一、教師簡介

劉航，網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院教師，本科生“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”、“算法設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)” 和研究生“算法設(shè)計(jì)與優(yōu)化”課程的主講教師。近年來積極開展了教學(xué)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(xué)科競賽和項(xiàng)目相結(jié)合的科研體驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)，曾獲評本科生“最滿意教師”、獲得校教學(xué)成果一等獎。

二、課程信息?

1. 課程基礎(chǔ)信息：

1)課程編碼：

U09M11097.01

2)課程名稱(中/英文)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)/?Data Structures

3)學(xué)時(shí)/學(xué)分：64/4.0

4)先修課程：C/C++程序設(shè)計(jì)、離散數(shù)學(xué)

5)開課單位：網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院

6)開課學(xué)期(春/秋/春、秋)：春季

7)課程模塊：學(xué)科專業(yè)

8)課程類別：學(xué)科基礎(chǔ)課程

9)教材及教學(xué)參考書：

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——用 C語言描述(第二版)》，耿國華，高等教育出版社，2015.7或

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(C語言版)》,嚴(yán)蔚敏、吳偉民，清華大學(xué)出版社，2018.7

2. 教學(xué)目標(biāo)：

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》是計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)，是信息安全專業(yè)的主要專業(yè)基礎(chǔ)課和主干課程。課程以 C/C++語言作為描述工具，使學(xué)生能夠針對非數(shù)值計(jì)算問題，學(xué)會分析研究基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特性，為具體應(yīng)用所涉及的數(shù)據(jù)選擇或設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)倪壿嫿Y(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的算法，初步掌握算法的時(shí)間分析和空間分析方法。

知識目標(biāo)：掌握線性表、棧和隊(duì)列、樹和二叉樹、圖、查找、排序等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法的基本概念、使用方法。

能力目標(biāo)：通過理論學(xué)習(xí)和編程訓(xùn)練，提高應(yīng)用數(shù)學(xué)工具建模、分析數(shù)據(jù)特性、設(shè)計(jì)與選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法解決工程技術(shù)基本問題的能力，較大幅度地提高學(xué)生的編程能力。

專業(yè)素養(yǎng)目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生對核心、關(guān)鍵問題建立系統(tǒng)性思維的科學(xué)素養(yǎng)；能夠利用專業(yè)術(shù)語準(zhǔn)確、簡明和規(guī)范地對工程技術(shù)問題進(jìn)行描述的科學(xué)素養(yǎng)；多角度探尋解決問題途徑的素養(yǎng)；具有創(chuàng)新精神，敢于合理地提出新概念、新思想、新方法的科學(xué)素養(yǎng)。

3. 教學(xué)重點(diǎn)/難點(diǎn)：

(1)?線性表、棧和隊(duì)列、串、數(shù)組、廣義表等線性結(jié)構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)、各種基本操作、算法實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用，KMP算法、稀疏矩陣壓縮算法。

(2)?樹和二叉樹的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)，二叉樹的各種遍歷算法及其他基本操作、算法實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用，霍夫曼樹及其應(yīng)用。

(3)?圖的多種存儲結(jié)構(gòu)、廣度和深度優(yōu)先遍歷算法及其他基本操作、算法實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用，連通性、最小生成樹、拓?fù)渑判?、關(guān)鍵路徑及最短路徑等圖的典型應(yīng)用。

(4)?靜態(tài)查找、二叉排序樹及其平衡化、B樹、散列查找算法、實(shí)現(xiàn)與性能分析。

(5)?插入、選擇、比較、歸并和基數(shù)等5類內(nèi)排序算法、實(shí)現(xiàn)與性能分析。

(6)?遞歸、分治、貪婪等基本算法設(shè)計(jì)方法。

三、在線教學(xué)設(shè)計(jì)

