構建疫情防控期間在線教學方式分析模型，對來自全國各地的“停課不停學”教學案例進行系統(tǒng)分析，總結在線教學方式的主要特征；文獻［5-7］具體分析了在線上直播課堂中遇到的問題以及解決方案；為了充分調動學生學習積極性，教師在授課過程中借助國內各大在線教育平臺、直播工具、即時通訊工具等實施線上教學，并在線上教學過程中不斷探索有效的教學方法，構建完善線上教學資源，為學生提供豐富、系統(tǒng)的學習資源［8-15］，同時也為疫情結束后常態(tài)化混合式教學模式做了充足的前期準備工作［16］，促使傳統(tǒng)課堂教學模式向混合式教學模式加速發(fā)展。但是，這些研究成果大都針對疫情期間線上教學過程中可能出現(xiàn)的問題，提出了理論應急方案或解決策略，較少涉及具體課程在線教學方法設計、詳細實施過程、實際問題解決方法、課后教學效果等方面。本文以2020 年春季學期數(shù)據(jù)結構課程為例，從課程線上資源建設與學生學習情況分析、教學方法和教學過程重新設計、具體線上教學實施、學情數(shù)據(jù)分析等環(huán)節(jié)，完整展現(xiàn)疫情期間數(shù)據(jù)結構課程教學過程，為后疫情時代混合式教學與純線上教學研究提供借鑒。

1 線上教學設計

依據(jù)教育部提出的新工科人才培養(yǎng)目標為指導思想，考慮學生疫情期間個人學習環(huán)境、學習效率等多種因素，對數(shù)據(jù)結構課程線上理論教學和算法實踐環(huán)節(jié)進行重新設計，保證教學過程按照教學計劃有效實施，使學生在即使沒有教師監(jiān)督、課堂環(huán)境約束下保質保量完成課程的有效學習。

數(shù)據(jù)結構是一門理論和實踐并重的課程，只有在理論上充分理解和掌握各種數(shù)據(jù)類型及其存儲結構，以及在特定的存儲結構中不同數(shù)據(jù)類型基本操作，才能具有根據(jù)實際問題抽象數(shù)據(jù)模型、設計算法解決實際問題的能力。因此本文通過重新設計教學方法、優(yōu)化教學設計，以期解決疫情期間學生居家上課面臨的問題，實現(xiàn)“停課不停教，停課不停學”。

1.1 教學方法設計

由于在疫情期間學生獨自在家上課，缺少與其他學生在教室一同聽課的氛圍，更沒有與教師面對面的互動，極易造成學生學習倦怠走神、遲到早退甚至是曠課，除了采用上課簽到、隨機提問、提交作業(yè)等外在監(jiān)督手段，如何能讓學生將學習意愿轉化為內動力是教學方法設計的目標。

為了使學生能全程聽課，保證學生的全程參與度，采用直播授課+直播互動的教學方式。在授課過程中借助音視頻、圖文相結合的方式對實際問題進行場景模擬，讓學生置身于實際問題中，激發(fā)學生聽課的興趣，喚醒學生解決問題的欲望；采用直播互動方式引導學生發(fā)現(xiàn)問題、認識問題、解決問題，讓學生在探索問題的過程中獲取知識，在解決問題的過程中探索創(chuàng)新；在學期期間充分發(fā)揮即時通訊工具的優(yōu)勢，及時為學生答疑和溝通，實現(xiàn)一對一教學。

1.2 教學過程設計

構建數(shù)據(jù)結構課程課前、課中、課后教學三位一體化線上教學過程，教學過程設計如圖1 所示。將問題作為貫穿教學過程中的主線，采用層層遞進的教學方式，讓學生帶著問題上課、帶著問題開展項目。

Fig.1 Online teaching process design圖1 線上教學過程設計

課程教學過程具體分為：課前預習、測試，課堂理論講授、驗證性實驗項目、課后理論測試、設計性實驗項目。發(fā)布精心選擇的預習內容，并設置預習測試題，要求學生在課前完成預習任務并進行測試；根據(jù)課前測試情況，在課堂上講授重點理論、算法設計，示范驗證性實驗項目；課后進行理論知識測試，并布置設計性、綜合性實驗項目，在驗證性實驗項目的基礎上，由易到難，在實踐環(huán)節(jié)實現(xiàn)“教”“學”“做”融為一體；選擇貼近現(xiàn)實生活的實際問題作為實驗項目，由學生分組合作，分析問題、建立抽象數(shù)據(jù)模型、設計算法、編程實現(xiàn)。

