基于Python語言描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐探究

汪舜敏 彭擎宇 段景輝 梁志勇 周顯春

關(guān)鍵詞：混合式教學(xué)；思政建設(shè)；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；Python語言描述

Python語言具有簡潔性、易讀性以及可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)爬蟲、數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等多個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1]。2022年5月，TIOBE編程語言排名榜中，Python已躍居全球前四，成為4大流行語言之一，該語言也陸續(xù)成為高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的基礎(chǔ)課程[2]。目前，許多高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程已采用Python語言進(jìn)行描述，其中，北大陳斌老師的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》是一個(gè)真實(shí)案例。

1 課程總體設(shè)計(jì)

本課程以三亞學(xué)院信息與智能工程學(xué)院學(xué)生為例，本學(xué)院學(xué)生相比本科公辦院校學(xué)生整體而言存在一定差異，為提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果，需要采用因材施教的教學(xué)方法。根據(jù)以上學(xué)生現(xiàn)狀，本文結(jié)合Python語言的特點(diǎn)，采用Python 語言對《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程進(jìn)行描述。主要從混合式教學(xué)、思政元素兩大方面進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，共計(jì)60學(xué)時(shí)，其中理論課45學(xué)時(shí)，實(shí)踐課15學(xué)時(shí)。教學(xué)方法采用線上線下混合式教學(xué)法、案例講解法、團(tuán)隊(duì)合作法等多種形式。以教師講解為方向，以線上學(xué)習(xí)為輔助，圍繞學(xué)生學(xué)習(xí)情況，及時(shí)采取措施調(diào)整教學(xué)方案，將所學(xué)知識融入實(shí)踐教學(xué)，突出學(xué)生動手能力和獨(dú)立解決問題的能力。

2 課程混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

混合式教學(xué)的基本理念是“以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”，其可以將傳統(tǒng)線下教學(xué)和線上的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合，綜合課前課中課后設(shè)計(jì)、隨堂小測、課后練習(xí)等師生互動、生生互動環(huán)節(jié)[3]，通過線上+線下的教學(xué)方式，充分發(fā)揮在線教學(xué)與傳統(tǒng)線下教學(xué)的優(yōu)勢，使線上教學(xué)由教學(xué)輔助活動變?yōu)榻虒W(xué)必備活動，充分發(fā)揮兩者相混合的“1+1＞2”的作用，促進(jìn)學(xué)生高效學(xué)習(xí)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[4]。

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》可為后續(xù)《數(shù)據(jù)庫》《高級語言程序設(shè)計(jì)》等專業(yè)課程奠定重要的邏輯基礎(chǔ)，但該課程要求學(xué)生具有較強(qiáng)的邏輯思維，能夠理解并掌握算法思路，建立算法思維模式，并利用Python語言進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，這要求學(xué)生能夠較為靈活地學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)講授方式是線下課堂上以教師主動授課，學(xué)生被動學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性較低，容易出現(xiàn)部分學(xué)生不聽課的情況。另外，不同地域、不同家境等條件孕養(yǎng)出來的學(xué)生，往往學(xué)習(xí)能力高低不一，對內(nèi)容的理解和思考問題的角度也各有差異；且傳統(tǒng)的線下課堂授課方式單一，難以實(shí)現(xiàn)不同學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的學(xué)生在一節(jié)課內(nèi)取得相對相同的學(xué)習(xí)效果。因此，課程的講授應(yīng)該根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)層次高低不一的實(shí)際情況，而混合式教學(xué)可以實(shí)現(xiàn)該學(xué)習(xí)效果，憑借打破時(shí)間和空間限制的優(yōu)勢，該教學(xué)模式可以讓一般水平的學(xué)生能成為中等水平，其他水平的學(xué)生以此類推。因此，本課程采用混合式教學(xué)方法實(shí)現(xiàn)線上線下一體化。與此同時(shí)，遵循立德樹人的教育理念，為該課程尋找思政元素，增添色彩[5]。

本課程混合式教學(xué)模式的開展采用芯位教育一體化平臺實(shí)現(xiàn)。平臺中主要包含在線教學(xué)、課程答疑、通知、統(tǒng)計(jì)等模塊，在該平臺可以實(shí)時(shí)觀察學(xué)生線上學(xué)習(xí)的分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；在教學(xué)設(shè)計(jì)入口中，包括課程基礎(chǔ)信息、教學(xué)設(shè)計(jì)、課程考核、題庫管理、資源管理五大模塊，教師可以通過該平臺對所授課程進(jìn)行管理，包括視頻內(nèi)容、學(xué)生信息等[6]。并利用該平臺對《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程進(jìn)行課程建設(shè)，包括課程內(nèi)容設(shè)計(jì)、課程資源建設(shè)等。教師可以通過平臺發(fā)布預(yù)習(xí)作業(yè)、線上學(xué)習(xí)任務(wù)通知等，布置線上視頻學(xué)習(xí)、測試作業(yè)等任務(wù)，在討論區(qū)發(fā)布問題或者給學(xué)習(xí)問題進(jìn)行答疑，將有代表性的學(xué)習(xí)帖置頂或推薦給學(xué)生，以提升學(xué)生自主思考和分析解決問題的能力。且通過免受時(shí)間和空間限制的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，可加深師生、生生之間對課程內(nèi)容的溝通交流?？偟膩砜?，想要充分混合式教學(xué)的優(yōu)勢，就需要充分利用平臺優(yōu)勢，完善教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程設(shè)計(jì)，對教學(xué)效果進(jìn)行評估，以此完成全方位的混合式教學(xué)，本文即從以上三個(gè)方面展開以下論述，相關(guān)內(nèi)容如下：

