基于研究性教学的数据结构课程教学实践

赵晨阳 张苗 廖天力

摘 要 将研究性教学理念引入教学实践是培养学生研究性能力和创新观念的一种有效途径。针对目前数据结构课程教学在研究性教学方面的不足，探索研究性教学在该课程教学中的应用。文章将科学问题和课程知识单元结合，实现教学内容重构，将研究性教学理念和线上线下混合式教学模式融合，提出研究性教学视域下的混合式教学模式，将知识考核和研究性能力考核相结合，设计体现研究性教学的教学效果评价体系。实践表明，该课程教学实践不仅提升了教学效果，而且增强了学生的研究性学习能力。

关键词 研究性教学；混合教学模式；数据结构；教学实践

中图分类号：G642                           文獻标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.8.020

Teaching Practice on Data Structure Based on Research-oriented Teaching

ZHAO Chenyang，ZHANG Miao，LIAO Tianli

（College of Information Science and Engineering， Henan University of Technology， Zhengzhou，Henan 450001）

Abstract Introducing the concept of research-oriented teaching into teaching practice is an effective way to cultivate students' research abilities and innovative concepts. To address the shortcomings of research-oriented teaching in data structure， the application of research-oriented teaching in this course is explored. The article achieves the reconstruction of teaching content by combining scientific issues with knowledge units， proposes a mixed online and offline teaching model from the perspective of research-oriented teaching，designs a teaching effectiveness evaluation system by integrating knowledge evaluation with research abilities evaluation. The teaching practice of this course proves that it not only improves teaching effectiveness but also enhances students' research abilities.

Keyword research-oriented teaching; mixed teaching mode; data structure; teaching practice

数据结构课程研究数据的组织形式，是大数据、人工智能、云计算等新兴技术领域的重要技术支撑。课程教学不是仅仅让学生学到知识，而是使学生在学习中体会使用数据结构解决问题的奥秘，提高科学研究兴趣，锻炼科学研究能力，以达到研究性人才的培养目标。为此，近年来，研究性教学[1]在国内外高校得到广泛关注。研究性教学既是育人理念，也是育人方式，它不仅能够实现教师从授业到引导的转变，也能够实现学生从被动学习到自主研究的转向。然而，目前该课程普遍采用的线上线下混合式教学模式不能充分体现研究性教学，学生的研究性能力还有待加强。为了解决这些问题，仍需要深度挖掘研究性教学的理念，以学生为中心，持续改进教学过程，在线上线下混合式教学中充分融入研究性教学元素，进一步增强学生的解决问题能力、科学研究能力和创新能力。因此，本文结合数据结构课程，研究先进研究性教学理念，分别从研究性教学内容重构、研究性教学视域下混合式教学模式和研究性教学效果评价体系三个方面进行课程实践，实现提升学生研究能力的育人效果。

1 研究性教学的现状

在计算机类课程教学中，如何将研究性教学理念有机地融合到课程教学实施过程中，提升学生专业素质和研究能力，是目前课程改革重点关注的问题。闫蓓等[2]在课程实践中采用启发式、探究式等研究性教学方法进行实践；谭德坤等[3]探讨以科研案例为对象的研究性教学实施过程；尹嫱等[4] 重构教学方式和教学内容，探索基于案例库的研究性教学课程改革。以上研究未将研究性教学和混合式教学充分融合，因此本文系统性地研究将研究性教学无缝融入整个混合式教学过程的方法，并增强了研究性教学和课程教学的融合度。

目前，在数据结构课程教学中采用的线上线下混合式教学模式主要存在以下问题：①教学内容未充分体现研究性学习。课程主要介绍线性表、树、图等数据结构的逻辑结构、存储实现以及相应算法，但是教学内容很少体现科学问题和研究性方法。②混合式教学模式未充分融入研究性教学。目前的混合式教学仅仅依靠案例驱动，鼓励学生自主解决任务，但缺乏培养学生研究学习和科学思维的系统性训练。③课程考核未充分衡量研究性教学效果。现有考核体系缺乏研究性教学元素，无法兼顾学生的知识考核和研究能力考核。因此，本文探索将研究性教学无缝地融入教学实施过程的方法，为研究性教学建设提供一些参考。

2 实施研究性教学的课程教学实践

2.1 以科学问题为切入点，重构课程知识单元

本文根据研究性教学理念，以科学问题为切入点，将研究性教学与课程知识单元有机融合，着重加强教学内容与科学研究的结合，以实现课程知识单元的重构。因此，课程教学内容不仅包括课程知识单元，还涵盖了计算机学科领域的最新科学问题、先进科研成果以及优秀教研成果。

