李 娟,孫 方,張冰心
(武昌工學(xué)院 信息工程學(xué)院,湖北 武漢 430065)
近年來,計算機科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程等新工科專業(yè)成為應(yīng)用型本科院校的重點發(fā)展專業(yè),而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是該類專業(yè)最重要的基礎(chǔ)課程。在傳統(tǒng)線下教學(xué)中,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容存在多、難、雜的問題,教學(xué)條件存在時空禁錮、資源難求、眾口難調(diào)的問題,教學(xué)模式存在手段單一、理念落后、效率低下的問題,教學(xué)評價存在考核方式片面化、評價標(biāo)準(zhǔn)主觀化的問題,教學(xué)管理存在管控尺度難把握、教學(xué)資料雜亂少的問題。針對這些問題,混合教學(xué)模式提供了一種新的解決方法[1-2]。
混合式教學(xué)將線上平臺與線下教學(xué)兩種學(xué)習(xí)環(huán)境相融合,充分利用互聯(lián)網(wǎng)及信息技術(shù)優(yōu)勢,打破了傳統(tǒng)線下教學(xué)的時空界限,為學(xué)生提供了更豐富的學(xué)習(xí)渠道,充分體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)理念[3-5]?;旌鲜浇虒W(xué)模式帶來了本科教育教學(xué)的革新,同時也在本科教育教學(xué)改革實踐中不斷發(fā)展、成熟?;旌鲜浇虒W(xué)模式發(fā)展初期著重于信息技術(shù)的應(yīng)用,包括課程網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)、微課視頻制作、在線作業(yè)平臺設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境搭建等,這些技術(shù)在新冠肺炎疫情期間得以迅速發(fā)展,并在本科教學(xué)中了發(fā)揮不可或缺的作用[6-8]。線上平臺優(yōu)勢得以充分展現(xiàn)的同時引發(fā)了教師們的進一步思考,其對如何進行資源、方式、環(huán)境的混合,如何在線下教學(xué)中利用網(wǎng)絡(luò)平臺和先進技術(shù)手段開展教學(xué)設(shè)計,如何進行線上、線下的有效銜接,進行了研究[9-11]。在混合式教學(xué)實踐中,教師們在智慧教學(xué)平臺[12-14](如智慧樹、中國大學(xué)MOOC、超星學(xué)習(xí)通、雨課堂等)的支持下,從課前、課中、課后時間維度,教師、學(xué)生角色維度,教學(xué)、活動、評價交互維度,根據(jù)人才培養(yǎng)與具體課程定位展開了混合式教學(xué)設(shè)計,加強了對學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng),提高了教師課堂的教學(xué)效率與質(zhì)量。
教育的根本是育人,專業(yè)課程與課程思政協(xié)同育人是本科院校教育教學(xué)的重要課題[15-16],科學(xué)融入課程思政是混合式教學(xué)模式進一步發(fā)展完善的方向。為此,本文開展混合式教學(xué)模式下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革研究,主要包括以下3個方面:①優(yōu)化教學(xué)目標(biāo),明確課程思政目標(biāo);②完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程混合式教學(xué)設(shè)計,提出專業(yè)課知識與思政元素全浸入式融合的教學(xué)方案;③構(gòu)建診斷性評價、形成性評價與終結(jié)性評價相結(jié)合的評價體系,有效調(diào)控學(xué)習(xí)過程,客觀公正地進行學(xué)習(xí)效果評價。
教學(xué)應(yīng)以學(xué)生為中心,遵循教師引導(dǎo)、學(xué)生主動、OBE導(dǎo)向的理念,融思政教育、專業(yè)技能、課程內(nèi)容于一體。根據(jù)學(xué)校應(yīng)用型人才培養(yǎng)需求,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)目標(biāo)分為知識目標(biāo)、能力目標(biāo)、工程目標(biāo)和思政目標(biāo)4個方面,具體如下:①知識目標(biāo)。理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)概念與基礎(chǔ)知識,掌握數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系和物理實現(xiàn);理解查找與排序問題及解決方案;能夠綜合分析各種相關(guān)算法的性能及應(yīng)用;②能力目標(biāo)。能夠根據(jù)具體問題要求綜合選擇、設(shè)計并構(gòu)建合理的數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),具備運用所學(xué)知識解決實際問題的能力和計算思維,具有良好的科學(xué)研究精神和較強的科學(xué)工程意識;③思政目標(biāo)。樹立正確的工程倫理觀,培育社會責(zé)任感、工匠精神,激發(fā)家國情懷,培養(yǎng)科技報國、堪當(dāng)民族復(fù)興大任的創(chuàng)新引領(lǐng)型人才;④工程目標(biāo)。能夠通過程序員職業(yè)資格考試;能夠依據(jù)軟件工程規(guī)范,結(jié)合問題需求進行編程實踐,初步具備設(shè)計計算機領(lǐng)域復(fù)雜工程問題解決方案的能力。
