一、教師簡介

劉航，網絡空間安全學院教師，本科生“數據結構”、“算法設計綜合實驗” 和研究生“算法設計與優化”課程的主講教師。近年來積極開展了教學與考核模式改革、探究式/研究型課程等課程改革探索，探索課程、學科競賽和項目相結合的科研體驗，引導學生開展自主學習、深度學習，曾獲評本科生“最滿意教師”、獲得校教學成果一等獎。

二、課程信息?

1. 課程基礎信息：

1)課程編碼：

U09M11097.01

2)課程名稱(中/英文)：數據結構/?Data Structures

3)學時/學分：64/4.0

4)先修課程：C/C++程序設計、離散數學

5)開課單位：網絡空間安全學院

6)開課學期(春/秋/春、秋)：春季

7)課程模塊：學科專業

8)課程類別：學科基礎課程

9)教材及教學參考書：

《數據結構——用 C語言描述(第二版)》，耿國華，高等教育出版社，2015.7或

《數據結構(C語言版)》,嚴蔚敏、吳偉民，清華大學出版社，2018.7

2. 教學目標：

《數據結構》是計算機程序設計技術的重要理論基礎，是信息安全專業的主要專業基礎課和主干課程。課程以 C/C++語言作為描述工具，使學生能夠針對非數值計算問題，學會分析研究基本數據結構的特性，為具體應用所涉及的數據選擇或設計適當的邏輯結構、存儲結構及其相應的算法，初步掌握算法的時間分析和空間分析方法。

知識目標：掌握線性表、棧和隊列、樹和二叉樹、圖、查找、排序等數據結構及算法的基本概念、使用方法。

能力目標：通過理論學習和編程訓練，提高應用數學工具建模、分析數據特性、設計與選擇合適的數據結構和算法解決工程技術基本問題的能力，較大幅度地提高學生的編程能力。

專業素養目標：培養學生對核心、關鍵問題建立系統性思維的科學素養；能夠利用專業術語準確、簡明和規范地對工程技術問題進行描述的科學素養；多角度探尋解決問題途徑的素養；具有創新精神，敢于合理地提出新概念、新思想、新方法的科學素養。

3. 教學重點/難點：

(1)?線性表、棧和隊列、串、數組、廣義表等線性結構的邏輯結構、存儲結構、各種基本操作、算法實現及應用，KMP算法、稀疏矩陣壓縮算法。

(2)?樹和二叉樹的邏輯結構、存儲結構，二叉樹的各種遍歷算法及其他基本操作、算法實現及應用，霍夫曼樹及其應用。

(3)?圖的多種存儲結構、廣度和深度優先遍歷算法及其他基本操作、算法實現及應用，連通性、最小生成樹、拓撲排序、關鍵路徑及最短路徑等圖的典型應用。

(4)?靜態查找、二叉排序樹及其平衡化、B樹、散列查找算法、實現與性能分析。

(5)?插入、選擇、比較、歸并和基數等5類內排序算法、實現與性能分析。

(6)?遞歸、分治、貪婪等基本算法設計方法。

三、在線教學設計

1. 教學資源準備

理論教學內容更新：除了講授數據在計算機中如何組織、存儲和處理等基本知識外，為了大力強化程序設計基本能力的訓練，對涉及程序設計語言的知識點進行總結、凝練，額外安排學時進行線上編程工具的培訓，精煉地對數據結構中涉及的程序設計重點和難點內容進行樣例講解，設計了課堂講解版和學生練習版兩個版本的應用例，兩個版本框架相同，但練習版缺乏核心代碼，力求掃清學生學習、掌握數據結構核心內容的障礙。

對教學內容進行遞進式設計，按照基礎驗證、綜合應用和問題探索三個層次構建教學內容。設計、編制實驗題目，既有涵蓋數據結構的核心內容，又有與專業領域研究相關的算法(如網絡、查找、模式匹配、散列等)。每次實驗內容分為基礎驗證和綜合應用兩部分，在基礎驗證部分安排基本數據結構及算法實驗項目，使學生掌握基本數據結構和算法，體會數據結構如何從現實問題中抽象，又如何用來解決實際問題，提升學生的興趣和自信心，提高實踐能力；綜合應用部分安排C/C++描述一些經典應用問題所用到的數據結構，分析、設計并編程實現相應算法，使學生理解、掌握、消化理論教學難點內容。

除了常規的作業外，將部分作業調整到MOOC在線測試和視頻觀看駐點測試中，并將傳統課堂的紙質作業改為線上提交方式。

2. 以代入感為目標的多平臺結合的在線教學運行方案

疫情期間，教師和學生身處多地，都只能面對冷冰冰的計算機屏幕，教師看不到學生，無法從學生的神情中判斷出學生的參與度和對內容的理解程度，缺乏沉浸感；學生上課時看到PPT?課件的同時就看不見老師，身邊缺少同學的陪伴， 缺乏代入感。因此，線上教學并不是單純地把原本的普通課堂搬到線上，而是需要通過合適的在線教學運行方案，拉近師生之間的距離，解決師生之間線上的互動問題。因此，選擇在選擇在線授課平臺、制訂授課方案時，既要方便與學生開展互動，還要符合授課規模的特點，選擇簡單、易于獲取、音視頻傳輸清晰流暢且功能簡潔的平臺，保證基本教學過程的平穩。

