“101计划”中数据结构课程与教材建设的思考与实践.pdf

9计 算 机 教 育Computer Education第 11 期2023 年 11 月 10 日中图分类号：G642“101 计划”中数据结构课程与教材建设的思考与实践俞 勇（上海交通大学 计算机科学与工程系，上海 200240）摘 要：为了适应新时代、新发展的新要求，按照“101 计划”重点建设 12 门计算机科学核心课程的要求，就数据结构课程的建设目标及思路、实施方案及做法、课程共建与共享等方面，对课程建设中的教材建设、实践平台、教学资源、课程思政等重要环节进行较详细阐述，旨在打造一个良性循环的数据结构课程建设“生态圈”。关键词：101 计划；数据结构；课程建设；教材建设文章编号：1672-5913(2023)11-0009-03作者简介：俞勇，男，教授，研究方向为智能教育、数据挖掘、机器学习等，。0引 言习近平在党的二十大报告中强调：实施科教兴国战略，强化现代化建设人才支撑1。我们已建成世界上规模最大的教育体系2，要加快建设教育强国、科技强国、人才强国，全面提高人才自主培养质量，着力造就拔尖创新人才，加快建设高质量教育体系。2021 年 12 月，教育部启动了计算机领域本科教育教学改革试点工作计划（简称“101 计划”）。通过“101 计划”的实施，要率先在计算机领域建设一批一流核心课程，开发一批一流核心教材，建设一支高水平核心师资团队，建设一批核心实践项目，探索计算机领域高质量人才培养新模式。计划用两年时间推出一批计算机领域的名课、名师、名教材，重点打造包括数据结构在内的 12 门计算机科学的核心课程。共同参与数据结构课程建设的有北京大学、清华大学、浙江大学、电子科技大学、吉林大学、北京交通大学、天津大学、复旦大学、北京理工大学、重庆大学等学校，牵头学校为上海交通大学。数据结构是计算机类专业最基础、也是最重要的核心课程之一，它为计算学科其他后继课程的学习奠定了基础。计算机应用领域已渗透到社会各行各业，因此几乎所有专业都无法完全脱离计算机学科，很多学校在新工科平台的培养计划中也将其列为必修课程，其中，数据结构课程的重要性不言而喻。1建设目标与思路作为计算机科学与技术专业的核心骨干课，数据结构课程不仅培养学生的抽象思维能力、运用知识能力，更锻炼学生的动手实践能力，使其掌握利用计算思维解决实际问题的方法，它在整个专业课程体系中具有承上启下的重要作用。通过学习，学生能够熟练选择逻辑结构、存储结构以及合适的算法，并能够对算法的时间和空间效率进行分析，培养良好的编程技能和习惯。由于课程内容抽象、算法理解困难，学生不易掌握正确的学习方法，缺乏实践，动手能力差；教学方法传统且单调，导致学生发现、分析及解决问题的能力较弱，对创新、可持续学习等能力的培养不足尤为突出。随着大数据、人工智能等技术的飞速发展，改变甚至颠覆着各行各业，亟须加快建设高质量教育体系，以适应新时代、新发展的新要求。本课程建设目标与思路是依托“101 计划”数据结构课程虚拟教研室，以先进的教育思想和教学理念为灵魂，以适应学科发展的教学内容与教材建202310计 算 机 教 育Computer Education设为核心，以多元化的教学资源和实践平台为关键，以有效的教学方法和教学手段为抓手，以高水平师资队伍建设为根本，打造一个良性循环的数据结构课程建设“生态圈”。2实施方案与做法2.1教材建设数据结构教材秉承“发展经典，关注前沿；问题先导，内容溯源；章节灵活，难度适配”的原则，广泛搜集素材，整合优质资源。全书内容丰富、全面，共有 16 章：第 1 章绪论；第 24 章线性表，栈与队列，字符串；第 56章树与二叉树，优先级队列；第 78 章图，图应用；第 9 章不相交集；第 1012 章内排序，查找与高级查找；第 1314 章外排序与索引；第 1516 章算法基础，高级算法。除了绪论和最后两章，每章结构包括问题引入，定义、结构及应用，拓展延伸，应用场景，小结，习题，溯源与参考文献。教材特点可以概括如下。（1）以生活场景或常识作为问题引入，使学生在学习前率先体验“有用”。现有大部分教材都是引入知识点，缺乏知识点的“序幕”，这样学生不容易联想到其“好处”，难以调动学生的学习热情与兴趣。比如，在第 1 章绪论中运用大众熟知的大型超市作为问题引入，从“顾客如何能快速找到想要购买的商品，超市又如何实现方便补货”展开，对问题进行分析、抽象，从而引出数据结构的定义及其三要素。（2）以学科背景作为应用场景，使学生在学习后感受真实“落地”。在学习了知识点之后，如何让学生看到所学知识点在学科中的应用？这与问题引入同样重要，让学生真切感受到学有所用，知识点不再是深不可测、高高挂起的东西，真正激发学生自觉地学好数据结构，并期待后续专业课程的学习。（3）以追根溯源作为学习环节，使学生深入了解知识点，乃至学科发展的脉络。每章的最后都有溯源及参考文献，希望通过对知识点的“追踪”，让学生了解知识点的“既往”，也是让学生更好地“预测”其“走势”。通过溯源，所学的知识将从点到线、线到面不断地蔓延与扩展，这将大大地增强学生的学习动机。（4）以拓展延伸作为进阶学习，使学生了解更多高级又有用的数据结构。每章的拓展延伸不仅是为了学生多掌握一些知识，还要传递一种学无止境、勇于探索的精神，这也是科学精神中最重要的特征，在课程中培养学生的科学精神，既有利于课程的学习，又为后续专业学习与科学研究打下基础。