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容由基本概念、經(jīng)典數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和典型問題求解3部分組成,具體如圖1所示。
Fig.1 Data structure course content system圖1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容體系
邏輯結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)和算法分析等相關(guān)概念為課程核心內(nèi)容的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。經(jīng)典數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括線性結(jié)構(gòu)、樹結(jié)構(gòu)與圖結(jié)構(gòu),在教學(xué)設(shè)計中按照邏輯結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)、操作算法、應(yīng)用分析組織教學(xué)內(nèi)容,使學(xué)生理解掌握各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的邏輯關(guān)系、物理實現(xiàn)及典型應(yīng)用。典型問題求解主要包括查找與排序,在教學(xué)設(shè)計中按照基本原理、算法設(shè)計與實現(xiàn)、性能分析及綜合比較的邏輯順序組織教學(xué)內(nèi)容,使學(xué)生能夠理解不同查找/排序算法的設(shè)計思路、實現(xiàn)方法、效率和適用性。
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程網(wǎng)站提供完善的資源庫、習(xí)題庫及作業(yè)庫,按照教學(xué)內(nèi)容、知識點詳解、實驗項目、本章小結(jié)、本章測試等項目組織各章節(jié)內(nèi)容,以提供系統(tǒng)學(xué)習(xí)資源與學(xué)習(xí)指導(dǎo)。該課程共計72學(xué)時,其中線上24學(xué)時,用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本概念、基礎(chǔ)理論和相關(guān)算法原理的教學(xué),使學(xué)生形成初步知識體系;線下48學(xué)時,含32學(xué)時課堂教學(xué)和16學(xué)時實驗教學(xué),引導(dǎo)學(xué)生對所學(xué)知識進行深入理解與鞏固,能夠融會貫通和拓展應(yīng)用。依托課程網(wǎng)站開展混合式教學(xué),線上教學(xué)平臺的智能化、課堂教學(xué)的智慧化、實驗教學(xué)的開放化使學(xué)生具備了一定的數(shù)據(jù)抽象和算法設(shè)計能力,也初步具備了創(chuàng)新性和批判性思維。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時分配如表1所示。在教學(xué)中應(yīng)堅持以教師育人為關(guān)鍵,形成協(xié)同育人模式。利用專業(yè)課中蘊含的思想政治教育元素幫助工科學(xué)生堅定正確的政治信仰,發(fā)揮專業(yè)課教師對學(xué)生思想的引導(dǎo)作用。
Table 1 Data structure teaching content and study time arrangements表1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時分配
以教學(xué)單元為單位,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程混合式教學(xué)路徑如圖2所示。課程教學(xué)按照線上線下混合、理論實踐融合、課內(nèi)課外覆蓋及沉浸式思政方式組織實施,整個教學(xué)過程包含線上學(xué)習(xí)、理論課堂、實驗課堂和課后學(xué)習(xí)4個階段。
Fig.2 Blended teaching path圖2 混合式教學(xué)路徑
