新工科背景下SPOC混合教学模式_孙晓飞.pdf

为培养未来科技创新领军人才，探索符合新工科内涵特征的教学模式是十分必要的。本文提出了数据结构课程的新型 SPOC 混合教学模式，并提出了具体的改革措施。实践结果表明，采用该方案的教学模式，能够实现教学过程的去中心化，提高学生独立思辨、想象力和关联力，更好地实现教学目标。关键词 数据结构；混合式教学模式；新工科 中图法分类号 G642 DOI:10.16707/ki.fjpc.2023.07.025 The Reform of SPOC Mixed Teaching Mode under the Background of New Engineering SUN Xiaofei,PAN Wenwen,YANG Bin,HUANG Jie,WANG Zhenzhen,WU Lei,WANG Lei(College of Information Science and Engineering,Zaozhuang University,Zaozhuang,China,277160)Abstract In order to cultivate future technological innovation leaders and explore teaching models that conform to the connotation characteristics of new engineering disciplines,this article proposes a new SPOC hybrid teaching model for data structure courses and proposes specific reform measures.The practical results show that adopting this teaching model can achieve decentralization of the teaching process,improve students independent thinking,imagination,and relevance,and better achieve teaching objectives.Keywords Data Structure;Mixed Teaching Mode;New Engineering 1 引言 数据结构课程作为计算机专业核心课程，理论内容丰富、逻辑理解要求高、重点难点多，对教学过程和教学目标达成提出了很高的要求。传统的面对面教学模式重视理论传授，应用实践少，教学手段、工具和资源也不够丰富。因此，新工科建设针对当前教学中的不足提出了更高的要求1。慕课教学是近年来兴起的新式教学方法，它利用计算机技术和网络平台，结合新的视频内容分享手段，创造更多的学生自学机会。但相对于面对面教学，这种依赖网络平台的教学方法对学生自制力要求更高，对学生的约束力相对欠缺，师生互动也不足，不利于了解学生差异和开展个性化教学。因此，单一的教学模式很难适应新的学情和学科建设需求2-4。针对现有教学方法中存在的上述问题，在数据结构课程教学中，探索一种融合面对面教学和慕课教学的优点并互补彼此劣势的新的教学模式，以降低学生学习难度、提升学生学习兴趣和积极性，是提升教学质量、建设新工科的当务之急。SPOC（Small Private Online Course）作为一种限制性的小规模在线课程，很适合当前的线上教学，已经得到众多教学研究者的关注5-6。本文采用基于 SPOC的线上线下混合教学模式，探索数据结构在新工科背景下的教学改革，以激发学生更高的学习兴趣和主动性，获得更好的教学效果。2 传统教学现状 118 孙晓飞等：新工科背景下 SPOC 混合教学模式 第 7 期 数据结构是计算机专业学生需要学习的一门重要专业基础课程，主要包含计算机存储、组织数据的方式、通过算法处理数据和分析方法7。这门课的内容非常充实、难度较大，课时较少，学生缺少时间来消化知识8-9。