1. 教學(xué)資源準(zhǔn)備

理論教學(xué)內(nèi)容更新：除了講授數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中如何組織、存儲和處理等基本知識外，為了大力強(qiáng)化程序設(shè)計(jì)基本能力的訓(xùn)練，對涉及程序設(shè)計(jì)語言的知識點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)、凝練，額外安排學(xué)時(shí)進(jìn)行線上編程工具的培訓(xùn)，精煉地對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中涉及的程序設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行樣例講解，設(shè)計(jì)了課堂講解版和學(xué)生練習(xí)版兩個(gè)版本的應(yīng)用例，兩個(gè)版本框架相同，但練習(xí)版缺乏核心代碼，力求掃清學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)核心內(nèi)容的障礙。

對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行遞進(jìn)式設(shè)計(jì)，按照基礎(chǔ)驗(yàn)證、綜合應(yīng)用和問題探索三個(gè)層次構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容。設(shè)計(jì)、編制實(shí)驗(yàn)題目，既有涵蓋數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的核心內(nèi)容，又有與專業(yè)領(lǐng)域研究相關(guān)的算法(如網(wǎng)絡(luò)、查找、模式匹配、散列等)。每次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為基礎(chǔ)驗(yàn)證和綜合應(yīng)用兩部分，在基礎(chǔ)驗(yàn)證部分安排基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)生掌握基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，體會數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如何從現(xiàn)實(shí)問題中抽象，又如何用來解決實(shí)際問題，提升學(xué)生的興趣和自信心，提高實(shí)踐能力；綜合應(yīng)用部分安排C/C++描述一些經(jīng)典應(yīng)用問題所用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分析、設(shè)計(jì)并編程實(shí)現(xiàn)相應(yīng)算法，使學(xué)生理解、掌握、消化理論教學(xué)難點(diǎn)內(nèi)容。

除了常規(guī)的作業(yè)外，將部分作業(yè)調(diào)整到MOOC在線測試和視頻觀看駐點(diǎn)測試中，并將傳統(tǒng)課堂的紙質(zhì)作業(yè)改為線上提交方式。

2. 以代入感為目標(biāo)的多平臺結(jié)合的在線教學(xué)運(yùn)行方案

疫情期間，教師和學(xué)生身處多地，都只能面對冷冰冰的計(jì)算機(jī)屏幕，教師看不到學(xué)生，無法從學(xué)生的神情中判斷出學(xué)生的參與度和對內(nèi)容的理解程度，缺乏沉浸感；學(xué)生上課時(shí)看到PPT?課件的同時(shí)就看不見老師，身邊缺少同學(xué)的陪伴， 缺乏代入感。因此，線上教學(xué)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(xué)運(yùn)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(shí)，既要方便與學(xué)生開展互動，還要符合授課規(guī)模的特點(diǎn)，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(xué)過程的平穩(wěn)。

為此，在學(xué)院的指導(dǎo)下，經(jīng)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(xué)資源，為學(xué)生提供豐富的信息、拓寬學(xué)生的視野，學(xué)生可以反復(fù)重聽、暫停思考，學(xué)習(xí)方式和時(shí)段更加靈活。

(2)針對慕課學(xué)習(xí)完課率低、主要解決一般性知識傳授等問題，而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法既需要理論與理解，又需要實(shí)際操作和創(chuàng)新應(yīng)用，需要有師生之間的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)授課方式測試后，根據(jù)學(xué)生的感受投票選擇了QQ屏幕分享作為實(shí)時(shí)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(xué)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(xué)生有自我代入感，能夠“入戲”，因此，選擇雨課堂、QQ聊天作為實(shí)時(shí)在線互動平臺，MOOC討論區(qū)和QQ聊天作為課后交流平臺。

3. 知識傳授、內(nèi)化和能力培養(yǎng)相結(jié)合的探究式課程在線化運(yùn)行

(1)通過雨課堂開展課堂調(diào)查和投票

對授課對象開展學(xué)情調(diào)查和課后反饋調(diào)查是教學(xué)目標(biāo)定位、教學(xué)內(nèi)容選擇、教學(xué)方法調(diào)整及確定的重要依據(jù)。在授課初期，通過雨課堂的投票功能，對學(xué)生的先修課程修讀情況、學(xué)習(xí)興趣、對本課程的理解、未來學(xué)習(xí)意愿、學(xué)習(xí)執(zhí)行力等情況開展調(diào)查，力爭有的放矢。這種投票還將用于課程進(jìn)行過程中的課堂質(zhì)量調(diào)查和反饋。

