基于科教融合的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)改革研究

彭 剛，陳 強(qiáng)

（東莞城市學(xué)院人工智能學(xué)院 廣東 東莞 523808）

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門十分重要的核心必修課程，它是操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等專業(yè)課程的基礎(chǔ)[1]。它能訓(xùn)練學(xué)生的算法設(shè)計(jì)與編程能力，是計(jì)算機(jī)類專業(yè)培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才的重要課程。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)注數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、組織、傳輸和轉(zhuǎn)換等基本概念與方法，目的是使學(xué)生掌握數(shù)據(jù)表示、存儲(chǔ)與檢索等方面的基礎(chǔ)知識(shí)與原理[2]。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程涉及許多抽象的理論概念，傳統(tǒng)的教學(xué)模式通常只注重理論教學(xué)和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，與社會(huì)需求存在一定脫節(jié)[3]。為適應(yīng)行業(yè)發(fā)展需求，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新意識(shí)與對(duì)科技前沿的掌握，有必要對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程進(jìn)行科教融合的教學(xué)改革。將基本理論與應(yīng)用發(fā)展結(jié)合起來，不僅加深了學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，而且提高其技術(shù)應(yīng)用與問題解決的能力。這對(duì)數(shù)據(jù)抽象、高級(jí)程序設(shè)計(jì)等方面的能力培養(yǎng)具有重要意義。1“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程科教融合的意義科教融合是高等教育的一種創(chuàng)新理念，它強(qiáng)調(diào)將科研與教學(xué)進(jìn)行有效的結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)相互促進(jìn)。科教融合作為培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑，正被越來越多高水平院校所采用和推廣[4]。2019 年教育部發(fā)布了《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》，提出要注重科研反哺教學(xué)，推動(dòng)科研育人，高校應(yīng)及時(shí)把最新科研成果引入教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣[5]。

科教融合的理念是以培養(yǎng)創(chuàng)新人才為目標(biāo)，在教學(xué)中吸收科研內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)兩者的有機(jī)融合，形成一種創(chuàng)新人才培養(yǎng)的新模式。它高度凝聚了洪堡“教學(xué)與科研需統(tǒng)一”的觀點(diǎn)，體現(xiàn)了當(dāng)前高等教育的發(fā)展趨勢(shì)[6]?！安┮畧?bào)告”進(jìn)一步明確了科研在高水平院校人才培養(yǎng)中的關(guān)鍵性作用，呼吁教學(xué)與科研實(shí)現(xiàn)良性互動(dòng)[7]。

科教融合的核心內(nèi)涵是在教學(xué)過程中實(shí)現(xiàn)“寓研于教”，教師不再是簡(jiǎn)單地知識(shí)傳授，而是注重啟發(fā)學(xué)生的主動(dòng)思考、分析和解決問題的能力。我們需要樹立統(tǒng)一的科教觀念，改變傳統(tǒng)的科教分離狀態(tài)，通過科教融合培養(yǎng)創(chuàng)新人才，這是提升高校教學(xué)質(zhì)量、提升院校辦學(xué)水平的必由之路[8]。

科教融合依托教學(xué)與科研在人才培養(yǎng)中的內(nèi)在統(tǒng)一性，發(fā)揮科研育人的優(yōu)勢(shì)，更好地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、終身學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力。為此，針對(duì)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程進(jìn)行科教融合教學(xué)改革，具有以下積極意義：

①打造金課，推進(jìn)一流專業(yè)建設(shè)。汲取社會(huì)需求和學(xué)科前沿，更新教學(xué)內(nèi)容，探索問題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，打造“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”金課，為一流專業(yè)建設(shè)提供支撐。

②拓寬學(xué)生的科研視野，激發(fā)其專業(yè)學(xué)習(xí)興趣。將前沿科研成果融入課堂，拓寬學(xué)生的國(guó)際化視野，激發(fā)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的探索興趣。

③培養(yǎng)創(chuàng)新思維，提升創(chuàng)新實(shí)踐能力。通過科研項(xiàng)目的驅(qū)動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力以及發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力，全面提升其創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新實(shí)踐能力。2“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程科教融合教學(xué)改革的舉措

2.1 提高師資建設(shè)水平，構(gòu)建完善的科教平臺(tái)