2.1 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

混合式教學(xué)相比普通網(wǎng)上課堂教學(xué)，主要差別在于前者要求教師在開展實(shí)際教學(xué)之前，應(yīng)該精心設(shè)置線上、線下教學(xué)內(nèi)容，使得線上線下設(shè)計(jì)相輔相成、融合恰當(dāng)，并根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的變化而及時(shí)做出修改和調(diào)整，以保證學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。而后者只考慮線上學(xué)習(xí)。本文在進(jìn)行混合式教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)考慮：線上線下內(nèi)容劃分，線上線下相輔相成，與學(xué)生常用學(xué)習(xí)方式相結(jié)合。本課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)如下：

1） 線上：課前預(yù)習(xí)、課后鞏固。線上主要是將學(xué)習(xí)視頻、階段性測試習(xí)題、章節(jié)練習(xí)等按照授課計(jì)劃進(jìn)行模塊化排序，知識點(diǎn)涵蓋整本教材。課前預(yù)習(xí)包含視頻學(xué)習(xí)和習(xí)題自我檢測，視頻內(nèi)容按照時(shí)間分布到平臺上，只有開通權(quán)限的視頻才能學(xué)習(xí)，結(jié)束時(shí)間為最后一周的周日，以避免學(xué)生刷課行為；自我檢測采用題庫形式，每個(gè)學(xué)生的習(xí)題將不同，避免學(xué)生抄襲行為，通過課前預(yù)習(xí)確定線下授課的教學(xué)內(nèi)容重難點(diǎn)。課后鞏固主要是通過章節(jié)練習(xí)、階段測試等習(xí)題測試方式，提高學(xué)生對混淆知識點(diǎn)、易錯(cuò)知識點(diǎn)的區(qū)分與判斷，此測試結(jié)果是作為線下授課回顧上一節(jié)知識點(diǎn)的重要依據(jù)。

2） 線下：課中授課。根據(jù)學(xué)生線上平臺討論區(qū)發(fā)布的學(xué)習(xí)問題，以及線上平臺統(tǒng)計(jì)的學(xué)生預(yù)習(xí)情況反饋信息，確定本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容。以根據(jù)課堂提問形式進(jìn)行習(xí)題檢測，根據(jù)習(xí)題檢測情況及時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容所需的時(shí)間，以保證不同層次的學(xué)生都能有較大的收獲；課中也伴隨著知識點(diǎn)的隨機(jī)測試，若測試結(jié)果偏差，將適當(dāng)重點(diǎn)講解，了解學(xué)生疑難所在，并在下次授課時(shí)加入該因素的考慮。

2.2 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

混合式教學(xué)的過程設(shè)計(jì)主要包括線上視頻預(yù)習(xí)、課堂學(xué)習(xí)、課后作業(yè)、線上測試、答疑解惑等，教學(xué)過程設(shè)計(jì)分為課前預(yù)習(xí)、課中教學(xué)以及課后復(fù)習(xí)三大部分，如圖1所示。混合式教學(xué)設(shè)計(jì)如圖2所示，分為線上教學(xué)與線下教學(xué)兩大部分，圖中虛線代表線上教學(xué)與線下教學(xué)之間的相互作用。

線上線下學(xué)習(xí)任務(wù)情況如下，以本校大數(shù)據(jù)專業(yè)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程為例：

任務(wù)一：

線上：針對二叉樹的基本知識發(fā)布學(xué)習(xí)視頻令學(xué)生自主學(xué)習(xí)該內(nèi)容，作為課前預(yù)習(xí)。線下：對學(xué)生預(yù)習(xí)情況以及評論等信息確定課中該節(jié)知識點(diǎn)的難點(diǎn)，以實(shí)際教學(xué)為例，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對二叉樹的性質(zhì)、存儲方式難以理解，因此線下課中對其進(jìn)行詳細(xì)講解，并對該節(jié)重點(diǎn)知識：對二叉樹的遍歷以及線索二叉樹進(jìn)行重點(diǎn)講授，課后布置二叉樹紙質(zhì)作業(yè)幫助學(xué)生消化和吸收本節(jié)課新知識，兩周后對本節(jié)知識點(diǎn)進(jìn)行階段性小測試[7]。

