首页 > 论文范文 > 教育综合论文 > 高等教育论文 > 课程改革论文 > 基于PBL的《数据结构》课程教学模式研究

基于PBL的《数据结构》课程教学模式研究

2021-03-12 81 上传者：管理员

摘要：为了适应“新工科”对人才综合性和创新性的培养需求，在分析了“数据结构”目前现状的基础上，结合基于问题的学习方法（PBL），提出“传统的教学方法为主，PBL教学方法为辅”的混合教学模式，并从学习方式的确定、问题设计、教学过程以及教学评价展开PBL教学法应用方法讨论。

关键词：
PBL
学习方法
教学方法
数据结构
新工科
加入收藏

引言

随着以云计算、物联网、人工智能与大数据为代表的新一代科技革命和产业革命的兴起为工程发展带来了历史性的机遇。为了适应新兴产业发展的需要，培养新型工程人才，引领工程教育建设强国，教育部提出了“新工科”建设要求，推动人才培养理念、培养模式等方面的改革。2017年2月以来，以教育部发布的《教育部高等教育司关于开展“新工科”研究与实践的通知》和《关于推进新工科研究与实践项目的通知》为起点，自此在全国各地高校以深化工程教育改革的研究实践活动蓬勃展开，并已经先后达成“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，对于“新工科”建设具有重要的指导意义[1,2]。2018年10月8日，教育部联合工业和信息化部以及中国工程院发布了《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》，推动了“新工科”建设的深化与扩展，同时也对计算机类专业人才的能力与素质培养提出了更高的要求[3]。作为涵盖人工智能、大数据、互联网+和网络安全等新兴技术并且能够充分体现新工科强调的交叉融合的新工科专业，计算机类专业应该勇于承担责任，紧跟“新工科”建设的步伐，履行工程教育发展赋予的使命，将培养工程实践能力强、融合创新能力强，并具有国际竞争力的新型工程人才作为主要培养目标之一[4]。

在当前“新工科”背景下，计算机类专业课程教学改革探索受到了社会和教育界的高度重视。《数据结构》课程是计算机及其相关专业重要的专业基础课程，是介于数学，计算机硬件和计算机软件三者之间的一门核心课程[5]，在计算机科学中，《数据结构》课程对于诸如微机原理、操作系统，编译原理，软件工程，人工智能等计算机专业的其他后续课程的学习都是十分有裨益的。《数据结构》课程的教学内容主要讨论各种数据结构的逻辑结构、存储结构以及基于相应结构的算法设计和算法性能分析技术。它所包含的知识以及技术方法，对于计算机专业本科生来说，无论对进一步学习计算机领域里的其他知识，还是将来从事理论研究、应用开发及技术管理等工作都起着重要的作用。目前东北大学《数据结构》课程经历多年的发展，在教学内容与教学方式方面进行了一系列的探索和尝试[6,7]，也积累了一定的经验。然而，由于《数据结构》课程知识庞杂、内容抽象，而这门课程授课对象为大学二年级学生，很多同学由于之前并没有工程实践背景难以理解课程内容与工程应用之间的联系。另外在“新工科”背景下授课过程中面向创新性人才培养的特色不够突出，因此如何在“新工科”背景下围绕《数据结构》课程的建设要求，探索新的教学方法、提高教学效果已经成为任课教师亟待解决的问题。

近年来，基于问题的学习方法（Problem-BasedLearning，简称PBL）在国际上受到广泛关注，国内外许多大学采用该教学方法并取得了较好的教学效果。与以教师课堂讲授的传统教学方法不同，基于问题的学习方法将教学内容与专业领域内的问题整合起来，以问题为驱动，强调学生的主动学习，着重培养学生解决问题的能力，创新实践能力和团队协作的能力。在《数据结构》课程教学过程中使用PBL教学法能让学生在提出问题、分析问题、解决问题的过程中深刻理解所学知识，从而有助于培养学生的自主学习、批判思维、自我管理、团队合作和创新实践的能力。

一、PBL教学法

PBL教学法起源于1969年加拿大的麦克马斯特大学医学院，是一种以问题为基础的教学方法[8]。基于问题的学习方法是一种以学生为主体、把问题作为学习起点，以问题为核心规划学习内容，围绕问题寻求解决方案的一种学习方法。在基于问题的教学方法执行过程中，教师从原来的教学活动的引领者转变为教学活动的推动者，不再通过课堂讲授将知识教给学生，而是为学生设计专业领域内开放性的问题，鼓励学生自主研究以及争论，学生在解决问题的过程中，通过“做中学”来获取知识、培养能力。教师的责任是提供学习材料，给予学生适当的指导，营造良好的学习氛围，监控整个学习过程，保证学习过程顺利地进行。与传统教学方法相比，基于问题的学习方法强调学生的主动学习为主，多种学习途径相结合，重视交流与协作、鼓励争论与反思。目前基于问题的学习方法已经从医学领域走向其他学科教育领域，随着相关研究的不断深入与完善，该方法日渐成熟，能够充分满足提高学生的自主学习、批判思维、自我管理、团队合作和创新实践的能力的需求。