為此，在學院的指導下，經過教師之間的多次交流和師生的多輪測試，目前采取基于MOOC的在線異步SPOC模式，即

(1)以精心打磨、制作精良的國家精品慕課課程作為輔助教學資源，為學生提供豐富的信息、拓寬學生的視野，學生可以反復重聽、暫停思考，學習方式和時段更加靈活。

(2)針對慕課學習完課率低、主要解決一般性知識傳授等問題，而數據結構與算法既需要理論與理解，又需要實際操作和創新應用，需要有師生之間的實時交互，在對QQ屏幕分享、騰訊課堂、騰訊會議、釘釘、雨課堂等多種在線實時授課方式測試后，根據學生的感受投票選擇了QQ屏幕分享作為實時在線直播授課方式，該工具簡單、易于獲取，視頻、語音傳輸清晰較為流暢，功能簡潔。

(3)為方便與學生開展各種方式的互動，縱使師生天各一方、互不相識，也要讓學生有自我代入感，能夠“入戲”，因此，選擇雨課堂、QQ聊天作為實時在線互動平臺，MOOC討論區和QQ聊天作為課后交流平臺。

3. 知識傳授、內化和能力培養相結合的探究式課程在線化運行

(1)通過雨課堂開展課堂調查和投票

對授課對象開展學情調查和課后反饋調查是教學目標定位、教學內容選擇、教學方法調整及確定的重要依據。在授課初期，通過雨課堂的投票功能，對學生的先修課程修讀情況、學習興趣、對本課程的理解、未來學習意愿、學習執行力等情況開展調查，力爭有的放矢。這種投票還將用于課程進行過程中的課堂質量調查和反饋。

(2)多種模式相結合的知識掌握度即時測試

針對以知識傳授為主的基本內容，準備單選題、多選題、填空題等題型，通過MOOC視頻駐點測驗、雨課堂答題、雨課堂彈幕、MOOC單元測試、QQ?在線提問-聊天區回答等方式，進行知識掌握程度測試，力爭無論是觀看授課視頻， 還是實時直播授課時學生都能處于“在線”狀態。

(3)線上討論和分享增強課堂互動活躍度

對于某些口述很難解釋清楚、但畫圖演示一目了然的問題，在在線教學中， 采用觸屏書寫作為教輔工具，既便于講解，還有類似課堂板書的效果，有助于師生間的互動，便于學員更深刻理解。

通過師生之間的音視頻切換，由學生進行結果展示和討論。后期還將結合實驗題目由學生從問題來源、應用需求、問題分解方法、設計思想、設計表示、實現、測試和性能分析等角度對其研究內容進行報告。培養學生的探索、創新精神，另一方面，也從研究能力、表達能力等方面進行訓練，力促知識內化為能力和素養。

(4)多措并舉創建安全的互動氛圍

考慮到數據結構課既需要理論與理解，又需要實際操作和創新應用，是程序設計的基本“內功”，非常燒腦；與此同時，程序設計與文章撰寫有異曲同工之處，千人前面，各不相同，學生可能會有很多各不相同的疑難問題需要解答，又考慮到部分學生會比較害羞，怯于大庭廣眾下與人交流，必須給予其足夠的互動安全感。我們設計了以下互動保障方案：

(a)?鏘鏘三人行：建議每3~4?名同學組成一個學習討論組,每個同學至少在某一個討論組中，相互討論、互相幫助、共同提高；

(b)?真心話大冒險：QQ 群管理員設置了允許群內匿名提問和回答功能，學生針對課程和學業內容，可以選擇實名或匿名提問、作答，鼓勵學生大膽提出他們心中的疑問，又保證其安全感；

(c)硬核團隊：考慮種種客觀因素，我既不可能24小時在線答疑，一人也難以應對60位學生的問題，動員了實驗室的4位研究生作為助教，他們本科要么是信息安全專業，要么是計算機專業，對數據結構與算法課程內容熟悉，編程能力突出，既有助于研究生能力的提高，又能幫助本科生解決問題，努力使問題不過夜，縮短響應周期。

四、學生學習反饋

1.?老師上課時由于個別同學沒關麥偶爾會有噪音。

2.?個別同學無法進入雨課堂。

3.?部分同學反映老師在課堂上切換平臺會造成學習效率的下降。

4.?QQ屏幕分享時PPT的清晰度較低。

5.?上課期間老師采用QQ直播的方式進行授課，課下學生可以通過MOOC進行溫習，效果很好。

五、教學經驗小結

1. 課前調查、有的放矢。

2. 備選方案充足，成功應對了雨課堂服務器擁塞的情況。

3. 多樣化的互動方式為營造沉浸式的課堂氣氛提供了保障，使大多數學生始終處于在線狀態，但課堂活躍度仍需加強。

4. 學生的程序設計先修課程差距較大，基礎不夠扎實，不能靈活地使用C/C++語言編程，對集成開發環境不夠熟悉，需要和助教一起加強與這部分學生的定向互動。

5. 教學內容、教學方式需要進一步更新、優化，吸引學生的興趣。課程教學內容的生動性、易于實踐性方面仍有較大幅度的提升空間。

文稿：劉航

審核：劉志強? 王克勤

總結

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