技術(shù)報告用MOOC來實(shí)現(xiàn)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程CDIO教改

1、計劃類別 項目編號 項目技術(shù)報告課題名稱 項目主持人 承擔(dān)單位 題目：用MOOC來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程CDIO教改的探討本文分析了應(yīng)用型高校數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程在CDIO的教改中目前存在的一些問題之后，結(jié)合課程本身的特點(diǎn)和應(yīng)用型高校的培養(yǎng)要求，闡述了MOOC平臺在協(xié)助教師實(shí)現(xiàn)“翻轉(zhuǎn)課堂”時的一些注意事項，并指出了MOOC平臺在此過程中尚需改進(jìn)的一些地方。最后本文以實(shí)際例子示范講解了利用“MOOC”來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型高校CDIO教學(xué)的過程。關(guān)鍵詞：MOOC；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；翻轉(zhuǎn)課堂；CDIOAbstract：The paper analyzes some existing problems in the CDIO te

2、aching reform of Data Structure in application-oriented colleges and universities.Based on the characteristics of the course and the talent cultivation requirements in application-oriented colleges and universities，this paper expounds some considerations on the application of the MOOC platform to as

3、sist Flipped Classroom teaching.Some effective measures are proposed to improve the MOOC platform.Finally，some practical examples are provided to demonstrate and explain the CDIO teaching process with MOOCs in application-oriented colleges and universities.Keywords：MOOC；Data Structure；Flipped Classr

4、oom；CDIO1 引言（Introduction）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是高校計算機(jī)大學(xué)科的一門核心專業(yè)必修課，側(cè)重于研究在各種復(fù)雜的情況下，如何設(shè)計和組織數(shù)據(jù)在計算機(jī)中的存儲表示與涉及到的基本算法實(shí)現(xiàn)等常用技術(shù)。通過對已較為成熟的一些常用結(jié)構(gòu)和算法的學(xué)習(xí)并掌握其實(shí)現(xiàn)的基本原理，這門課程可以使學(xué)生在未來復(fù)雜情況下數(shù)據(jù)的組織、結(jié)構(gòu)的設(shè)計和創(chuàng)新能力的提高得到一定的訓(xùn)練和啟發(fā)。CDIO的基本模式是“構(gòu)思（Conceive）設(shè)計（Design）實(shí)現(xiàn)（Implement）運(yùn)行（Operate）”。如何借助MOOC在線教育的技術(shù)，來攻克數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在CDIO教改過程中的一些頑疾，利用“翻轉(zhuǎn)課堂”來實(shí)現(xiàn)CDIO工程教育理念

5、，是本文研究的主要目的。2 應(yīng)用型高校在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)CDIO教改中存在的問題（Problems in CDIO teaching reform of DataStructure in application-oriented colleges anduniversities）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這門課程理論非常飽滿，內(nèi)容比較抽象，同時又注重一定程度的實(shí)踐。在很多高校的CDIO教改過程中，這門課程一直是一個老大難的問題。同時它也是讓很多學(xué)生為之焦頭爛額的一門課程。不少優(yōu)秀的一線老師已經(jīng)對其中原因作了很多的分析，筆者在這里大致地整理并加上一些個人看法。2.1 學(xué)生層面（1）學(xué)生對該門課程的先導(dǎo)知識沒有完全掌握，基

6、礎(chǔ)不夠牢靠數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的先導(dǎo)課程主要是C語言程序設(shè)計。根據(jù)筆者多年的課堂調(diào)查，已及格通過，但在開課前仍有超過一半的學(xué)生對C語言的編程能力存在很多問題，不想寫，不敢寫，不懂怎么寫。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中大量使用到了比如函數(shù)框架設(shè)計及傳參、一級指針、結(jié)構(gòu)體、typedef、二級指針等。而這些內(nèi)容，恰好是學(xué)生最薄弱的環(huán)節(jié)，學(xué)生普遍不會用或不敢用1。另外，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)還需要學(xué)生具備面向?qū)ο蟮囊恍┰O(shè)計理念和思想。而這部分內(nèi)容，大部分高校尚未在此階段開相應(yīng)的課。學(xué)生對“某個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以及建立在該結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的各個方法之間的關(guān)系”“結(jié)構(gòu)和相關(guān)算法寫好之后如何使用”等相關(guān)內(nèi)容缺乏到位的理解。（2）教材沒有針對性，大部分教材不夠形象