首先，要建設(shè)適應(yīng)科教融合的教學(xué)師資團(tuán)隊(duì)。教學(xué)團(tuán)隊(duì)既要有本專業(yè)的高端科研人才，也要有相近專業(yè)或跨專業(yè)的科研工作者及校外來自企業(yè)的實(shí)踐型高技術(shù)人才[9]。針對(duì)多類型差異化的人才需求，對(duì)各類不同人才進(jìn)行有區(qū)分的分類評(píng)價(jià)。結(jié)合校企產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合培養(yǎng)模式，學(xué)生經(jīng)歷理論學(xué)習(xí)和專業(yè)實(shí)踐，通過接觸校內(nèi)科研人員和校外資深工程師，了解當(dāng)前的科研難點(diǎn)和突破方向。由此可以讓學(xué)生通過校內(nèi)外優(yōu)秀專家了解專業(yè)前沿科研成就，以及企業(yè)技術(shù)人員所需的綜合知識(shí)和實(shí)踐能力。

其次，構(gòu)建功能完善的科教平臺(tái)。學(xué)生通過科教平臺(tái)，既可以進(jìn)行基礎(chǔ)的理論學(xué)習(xí)，又能了解最新專業(yè)的科研成果，拓展學(xué)生的專業(yè)思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。完善的科教平臺(tái)應(yīng)包括教學(xué)資源、基礎(chǔ)理論、研究課題、最新發(fā)展、專業(yè)文獻(xiàn)、研討交流等內(nèi)容，整合校內(nèi)教師的科學(xué)研究方向和校外企業(yè)技術(shù)發(fā)展。開放的可持續(xù)發(fā)展的科教平臺(tái)，有助于學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，借此學(xué)生可充分體驗(yàn)到專業(yè)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值和前沿魅力。

2.2 修訂教學(xué)大綱，體現(xiàn)科教融合思想

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本內(nèi)容主要包括6 個(gè)專題：線性表、棧和隊(duì)列、樹、圖、查找和排序，課本上的概念較為抽象難以理解，學(xué)生學(xué)習(xí)困難，也不明白這些知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，缺乏學(xué)習(xí)動(dòng)力和興趣[10]。因此，在學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)和算法后，教師需要補(bǔ)充有關(guān)前沿專題的最新研究成果，借助科教平臺(tái)和科研成果，將某些研究項(xiàng)目作為典型案例，組織專題學(xué)術(shù)講座，培養(yǎng)學(xué)生的科研思維。表1 為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的教學(xué)體系。

表1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)體系

在課堂設(shè)計(jì)上，注重各專題中的基本算法和典型應(yīng)用，結(jié)合最新發(fā)展促進(jìn)學(xué)生的思維拓展和創(chuàng)新能力。結(jié)合科研和企業(yè)需求，設(shè)置開放性作業(yè)，組織學(xué)生查閱資料并匯報(bào)，提高其科研思維和文獻(xiàn)檢索能力。在此過程中，實(shí)行組內(nèi)和組間互評(píng)，并結(jié)合教師評(píng)分考核學(xué)生。這樣可以讓學(xué)生意識(shí)到知識(shí)的活性、變動(dòng)性和錯(cuò)誤可能性，激發(fā)探索精神，使其敢于質(zhì)疑權(quán)威，通過查詢文獻(xiàn)證明自己的觀點(diǎn)，促進(jìn)知識(shí)掌握。

在課程重點(diǎn)內(nèi)容上，組織學(xué)生探討，發(fā)現(xiàn)目前的研究熱點(diǎn)、難點(diǎn)，開展系列科研，申報(bào)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生參與科研團(tuán)隊(duì)，更新教學(xué)內(nèi)容，增加創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)其團(tuán)隊(duì)精神和創(chuàng)新能力。

2.3 結(jié)合多種教學(xué)與考核方式

科教融合的新工科教育既要傳授學(xué)生知識(shí)，又要培養(yǎng)其科研創(chuàng)新能力。教師需要基于前沿領(lǐng)域進(jìn)行研究，同時(shí)開展學(xué)術(shù)道德教育，改變傳統(tǒng)模式，將創(chuàng)新元素融入教學(xué)?？己松弦残枰黄茊我环绞?，培養(yǎng)適應(yīng)科技變化的復(fù)合型人才。

教學(xué)方法可以多樣化，如啟發(fā)式、討論式、搜索式、思考式等，并融入科研實(shí)踐。學(xué)生可以參與教師的科研項(xiàng)目，在開放性課題中培養(yǎng)獨(dú)立提出和解決問題的能力。學(xué)生遇到問題時(shí)可以互助交流，在探索中深化對(duì)知識(shí)的掌握。鼓勵(lì)學(xué)生撰寫學(xué)術(shù)論文和申請(qǐng)專利。在綜合評(píng)價(jià)中，將科研實(shí)踐、成果計(jì)入考核體系。