在線上學(xué)習(xí)階段,教師提前發(fā)布任務(wù)及時間節(jié)點,同時給予簡要導(dǎo)學(xué),學(xué)生自主選擇時間學(xué)習(xí)線上教學(xué)視頻,完成線上討論與作業(yè)。線上學(xué)習(xí)內(nèi)容注重解決問題的思維和方法的引導(dǎo),使學(xué)生進一步掌握基礎(chǔ)知識、提高技能水平。教師通過平臺提供的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、在線作業(yè)完成情況及線上學(xué)情反饋掌握學(xué)生在線學(xué)習(xí)情況,以便進行線上線下的銜接設(shè)計,為線下授課做好充分準(zhǔn)備。
理論課堂按照課表在智慧教室實施,線下授課以案例為中心,采用理論—實踐融合方式進行。教師圍繞案例進行提問、解答,然后設(shè)計新的問題,引出新的解答途徑并演練、驗證,通過計算機現(xiàn)場編程、調(diào)試與運行直接體現(xiàn)教學(xué)目的。案例剖析及問題解決需要學(xué)生積累一定的知識基礎(chǔ),同時也是對其重難點知識應(yīng)用能力的考察。必要時教師需針對性回顧線上學(xué)習(xí)內(nèi)容,同時通過線上平臺記錄儲存理論課堂的學(xué)習(xí)過程及學(xué)習(xí)成果,以便學(xué)生后期鞏固與復(fù)習(xí)。
課程實驗開展線下實踐教學(xué),通過綜合訓(xùn)練培養(yǎng)學(xué)生分析具體問題、建立數(shù)據(jù)模型并解決實際問題的能力,培養(yǎng)其創(chuàng)新意識,提高動手實踐能力。教學(xué)單元所對應(yīng)的實驗應(yīng)與單元教學(xué)同步啟動,線上學(xué)習(xí)為實驗項目提供了知識基礎(chǔ),學(xué)生在自主學(xué)習(xí)的同時通過編程初步實現(xiàn)對應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義、存儲和基本操作。在實驗課堂,綜合前期學(xué)習(xí)成果進行項目的設(shè)計與實現(xiàn),完成項目編碼、調(diào)試、運行與驗證,通過實驗報告對項目進行整理、總結(jié)。項目實踐需要線上及理論課堂學(xué)習(xí)成果的支撐,學(xué)生在實驗過程中可根據(jù)項目需求在網(wǎng)絡(luò)平臺進行相關(guān)知識點的深度學(xué)習(xí),實驗過程、項目成果及實驗報告同樣可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺記載保存。
課后學(xué)習(xí)主要包括復(fù)習(xí)、自測兩個環(huán)節(jié),通過復(fù)習(xí)回顧章節(jié)內(nèi)容查漏補缺,熟練掌握教學(xué)內(nèi)容;通過自測驗證學(xué)習(xí)效果,保證教學(xué)目標(biāo)的達成。網(wǎng)絡(luò)平臺的線上學(xué)習(xí)資源、理論與實驗課堂的學(xué)習(xí)記錄可以復(fù)現(xiàn)教學(xué)單元學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)過程,為學(xué)生課后學(xué)習(xí)提供保障。
為保障教學(xué)效果,由課程助教團隊負(fù)責(zé)將輔導(dǎo)性教學(xué)融于線上線下、課內(nèi)課外各個環(huán)節(jié)中,以學(xué)生需求為本,靈活采用集中答疑、小組輔導(dǎo)、個別交流等方式為學(xué)生服務(wù)。同時,在教學(xué)中進行全浸入式課程思政探索,融思政教育、專業(yè)技能、課程內(nèi)容于一體,以正確的價值觀引導(dǎo)知識學(xué)習(xí),培養(yǎng)三觀端正、知識完備、技能過硬的專業(yè)人才。
以“隊列”章節(jié)為例,混合教學(xué)安排如表2所示。
Table 2 Blended teaching arrangement of the queue unit表2 隊列章節(jié)混合教學(xué)安排
3.3.1 線上教學(xué)
教師通過公告的形式發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)及時間節(jié)點,學(xué)生在規(guī)定時間范圍內(nèi)完成線上學(xué)習(xí)活動,包括在線作業(yè)、主題討論等。線上學(xué)習(xí)資源主要包括相關(guān)文檔資料及知識點詳解視頻等,其中視頻學(xué)習(xí)被設(shè)置為任務(wù)點,完成任務(wù)點后學(xué)生可按需完成其他教學(xué)活動。隊列章節(jié)在線教學(xué)活動包括隊列特點、隊列存儲結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點、隊列典型應(yīng)用3個主題討論;關(guān)于循環(huán)隊列、鏈隊列的程序理解作業(yè)題;關(guān)于在線學(xué)習(xí)評價的問卷調(diào)查等。
3.3.2 課堂教學(xué)
隊列章節(jié)線下理論課為2學(xué)時,主要包含循環(huán)隊列和鏈隊列兩個知識點,各講授1學(xué)時。以循環(huán)隊列知識點為例,課堂教學(xué)實施過程如圖3所示。