7、和細(xì)致相當(dāng)大一部分985院校的教材追求理論完善、邏輯縝密、覆蓋面廣。但應(yīng)用型普通高校的學(xué)生對此似乎并不太買賬2。在他們的眼里看來，這種教材難度過深，圖表和真實(shí)代碼都太少，對一些算法難點(diǎn)的描述和講解太高估了讀者的抽象思維能力，對一些算法代碼的實(shí)現(xiàn)太高估了讀者的實(shí)際編碼能力（例如對教材上偽代碼的編程實(shí)現(xiàn)）。學(xué)生在使用教材時需要像看英文書籍一樣全神貫注，特別辛苦。基礎(chǔ)較差的同學(xué)在翻閱前若干個算法或結(jié)構(gòu)時已經(jīng)非常吃力，這時你告訴他這本教材的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法介紹很齊全，后面還有100120個算法。這并不能激發(fā)這類學(xué)生的好奇，而只會讓他們合上書本。筆者認(rèn)為，相比于給學(xué)生介紹全面和抽象的算法而言，一本教材，如

8、果能讓學(xué)生對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更容易產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣和一定的自信，則這種教材可能更適合普通應(yīng)用型高校的學(xué)生。教材在此充當(dāng)?shù)氖且啡说慕巧?，而不是字典的角色。?）學(xué)生的理論和實(shí)踐脫節(jié)該門課程的理論知識非常飽滿，從而使得編碼實(shí)踐的時間常常捉襟見肘。學(xué)生學(xué)了一學(xué)期，期末考試通過了，卻從未寫過一個標(biāo)準(zhǔn)的完整的鏈棧類的代碼，遑論用棧結(jié)構(gòu)來編碼解決實(shí)際問題了。不是老師不想教，或者沒能力教，而是在有限的時間內(nèi)老師實(shí)在騰不出精力來指導(dǎo)大部分學(xué)生。學(xué)生長時間寫不出來一個代碼，慢慢就會喪失信心和興趣。（4）學(xué)生的課堂效率低下這個問題在普通的應(yīng)用型高校中非常普遍。老師在課堂上傳授了100%的信息，但是學(xué)生因為注意力難以一直集中

9、，所以只聽到了可能80%；其中能當(dāng)堂聽懂的內(nèi)容可能就不超過60%了（和知識點(diǎn)難度、悟性、基礎(chǔ)、預(yù)習(xí)等相關(guān)）；在聽懂理解后一段時間還記得的內(nèi)容只剩不到30%了（因為缺乏及時的筆記、課后練習(xí)及反饋確認(rèn)）。老師在課堂上使勁渾身解數(shù)，七十二般變化，費(fèi)時耗力，但實(shí)際效果仍不太理想。2.2 教師層面（1）教學(xué)方法比較傳統(tǒng)單一這個問題之前已經(jīng)有很多論文指出過，大致思想就是希望能夠盡量多采用PPT或者動畫。筆者在這里需要補(bǔ)充強(qiáng)調(diào)的是，雖然動畫比實(shí)際代碼更能形象生動地展示出算法中的數(shù)據(jù)變化的一些關(guān)系，但因為本門課程必須要重視實(shí)踐，所以在課堂上不能只演示動畫，必要時，必須要針對一些算法進(jìn)行代碼運(yùn)行的現(xiàn)場演示，讓學(xué)

10、生直觀地看到最終的成果，給學(xué)生一個直接的示范效應(yīng)，讓學(xué)生在課后的獨(dú)立編碼之前做到心中有底。很多老師不太愿意在課堂上展示和運(yùn)行代碼，甚至提供給學(xué)生的課件代碼本身都運(yùn)行有問題（其中盡管可能只是一些很小的原因造成）。需要指出的是，在計算機(jī)大學(xué)科的大部分實(shí)踐性強(qiáng)的課程中，板書固然已經(jīng)過時，有時甚至連PPT也略顯不足。教師需要在課堂上適時地在真實(shí)代碼環(huán)境下演示運(yùn)行，使得坐在最后一排的學(xué)生都能看清楚屏幕上的每一行代碼。從這個思想來看，目前的大學(xué)階梯教室的多媒體幕布的尺寸大小，還停留在PPT時代。（2）對實(shí)踐環(huán)節(jié)的重視不夠，與實(shí)踐相關(guān)的信息渠道不通暢本門課程的實(shí)踐課時較少，老師難以在為數(shù)不多的實(shí)踐課中對每個