2 教學過程實施

學生在學習數(shù)據(jù)結構課程后應具有掌握基礎理論和常見算法、根據(jù)實際問題抽象數(shù)據(jù)模型、設計算法解決實際問題、編程實現(xiàn)抽象數(shù)據(jù)類型等一系列能力。從傳統(tǒng)課堂教學效果來看，學生對理論知識的掌握程度尚可，但實踐能力往往難以達到教學目標，本學期又處于疫情期間，在學生學習目標不明確、學習動力不足、無人監(jiān)督的情況下，要達到理論和實踐雙重教學目標的難度更大。因此在線上教學過程實施中需充分發(fā)揮學生主觀能動性，充分調動學生積極性，每一節(jié)課都讓學生全程跟進和參與，每一節(jié)課讓學生都有所得所獲、所思所想，這樣在日積月累的過程中學生就能逐步掌握理論知識并具有一定解決問題的能力。

數(shù)據(jù)結構課程借助智慧樹在線教育平臺、釘釘直播平臺、QQ 即時通訊工具實施教學過程。在智慧樹平臺發(fā)布相應的教學資源，在釘釘上建立班級群，建立虛擬數(shù)據(jù)結構課堂，在QQ 為學生答疑，跟學生溝通交流，延申數(shù)據(jù)結構在線課堂。

2.1 學前準備

在智慧樹平臺提前發(fā)布溫馨提示：提醒學生上課前準備事項；提示學生如何在平臺上查找學習資料；告知學生每節(jié)課教學流程，提示是以任務形式在平臺上發(fā)布的。發(fā)布課程大綱、平時成績組成和積分標準，重點強調線上課程上課紀律。

2.2 課前引導

每次上課前提前一周在智慧樹平臺以任務的形式發(fā)布下節(jié)課講課內容和問題，并同步到釘釘課程群中，引導學生帶著問題預習、聽課學習或帶著答案聽課驗證，有效提高學生聽課效果。

2.3 線上直播

（1）理論直播課。在直播課課前階段，對上節(jié)課布置的問題隨機點名提問并給出點評和鼓勵，加深學生對所學知識的理解；在授課過程中，采用層層遞進的教學模式，首先用圖片模擬實際生活中待解決的問題場景，激發(fā)學生興趣，使學生產生共鳴；接著采用動畫演示，使學生對算法有直觀的了解，理解算法實現(xiàn)過程；然后引導學生在不同存儲結構上對算法進行一定對比和分析；最后通過代碼講解和演示使學生掌握算法實現(xiàn)過程。在講解算法的同時結合實際問題進行分析，將抽象的概念具體化，調動學生學習興趣的同時提高學生對實際問題的認知能力。教學過程中設置問題搶答機制和加分措施，每10～20min 提問1次，激發(fā)學生學習積極性、提高學生在線聽課注意力；在直播課結束后布置作業(yè)，讓學生將本次聽課手寫筆記拍照上傳，督促學生全程跟進在線教學，同時將思考題以討論話題的形式發(fā)布至智慧樹平臺上，鼓勵學生積極參與討論，以提高獨立解決問題的能力。

（2）實踐直播課。首先發(fā)布實驗任務說明，使學生熟悉實驗任務和目標；然后簡要介紹用于解決問題的算法步驟；帶領學生編寫必要的程序代碼，加深學生對數(shù)據(jù)存儲結構和基本操作的理解；在智慧樹平臺上借助小組教學板塊布置實驗任務，通過隨機分組、自由分組和指定分組3 種形式給學生布置不同難度的實驗項目，包括驗證性項目和設計性項目，指定小組組長和項目負責人，提高學生自發(fā)參與度，加強學生之間的協(xié)作能力，培養(yǎng)團隊合作意識。

每講完兩章內容后在平臺上發(fā)布測試題目，設置測試時長。測試結束后及時批改測試，對于其中不常見的錯誤單獨在評語中給學生說明，對于錯誤率超過50%以上的測試題，安排特定習題課，在習題課中統(tǒng)一給與解釋，幫助學生加深對難點知識的理解，避免再次出現(xiàn)同樣的錯誤。

