基于線上線下融合的數據結構實驗教學模式探究

王濤春　陳付龍　俞慶英　孫麗萍　郭良敏　左開中

關鍵詞：驗證性實驗；綜合性實驗；線上線下融合；考核方案

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）14-0137-03

1 引言

數據結構是計算機類相關專業(yè)重要的基礎課程。要求學生在掌握數據結構基本知識的基礎上，能為實際問題選擇合適的邏輯結構、存儲結構和相應的算法[1]，并編程實現。實驗教學是數據結構教學的重要組成部分，能夠進一步加深學生對理論知識的理解，實驗教學與理論教學相輔相成。此外，數據結構實驗不僅是對前導程序設計課程的鞏固和加強，也是后續(xù)操作系統(tǒng)、數據庫等課程的重要基礎。因此，數據結構實驗教學對計算機類相關專業(yè)學生非常重要[2]，需要探究實驗課程的教學效果，提高學生實踐能力[3]。

數據結構課程具有知識點多和抽象性高等特點，且教材普遍采用偽代碼描述算法，編程能力相對較弱學生完成實驗相對困難，造成實驗作業(yè)存在抄襲現象[4]。為了保證數據結構實驗教學效果，本文提出了基于線上線下融合的實驗教學模式，根據理論課程內容，教師設計與理論教學同步的實驗內容，并利用在線評測系統(tǒng)通過線上方式發(fā)布給學生，學生在線完成實驗試題。學生通過實驗作業(yè)鞏固并加強所學的理論知識，并了解自身存在的短板，教師根據學生的完成情況動態(tài)調整實驗內容和進度。同時，教師通過線下方式發(fā)布與綜合性實驗以鍛煉學生運用所學知識解決現實復雜的工程問題。在此基礎上，對每個環(huán)節(jié)設置對應的考核方案，提高學生學習的積極性。

2 實驗教學存在的問題

數據結構課程知識面廣、理論性強和難點多等特點[5]使得部分學生將主要精力放在理論知識學習上，對于數據結構實驗的興趣和積極性不足，且普遍存在目標不明確，實驗內容單一固定，考核方案不夠合理等問題，具體表現如下：

1）目標不明確。數據結構實驗是在程序設計課程的基礎上對數據結構理論知識的驗證和鞏固，以及提高運用數據結構知識解決實際復雜工程問題的能力，并為操作系統(tǒng)和數據庫等后續(xù)課程打下堅實的基礎。然而，很多任課教師主要關注數據結構本身知識點，即根據理論課程內容設計相應的驗證性實驗內容，對提高學生運用數據結構知識解決復雜工程問題能力不夠重視，為后續(xù)數據庫等課程項目類實驗支撐力度有待進一步提高。

2）實驗內容單一固定。高校擴招使得大多數教學班人數超過60人，由于采用人工方式檢查費時費力，使得教師很難實時掌握全班學生實驗總體完成情況，教師只能根據歷史經驗設計實驗內容，不能根據班級學生實驗情況動態(tài)調整實驗內容，實驗內容單一固定。此外，學生之間理論知識掌握和實驗能力差異較大，造成部分學生感覺實驗題目難度和數量偏少，而另一部分同學不能按時完成教師發(fā)布的實驗作業(yè)，實驗內容沒能充分考慮學生的差異性。

3）實驗教學效果不理想。通常數據結構實驗課程以某種語言為基礎，按理論知識講解并布置相應的驗證性實驗作業(yè)。學生根據教師講解基本能夠完成的驗證性實驗，但運用數據結構中的邏輯結構、物理結構和操作等理論知識解決現實復雜工程問題的能力還遠遠不足。同時，學生的表達、文檔撰寫和協(xié)作等能力培養(yǎng)也有待加強，實驗教學效果需要進一步提高。

4）考核方案不夠合理。由于現有實驗內容主要為驗證性實驗且存在抄襲情況，學生的考核結果普遍較好，不能正確反映學生實際能力和工作量，降低了學生學習的積極性和主動性。同時，由于班級人數較多，部分教師完成依靠在線評測系統(tǒng)給學生評分，學生的源代碼的撰寫質量和表達能力等沒有體現在考核方案中，考核方案不夠合理，考核方案需要體現學生綜合實驗能力。

基于上述存在的問題，數據結構實驗課程包括2 個環(huán)節(jié)：線上驗證性實驗環(huán)節(jié)和線下綜合性實驗環(huán)節(jié)。① 為了進一步鞏固學生理論知識，給出與理論課程內容同步的驗證性實驗。同時，教師利用在線評測系統(tǒng)具有的實時驗證和統(tǒng)計等功能實時掌握班級學生實驗完成情況并以此動態(tài)調整實驗內容。此外，將驗證性實驗分為必做部分和選做部分，從而滿足不能層次學生的學習要求。② 為了提高學生運用數據結構知識解決復雜工程問題能力以及培養(yǎng)學生的計算思維能力，教師發(fā)布基于現實問題的綜合性實驗作業(yè)，學生在完成源代碼的同時，需要撰寫實驗報告并進行一對一講解，以此來培養(yǎng)和提高學生的綜合素養(yǎng)。在上述2個實驗環(huán)節(jié)的基礎上設置合理的考核方案，調動學生的積極性，提升數據結構實驗的教學效果。