11、學(xué)生遇到的問題予以指導(dǎo)，反饋不夠及時。學(xué)生在缺少指導(dǎo)、反饋和監(jiān)督的情況下，慢慢就會失去親自動手實(shí)踐的動力。這個問題同樣出現(xiàn)在作業(yè)中。當(dāng)老師費(fèi)時費(fèi)力地把每個學(xué)生的作業(yè)代碼批閱完，寫下詳細(xì)批語，并下發(fā)給學(xué)生后，往往兩三個星期已經(jīng)過去了，學(xué)生早已沒有了剛完成作業(yè)時那種急切想知道評價指導(dǎo)的沖動3。3 借助MOOC來實(shí)現(xiàn)“翻轉(zhuǎn)課堂”（Implementationof Flipped Classroom with MOOCs）以往的教改，主要都集中在教學(xué)觀念、課堂教學(xué)方式和技巧等方面，最終的要求都會落實(shí)到一個問題上，那就是要加大老師在課堂前后的投入。而課時有限，績效衡量不便，所以一線老師的積極性難以提升。

12、“翻轉(zhuǎn)課堂”是一種嶄新的教學(xué)模式。它指學(xué)生在課外提前完成知識的自學(xué)，把課堂變成了師生之間互動溝通的場所，包括答疑解惑、知識的運(yùn)用等。翻轉(zhuǎn)課堂對傳統(tǒng)的課堂理論知識傳授提出了“壓縮課時”的要求，以便騰出課堂時間來進(jìn)行師生互動。但是如何在很短的課時內(nèi)保質(zhì)保量地完成理論知識的傳授？MOOC平臺很好地解決了這個關(guān)鍵問題。MOOC利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使得“學(xué)生接收了多少?老師付出了多少”，在很大程度上把老師從基礎(chǔ)知識傳授的繁重任務(wù)中解脫出來，將主要精力放到學(xué)生的動手實(shí)踐指導(dǎo)中去，從而使得“翻轉(zhuǎn)課堂”這一教學(xué)模式成為可能。MOOC具有“大規(guī)?！保∕assive）的特點(diǎn)。老師針對每個知識點(diǎn)，錄制短小精干詳細(xì)而生動的視

13、頻，讓學(xué)生在課外環(huán)境中播放自學(xué)。老師只需要錄制一次視頻，無數(shù)的學(xué)生能夠反復(fù)重放。這大大降低了老師重復(fù)講解的勞動量，并放大了老師對某個視頻詳細(xì)生動講解的貢獻(xiàn)。同時，這種類似于批量化的模具復(fù)制，可以預(yù)先將學(xué)生這塊材料打造成大致成型的“毛坯”，然后在課堂上再根據(jù)個體差異情況來“精雕細(xì)琢”3。這樣做，減少了老師的工作量，同時也在一定程度上確保了良好的教學(xué)質(zhì)量。MOOC的“在線”（Online）特點(diǎn)，在于它利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在時空領(lǐng)域中的充分延展，使得學(xué)生可以在自己精力最充沛的時間或者其他碎片化的時間里進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而獲得更好的學(xué)習(xí)效率。同時，MOOC將預(yù)先設(shè)定好的題庫和視頻完美結(jié)合，杜絕了學(xué)生濫竽充數(shù)的投機(jī)

