［摘 要］ 計算思維能力是軟件工程專業(yè)學生的核心能力?；旌鲜浇虒W以其線上線下協(xié)同運作、資源先進、優(yōu)勢互補的特點，受到高校教師的關注。以“數(shù)據(jù)結構與算法”混合式教學改革為切入點，從線上MOOC資源、PTA上機實訓和自主學習平臺的構建、“任務/項目”為支架的授課形式、授課內(nèi)容和作業(yè)設計、教師團隊優(yōu)化和教學評價設計等方面，搭建計算思維能力培養(yǎng)框架，以提升學生的知識水平、問題解決能力和算法思維能力，激發(fā)學生的好奇心和求知欲，提升計算思維水平。

［關鍵詞］ 混合式教學；數(shù)據(jù)結構與算法；計算思維；MOOC；創(chuàng)新能力

［基金項目］ 2020年度燕山大學線上線下混合式課堂教學研究與改革項目“任務驅動式算法思維實踐能力混合培養(yǎng)模式研究”（2020HHJG15）；2021年度河北省教學改革項目“基于BOPPPS模式的有效課堂教學探索與實踐”（2021GJJG080）；河北省創(chuàng)新能力提升計劃項目（22567637H）

［作者簡介］ 尤殿龍（1981—），男（蒙古族），內(nèi)蒙古赤峰人，碩士，燕山大學信息科學與工程學院教授，主要從事混合式教學、創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式研究；竇 燕（1968—），女，陜西西安人，碩士，燕山大學信息科學與工程學院教授，主要從事機器視覺及模式識別、混合式教學研究；余 揚（1983—），女，安徽休寧人，碩士，燕山大學信息科學與工程學院實驗師，主要從事數(shù)字媒體資源開發(fā)研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）22-0141-04 ［收稿日期］ 2022-06-06

一、問題的提出

“數(shù)據(jù)結構與算法”作為軟件工程專業(yè)基礎課，是培養(yǎng)學生算法思維能力的核心課程。重點講述線性結構，樹、圖的邏輯結構，存儲結構及其基本算法，如貪婪算法、分而治之算法、動態(tài)規(guī)劃算法和回溯法等，知識內(nèi)容比較抽象，學習難度大［1］。課程的理論教學、實驗學習和項目訓練，要求學生具備從實際問題中抽象數(shù)據(jù)、優(yōu)化算法和分析性能的能力；運用計算思維將復雜問題表達為“線”“樹”和“圖”的邏輯結構。要求通過課程的學習，學生掌握數(shù)據(jù)結構中的基本概念和結構，合理設計算法，形成有效的計算思維，為軟件開發(fā)打下堅實的基礎［2］。所謂計算思維（Computational Thinking，CT），是在理解問題并制訂解決方案時所涉及的思維，旨在使解決方案能夠以信息處理的方式來表征與實現(xiàn)［3］。然而，在長期的“數(shù)據(jù)結構與算法”教學實踐中，存在如下問題。

（一）知識點缺乏深度和銜接性、過于表面化，難以拓展學生思維，調動探究欲望

知識點呈現(xiàn)比較陳舊、組織方式單一，與實際問題脫節(jié)且存在較大的差異，無法促進學生計算思維能力提升和適用發(fā)展需求，并且缺乏巧妙的、有吸引力的、有挑戰(zhàn)性的知識案例。學生從案例中無法找到關注點和挑戰(zhàn)點，認為所學知識枯燥且無用，失去學習的動力。學生只是例行公事性地完成作業(yè)，而不是經(jīng)過巧妙構思，創(chuàng)作出能體現(xiàn)想象力和創(chuàng)造力的“作品”或“產(chǎn)品”。

（二）實驗過于程式化，缺乏高水平的實訓資源

編程實訓題目主要源于教材或網(wǎng)絡上的陳題。針對某特定知識點，學生已經(jīng)不止在一門課上見過“求最大值最小值、斐波那契數(shù)列、水仙花數(shù)、乘法口訣表”等低水平、枯燥且乏味的實驗題目。實驗內(nèi)容陳舊、單一，驗證性、描述性實驗多，高水平、綜合性實驗少。這導致學生抄襲和應付現(xiàn)象嚴重，實驗效果不好，起不到對學生計算思維能力的培養(yǎng)。在實驗教學指導方法上，通常是由教師準備好實驗環(huán)境，編寫好詳細的實驗指導書，制定好實驗要求，學生只須按照步驟完成即可。學生在實驗執(zhí)行過程中存在對教師提供的實例“依葫蘆畫瓢”的現(xiàn)象，缺少算法抽象思維能力的培養(yǎng)，無法解決高水平的實際問題。