3 “數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”科教融合改革實(shí)施案例

3.1 將多核技術(shù)與并行計(jì)算引入課程

隨著微處理器進(jìn)入多核時(shí)代，硬件架構(gòu)的發(fā)展促進(jìn)了并行計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展。在多核硬件平臺(tái)下，多線程編程可以真正實(shí)現(xiàn)并行執(zhí)行。相比于單線程程序，優(yōu)化后的多線程算法的性能會(huì)大大提高。

學(xué)生在教師指導(dǎo)下查閱相關(guān)文獻(xiàn)，重點(diǎn)指導(dǎo)學(xué)生利用并行算法解決Fibonacci 數(shù)列問題。Fibonacci 數(shù)列在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，但單線程計(jì)算隨著項(xiàng)數(shù)增長(zhǎng)，計(jì)算時(shí)間會(huì)呈指數(shù)級(jí)增加。學(xué)生通過查找文獻(xiàn)學(xué)習(xí)多線程設(shè)計(jì)該算法，研究并行計(jì)算原理，經(jīng)過多次討論和優(yōu)化設(shè)計(jì)出最優(yōu)多線程算法，大大縮短了計(jì)算時(shí)間。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中引入多核技術(shù)和并行計(jì)算專題，體現(xiàn)了課程內(nèi)容的先進(jìn)性、時(shí)代性和科學(xué)性，滿足了高校計(jì)算機(jī)教育對(duì)最新技術(shù)發(fā)展的需求。通過技術(shù)和算法的結(jié)合，教師在教授傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還使學(xué)生了解了多核架構(gòu)，掌握并行編程思想，通過基礎(chǔ)算法并行化設(shè)計(jì)，養(yǎng)成在軟件設(shè)計(jì)中融入并行計(jì)算思維的習(xí)慣。

3.2 壓縮編碼算法

對(duì)于海量視頻數(shù)據(jù)，必須使用數(shù)據(jù)壓縮算法顯著減小文件大小，實(shí)現(xiàn)高效存儲(chǔ)和傳輸。選擇合適的壓縮算法是視頻壓縮的關(guān)鍵。有損壓縮會(huì)影響質(zhì)量，而無損壓縮可在保證質(zhì)量的前提下進(jìn)行壓縮，適用于重視質(zhì)量的場(chǎng)合。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教材重點(diǎn)討論了哈夫曼編碼（Huffman Coding），它采用可變字長(zhǎng)編碼（VLC），對(duì)出現(xiàn)頻率高的數(shù)據(jù)用較短編碼，出現(xiàn)頻率低的數(shù)據(jù)用較長(zhǎng)編碼，從而獲得較短平均碼長(zhǎng)。哈夫曼編碼要求編出的碼即時(shí)可譯，短碼不重復(fù)長(zhǎng)碼碼首，各碼自然分開。

教師指導(dǎo)學(xué)生查閱數(shù)據(jù)壓縮編碼文獻(xiàn)，對(duì)比幾種無損和有損壓縮算法，研究其應(yīng)用。自主學(xué)習(xí)分析各算法的壓縮率和時(shí)間。通過研究，學(xué)生能根據(jù)不同應(yīng)用情況選用壓縮方法，評(píng)估和比較不同方案的最佳應(yīng)用場(chǎng)景。

3.3 最短路徑算法

在圖的教學(xué)專題中，“最短路徑”是一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)，最短路徑問題是在賦權(quán)圖中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間找最小權(quán)路徑。教材重點(diǎn)介紹了兩種常用算法：①Dijkstra 算法，從起點(diǎn)采用貪心策略擴(kuò)展到終點(diǎn)，適合有權(quán)圖單源最短路徑；②Floyd算法，求圖中所有點(diǎn)的最短路徑。

教師在教學(xué)之初可提出這樣的問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)：“如果你計(jì)劃去廣州及周邊城市旅游，如何安排行程以降低成本？”從問題出發(fā)，能激發(fā)學(xué)生的思考興趣和學(xué)習(xí)投入，提高學(xué)習(xí)效率。學(xué)生在教師和課題組協(xié)助下查閱資料，重點(diǎn)研究Dijkstra 算法及其應(yīng)用場(chǎng)景。該算法已廣泛應(yīng)用于大型網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備，也可用于郵政、物流、管道布線等領(lǐng)域，由此引導(dǎo)學(xué)生深入研究和思考。實(shí)踐證明，科教融合的問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)可以有效激發(fā)學(xué)生的思考興趣，增強(qiáng)其知識(shí)應(yīng)用能力。