数据结构具有很高的课程教学目标：通过典型数据结构和算法的学习，以及算法设计和实现的训练，使学生养成敏锐的洞察力，并逐步掌握如何整合信息，提炼数据和数据结构，配置相应的运算和处理算法，完成信息化系统的集成，为研制开发各种系统和应用软件打下扎实的理论和实践基础。然而，在传统模式的授课过程中，学生从最初的新奇，逐渐变得疲惫，最终失去兴趣，难以达成课程教学目标。沿袭已久的教学模式容易引起思维疲劳，甚至使部分学生对数据结构课程望而生畏，仅为了考试达标而被动学习，无法发挥这门课程的重要作用。在传统数据结构授课过程中，学生需要掌握各种数据的逻辑结构、对应的存储结构和数据处理方法，以及具备足够的编程能力和实现算法10。复杂繁多的逻辑结构难以理解，更难以转化为存储结构，加上编程能力欠缺，导致学生难以达成教学目标。学生遇到需要变通的实践案例，难以应用所学知识来解决相关问题11。传统的数据结构教学存在如下问题：（1）逻辑结构部分需要学生理解的理论内容偏多，使学生容易形成思维疲倦，严重影响后面的存储结构转化和编程实现；（2）理论课时偏多，学生用于消化知识和编程应用的时间不足，造成头重脚轻，偏离最终教学目标12；（3）实践部分课时不足、形式单一、内容单调，课程实践不贴合实际需求，难以锻炼学生的应用能力；（4）没有着重培养学生的自主学习能力，学生学习兴趣不足，加重了学生的畏难情绪，形成对教师的依赖13；（5）对课程思政的研究不足，缺乏对课程实用性和价值的思考，难以激发学生的学习兴趣。3 教学改革思路 为巩固数据结构核心专业课程的地位，并为后续专业课程打下坚实基础，采用基于 SPOC 的混合式教学模式。使用超星慕课作为课程支撑平台，教师在平台上发布课程视频、课程课件、训练材料和实验指导等教学资源，为学生安排自由度高、内容适度、课程进度和节奏紧凑的学习任务，学生完成各种学习任务后上交慕课平台（见图 1）。慕课视频内容应精致、短小，便于学生在较短时间内学习重点知识。每个视频控制在 20 分钟甚至更短，并针对视频中重点给出问题，在重要视频后给出本知识点相应的应用性问题。学生到慕课中学习短小精悍的课前预习视频和相关资料，并完成相应的简单任务。带着任务的答案来参与课堂学习。通过扩充课前导入内容，使预习更加有效，使课堂教学更好地开展。慕课视频和课堂教学中的案例贴近生活实际和真实项目，由简入难，渐入佳境，从而激发学生的学习兴趣。在课后安排自主学习任务，培养自主学习能力，降低学生对教师的过度依赖。紧密结合新工科建设，增强内容创新性，培养学生的应用能力和工程实践水平。图 1 本门课的改革整体思路 4 教学改革设计方案 4.1 SPOC混合式教学 将 SPOC 理念应用于数据结构教学过程中，形2023 年 福 建 电 脑 119 成以慕课作为支撑平台的限制性小规模课堂。该课堂形式以学生为中心。教师围绕学生能力培养这个中心目标，综合利用视频内容、多媒体、动画、训练资料和练习题等多种资源，实现多手段的 SPOC课堂。以学生自主学习能力培养为主旨，形成课前有预习任务、课中有互动和角色互换、课后有自主拓展任务的完整自主能力培养链条，提升学生的积极性、主动性和责任感，更好地达成教学目标。在线上教学环节，学生观看慕课视频来学习相关内容，在学习顺序表、二叉树、最小生成树等重点内容时需要完成与内容同步的相关问题，在实用性强的视频后提供相应的应用性案例。教师在平台批阅学生提交的练习和应用性案例的答案，对完成度低和得分率低的内容进行针对性讲解。学生在慕课问答区针对感兴趣的数据结构提出问题，教师定期解答，设置“热点数据结构”置顶功能，为高频问题录制讲解视频。课堂教学中综合利用课堂翻转、分组讨论、互动问答等多种手段，活跃课堂气氛，提升学生参与度，鼓励学生探索数据结构和算法思想，实现高标准的教学产出。4.2 具体教学改革实施 在数据结构课程改革中采用讲授法、翻转课堂法、讨论法、练习法、任务驱动法等现代化教学方法，综合利用慕课网络平台、多媒体课件、动画技术等现代化教学工具和技术，融入课程思政内容，在理论讲解中结合前沿科研方向，紧跟新工科课程建设新风向，培养理论合格、实践能力卓越、创新能力突出的工程应用型人才。4.2.1 分组式 SPOC 教学 将课堂规模限制在 30 人左右，进一步采用小组式翻转、小组式讨论、小组式案例实践的基于分组的 SPOC 教学模式。