（5）以伪代码代替程序设计语言，使学生专注思维训练，不用考虑编程细节。通常数据结构教材都是基于某种程序设计语言编写的，这样有利于使用这种语言的学生，但受众面会受到一定的限制。选择把思维训练与实践训练分开，主教材采用伪代码，辅教材针对不同语言，这样主教材专注思维训练，辅教材专注实践训练，主教材与辅教材相配套，相辅相成、相得益彰。（6）以基于 C、C+、Java 及 Python 语言的4 本实践教材作为主教材的辅教材，使学生实现从理论学习到算法伪代码，再到 4 种语言动手实践的无缝衔接。辅教材的章节结构为：算法实现，主要对主教材中的伪代码针对具体程序设计语言予以实现；基础练习，选择比较基础的习题，分析解题思路，确定具体算法，进行编程实现；进阶实验，选择一些中等难度的习题，分析解题思路，基本确定采用的算法，但不给出编程实现，留给学生自己完成。（7）以课程知识体系为主线的教案以及每章的引入视频，使读者能更好地理解重要的知识点及各章主线，更能方便读者随时观看与学习。知识点教案是教师对知识点的理解，即便是使用同一本教材的教师，其传授知识的方法是不同的，所以，提供知识点教案的目的是为了让更多的授课教师能在一起互相学习、共同进步，整体提高教学水平。章节引入视频是每章的开篇，以传颂中华文明和世界文明为载体介绍本章内容，以吸引学生期待本章的学习。2.2实践平台数据结构课程实践平台依托程序自动评测、开放式的教学辅助平台拼题 A 系统，该平台为教材的使用提供以下免费服务。（1）程序设计类各种类型题目的在线评测：支持判断、选择（单选、多选）、填空（包括普通填空、程序填空、函数填空）、编程（包括常规编程、多文件编程、数据库编程）、主观题等专题策划：“101 计划”课程建设（一）第 11 期11题目类型，并为使用者提供智能推荐。（2）常规教学功能：支持导入班级学生、命题、组卷，进行平时作业、测验、考试，一键导出学生答卷、正答率、试卷分析等教学统计数据。（3）资源分享与推广：提供教师讨论区，供广大教师用户通过分享题目、分享资源链接码等方式，将自己创建的教学资源供所有用户使用。其中与平台合作的出版社的教材资源均可在此共享。提供教师用户服务群，全天候为广大教师解决系统使用中的各种疑问，也及时通过群服务向教师用户提供各种教学相关信息。（4）答疑区：聘请专人为学生用户提供全天候答疑服务。（5）教材题目集：合作出版社的教材编程习题享有专属练习集，在首页向所有用户展示。读者通过输入出版社提供的“读者码”进行在线练习。另有教育超市，为广大用户提供丰富的仿真练习资源。部分出版社的书后习题也放在教育超市教材专区，免费供所有用户练习。2.3教学资源教学资源包括课程视频、电子教材、教学设计、教案、课件、说课、演示、专题等素材。重要资源有以下几个来源。（1）可汗学院：原版免费学习网站，涵盖多个专业领域，包括计算机科学。（2）Coursera：世界最大的在线教育平台，包含各行业最前沿的知识，可以免费旁听所有课程。（3）Edx：提供哈佛大学、麻省理工学院等一流顶级教育机构的免费课程，包括视频课程、讲座、教材、习题集等。（4）MIT-Open Course Ware：麻省理工学院官方开办的免费学习网站，课程齐全，包含了课程视频、学习资料和书籍，甚至课程作业，就像与麻省理工学院的学生一起上课一样。（5）MOOC：国家精品课程在线学习平台，中国的免费学习网站，包含了各个专业的国家级精品课程。（6）CSDN-专业开发者社区：全球知名中文 IT 技术交流平台，包括了 IT 行业的职业培训、技术论坛、资源下载等内容。通过征集、筛选、整理及完善，向授课教师及学生免费提供更多数据结构课程相关的教学资源。2.4课程思政每章开篇的引入视频以中国古代文明、国学经典为引子，如结绳、算筹、星图、四大发明、四大名著、孙子兵法、书法等，一系列的中国传统文化元素凝结着华夏民族传统文化精神，并体现国家尊严和民族利益的形象、符号或风俗习惯，让课堂生动、知识有趣、讲课有料、教育有效。此外，在现代人文科学知识、中华传统优秀文化、民族精神、爱国主义的有机融合中，进一步讲好“中国故事”。3课程共建与共享以“101 计划”数据结构课程虚拟教研室为依托，课程组将吸纳更多的学校、教师加入，有针对性地组织参与课程建设的学校及教师（包括准备开设数据结构课程的教师）定期或不定期地开展师资培训、专题讨论、经验分享、现场听课等提质增效的活动，提升教师专业素质、提高教师教学水平，创新教育教学方式。定期征集数据结构课程的教师对课程及教材建设的意见和建议，持续迭代课程教学资源，打造优质教学资源的共建、共治、共享平台，开创校际共同参与、共同建设、共同享有的教育资源新模式。4结 语道阻且长，行则将至；行而不辍，未来可期荀子。新时代，新教育。课程建设是教育的首要问题，“101 计划”有了一个好的开始，但路还很长，任务也很艰巨。携起手来，让我们一起为中国计算机教育的明天再出发。参考文献：1 中华人民共和国中央人民政府.习近平:高举中国特色社会主义伟大旗帜 为全面建设社会主义现代化国家而团结奋斗在中国共产党第二十次全国代表大会上的报告EB/OL.(2022-10-25)2022-10-26.https:/ 人民网.教育部:我国建成世界最大规模高等教育体系 接受高等教育的人口达到2.4亿EB/OL.(2022-05-17)2022-10-26.http:/ 原）