二、数据结构课程现状分析

东北大学《数据结构》课程主要授课对象是计算机科学与技术、人工智能、物联网等三个计算机相关专业的大学二年级本科生。课程的教学时长是72学时，其中理论教学56学时，实验教学16学时。课程内容主要包括两大部分：（1）各种基本类型的数据结构及其应用；（2）查找和排序的各种实现方法及其综合分析比较。目前的课程现状具有以下特点：

1.课程内容繁杂，知识点多，逻辑性、抽象性强。首先《数据结构》课程内容包括线性表、栈和队列、串、数组和广义表、树和二叉树、图、查找、排序等，相对于56授课学时，课程内容繁杂，知识点多。其次，《数据结构》是理论知识与实践训练相结合，是从实践抽象到理论，又用理论来指导实践的一门学科。每种基本的数据结构包括数据的逻辑结构、数据的存储结构、数据的运算三部分内容，课程所涉及到的基本数据结构是从抽象数据类型的角度展开讨论，而且数据结构解决实际问题的过程分为两个阶段：从实际问题中和抽象数据类型到具体物理存储实现的过程。由于本校大学二年级秋季学期之前学生尚未接触计算机物理存储结构等相关知识，并且课程内容对学生的问题抽象能力和逻辑分析能力都有一定的要求，因此学生对于《数据结构》课程的理解和学习存在一定难度。

2.课程以教师课堂讲授为主，授课内容重视理论教学，对于应用思维与应用能力的培养重视不够。《数据结构》课程主要评价方式以笔试为主，主要考察学生对数据结构基本概念、方法，以及算法的考察。很多学生缺少主动进行编程实践的机会，不利于学生创新能力的提高。同时，课程对于如何与实际问题相结合，处理实际问题的能力重视不够。尽管课程包括16学时实验，但是实验题目的设计往往是对于基本数据结构实现以及简单应用的训练和考察。实验题目缺乏应用创新性。同时，教学实践中发现，有的学生即便课程取得较好的成绩，仍然感到本课程抽象不易理解，更不知如何在实际问题中如何进行应用。这样，在“新工科”的发展背景下，课程体系建设因为缺乏对学生综合问题解决能力的培养，导致学生往往仅重视理论内容而忽略应用思维和能力的提高。

三、基于PBL模式的《数据结构》课程教学

针对计算机类专业《数据结构》课程现状，有必要以“新工科”理念为指引进行相应的改革和实践，充分调动学生学习的主观能动性，提高《数据结构》课程的教学质量，提升学生的工程实践能力、创新能力和综合素质。为达到上述目标，我们将基于PBL教学方法应用于《数据结构》教学活动中。我们选取2018级计算机科学技术专业直博班为研究对象。直博班学生数量较少，属于小班授课，而且直博班的学生是通过选拔产生，大多具备基本的计算机编程技能，有较好的学习主动性以及一定的团队合作意识。在实践基于PBL模式的《数据结构》课程教学活动中，我们主要解决了以下四个关键任务：学习方式的确定、问题设计、教学过程组织以及完善教学评价。

（一）学习方式的确定

学习方式就是要明确传统课堂讲授教学方式和问题导向教学方式的结合方式。根据萨文巴登的界定，将基于问题学习方法分为两种模式：完全PBL模式和混合PBL模式[10]。所谓完全PBL模式是一种纯粹的基于问题进行学习的模式，整个的学习过程中没有教师的课堂教授知识，学生完全依靠自学并在解决问题的过程中掌握知识。而混合PBL模式则是教师讲授学习和问题导向学习相结合的学习方式。传统教学方法和PBL方法各自具有其特点和优势，二者不应该是非此即彼的关系，而且由于数据结构课程具有知识点多且内容繁杂的特点，而学生学习能力差异是存在的，完全舍弃传统的课堂讲授也现实，因此在实践中，将传统课程教学方法和PBL教学法进行集成，确定了以“传统的教学方式为主，PBL教学方法为辅”的这一相互促进，辩证统一混合教学模式。通过教师对知识点的系统梳理与讲授，让学生了解基本的理论知识和主要的学术观点，然后在此过程中结合基于问题的教学法，提出一些开放性的问题，通过适当的指导并且营造良好的学习氛围。学生通过组成学习小组，充分发挥自主学习并且利用组间讨论，根据自身的知识体系来进行分析问题和解决问题，学生在这个过程中来获取知识以及培养能力。

图1全文搜索引擎问题与数据结构章节知识点关联关系图

（二）问题设计

问题设计是《数据结构》应用PBL，问题设计是PBL成功的关键因素。设计问题时不仅要考虑问题是否涵盖课程的教学内容和教学要求，还要考虑问题是否具有开放性、现实性，以及一定的复杂性与挑战性。为此我们根据多年的教学经验结合目前计算机领域发展前沿，对教学内容进行深入系统的研究和分析，设计合理的问题情境。当讲授到线性表的时候，作为第一个引入抽象数据类型的数据结构，为了便于学生深刻理解，可以结合学校的实际情况，组织学生设计信息管理系统，实现信息存储，查询、插入、删除等功能。可以选择图书管理、学生成绩管理、选课管理等学生容易理解的问题情境。当进行到课程的中后阶段，学生对各种数据结构有了一定的了解，此时引入简易全文搜索引擎实现问题。一方面该问题为综合设计性问题，需要利用数据结构中多个基本结构以及算法，通过该问题的解决可以建立知识点间的基本网络结构，对于基本概念将有进一步深入理解。另一方面，搜索引擎技术是目前的一种重要Web应用，通过对该问题的解决也将让学生了解数据结构的应用方向，提高学生的学习主动性与求知欲。图1展示了简易中文搜索引擎与数据结构相关章节及所属知识点的脉络关系。