Fig.3 Teaching process of “circular sequence”圖3 “循環(huán)隊列”知識點教學(xué)過程
在教學(xué)過程中靈活運用多種先進教學(xué)方法,有效調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。有機融合傳統(tǒng)教學(xué)模式與現(xiàn)代化教學(xué)模式,綜合運用知識傳授、技能技巧培養(yǎng)、情感交往手段,以期獲得最優(yōu)教學(xué)效果。課堂利用學(xué)習(xí)通APP開展教學(xué)活動,充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,發(fā)揮其主觀能動性,師生借助APP進行有效互動,及時反饋學(xué)情。典型課堂教學(xué)活動如表3所示。
Table 3 Typical classromm teaching activities表3 典型課堂教學(xué)活動
3.3.3 實驗教學(xué)
實驗教學(xué)在實驗室進行,利用課程網(wǎng)站發(fā)布實驗任務(wù),并給出必要的實驗背景講解和重難點提示。學(xué)生可以根據(jù)實際需求自主學(xué)習(xí)并完成實驗任務(wù)。為有效監(jiān)督學(xué)生實驗情況,教師可要求其以隨堂練習(xí)的形式提交實驗調(diào)試與運行界面。
3.3.4 在線測試
課程采用網(wǎng)站在線測試、階段考試等多種方式對學(xué)生學(xué)習(xí)情況進行考察。在線測試由學(xué)生完成章節(jié)學(xué)習(xí)后自主選擇時間完成,而階段考試由教師根據(jù)實際情況制定具體時間,由學(xué)生統(tǒng)一完成考試。
3.3.5 思政育人
構(gòu)建全浸入式思政育人環(huán)境,包括在課程網(wǎng)站設(shè)計中增加思政元素,如工程倫理觀、社會責(zé)任感、工匠精神、家國情懷等育人題材;在教學(xué)案例中以“隊列體現(xiàn)的是一種秩序”為核心進行教學(xué)內(nèi)容與思政融合;在教學(xué)過程中,結(jié)合學(xué)生未來職業(yè)規(guī)劃,以“程序員的生活追求,積極向上,追求美好;程序員的專業(yè)追求,刻苦鉆研,自主創(chuàng)新;程序員的工作追求,認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn),追求實效”為主題深挖思政元素,進行“潤物細(xì)無聲”的潛思政。
著眼于有效調(diào)控學(xué)習(xí)過程,構(gòu)建診斷性評價、形成性評價與終結(jié)性評價相結(jié)合的評價體系,其中,診斷性評價、形成性評價作為過程性考核,以平時成績、實驗成績的方式進行記錄;終結(jié)性評價以期末考試的方式實現(xiàn)。
課程平時成績通過網(wǎng)站進行記錄和導(dǎo)出,包括簽到、章節(jié)學(xué)習(xí)、討論、作業(yè)、分組任務(wù)、課程互動及在線測試7個部分,涵蓋教學(xué)全過程,占總評成績的30%。課程實驗以項目為載體,將實驗任務(wù)貫穿于教學(xué)全過程,通過自評、互評和教師評價進行綜合評價。實驗項目包括線性表及應(yīng)用、堆棧及應(yīng)用、隊列及應(yīng)用、樹及典型算法、圖及典型算法、查找算法與分析、排序算法與分析,占總評成績的20%。終結(jié)性評價側(cè)重于考核學(xué)生的知識掌握程度和應(yīng)用情況,通過考試的方式進行,考核內(nèi)容涵蓋大綱全部知識點,占總評成績的50%。
課程考核評價具有以下兩個重要特點:①評價因子多元化。考核中注重過程與結(jié)果相結(jié)合,重視過程性考核,結(jié)合線上資源及平臺功能,以網(wǎng)站各種學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)作為評價依據(jù)之一;②評價主體多元化。除教師參與評價外,還引入小組、學(xué)生作為評價主體,以激發(fā)學(xué)生競爭意識,調(diào)動其學(xué)習(xí)積極性。多元化評價機制保證了課程考核的公平性、公正性、有效性和權(quán)威性。
根據(jù)課程考核評價機制,軟件工程2020級02班平時成績平均分為87分,實驗成績平均分為85分,期末成績平均分為83分,總評成績平均分為85分,分?jǐn)?shù)分布如圖4所示??荚嚦煽兎险龖B(tài)分布,能較為真實地反映教學(xué)效果。從考試成績來看,學(xué)生能夠較好掌握所學(xué)內(nèi)容,教學(xué)達到預(yù)期效果。
Fig.4 Distribution of student score圖4 學(xué)生成績分布
混合教學(xué)模式下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革與實踐始于2021年春季學(xué)期,在軟件工程201902班進行了試點教學(xué),軟件工程2019級其他班級仍采用傳統(tǒng)線下教學(xué)方式。2022年春季學(xué)期在軟件工程2020級全面展開,學(xué)生成績及評教如表4所示。