首先构造课程知识单元，重新梳理其内涵，找出蕴含的相关子知识点。其次，将课程知识单元与计算机学科领域的科学问题相匹配，找出相关的科学问题。再次，以科学问题为切入点，将知识单元学习与科学问题相融合，重构课程知识点，增加先进科研成果以及优秀教研成果，延伸知识内容，即通过解决科学问题，为课程知识单元增加研究意义、研究目的、研究方法、科学思维以及解决问题流程等一系列研究性教学内容。通过科学问题的解决，激发学生的科研兴趣，培养学生的问题意识，使学生领会科学问题研究的流程，体会问题解决的方法和途径。最后，为知识单元增加课下拓展学习内容，使学生了解到科学研究永无止境，一个科学问题可能会引出另外一些新的科学问题，促使学生对新问题进行探索学习和创新思考，从而强化课程知识单元与科学研究的有机融合。

本文结合哈夫曼树知识单元具体阐述研究性教学内容的重构过程。该知识单元包括二叉树、哈夫曼树、哈夫曼编码、哈夫曼解码和信息熵。通过对知识单元的梳理，将文本压缩科学问题与之有机融合，重构该知识单元。重构后的知识单元包括两条路线，即知识点路线和科学研究路线。其中，知识点路线按照学习次序依次是“二叉树—哈夫曼树—哈夫曼编码—哈夫曼解码—信息熵”，与之对应的科学研究路线为“字符编码—字符最优编码—压缩技术—解压技术—有损/无损压缩技术”。两者之间的具体融合过程为：首先，由二叉树分支标注学习，得出可以通过二叉树分支标注解决字符编码问题，但该编码可能不是最短编码，为节省存储空间，需要改进编码策略，从而引入哈夫曼树。通过对哈夫曼树的学习，引入字符的最优编码。接着，学习哈夫曼编码原理，实现文本的编码和最大限度的压缩。然后，逆向思维学习，介绍哈夫曼解码，引出解压技术，还原文本文件。最后，拓展知识单元，引出信息熵概念，使学生课下了解有损/无损压缩技术。综上，通过两条路线的对应交叉学习，实现体现研究性教学的课程知识单元的重构。

2.2 研究性教学视域下的混合式教学模式

张伟刚等[5]提出了基于引入问题（Problem）、寻找方法（Method）、科学分析（Analysis）、有效解決（Solution）和效果评价（Evaluation）五个环节的P-MASE模型。该模型与研究性教学的理念相一致，描述了研究性教学的过程。本文将其融入传统的混合式教学模式，为其注入研究性学习的理念，使研究性教学贯穿整个线上线下教学环节。

根据混合式教学模式不同阶段的学习特点，结合P-MASE模型，本课程选择工程案例启发式、小组合作式、主题讨论式、科研融入式、拓展探索式等研究性教学方法，将科学研究方法和研究规程充分体现在教学过程中。①工程案例启发式：选择工程案例引入知识单元，引导学生发现问题，带着任务自主探索，主动分析和解决问题。②小组合作式：以小组为单位，由组长带领，对共同任务进行分工、调研、探索，协同完成任务。③主题讨论式：通过激烈的辩论和教师的引导，学生走到探究学习的轨道上。④科研融入式：将科学研究过程与教学过程融合，让学生了解科研的过程，培养学生的科学精神和创新意识。⑤拓展探索式：通过布置拓展作业，要求学生自主探索，提出解决问题的方案，实现知识升华和迁移的目标，培养学生的自主学习能力和探索精神。通过以上研究性教学方法的实施，保障研究性教学目标的达成。

本文结合最小生成树知识单元具体阐述研究性教学视域下线上线下混合式教学模式的实施。课前阶段，教师发布带有研究性的课前任务，即图的生成树问题。学生通过自主学习，探索生成树内涵以及如何由图生成一棵树，并完成任务自测。通过学生的自测任务的反馈结果，教师分析结果并优化教学设计。课中阶段，教师通过管道铺设工程案例，引导学生利用最小生成树思想进行解决。期间进行小组合作式学习，在教师的引导下，学生通过组间辩论以及小组成员的合作，研究使用最小生成树算法解决该工程任务。同时，教师采用科研融入式方法，引入数据聚类问题和北斗通信线路设计等科学问题，使之贯穿到讨论中，使学生领悟科学问题解决的流程和方法，体会科学的意义，激发学生的创新思维。课后阶段，教师布置一个矿井通风管道设计的研究式作业，要求以小组合作的形式进行探索，促使学生将所学知识进行迁移和升华，转化为自身的科学思维素养。整个教学实施过程中，教师需要掌握整个学习过程，及时发现问题，积极引导学生，帮助学生分析和解决问题，并在教学过程完成后不断优化教学设计，持续改进。

