尚蕾

摘要：文章結(jié)合網(wǎng)絡(luò)安全專業(yè)教學(xué)實(shí)際，對《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)中遇到的問題進(jìn)行了深入分析，闡述了在混合式課程建設(shè)中的課程開發(fā)與教學(xué)改革的措施，包括教學(xué)內(nèi)容的修訂、教學(xué)模式改革、課程考核改革等內(nèi)容，并給出了具體方案。通過實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果，為程序設(shè)計(jì)類混合式課程的建設(shè)，以及面向安全專業(yè)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程優(yōu)化提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)安全;算法;計(jì)算思維;混合式教學(xué)

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）16-0083-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 引言

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程主要討論現(xiàn)實(shí)世界中數(shù)據(jù)的各種邏輯結(jié)構(gòu)，對應(yīng)保存到計(jì)算機(jī)存儲器中的各種存儲結(jié)構(gòu)，以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行各種運(yùn)算的典型方法（即算法）。通過課程的學(xué)習(xí)要求學(xué)生掌握程序設(shè)計(jì)的理論知識，培養(yǎng)編程實(shí)踐能力，為后續(xù)專業(yè)課程（操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、軟件安全、軟件工程等）的學(xué)習(xí)和從事軟件開發(fā)、信息數(shù)據(jù)安全保護(hù)等工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

學(xué)習(xí)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程可以很好地提升學(xué)生的邏輯思維、計(jì)算思維，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。在清華MOOC（慕課）平臺“學(xué)堂在線”首批推出的5門課程中，《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》即是其一。在綜合型大學(xué)，選修這門課除了計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生，也會包含其他工科專業(yè)學(xué)生，甚至文科專業(yè)學(xué)生，學(xué)生通過課程可以學(xué)會計(jì)算機(jī)科學(xué)的思想方法，培養(yǎng)計(jì)算思維，用不一樣的思路去解決問題。面對新的形勢，做好《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》混合式課程的開發(fā)與改革，對于提高計(jì)算機(jī)類、網(wǎng)絡(luò)安全類工科專業(yè)學(xué)生的學(xué)科理論水平和計(jì)算思維有著至關(guān)重要的作用.

2 《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)中存在的問題

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》作為工科課程，不僅有很深的理論知識，也要求培養(yǎng)學(xué)生的編程實(shí)踐能力和應(yīng)用能力;同時又是一門承上啟下的課程，課程的講授以學(xué)生已掌握一般程序設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，是學(xué)生專業(yè)中后續(xù)學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及其他大型應(yīng)用程序的重要基礎(chǔ)。當(dāng)前《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)中存在以下問題：

1）課程知識理論性抽象性強(qiáng)，課時不足?！稊?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程本身涉及的概念多、內(nèi)容廣，理論性強(qiáng)、且高度抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)理解上普遍存在一定的困難。課堂教學(xué)中學(xué)生提不起學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)過程參與程度不高，造成了教學(xué)效果的下降。

2）教學(xué)反饋不及時。傳統(tǒng)的教學(xué)模式多是灌輸式，教師面授課程結(jié)束后布置作業(yè)，再次上課時講評討論，中間的間隔少則2-3天多則1-2周，這期間學(xué)生缺失了對知識深入探索及時查漏補(bǔ)缺的時機(jī)，教師也未能及時得到教學(xué)反饋，調(diào)整教學(xué)工作。

3）課程實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱，缺乏綜合型實(shí)踐。實(shí)踐是《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的重要環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)開發(fā)復(fù)雜高效程序的技能是課程的教學(xué)要求之一。實(shí)際教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)課時不足，實(shí)驗(yàn)條件有限，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容刻板陳舊造成了課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)較為薄弱，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)后往往反映：“課堂內(nèi)容能夠掌握，但上機(jī)編程時困難重重?zé)o從下手”。目前，課程開設(shè)的大都是驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，缺少綜合性和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)，也難以起到培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識分析問題和解決問題的能力以及創(chuàng)新能力，從而無法達(dá)到課程預(yù)期的教學(xué)目的和教學(xué)效果。

4）缺乏合理的考核方式。 目前該課程的考核方式多是試卷考核，期末筆試也主要是基礎(chǔ)知識、基礎(chǔ)算法，這使得學(xué)生偏向于只掌握幾個考試重點(diǎn)算法，會畫圖執(zhí)行算法步驟，而忽略對動手實(shí)踐能力的訓(xùn)練，這種狀況實(shí)際上不利于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