Table 4 Comparison of student scores and teaching evaluation results in data structure courses表4 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程學(xué)生成績及評教結(jié)果比較
軟件工程2018級以傳統(tǒng)線下方式開展教學(xué),學(xué)生普遍反映教師教學(xué)能力和教學(xué)水平較高,授課認(rèn)真富有激情,但是課程難度較大,課堂很難完全聽懂,課后復(fù)習(xí)有點無從下手,平時成績評定缺乏客觀有效依據(jù)。軟件工程2019級(非201902班次)以傳統(tǒng)線下方式開展教學(xué),從課程成績和學(xué)生評教來看,教學(xué)效果優(yōu)于2018級,其原因在于課程網(wǎng)站提供了豐富的教學(xué)資源,方便學(xué)生課外學(xué)習(xí);考勤、作業(yè)、實驗、課堂活動等學(xué)習(xí)任務(wù)均在網(wǎng)站提交、記載,平時成績有據(jù)可依。軟件工程201902班開展混合教學(xué)模式試點,與非試點班相比效果顯著,充分體現(xiàn)了混合教學(xué)的優(yōu)越性。軟件工程2020級對混合教學(xué)模式試點方案進行了完善與優(yōu)化,教學(xué)效果得到進一步提升。2018-2020級3屆學(xué)生課程成績與評教結(jié)果比較體現(xiàn)了混合教學(xué)模式的優(yōu)越性。
課程團隊成員認(rèn)為完善的課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺,過程化、智能化電子教學(xué)檔案,線上、線下全融合式教學(xué)活動設(shè)計使得課程教學(xué)更加流暢、生動,良好的教學(xué)體驗感和課堂效果使得授課教師成就感滿滿。課程組的教學(xué)實踐及研究成果多次在學(xué)校、院系各層次及武漢民辦高校的同行中進行交流和展示,受到學(xué)校督導(dǎo)及同行老師的好評。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程近3年教學(xué)評價結(jié)果如表5所示??梢钥闯觯C合評分連續(xù)3年增長,課程改革持續(xù)發(fā)力。
Table 5 Data structure course teaching evaluation of recent 3 years表5 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程近3年教學(xué)評價結(jié)果
混合教學(xué)模式下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革與實踐以學(xué)生為中心,設(shè)計小而精的教學(xué)內(nèi)容模塊,以實際案例為載體展開翻轉(zhuǎn)教學(xué);秉承OBE教育理念,融理論、編程、應(yīng)用于一體,全面開展各種教學(xué)活動,最大化激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)激情,提高教學(xué)效率;通過以練促學(xué)、以證促學(xué)、以賽促學(xué)等方式,使學(xué)生更加明確教學(xué)目標(biāo),獲得學(xué)習(xí)成就感,進一步拓展課程教學(xué)領(lǐng)域,真正實現(xiàn)學(xué)以致用、融會貫通;考核中注重過程與結(jié)果相結(jié)合,評價主體多元化,以激發(fā)學(xué)生競爭意識,調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性;結(jié)合學(xué)生未來職業(yè)規(guī)劃思政育人,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、積極思考。教學(xué)實踐結(jié)果表明,與傳統(tǒng)教學(xué)相比,混合教學(xué)模式取得了明顯效果,深受教師、學(xué)生及同行好評。今后將在現(xiàn)有建設(shè)基礎(chǔ)上對課程資源及教學(xué)案例進一步系統(tǒng)化、豐富化及思政化,對教學(xué)設(shè)計、教學(xué)流程、教學(xué)方法進一步優(yōu)化。同時,為了在應(yīng)用本科院校發(fā)揮更大課程效用、增加課程受眾,計劃將先修課程及后繼課程建設(shè)一同納入規(guī)劃,進行課程群協(xié)同發(fā)展,鞏固數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的核心課程地位,體現(xiàn)對先修課程的有效延伸,以及后繼課程的有效聯(lián)系與支撐。對于本專業(yè)學(xué)生,聯(lián)動建設(shè)課程、競賽及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目,進行課程教學(xué)的課內(nèi)外拓展;對于其他工科專業(yè)學(xué)生,嘗試開設(shè)普適性選修課實用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法,最大化課程受眾,將計算思維的培養(yǎng)普及化。