3 實驗教學

結合數據結構實驗課程目標，設計了分層的實驗教學內容，如下圖所示，主要包括：① 驗證性實驗，鞏固理論知識的學習和能力的提高，通過線上形式發(fā)布，并利用在線評測系統(tǒng)經常評分；② 綜合性實驗，培養(yǎng)學生運用所學知識解決實際問題的能力和思維創(chuàng)新能力，通過線下方式發(fā)布，并通過檢查源代碼、實驗報告和一對一講解及問答等進行評分。

3.1 線上實驗內容

基于在線評測系統(tǒng)的實驗內容與數據結構理論教學內容基本同步，學生通過在線評測系統(tǒng)實現并驗證所學理論知識，并以此鞏固和加強理論知識的掌握，理論聯(lián)系實際，通過實驗內容引導學生的學習興趣。同時，實驗內容設計要兼顧不同層次的學生，設計不同難度和數量的實驗題以滿足不同水平學生的需求。以學生為中心，將實驗內容分為必做部分和選做部分，具體如下表所示：

3.2 線下實驗內容

在數據結構實驗教學過程中，為了更好地培養(yǎng)學生應用理論知識解決復雜的工程問題的能力，授課教師根據邏輯結構類型凝練幾組復雜的實驗內容并發(fā)布。同時，為了同時培養(yǎng)學生的文檔撰寫能力，學生在完成相關問題代碼開發(fā)的基礎上完成實驗報告等相關文檔的撰寫。綜合性實驗內容如表3所示。

此外，綜合實驗要求每位學生對完成的源代碼和相關文檔進行講解，且設置了問答環(huán)節(jié)，不僅培養(yǎng)學生的表達能力，還使得教師更直觀準確了解每位同學的學習情況，同時該環(huán)節(jié)能大大降低學生的抄襲現象。

4 考核方案

合理的考核方案是數據結構實驗教學重要的組成部分，也是調動學生積極主動完成實驗操作的關鍵因素。除了考勤等常規(guī)考核以外，還包括線上驗證性實驗環(huán)節(jié)考核和線下綜合性實驗環(huán)節(jié)。

1）驗證性實驗環(huán)節(jié)

教師在完成數據結構理論內容教學之后通過線上發(fā)布同步的驗證性實驗為主的題目，由于不同學生的理論內容掌握情況不同，且實驗能力差距較大，如果教師發(fā)布固定的實驗作業(yè)，可能出現下面情況：學習成績好的同學感覺題目數量和難度不夠，達不到進一步提升的效果；學習成績相對落后的同學很難在規(guī)定的時間內完成實驗作業(yè)，甚至出現抄襲情況。同時，人工批改實驗作業(yè)很難及時發(fā)現上述情況并，也就不能及時調整實驗內容，降低了學生學習的積極性，不能完全達到實驗教學的目的。針對上述情況，數據結構實驗課程的驗證性實驗環(huán)節(jié)通過線上的方式發(fā)布給學生，利用在線評測系統(tǒng)的實時評測和統(tǒng)計功能讓教師能夠實時掌握學生的完成情況，同時，教師發(fā)布的實驗作業(yè)包括必做部分和選做部分來滿足不同學習情況的同學。此外，利用在線評測系統(tǒng)的查重功能以及提交時間、代碼長度等相關信息能夠部分解決學生作業(yè)抄襲情況。每次實驗作業(yè)評分包括完成度（70%）+完成時間（15%）+其他（15%），再通過加權平均得到該環(huán)節(jié)的得分。

2）綜合性實驗環(huán)節(jié)

綜合性實驗主要考查學生運用所學的數據結構理論知識解決復雜的工程問題的能力，包括數據結構的邏輯結構、物理結構和相關操作，并對解決方案進行時空性能的分析。為了保證綜合實驗成績的公平性，以及進一步提升學生學習的積極性，鍛煉學生的表達能力等。綜合性實驗環(huán)節(jié)，學生在提交源代碼和實驗報告等文檔的基礎上，每位學生還需要進行源代碼解釋和功能展示，在此過程中，教師隨機提問，學生給予解答。最終，教師分別給每個部分進行打分，再按比例計算出每位同學的綜合實驗環(huán)節(jié)得分，具體為實驗報告（25%）+源代碼質量（15%）+講解及問題回答（30%）+功能實現及性能（30%），教師再通過加權平均得到該環(huán)節(jié)的得分。

3）課程綜合考核

驗證性實驗和綜合性實驗的考核模式的目標能夠兼顧到各個層次的學生，鞏固數據結構理論知識，提升解決復雜問題的實踐能力，以及語言表達、文檔撰寫和自主學習等綜合能力。教師對每個環(huán)節(jié)進行多次評價，最終給出綜合考核成績，具體為平時表現（10%）+驗證性實驗環(huán)節(jié)（50%）+綜合性實驗環(huán)節(jié)（45%）。

5 結束語

數據結構課程是計算機類專業(yè)核心課程，數據結構實驗是數據結構課程的必要環(huán)節(jié)，是近年來計算機類教育教學關注的重點。為了數據結構實驗滿足各個層次學生的實驗需求，通過線上驗證性實驗和線下綜合性實驗相結合的教學和考核模式是對數據結構實驗教學改革的一次有意義的嘗試。線上驗證性實驗必做部分和選做部分能夠滿足不同層次的學生的基本知識鞏固需求，提升學生學習的積極性和主動性。同時，OJ的自動評分使得教師能夠及時掌握每道題的學生完成情況，并根據結果進行相應的針對性調整。線下綜合實驗能夠培養(yǎng)學生運用數據結構理論知識解決實際復雜工程問題的能力，為后續(xù)課程打下堅實基礎。