14、心理。高校中的MOOC可以要求只有對標(biāo)記為“必做”的習(xí)題（這部分習(xí)題不必太難，但應(yīng)覆蓋視頻的基本內(nèi)容）正確完成，學(xué)生才能播放下一個知識點(diǎn)的視頻（基礎(chǔ)較好的同學(xué)也必須至少要完成一次每個視頻的“必做”習(xí)題后才能定位到自己最感興趣的視頻）。而習(xí)題的判定和答案也能在學(xué)生做完之后馬上給予公布展示。這種通過練習(xí)驅(qū)動學(xué)習(xí)的模式，讓參與者記憶深刻，穩(wěn)扎穩(wěn)打，得到更好的學(xué)習(xí)效果和自信3。而且，教師可以在系統(tǒng)后臺了解學(xué)生完成習(xí)題的各方面情況，為下一次“翻轉(zhuǎn)課堂”的課堂交流擬定主要的內(nèi)容。“翻轉(zhuǎn)課堂”中一個非常重要的前提，就是要求學(xué)生在課前已經(jīng)通過其他渠道大致上掌握了本堂課的基礎(chǔ)知識點(diǎn)。這一點(diǎn)在實(shí)際實(shí)施時如果不能確

15、保，則偷懶者在課堂上將難以互動，也會倒逼教師去講解基礎(chǔ)理論，從而使得“翻轉(zhuǎn)”失敗。但采用MOOC的模式之后，我們可以通過MOOC來收集本班學(xué)生在MOOC中的登錄信息、觀看視頻、在線習(xí)題等各方面的相關(guān)信息，在上課前一天就能基本上了解學(xué)生的預(yù)習(xí)情況。在開始講課后，首先可對預(yù)習(xí)效果做一個大約10分鐘的確認(rèn)，比如隨堂抽學(xué)生解答一些與新知識相關(guān)的非常基礎(chǔ)的習(xí)題或概念定義。對于學(xué)習(xí)極度不自覺甚至找人冒名頂替在課前幫自己預(yù)習(xí)或習(xí)題代做的學(xué)生，可通過每隔兩三周一次的有監(jiān)考的過程化考核來及早發(fā)現(xiàn)和警示濫竽充數(shù)者，徹底杜絕學(xué)生的投機(jī)懶惰心態(tài)。對于MOOC中的考評模式，除了上述的隨堂抽問和過程化考核之外，最重要的方

16、法就是嵌入到視頻講解過程中或者單元測試中的習(xí)題庫了。這部分內(nèi)容，以最直接的方式裁定了學(xué)生自學(xué)的即時效果，所以必須要做到覆蓋全面、難度適當(dāng)。計算機(jī)可以比較容易地判斷客觀題和填空題的答案，也能判斷出編程題的輸出是否正確，但是在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中，計算機(jī)很難判斷學(xué)生所采用的算法、函數(shù)架構(gòu)、模塊或接口設(shè)置等是否符合老師的指定要求。在這種情況下，采用生生互評是一個比較好的模式。研究表明，超過五人以上的同伴互評成績與教師給出的成績相差無幾4。這種模式在MOOC中已經(jīng)得到了絕大多數(shù)教授團(tuán)隊和學(xué)習(xí)者的認(rèn)可。筆者需要指出的是，在評價時，可適當(dāng)采取匿名的方式，即評價者不知道眼前這份作業(yè)是誰的，在評論完之后，評價者才能

17、看到其他評價者對這份作業(yè)的評語。了解其他評語者對問題的思考方式和解決辦法，可以使自己對這部分知識的掌握更加全面。評語成績差異較大時可由系統(tǒng)自動送交教師點(diǎn)評裁定，從而確保作業(yè)判分的公正性和維護(hù)正確答案的權(quán)威性。MOOC平臺是老師的“影子”和“代言人”，其創(chuàng)建初衷是促進(jìn)名校教育資源的公平共享，所以沒有必要每個高校都去構(gòu)建自己的MOOC平臺或錄制全套MOOC視頻5。但是不同層次的高校，對學(xué)生的要求和培養(yǎng)目標(biāo)有所差異，而學(xué)生的基礎(chǔ)和領(lǐng)悟能力也有所不同，所以不同層次的高校對課程的考核標(biāo)準(zhǔn)也會有所不同。MOOC平臺不僅對學(xué)生是“Open”的，對各大高校的任課老師也應(yīng)該是“Open”的，不能搞“一言堂”。在