2.4 課堂延伸

每次課結束后及時匯總分析學生在線學習情況，包括出勤、課堂問答、作業(yè)提交、在線測試、平臺在線使用等數(shù)據(jù)，對于個別學習不積極、掌握程度不夠好的學生利用QQ溝通，了解具體原因，并做好備注以便后期跟進學生學習情況。及時批改學生提交至智慧樹平臺上的作業(yè)，對于個別學生出現(xiàn)的問題給與單獨指導，如果是共性問題，則在下一節(jié)課統(tǒng)一講解。設置課程兩章一測，每講完兩個章節(jié)，在智慧樹上發(fā)布測試任務，讓學生在規(guī)定時間內完成，通過測試檢測學生實際學習掌握程度。設置其他時間段在QQ 群中為學生答疑，作為課堂內容的延伸。

3 線上教學資源建設

目前雖然翻轉課堂、慕課提供了豐富的學習資源，但基本圍繞所授課程相關資源，類型單一，主要以視頻、課件、習題為主；缺乏指導性、體系性以及有效的監(jiān)督機制。因此需要綜合考慮疫情期間多種因素，如學生有大量自由時間，居家學習環(huán)境輕松，但同時也存在無人監(jiān)督、學習效率低等因素，所以需要重建課程教學資源，提供更多樣、豐富的學習資源，打造精彩的線上課堂。

3.1 學習資源建設

結合疫情期間學生學習情況，以課程大綱為指導，修改授課計劃，將傳統(tǒng)講授課程內容分為兩部分：預習和講授。以任務形式督促學生進行課前預習；在上課學習資源中上傳錄制每個知識點tip 視頻，供學生課前預習、課后復習并開展模仿實驗，同時提供其他在線學習平臺視頻資源作為參考；制作生動直觀、表現(xiàn)力強、內容充實的課件，每章課件均以圖文、視頻、音頻并茂的形式引入生活實例，以期在直播講課時與學生產生共鳴，引發(fā)學生思考探索；使用U3D 制作課程涉及的各種算法演示動畫，幫助學生直觀理解和掌握算法核心實現(xiàn)思想；收集并整理課程習題，供學生日常練習使用；提供課程各算法對應源代碼，供學生實驗驗證使用；提供課程相關其他知識和資源，讓學生在學習期間加深理論認知、拓寬知識面。課程建設學習資源如圖2 所示。

Fig.2 The page of“l(fā)earning resources”圖2“學習資源”頁面

3.2 題庫建設

借助爬蟲工具從網(wǎng)上爬取大量習題，通過篩選整理出單選題、判斷題、填空題、簡答題4 類題目，共計632 個，標記出每道習題關聯(lián)的章節(jié)和知識點與難易程度，將每章習題發(fā)布至平臺學習資源中，供學生下載練習，既能滿足學生課程學習需求，也能為學生提供考研練習。同時依照習題集在智慧樹平臺上構建題庫，為了防止個別學生后期在線測試依據(jù)習題在網(wǎng)上搜答案的不誠信行為，對習題庫中80%的習題進行修改。

4 課程教學評價及調整

數(shù)據(jù)結構課程借助智慧樹平臺和釘釘直播平臺向100名學生授課，在智慧樹平臺上傳資源共281 個，發(fā)布資源共157 個；在釘釘平臺上直播共計80 課時，在問卷星調查問卷平臺上發(fā)放調查問卷共8 次。收集各平臺相關數(shù)據(jù)，包括每個章節(jié)學生學習情況的問卷調查結果、在線平臺上學生各類學情數(shù)據(jù)，以及學生平時上課出勤情況、回答問題情況，并對這些數(shù)據(jù)進行關聯(lián)分析。

4.1 問卷調查結果反饋

在疫情期間，由于缺乏實際直播講課經(jīng)驗，而學生又是直接受眾對象，因此學生評價和反饋是最真實、最有效的教學改進意見。從收回的問卷調查中著重分析學生對教學方法和教學內容兩個方面的反饋意見，根據(jù)分析結果不斷調整教學方法和教學內容。