2.3 体现研究性教学的教学效果评价体系

本文设计了体现研究性教学效果的评价体系，该体系不仅能够衡量学生对课程知识的理解，而且还能够衡量学生的研究能力和创新能力。

该课程教学效果评价体系采用多元化的考核方式，主要由过程性考核和期末考核两部分组成。其中，期末考核采用闭卷形式，重点突出分析题的设计，其目的是考查学生利用综合知识创造性解决问题的能力。过程性考核包括平时成绩考核和实验成绩考核。平时成绩由线上和线下两部分组成。线上主要包括课前学习视频完成度和课前任务自测完成情况，两者都由网络学习平台记录；线下主要包括课堂表现、主题讨论、合作式学习、课堂/阶段测试和创新拓展作业组成，课堂/阶段测试由网络学习平台记录，其他由课堂记录表记录。实验成绩考核根据实验报告质量和实验中学生过程表现综合评分。最终成绩由平时成绩考核（线上线下混合）、实验成绩考核和期末考试考核组成，占比分别是30%、20%和50%。同时，鼓励学生参加科研项目、发表论文、撰写专利、参加比赛，这些也是研究性教学效果评价的重要组成部分，并记录到过程性考核中。

3 课程教学实践效果

以河南工业大学信息科学与工程学院计算机科学与技术专业数据结构课程2020级和2021级的学生的学习情况为对象进行比较。其中，研究性教学从2021级学生开始实施，而2020级学生仍采用传统的线上线下混合式教学模式。本文通过目标达成度和调查问卷两个方面进行教学效果比较。

一方面，在基于产出导向的工程认证教学理念下，从目标达成度方面进行比较。2021级学生的优良成绩人数占总人数的72.18%，相比2020级学生提升了5.36%。对于2021级学生，该课程的四个课程目标达成度相比2020级学生，分别提升了5.1%、6.3%、5.8%和6.6%。这些数据充分证明，融入研究性教学的线上线下混合式教学模式能够实现教学效果的提升。

另一方面，通過调查问卷对2021级学生进行调研，内容涵盖课程满意度、学习兴趣、科研案例引入、问题解决能力、创新思维和团队合作六个方面，要求学生根据自身感受和学习过程进行自我评价。发放和收回调查问卷224份，通过统计和分析得出：95.2%的学生对课程教学表示十分满意和比较满意；91.5%的学生认为课程帮助他们提高了学习兴趣，其中对学习充满渴望的学生占比为25.3%；认为科研案例对学习非常有利和比较有利的学生占比达到90.2%；91.6%的学生认为通过教学过程基本了解问题解决的方法和流程；90.7%学生认为启发式和讨论式的教学方法激发了他们的创新灵感；91.3%的学生认为团队协作有益于解决问题。这些调查结果从另一角度证明了该课程教学改革效果显著，并得到了学生的广泛认可。

4 结语

数据结构课程教学内容通常蕴含着丰富的研究性元素，需要结合教学目标，将知识单元的学习过程与研究性学习过程无缝地融合在一起。本文从研究性教学内容重构、研究性教学视域下混合式教学模式和研究性教学效果评价体系三个方面进行课程教学实践，并获得良好成效，但该课程教学实践只是研究性教学实践的一隅，仍然需要紧跟最新科学研究和研究性教学成果进一步深入研究，最终把研究性教学的育人目标落实到实际教学中去。

*通讯作者：赵晨阳

基金项目：2023年河南工业大学教育教学改革研究与实践项目“研究性教学视域下混合式教学模式的研究与实践——《数据结构》课程为例”（JXYJ2023012）；2024年河南省研究生课程思政示范课程项目“计算机图形学”（YJS2024SZ11）。

参考文献

[1] 牛哲荟，宋艳苹，周恒涛，等.基于研究性教学培养高校人才创新能力的研究与实践[J].科技风，2023（25）：47-49.

[2] 闫蓓，高占宝，杨波.传感器与检测技术研究性教学方法研究[J].高教学刊，2022，8（33）：13-17.

[3] 谭德坤，赵嘉，韩龙哲，等.科研案例驱动的人工智能导论课程研究性教学模式[J].计算机教育，2023（12）：356-360.

[4] 尹嫱，胡伟，李瑞瑞，等.以实践案例为引导的数字图像处理研究性教学课程改革[J].高教学刊，2023，9（36）：33-36.

[5] 张伟刚，严铁毅，张严昕.基于P-MASE模型的研究性教学与素质教育[C]//河南洛阳：素质教育：让未来更美好——大学素质教育研究分会2020年年会暨第九届大学素质教育高层论坛，2020.