（三）教学过程组织

根据PBL教学模式的指导思想，在任课教师的引导下，围绕《数据结构》课程中的核心内容和问题，按照“提出问题→分析问题→解决方案设计→评价与反馈”的迭代过程。具体实施的过程如下：将学生按照自愿的原则进行分组。首先由教师引入问题，介绍项目的情境与需求。学生提出自己的初步解决方案，接着教师讲述相关的知识点。之后，学生根据课堂领悟情况，进行问题分析，给出问题的初步解决思路。课堂讲授结束后，有一至数天的间歇，各小组在此期间可以通过教材、参考书、互联网等学习手段进行解决方案设计。之后再次组织各小组对其解决方案进行讨论和评价。教师对各小组提出的共性问题进行总结，提出新的问题并引出新的知识点，接入第二次迭代过程。根据项目的不同每个项目迭代周期也有长有短。一般来说，平均每个项目周期为3周。图2展示了混合教学模式的实施路线。

（四）完善教学评价

由于引入PBL教学方法，原有的教学评价方法也将相应的进行改变。原来《数据结构》考试的评价方式是“平时+实验+期末考试”的评价方法，这种评价方法是静态的，体现的学生成绩评定的功能，而缺乏评价的问题发现和改进功能。而引入PBL混合教学模式后，评价方式改为“项目评价+期末考试”。其中项目评价包括每个项目进行的不同阶段进行评价，评价的方式包括学生自评、学生互评以及教师的总结和点评。根据各小组的完成情况和个人在项目中的表现进行打分。伴随PBL项目展开评价活动是一个动态的评价过程，可以将整个课程的教学过程看成是一个包含若干部分的整体过程。每一部分之间是相互联系的，每个阶段的项目评价作为一个过渡性的评价，可以用来及时发现学习过程中出现的问题，改进教学，又为下一个部分的学习奠定基础。另外为了提高课程整体的整合和学生评估的公平透明，评价中可以使用一些工具和交流评估指标。例如，可以使用项目执行时间、所占存储空间等项目评价指标以及Github中报告的质量缺陷以及GithubWiki[11]中的日常会议报告等工具提供的功能。

图2混合教学模式实施路线图

四、结束语

随着以网络化、信息化和智能化的深度融合为核心第四次工业革命的到来，传统课堂讲授方式已经不适应当今《数据结构》课程的教学目标和方法。如何培养出适应“新工科”要求的具有综合素质以及创新能力的人才，对高等学校任课教师提出了新的挑战。我们将PBL教学模式引入《数据结构》课程的教学实践中来，充分调动了学生的学习的积极性和主动性，引导学生发挥创新性思维，把握理论知识和实际工程应用问题的共性，培养学生利用所学知识分析和解决实际工程问题的能力。通过教学实践证明，学生能够积极的投身整个教学过程，课堂师生互动更加活跃，学生对这门课的反映也好于以往。目前基于PBL的《数据结构》课程教学改革尚处于探索阶段，从学习方式、问题设计、过程组织以及问题评价等各方面，还需要进一步经验的积累，充分发挥PBL教学法的高效，取得更好的教学效果。

参考文献：

[1]教育部高等教育司.教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知(教高司函[2017]6号)[EB/OL].2017-02-20.

[2]吴爱华,侯永峰,杨秋波,等.加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究,2017(1):1-9.

[3]教育部,工业和信息化部,中国工程院.关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见(教高(2018)3号)[EB/OL].2018-10-08.

[4]龙奋杰,邵芳.新工科人才的新能力及其培养实践[J].高等工程教育研究,2018(5):35-40.

[5]严蔚敏,吴伟民.数据结构[M].清华大学出版社,2011.

[6]孟凡荣,张斌,杨雷.数据结构实践课程的研究性学习及创新实践能力的教改探索[J].教育教学论坛,2014(49):135-137.

[7]孟凡荣,张斌,杨雷.计算思维在数据结构中的实践探索[J].教育教学论坛,2015(10):117-120.

[8]张建伟.基于问题式学习[J].教育研究与实验,2000(03):55-60.

[9]徐亦单.PBL与CBS相结合的《数据结构》课程教学模式研究[J].计算机产品与流通,2019(05):176-176.

杨雷,马安香,张晓红,王彤.新工科建设的背景下基于PBL的《数据结构》课程教学模式研究[J].高教学刊,2021(08):105-108.

基金:东北大学PBL教学法研究与应用项目“基于PBL的《数据结构》课程教学模式研究”(编号:NEUJX04222)