18、現(xiàn)有名校MOOC平臺的基礎(chǔ)上，老師以某校課程管理者的身份進(jìn)入平臺，在一定比例限制內(nèi)，對碎片化的視頻、習(xí)題等內(nèi)容進(jìn)行增加、屏蔽、替換等定制化管理。這樣既能充分利用現(xiàn)有的國內(nèi)MOOC平臺資源，避免重復(fù)建設(shè)，又能突出本校本課程的特色，降低應(yīng)用型普通高校的教師參與MOOC建設(shè)的成本，提高其參與MOOC建設(shè)的積極性。4 借助MOOC來實(shí)現(xiàn)CDIO教改（Implementation ofCDIO teaching reform with MOOCs）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為研究數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法相關(guān)的課程，要求學(xué)生能夠根據(jù)問題需要，分析和設(shè)計最恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并采用最適合需求的算法來實(shí)現(xiàn)。這樣的培養(yǎng)要求，需要老師在完成規(guī)

19、定理論知識傳授的前提下，還要針對每個學(xué)生在編碼時百花齊放的算法思路或框架等分別做出差別化指導(dǎo)。這個工作量是很大的。在教學(xué)經(jīng)費(fèi)有限和績效難以量化的情況下，目前基本上主要是靠教師個人的職業(yè)操守和責(zé)任心在支撐。MOOC的出現(xiàn)，使得“翻轉(zhuǎn)課堂”成為可能，從而能夠?qū)DIO的保質(zhì)量實(shí)施提供有力保障。教師可以把大量的基礎(chǔ)知識內(nèi)容和編程基本技巧的講解，放在MOOC平臺上讓學(xué)生自學(xué)，并從中監(jiān)督學(xué)生的預(yù)習(xí)情況。在正式上課的時候，老師對簡單的內(nèi)容不再細(xì)致講述，而是根據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，選其中的重點(diǎn)或?qū)嵺`過程中的難點(diǎn)來進(jìn)行統(tǒng)一講解或差別化輔導(dǎo)等，將輔導(dǎo)的重心在一定程度上往實(shí)踐方面傾斜。下面以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中的“馬步問題

20、”為例來闡述過程。（1）在課前，需要學(xué)生觀看相關(guān)的MOOC視頻。視頻主要包含針對馬步問題所涉及的“回溯法”的基本思想的講解及細(xì)致分析、部分代碼框架、編寫環(huán)境和測試環(huán)境的展示等（若遇到復(fù)雜的環(huán)境，甚至可以提供虛擬機(jī)鏡像文件，最大程度地讓學(xué)生不受其他因素的干擾）。（2）學(xué)生看完之后，完成針對馬步問題的一些最簡單的習(xí)題測試，然后就能看到“馬步問題”的項目發(fā)布的要求。學(xué)生以2人為一個小組，在規(guī)定的23天內(nèi)提前完成代碼和報告的編寫并上傳提交6。代碼由系統(tǒng)隨機(jī)分配，進(jìn)行生生評價。（3）老師通過MOOC平臺監(jiān)督學(xué)生自學(xué)的情況，并參與作業(yè)評價及抽查少許代碼，對學(xué)生的預(yù)習(xí)情況有個大致掌握。（4）在課堂上，老師針

21、對一些重要原理思想或?qū)嵺`中的常見問題做出強(qiáng)調(diào)和補(bǔ)充講解，對算法的升級展開進(jìn)一步的課堂討論，比如“在馬步問題中采用鏈?；蛘唔樞驐８饔惺裁刺攸c(diǎn)或問題、如何避開棋盤上的障礙物、如何走出一條更短的路徑、如何找出從A點(diǎn)到B點(diǎn)的所有路徑”等有趣的問題。因為針對馬步問題和回溯法原理的最基本介紹已經(jīng)在MOOC中講解，所以老師可以騰出更多的時間來在課堂上糾正、確認(rèn)、強(qiáng)化、升華學(xué)生的初步理解。為了避免某些學(xué)生在非監(jiān)督的情況下抄襲他人編碼來敷衍作業(yè)，系統(tǒng)可針對中小規(guī)模的代碼引入“抄襲檢測判定”的程序。5 結(jié)論（Conclusion）MOOC的平臺和課程建設(shè)，都需要大量的資金投入4。同時，要想讓高校教師放下習(xí)慣了多年的教學(xué)模式，從根本上脫胎換骨式地采用“MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂”的模式，實(shí)非易事