在讲解数据结构理论知识时，由教师进行先导知识的引入、重要和高难算法的分解。在需要着重理解、训练的部分，利用提前划分的“数据结构专研小组”进行分组式翻转，由小组重点钻研某个数据结构作为教师角色分享相关知识，并与其他小组进行讨论和总结。在实践应用阶段，将大任务划分为多个数据结构和算法子任务，由事先划分的小组认领子任务，小组内讨论、协作完成子任务，最终将各个子任务进行模块组装，完成总的大任务，全程模拟企业中的分工合作机制，锻炼学生的工程实践能力。教师讲解算法时注意轻重有序，重点突出，不大一统、不囊括所有，但求学生将重点知识作为“珍珠”，教师讲解重点知识时注意衔接，建立相互之间的联系，从而形成知识的“项链”。讲解知识时务求通俗化，以求达到易于理解的目的，使学生听得懂、记得住。教师讲解时注意与课前自主学习内容的衔接，并为课后自主拓展内容做好铺垫，为大型实践应用训练做准备和预热。4.2.2 面向新工科的任务驱动 多视角制定驱动数据结构教学实施的实践性任务，包括合作分工的大中型实践案例、考研题目精选、数学建模竞赛、ACM 竞赛等。将这些实践性任务按难度、时间节点分布于数据结构课程教学的各个阶段，鼓励学生根据自身的学习情况尽量参加，获得更好的锻炼。这种多任务驱动的实践性任务，贯穿课程教学的始终，为慕课平台支撑的 SPOC数据结构教学提供应用性教学支持，更好地服务新工科课程建设。在本课程改革中，数据结构理论是学习内容之一，更被作为应用性实践教学的基础，为面向新工科的应用性实践服务。课程实施中，教师作为引导员，鼓励学生大胆尝试将所学算法知识进行扩充，进行发散思维和头脑风暴，与实际生活和项目相结合，解决实际问题。将各大赛事作为课程应用和检验的重要手段，分阶段选取相应难度的竞赛，学生可组队参赛，从而使学生磨练技术和意志，同时避免难度过大而锐气受挫。4.2.3 情感激励的学习动员 学生具有强烈的自尊心和荣誉感，但面对数据结构这类难度较大的课程时往往自信心不足，容易导致学生的心理状态不稳。这是处于关键人生成长时期的学生无法回避的问题。因此，在本课程实施中，对学生的情感呵护应提到一个全新的高度，塑造学生良好的精神风貌，促进课程实施。不把学生视为学习机器，仅仅满足学习需求，在教学中要进行沟通、尊重、关心、信任、赞美等情感激励方法，充分尊重学生的情感需求，给予学生积极正面引导和评价，激发他们的自我肯定和自主激励，从而营造出以人为本、上进好学的课堂氛围。情感激励是鼓动学生积极向上的最好、最便捷的方式。教师要了解学生对数据结构课程教学的意见，并使学生及时、充分了解正在进行和将要进行的教学活动。教师在课后与学生保持足够的沟通时间，以确保信息在课堂内、班级里顺畅流动。教师要了解学生的所思所想以真正获得学生的信任和对课程的热爱，需要注意学生内心的想法和需求会随着120 孙晓飞等：新工科背景下 SPOC 混合教学模式 第 7 期 课程实施状况和学生自身条件的改变而不断变化。在充分开展课堂动员的基础上实施高难度的数据结构和算法讲授，注重启发式教学，带动学生对知识的认知、对课程性质的认同和对应用技能的内化，避免强硬的知识灌输和呆板的说教。知识讲授和应用案例力求符合实际、贴合日常生活、符合社会需求。对知识的讲授以循序渐进的方式进行，在显性教育的同时，采用隐性教育为后期知识埋下伏笔，降低后期学习难度，逐步达成最终教学目标。4.3 课程改革特色元素 本课程改革力求将数据结构知识、创新能力和专业素养融合，培养学生分析和解决问题的能力和思维。在课程安排上，紧跟时代前沿；在授课形式上保持先进性和互动效果；在教学产出上，力求按个性化培养学生的探究能力和创新能力。在难度设置上，从易到难，循序渐进，使课程有难度但学生能理解，对教师的课程准备和学生的自主能力有一定要求；在教学手段运用上，综合利用慕课平台和SPOC 教学相关的手段，进行线上线下混合教学；在实践能力培养上，采用多任务驱动的面向新工科的实践能力培养模式；在思政内容设置上，融入与应用、项目案例息息相关的思考元素，使学生更深入理解数据结构的应用价值，激发学习兴趣。在课程实施中引入“快乐学习”元素，将学习内容以相对有趣的形式开展，如抽奖式提问、击鼓传花式问答、教师随机选座听讲、教师随机参与小组讨论等互动和课堂翻转方式，使课堂变得更加刺激，提升学生的活跃度和兴奋度。