（三）評價過程重甄別、輕激勵，重結果、輕過程，重權威、輕創(chuàng)意

在教學過程中，教師主要關注理論知識的考查，客觀題比重大，綜合思考題和分析題比重小，評價體系單一。部分學生存在“老師教什么就學什么，老師寫什么就記什么，多一點兒都不學”的陋習，不是關注知識本身，不是因為“愛它，才學它”，而是只關注成績，為了分數(shù)而學習。片面追求評價的標準化，必然會忽視學生解決問題的創(chuàng)造性和計算思維的訓練。同時，題目本身缺乏開放性，屬于淺層的計算思維能力考查，學生往往體會不到算法背后的邏輯、靈感和精髓。

針對以上問題，課題組提出混合式教學下的學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式，教學實現(xiàn)線上線下優(yōu)勢互補，體現(xiàn)以學生為中心，培養(yǎng)學生的算法思維和創(chuàng)新能力［4］。在保持教師課堂教學親身參與、積極互動，充分發(fā)揮教師引導作用、人格影響和經(jīng)驗滲透的基礎上，引入線上高水平的授課資源、豐富的實訓項目和自動化的測評系統(tǒng)，以提升學習深度和效率。

二、實施框架

課程改革從教學環(huán)境和資源、教學內(nèi)容組織、教師角色定位和教學評價等環(huán)節(jié)展開。該混合式教學下學生計算思維能力的培養(yǎng)，從建設內(nèi)容看，主要完成如下目標：（1）優(yōu)選以浙江大學“數(shù)據(jù)結構”（國家精品課）MOOC平臺在線資源，并搭建以PTA程序設計實驗輔助平臺為基礎的自主學習和上機實訓支撐環(huán)境。（2）制作以“任務/項目”為支架的課堂授課課件，精選ACM/ICPC和天梯賽等算法訓練題目，作為項目作業(yè)和驅動任務。（3）建設適應自主學習模式的分工明確、優(yōu)勢互補的教學團隊，并制定可以促進算法思維實踐能力培養(yǎng)的教學評價策略。

混合式教學改革體現(xiàn)了線上線下的協(xié)同運作、知識內(nèi)容重構、教師角色調整和教學評價方法改變等方面［5］。其總體思路是在引進浙江大學的國家級精品課“數(shù)據(jù)結構”MOOC平臺作為線上學習資源的基礎上，將與MOOC平臺配套的PTA程序設計實驗輔助平臺作為上機實訓和自主學習的支撐環(huán)境。構建以“任務/項目”為支架的課堂授課形式，以連貫、有趣的專題吸引學生，提升教學效果以及學生參與度、積極性和作業(yè)水平。其實施框架如圖1所示。

（一）線上資源和實訓平臺建設

搭建以浙江大學“數(shù)據(jù)結構”（國家精品課）中國大學MOOC平臺為在線視頻學習資源，以與MOOC平臺配套的PTA程序設計實驗輔助平臺為上機實訓和自主學習的支撐環(huán)境；MOOC中包括八部分內(nèi)容，分別是：基本概念（什么是數(shù)據(jù)結構、什么是算法、最大子列和問題）、箱子排序和基數(shù)排序、隊列、散列、霍夫曼樹和霍夫曼編碼、平衡二叉樹（AVL）、圖的應用（拯救007、六度空間、如何建立圖）、分治算法思想（快速排序、希爾排序、歸并排序）。各個部分包含視頻學習及題目討論等，由學生自主完成，配以教師或助教輔導和答疑。

搭建基于PTA程序設計實驗輔助平臺的上機實驗、單元測試和自主實訓平臺。該平臺提供了上機實驗、單元測驗和自主練習的資源與環(huán)境，實現(xiàn)了自動評分和算法的輔助調試。平臺對算法的時間性能和空間性能都有要求。通過PTA的測評方式，在測評系統(tǒng)中使用預先設置的多組數(shù)據(jù)對學生提交的程序進行測試，這樣可以避免誤判的發(fā)生，防止學生自行測試，也可以降低教師的工作強度。要求每名學生能在規(guī)定時間內(nèi)以獨立解題方式，利用已學知識設計算法、編寫程序、調試運行、分析運行結果，根據(jù)提交成功的題目數(shù)量和代碼的性能來評定成績。將評價融入算法編程實踐、算法分析中。

（二）授課形式、授課內(nèi)容和作業(yè)項目建設

構建以“任務/項目”為支架的課堂授課形式，以連貫、有趣的專題吸引學生，此形式教學效果良好，學生參與度、積極性及作業(yè)水平顯著提高；設計能滿足不同基礎學生學習需求的授課內(nèi)容和作業(yè)項目，培養(yǎng)學生的問題解決和算法思維能力；同時，為加強學習深度，提高知識外化能力。課題組從ACM/ICPC的題庫中抽取相關題目，并將題目細化為“任務”，布置給學生，展開小組合作和討論。讓學生帶著“問題”展開相關知識點的學習，并有序地對問題開展構思、設計、實現(xiàn)和運行。學生根據(jù)問題的難度和規(guī)模確定是獨立完成還是小組完成，開展系統(tǒng)分析、設計和實現(xiàn)。同時，選取部分知識點開展課堂翻轉式教學，小組之間相互展示成果，開展師生交流，優(yōu)秀的小組匯報成果、分享經(jīng)驗，以此獲取對知識的深層理解。