3 《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程建設(shè)沿革

針對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)中存在的問題，許多學(xué)者專家在課程建設(shè)中探索改進(jìn)，既有教學(xué)內(nèi)容的修訂也有教學(xué)方法上的改革。2013年北京大學(xué)張銘教授在Coursera 上開設(shè)了“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”（https：//class.coursera.org/dsalgo-001），是國內(nèi)首批中文MOOC課程;徐衛(wèi)、劉端陽等在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)提出基于PBL（Problem-Based Learning，問題式學(xué)習(xí)）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課堂教學(xué)思路、實(shí)施流程，并設(shè)計(jì)了PBL教學(xué)實(shí)例;陳川等提出基于微課的案例教學(xué)法，探討了以微課為技術(shù)手段制作案例，將案例應(yīng)用于《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)的混合式教學(xué)模式，可以充分調(diào)動學(xué)生的主動性，實(shí)現(xiàn)良好的師生互動和反饋;戴成秋提出基于 MOOC+SPOC （Small Private Online Course）的混合式教學(xué)思路，既融合大規(guī)模在線開放課程的優(yōu)點(diǎn)，同時也彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂的不足;李清等提出以問題驅(qū)動教學(xué)法培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維和計(jì)算技能，并給出了《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程中的教學(xué)實(shí)施路徑;李高云等對課程的無紙化考試方式做了探索。這些研究成果推動了《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的建設(shè)，對教學(xué)改革有很大的借鑒作用，作為應(yīng)用型高校要結(jié)合自己的專業(yè)定位和人才培養(yǎng)目標(biāo)開展《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》混合式課程的建設(shè)。

4 《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》混合式課程改革實(shí)例

4.1修訂教學(xué)內(nèi)容，突出安全特色

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程是計(jì)算機(jī)學(xué)科知識結(jié)構(gòu)的核心和技術(shù)體系的基石，計(jì)算機(jī)類專業(yè)本科生都要學(xué)習(xí)，很多高校在研究生入學(xué)考試時設(shè)為必考課程、主要復(fù)試課程，各類軟件、系統(tǒng)架構(gòu)職業(yè)資格類證書考試中也對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識有所涵蓋。雖然課程教學(xué)中存在著課時不夠的情況，但教學(xué)內(nèi)容不能壓縮，否則會影響學(xué)生的后續(xù)專業(yè)科學(xué)習(xí)、繼續(xù)深造和職業(yè)發(fā)展。課程內(nèi)容多，理論知識豐富，抽象性強(qiáng)，如何變抽象為直觀，在課程內(nèi)容優(yōu)化上我們將知識點(diǎn)與生活場景結(jié)合，與學(xué)生的安全專業(yè)結(jié)合，理論與實(shí)踐相結(jié)合，來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐動力。例如字符串部分的模式匹配算法是學(xué)習(xí)重點(diǎn)，基本算法有BF（Brute Force）、KMP（Knuth-Morris-Pratt），單一的學(xué)習(xí)和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)比較枯燥，我們在算法講解后鼓勵學(xué)生開發(fā)“作業(yè)查重程序”，課下拓展學(xué)習(xí)“多模匹配算法與入侵檢測系統(tǒng)”，以實(shí)際應(yīng)用和專業(yè)應(yīng)用激勵學(xué)生的實(shí)踐。經(jīng)過兩輪的教學(xué)實(shí)踐，將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)安全內(nèi)容結(jié)合，我們做了以下教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整和優(yōu)化。

4.2教學(xué)方法改革

1）MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂

混合式教學(xué)，是將在線教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)勢結(jié)合起來的一種“線上”+“線下”的教學(xué)，最終目的是有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)深度?；旌鲜浇虒W(xué)中的關(guān)鍵是教學(xué)設(shè)計(jì)，課內(nèi)外學(xué)習(xí)任務(wù)分配、問題反饋機(jī)制設(shè)計(jì)、課堂學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)、課外作業(yè)輔導(dǎo)、考核等。

在教學(xué)內(nèi)容的面授和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)劃分上，我們將課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)放在課上，由老師引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建課程的完整知識框架，實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂，鼓勵學(xué)生分享思考過程、學(xué)習(xí)方法;對線上學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)計(jì)，一部分是學(xué)生在前導(dǎo)課中已接觸過的知識如單鏈表建立、棧結(jié)構(gòu)、隊(duì)列結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，再就是往“安全”方向算法拓展學(xué)習(xí)的背景知識。我們?yōu)閷W(xué)生明確了自主學(xué)習(xí)任務(wù)單，并在大綱、教案、授課計(jì)劃中得以體現(xiàn)，做到課前任務(wù)有的放矢，與慕課視頻內(nèi)容和翻轉(zhuǎn)課堂有效對接。同時，為線上、線下學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)了問題反饋機(jī)制（圖2）。教師要善用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)規(guī)律，發(fā)揮好引導(dǎo)、啟發(fā)、監(jiān)控教學(xué)過程的作用，充分調(diào)動學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的主動性、積極性與創(chuàng)造性，獲得最佳的學(xué)習(xí)效果。