任務(wù)二：

線上：對圖的遍歷、最小生成樹進(jìn)行課前預(yù)習(xí)。線下：發(fā)現(xiàn)學(xué)生對圖的遍歷和之前樹的遍歷有所混淆，以及最小生成樹與現(xiàn)實(shí)關(guān)系有所不解。因此，線下課中教師需要重點(diǎn)講解圖與樹在遍歷時(shí)的區(qū)別以及重點(diǎn)知識：最小生成樹，課后布置線上圖的遍歷、最小生成樹作業(yè)幫助學(xué)生消化和吸收本節(jié)課新知識，兩周后對本節(jié)知識點(diǎn)進(jìn)行階段性小測試。

課中，首先復(fù)習(xí)，對已學(xué)知識回顧總結(jié)并重點(diǎn)講解難點(diǎn)以及引入本節(jié)知識的重點(diǎn)，每章節(jié)結(jié)束時(shí)，利用題庫進(jìn)行課堂小測，及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況[8]。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程選取每章中經(jīng)典算法作為理論知識的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，在實(shí)踐課堂中，形成以小組組長為中心的學(xué)生分組學(xué)習(xí)小組并最終形成實(shí)驗(yàn)文檔及代碼，上課過程中為學(xué)生講解實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的理論知識，并課中帶領(lǐng)學(xué)生演示，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)深度，提升學(xué)生分析與解決問題的能力[9]。

課后利用芯位教育一體化平臺通過測試練習(xí)題進(jìn)行課程鞏固，課程測試練習(xí)題采用限時(shí)方式進(jìn)行，過期則不能提交，只能最后一周補(bǔ)交并根據(jù)補(bǔ)交次數(shù)按等級扣分，以此培養(yǎng)學(xué)生在學(xué)完本節(jié)內(nèi)容后及時(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)歸納的思維模式。在課程答疑模塊學(xué)生可以根據(jù)所學(xué)知識總結(jié)自己疑惑的知識點(diǎn)和當(dāng)前學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，要求每個(gè)學(xué)生至少發(fā)表16次評論，保證每個(gè)學(xué)生積極參與思考自己的學(xué)習(xí)情況，以此提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、自我思考能力，同樣可以在學(xué)生產(chǎn)生困惑時(shí)能夠及時(shí)解惑。

2.3 課程教學(xué)實(shí)踐結(jié)果

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)芯位教育一體化平臺教學(xué)效果如圖3所示，由圖3可以看出，在利用本文設(shè)計(jì)方法進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐后，學(xué)生平時(shí)成績優(yōu)秀人數(shù)95人，良好18人，中等7人，總?cè)藬?shù)126人（注：圖中剩余人數(shù)為自主選修），總體表現(xiàn)良好。其中，視頻平均完成率與作業(yè)平均分如圖4所示，結(jié)果都表現(xiàn)為優(yōu)秀。

3 思政元素設(shè)計(jì)

2016年12月，習(xí)近平提出把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，本課程思政元素的設(shè)計(jì)體現(xiàn)如下：

1） 實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)：一門課程的學(xué)習(xí)不應(yīng)該僅僅限于聽懂和理解，還應(yīng)該學(xué)會運(yùn)用到實(shí)踐中。因此，本課程分為理論和實(shí)驗(yàn)兩部分，理論知識的學(xué)習(xí)用于為實(shí)驗(yàn)打好基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)的練習(xí)又將理論知識升華到實(shí)踐應(yīng)用中，只有通過實(shí)驗(yàn)才能驗(yàn)證理論知識的正確性和作用。本課程對線性表、棧、串、樹、圖、查找和排序分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生親手驗(yàn)證理論知識，體會該思政元素的作用。

2） 個(gè)性與共性：在樹與二叉樹之間，二叉樹屬于樹，具備樹應(yīng)有的特征，即共性；但是二叉樹也有其特有的多種性質(zhì)，盡管學(xué)生難以區(qū)分，這是二叉樹的個(gè)性，也是因?yàn)檫@樣的個(gè)性與共性的關(guān)系，使得樹可以轉(zhuǎn)換為二叉樹，二叉樹可以轉(zhuǎn)換為樹；具有相似關(guān)系的還有二叉樹與森林之間的相互轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)束語

在混合式教學(xué)中，教師工作量相比傳統(tǒng)課堂教學(xué)大大增加，需要投入更多的精力來規(guī)劃和設(shè)計(jì)整個(gè)教學(xué)全過程，為教師和學(xué)生帶來了較大的壓力，為有效緩解此現(xiàn)象的發(fā)生頻率，更要加強(qiáng)與學(xué)生的交流，及時(shí)掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況，多引入新方法新手段，提高教學(xué)質(zhì)量。本文基于芯位教育一體化平臺，對基于Py?thon語言描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，實(shí)踐結(jié)果表明，應(yīng)用該課程設(shè)計(jì)方法后，整體教學(xué)效果良好。