（三）教師角色和教學評價設計

建設適應自主學習模式的，能作為學生知識建構的幫助者、促進者、引導者的高素質和經(jīng)驗豐富的教學團隊，以優(yōu)秀的教師服務學生。制定既能激發(fā)學生的好奇心和求知欲、激勵學生學習、提升算法思維水平，又能客觀評價學生學習水平的教學評價方式。改變傳統(tǒng)教學中教師依據(jù)標準答案和自己對問題的理解來評判學生程序，給出分數(shù)的方式。算法方法千差萬別，教師不可能掌握所有的風格和方法，所以有可能造成誤判；改變傳統(tǒng)學習評價程式化、統(tǒng)一化的狀態(tài)，將評價融入問題構思、問題設計和解決效果中，讓評價診斷學生、激勵學生和指導學生；制定尊重個性化、層次性和差異性的考核標準，考評方法堅持多樣性；根據(jù)課程特點，提供自我測評、定性測評、長期測評、過程性評價、質性評價等多元評價體系，使考核結果能夠承認學生的算法思維和創(chuàng)新能力。

三、下一步措施

如何著眼教學實施現(xiàn)狀，聚焦困境和挑戰(zhàn)，結合教學實踐，從革新教學形式、創(chuàng)設教學情境、反思教學評價、完善教學保障等方面優(yōu)化教學是混合式教學改革的重點［6］。課題組下一步工作包括如下方面：（1）以浙江“數(shù)據(jù)結構”（國家精品課）中國大學MOOC平臺和PTA程序設計實驗輔助平臺為基礎，進一步優(yōu)化以“任務/項目”為支架的課堂授課形式，以連貫、有趣的內(nèi)容吸引學生，提升學生的算法思維能力。（2）進一步豐富能滿足不同基礎學生學習需求的授課內(nèi)容和作業(yè)項目，培養(yǎng)學生的問題解決和算法思維能力。（3）根據(jù)線上教學反饋，發(fā)現(xiàn)問題并調整和優(yōu)化線上教學，建設適應自主學習模式的，能作為學生知識建構的幫助者、促進者、引導者的高素質和經(jīng)驗豐富的教學團隊。（4）完善既能激發(fā)學生的好奇心和求知欲、激勵學生學習、提升算法思維水平，又能客觀評價學生學習水平的教學評價方式。

結語

MOOC、PTA等在線平臺的出現(xiàn)，在改變學生學習方式的同時，也給教師的教學方式帶來了新的挑戰(zhàn)［7］?！皵?shù)據(jù)結構與算法”混合式教學改革意在通過線上線下混合教學模式培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)結構與算法思維能力。通過基于混合式教學以提升計算思維能力為目標的“數(shù)據(jù)結構與算法”課程建設，取得了如下成果：（1）搭建了以浙江大學“數(shù)據(jù)結構”（國家精品課）中國大學MOOC平臺為在線視頻學習資源，以與MOOC平臺配套的PTA程序設計實驗輔助平臺為上機實訓和自主學習的支撐環(huán)境。（2）構建了以“任務/項目”為支架的BOPPPS課堂授課形式，實現(xiàn)了教學的良性互動，學生作業(yè)水平顯著提高。（3）設計了能滿足不同基礎學生學習需求的授課內(nèi)容和作業(yè)項目，以培養(yǎng)學生的問題解決和算法思維能力。（4）建設了適應自主學習模式的，能作為學生知識建構的幫助者、促進者、引導者的高素質和經(jīng)驗豐富的教學團隊。（5）制定了既能激發(fā)學生的好奇心和求知欲、激勵學生學習、提升算法思維水平，又能客觀評價學生學習水平的教學評價方式。

參考文獻

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［2］王佑鎂，南希烜，李寧宇，等.編程韌性：數(shù)字時代計算思維培養(yǎng)的新議題［J］.現(xiàn)代教育技術，2023，33（2）：14-23.

［3］李芒，楊宇軒.人非機器：對計算思維本質的認識［J］.開放教育研究，2023，29（4）：55-60.

［4］馮曉英，吳怡君，龐曉陽，等.混合式教學改革：教師準備好了嗎：教師混合式教學改革發(fā)展框架及準備度研究［J］.中國電化教育，2021（1）：110-117.

［5］譚偉，顧小清.面向開放教育的混合式教學模式及效果評估指標研究［J］.中國電化教育，2019（2）：126-130.

［6］金石，王璐露，宛敏.線上線下混合式教學的反思與策略優(yōu)化［J］.中國大學教學，2022（11）：72-77.

［7］蘇小紅，王甜甜，張羽，等.基于大班翻轉課堂的混合教學模式探索與實踐［J］.中國大學教學，2017（7）：54-62.