2）創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)、支撐學(xué)科競賽

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》是一門理論與實(shí)踐并重的課程，在課程的實(shí)踐教學(xué)方面，我們引入了綜合性課程設(shè)計(jì)這一模式，設(shè)計(jì)了“驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)—〉應(yīng)用實(shí)驗(yàn)—〉創(chuàng)新項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。使學(xué)生不僅得到良好的程序設(shè)計(jì)實(shí)踐，更重要的是初步感受到軟件開發(fā)過程的項(xiàng)目管理方法與規(guī)范，獲得工作經(jīng)驗(yàn)。具體的改革措施有：借助虛實(shí)結(jié)合的在線實(shí)驗(yàn)環(huán)境，滿足教師和學(xué)生“任何時間、任何地點(diǎn)”開展實(shí)驗(yàn)的需求;通過交互可視化的形式動態(tài)展示算法的執(zhí)行過程，使學(xué)生更容易理解算法思想;基于 ACM 競賽和在線評測系統(tǒng)，激勵學(xué)生提高編程能力。

實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的課堂活動中，主要有學(xué)生實(shí)踐成果的展示，鼓勵學(xué)生做實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的分享，教師引導(dǎo)學(xué)生分組、做好學(xué)生學(xué)習(xí)過程的監(jiān)測和記錄、作品講評等，對于項(xiàng)目設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)不鼓勵單人完成，而要鼓勵學(xué)生強(qiáng)弱組合、加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作。

4.3課程中的人文素質(zhì)教育

網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國戰(zhàn)略，實(shí)質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)人才強(qiáng)國戰(zhàn)略，對網(wǎng)絡(luò)人才的要求除了技術(shù)扎實(shí)，更要政治過硬、道德高尚，這也是對安全專業(yè)“課程思政”的具體要求，以立德樹人為根本，培養(yǎng)德智體美全面發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)安全人才。教師在課堂教學(xué)中不僅要注重學(xué)生知識和能力的培養(yǎng)，更要做好學(xué)生思想引領(lǐng)和價值觀的塑造工作。一方面教師在講授課程知識本身之外，也要努力發(fā)掘并讓學(xué)生領(lǐng)略到課程中蘊(yùn)含的美。抽象是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，有的學(xué)生摸不透害怕抽象，在講述相關(guān)知識的時候，可以結(jié)合具體的例子，如圖部分，可以從數(shù)學(xué)家歐拉研究著名的德國哥尼斯堡七橋問題引出，讓學(xué)生領(lǐng)略數(shù)學(xué)抽象思維的魅力?！皵?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”中每個結(jié)構(gòu)都有其嚴(yán)謹(jǐn)之處，每個過程都可以用數(shù)學(xué)推導(dǎo)，學(xué)習(xí)過程就是提升學(xué)生的邏輯思維，培養(yǎng)創(chuàng)新思維的過程。

另一方面，激勵學(xué)生積極響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國戰(zhàn)略，扎實(shí)專業(yè)學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)使命感、自豪感，確立努力學(xué)習(xí)，為國家安全、民族復(fù)興奮斗的愛國主義情懷。

4.4課程考核改革

與《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》混合式教學(xué)相對應(yīng)的是建立多層次的評價機(jī)制，一方面要提高平時成績在課程總成績中的比重，這樣可以調(diào)動學(xué)生線上學(xué)習(xí)的積極性，重視學(xué)習(xí)過程。教師需要健全完善過程性評價的指標(biāo)，如對線上學(xué)習(xí)情況的跟蹤和評估，課堂學(xué)習(xí)過程的評價和記錄，學(xué)習(xí)小組內(nèi)成員間的評價等;另一方面，探索試卷考試以外的課程考核形式，如程序在線評測、線上考試等。

5 結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)空間安全領(lǐng)域的研究中離不開數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法分析等基礎(chǔ)知識的支撐，相對于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)類專業(yè)，該專業(yè)的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程在內(nèi)容設(shè)計(jì)和實(shí)踐教學(xué)方面有其自身特色。混合式課程建設(shè)中我們將“網(wǎng)絡(luò)安全”的特色貫穿于理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，突出教學(xué)內(nèi)容的特色和先進(jìn)性，為學(xué)生帶來前沿的學(xué)科知識，提升課程品質(zhì)，促進(jìn)應(yīng)用型網(wǎng)絡(luò)安全人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。未來，還將在微課制作、教材建設(shè)、在線考試等方面積極探索，完善課程。

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【通聯(lián)編輯：王力】