课堂中的教学手段尽量多样化，根据内容轮番选用合适的内容表现手段，充分发挥信息技术的多样性优势（见图 2）。图 2 课程特色 5 课程考核方式 课程考核是教学活动的重要步骤。设计合理的课程考核方式不仅能够有效评估课程目标完成情况，更能对整个教学过程起到促进作用。与传统教学中过分注重期末考试不同，课程考核更加注重学习过程的考核，督促学生保持良好的学习习惯，从而保证最终教学目标的达成。在课程最终成绩中，平时考核的占比增加至 50%，期末考试占 50%。平时考核包含自主预习、互动交流、课堂翻转、小组讨论、课后拓展、合作实践，并以公开透明的方式进行，学生对自己平时成绩可以做到了然于胸，从而及时改正学习习惯（见图 3）。期末考试主要以电子试卷的形式开展，对学生的理论知识、编程和应用能力进行考核。图 3 全过程课程考核 6 教学攺革效果 通过将提出的 SPOC 混合教学模式应用于计算机专业学生的数据结构教学，明显提高了学生的学习积极性和自学能力，提高了专业素养，培养了主动探索能力，很好地达成了教学目标。在教学效果分析中，通过对不同年级学生在两个学期的学习情2023 年 福 建 电 脑 121 况进行对比，可以得到详细明确的分析结果。首先对数据结构代表性题目完成情况进行分析，这些典型题目比较全面地涵盖了数据结构的主要内容，能很好地考量学生的知识掌握情况。分析结果如表 1所示。由表 1 可知，改革后学生的知识掌握更为全面，重难点知识掌握水平也有明显提升。表 1 代表性题目完成情况对比 另外，分别对采用本混合教学模式前后的两个年级期末总成绩进行分析，对比结果见图 4。从图4 中可以看出，在教学改革后，学生在对综合素质要求高的应用题和算法设计题上有明显提高，因此最终的总分数主要体现了学生应用能力的提升，而不是知识的机械掌握。综合来看，应用新的教学模式对新工科人才培养有促进作用。图 4 2020 级和 2021 级期末考试情况对比 参 考 文 献 1 杨桂芝,潘家辉.课程思政视域下基于SPOC的混合教学模式探索与实践以数据结构与算法课程为例.软件导刊,2023,1(19):1-6 2 马晨江.慕课背景下大学数学教学改革探讨.黑龙江科学,2022,13(21):150-152 3 向国华,李琴.慕课视域下高校“形势与政策”课程教学实效的提升路径.西部素质教育,2022,8(22):154-157 4 武晓岩,吴兰兰,刘丽燕,等.慕课及其在医学教学中的应用.中国高等医学教育,2022(10):60-61 5 宋明珍,马腾,谢家平,等.基于SPOC与雨课堂的 供应链管理 混合教学模式的探索与实践.物流科技,2023,1(17):1-8 6 徐振华,史曙生,李冲.高校体育SPOC混合教学模式的价值审视与策略探析.河北体育学院学报,2023,37(1):71-77 7 孙悦,苏利敏,江静.数据结构课程案例式教学方法探讨.计算机时代,2023(01):102-104,108 8 于俊洋,王龙葛.工程认证视域下“数据结构”混合式教学模式探究.计算机时代,2022(4):63-65,69 9 张晓玲,董万归,曾新,等.“数据结构”混合式教学模式设计和实践.大理大学学报,2022,7(12):31-36 10 李辉利,彭伟国,张国平.线上线下+BOPPPS混合教学模式的应用研究以“数据结构与算法”课程为例.现代信息科技,2022,6(23):187-190 11 马丽,王慧,张晓娇.基于OBE的数据结构课程混合式教学改革.中国现代教育装备,2022(23):86-88 12 牛秋月,王忠义.新工科背景下基于混合式教学的数据结构课程改革研究.科技资讯,2022,20(24):161-164 13 王燕,罗佳琪,王曙燕,等.能力导向的数据结构课程“五环节”混合教学改革.计算机教育,2023(01):76-80 年级 线性表(%)栈和队列(%)串(%)数组和广义表(%)树(%)图(%)查找(%)排序(%)2020 级 98.33 97 98 96.57 97.68 95.34 95.74 96.1 2021 级 99.12 97.65 97.45 98.78 98.28 97.61 96.82 96.34