3.4 結(jié)合科研項(xiàng)目開展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

實(shí)踐教學(xué)是課堂教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，在科教融合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中，首先要完成較簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證課堂理論教學(xué)內(nèi)容，包括基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和基本算法實(shí)現(xiàn)。在完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，還要補(bǔ)充一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)選題，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊密結(jié)合教師的科研課題，要求學(xué)生能夠靈活運(yùn)用基本理論知識(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的綜合設(shè)計(jì)和算法實(shí)現(xiàn)，解決科研中遇到的實(shí)際問題，目的是培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力、綜合程序設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力。教師提供一定數(shù)量的實(shí)際科研問題，明確任務(wù)需求。學(xué)生根據(jù)選題分成小組，在開發(fā)小組長(zhǎng)的安排下分工合作，制訂開發(fā)計(jì)劃，協(xié)作完成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)任務(wù)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排如表2 所示。

表2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)選題

4 “數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”科教融合教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)

課程組在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)科教融合課程教學(xué)改革中，獲得了以下主要經(jīng)驗(yàn)：

①建立了社會(huì)需求導(dǎo)向的應(yīng)用型科教融合新理念。針對(duì)學(xué)校地理位置優(yōu)勢(shì)，人才培養(yǎng)重點(diǎn)是服務(wù)粵港澳大灣區(qū)發(fā)展和信息化產(chǎn)業(yè)，服務(wù)政府決策。是否能在地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步中起引領(lǐng)作用，是判斷一個(gè)學(xué)校、專業(yè)是否有影響力和辦學(xué)成功的關(guān)鍵。因此，在課程建設(shè)中樹立以社會(huì)需求為導(dǎo)向的教科研理念。根據(jù)學(xué)院情況，將科研由理論型轉(zhuǎn)為應(yīng)用型，主動(dòng)融入產(chǎn)教環(huán)節(jié)，解決實(shí)際問題，建立產(chǎn)學(xué)研協(xié)同機(jī)制。積極引入企業(yè)資源，與華為公司開展深度合作，成立“華為創(chuàng)新班”，共同修訂課程大綱，將公司的最新科研成果融入教學(xué)。

②建設(shè)了適應(yīng)科教融合的教研團(tuán)隊(duì)。組建優(yōu)秀的師資隊(duì)伍是實(shí)施科教融合的重要前提。在科教融合理念指導(dǎo)下，學(xué)校建立了年齡、職稱、專業(yè)互補(bǔ)，專兼職比例適當(dāng)?shù)膭?chuàng)新課程團(tuán)隊(duì)。完善教師考核體系，提升科教成果權(quán)重；增強(qiáng)激勵(lì)，提供科研支持；引導(dǎo)教師將科研成果應(yīng)用到教學(xué)設(shè)計(jì)，建設(shè)前瞻性教學(xué)資源，推動(dòng)創(chuàng)新人才培養(yǎng)。

③深化適應(yīng)科教融合的課程改革。全面修訂課程教學(xué)大綱，利用科教平臺(tái)重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容和活動(dòng)。依托學(xué)習(xí)通和在線考評(píng)系統(tǒng)打造科教融合的學(xué)習(xí)空間，采用線上線下交叉的教學(xué)活動(dòng)。教學(xué)內(nèi)容除包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的經(jīng)典知識(shí)，還增加了并行計(jì)算、壓縮算法等科研內(nèi)容，以行業(yè)需求為導(dǎo)向。采用混合教學(xué)法滿足學(xué)生的個(gè)性化需求，培養(yǎng)其解決復(fù)雜問題的能力。改革評(píng)價(jià)方式，形成多元立體的評(píng)價(jià)體系。發(fā)揮學(xué)生特長(zhǎng)，培養(yǎng)其團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)的需求，將學(xué)科前沿、動(dòng)態(tài)以及教師相關(guān)領(lǐng)域的科研成果融入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)。課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)多年來堅(jiān)持“教學(xué)和科研有機(jī)統(tǒng)一、互相融合”的理念開展課程教學(xué)，以實(shí)際前沿問題為導(dǎo)向，學(xué)生在教師指導(dǎo)下主動(dòng)參與課堂教學(xué)過程和科學(xué)研究過程，使學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)問題、提出思路、解決問題。引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入科研課題、專業(yè)實(shí)驗(yàn)室和科研團(tuán)隊(duì)，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力，強(qiáng)化科研的育人作用，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣。未來，課程團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)推動(dòng)科教融合教學(xué)改革，將科研融入教學(xué)，服務(wù)教學(xué)，培養(yǎng)粵港澳大灣區(qū)軟件發(fā)展所需的新世紀(jì)創(chuàng)新人才。