從前期問卷調查中的教學方法相關數(shù)據(jù)來看，有68%的學生提出講課語速過快，學生聽課跟不上；有82%的學生反映通過語音和視頻提問會浪費大量的上課時間；有81%的學生建議應仿照傳統(tǒng)課堂的黑板模式，標記需重點掌握的內容。對于以上問題在教學方法上進行了相應調整：考慮有網(wǎng)絡延時的問題，降低講課語速，且在講到重點時再次放慢講課速度，并多次詢問學生是否理解；改變提問方式，讓學生將每次提問問題答案以文字形式發(fā)至釘釘班級群，并對于前5 個發(fā)言者給與積分獎勵，每章課后作業(yè)也改為拍照發(fā)圖片至班級群，上課進行點評和講解；借助釘釘直播白板功能，書寫敲黑板的重點內容。在改進之后則有96%的學生對教學方式較為滿意。通過對回收問卷調查中的教學內容相關數(shù)據(jù)進行分析，獲取每章學生難以理解或沒有掌握的知識點，將該部分知識點錄制小視頻再詳細講解一遍，并發(fā)至教學平臺上，供學生觀看，同時再將該部分知識點融入練習題中或是測試題中，讓學生多學多練，以達到教學目標。

4.2 教學平臺學情數(shù)據(jù)分析

從出勤情況來看，95%的學生都能按時上課并堅持到直播結束，72%的學生能在直播結束后觀看回放，說明在疫情期間學生有較強的自律能力；從學生在線學習情況來看，89%的學生會在一周內登錄平臺學習時長超過2h，多次查看課件、tip 小視頻、算法演示動畫等學習資源，說明學生對該課程的學習具有一定的主動性及較強的自學能力；66%的學生主動查看并下載課程相關拓展知識，說明學生具有較強的求知欲；從作業(yè)提交與完成情況、在線測試情況和話題討論情況來看，98%的學生能按時提交作業(yè)，說明學生參與感較高，70%的學生對所學知識點能夠深刻理解并熟練掌握，這基本與傳統(tǒng)教學持平，37%的學生能對發(fā)布的難度話題給出討論和正解，說明學生具有一定的主動思考能力和探索精神；從學生期末考試成績的帕累托圖來看，處于73-89 的分數(shù)段的學生占比78%，而其他分數(shù)的學生占比23%，如圖4 所示。

最后從學生在線測試綜合成績、期中測試成績以及期末考試成績各分數(shù)段對比折線圖可以直觀發(fā)現(xiàn)，期中考試成績人數(shù)較多的分數(shù)段集中在70-79 分，占比39%，而隨著學生進一步深入學習，學生在線學習的優(yōu)勢逐漸顯露出來，期末考試成績人數(shù)較多的分數(shù)段有所變化，主要集中在80-89 分，占比45%。說明學生能夠借助平臺提供的各項學習資源進行自主學習，并能將所學知識進行內化。

Fig.3 Pareto chart of students’final grade圖3 學生期末成績帕累托圖

Fig.4 Line chart of students'online test results圖4 學生在線測試成績折線

從分析結果來看在授課過程中也存在一定的問題：①沒有充分發(fā)揮線上教學平臺和即時通訊工具的優(yōu)勢，實施個性化分層教學，在今后可以針對課程不同學習程度的學生重新設計教學目標，有區(qū)別地設計教學方法、教學環(huán)節(jié)、教學內容，使每個學生主體精神和個體優(yōu)勢都能展現(xiàn)出來；②沒有從多學科交叉融合的角度闡明數(shù)據(jù)結構和其他學科之間的內在聯(lián)系，學生學習該門課程時掌握的理論和實踐知識仍然是孤立的，以后在理論授課和算法實踐過程中應揭示出該課程和操作系統(tǒng)、計算機組成原理、算法設計與分析、軟件工程等相關課程的內在聯(lián)系，引導學生在學習時注意拓展知識面，引導學生在解決問題時注意使用多種方法予以解決。

5 結語

以疫情期間學生在家學習為契機，綜合考慮學生主客觀因素，重新設計數(shù)據(jù)結構課程線上教學方法和教學過程，使學生能深刻理解和熟練掌握各種數(shù)據(jù)類型、存儲結構，同時熟練掌握在特定的存儲結構上不同數(shù)據(jù)類型的基本操作，并具有設計算法解決實際問題的能力；以多種形式擴充已有各類教學資源，借助智慧樹在線教育平臺建設數(shù)據(jù)結構線上課程，借助釘釘直播平臺為學生實時授課，構建多方位一體的虛擬數(shù)據(jù)結構課堂。

學生在解決復雜工程問題時需要在不同背景下充分了解問題本質，利用多學科交叉聯(lián)系和影響因素解決問題。然而，這種能力的培養(yǎng)僅靠課堂聽課是很難達到的，因此積極探索能滿足新工科建設要求的教學模式仍是今后重點研究方向。