(2)多種模式相結(jié)合的知識掌握度即時(shí)測試

針對以知識傳授為主的基本內(nèi)容，準(zhǔn)備單選題、多選題、填空題等題型，通過MOOC視頻駐點(diǎn)測驗(yàn)、雨課堂答題、雨課堂彈幕、MOOC單元測試、QQ?在線提問-聊天區(qū)回答等方式，進(jìn)行知識掌握程度測試，力爭無論是觀看授課視頻， 還是實(shí)時(shí)直播授課時(shí)學(xué)生都能處于“在線”狀態(tài)。

(3)線上討論和分享增強(qiáng)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(xué)中， 采用觸屏?xí)鴮懽鳛榻梯o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(xué)員更深刻理解。

通過師生之間的音視頻切換，由學(xué)生進(jìn)行結(jié)果展示和討論。后期還將結(jié)合實(shí)驗(yàn)題目由學(xué)生從問題來源、應(yīng)用需求、問題分解方法、設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)表示、實(shí)現(xiàn)、測試和性能分析等角度對其研究內(nèi)容進(jìn)行報(bào)告。培養(yǎng)學(xué)生的探索、創(chuàng)新精神，另一方面，也從研究能力、表達(dá)能力等方面進(jìn)行訓(xùn)練，力促知識內(nèi)化為能力和素養(yǎng)。

(4)多措并舉創(chuàng)建安全的互動氛圍

考慮到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課既需要理論與理解，又需要實(shí)際操作和創(chuàng)新應(yīng)用，是程序設(shè)計(jì)的基本“內(nèi)功”，非常燒腦；與此同時(shí)，程序設(shè)計(jì)與文章撰寫有異曲同工之處，千人前面，各不相同，學(xué)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(xué)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(shè)計(jì)了以下互動保障方案：

(a)?鏘鏘三人行：建議每3~4?名同學(xué)組成一個(gè)學(xué)習(xí)討論組,每個(gè)同學(xué)至少在某一個(gè)討論組中，相互討論、互相幫助、共同提高；

(b)?真心話大冒險(xiǎn)：QQ 群管理員設(shè)置了允許群內(nèi)匿名提問和回答功能，學(xué)生針對課程和學(xué)業(yè)內(nèi)容，可以選擇實(shí)名或匿名提問、作答，鼓勵學(xué)生大膽提出他們心中的疑問，又保證其安全感；

(c)硬核團(tuán)隊(duì)：考慮種種客觀因素，我既不可能24小時(shí)在線答疑，一人也難以應(yīng)對60位學(xué)生的問題，動員了實(shí)驗(yàn)室的4位研究生作為助教，他們本科要么是信息安全專業(yè)，要么是計(jì)算機(jī)專業(yè)，對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程內(nèi)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(yīng)周期。

四、學(xué)生學(xué)習(xí)反饋

1.?老師上課時(shí)由于個(gè)別同學(xué)沒關(guān)麥偶爾會有噪音。

2.?個(gè)別同學(xué)無法進(jìn)入雨課堂。

3.?部分同學(xué)反映老師在課堂上切換平臺會造成學(xué)習(xí)效率的下降。

4.?QQ屏幕分享時(shí)PPT的清晰度較低。

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

五、教學(xué)經(jīng)驗(yàn)小結(jié)

1. 課前調(diào)查、有的放矢。

2. 備選方案充足，成功應(yīng)對了雨課堂服務(wù)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(shù)學(xué)生始終處于在線狀態(tài)，但課堂活躍度仍需加強(qiáng)。

4. 學(xué)生的程序設(shè)計(jì)先修課程差距較大，基礎(chǔ)不夠扎實(shí)，不能靈活地使用C/C++語言編程，對集成開發(fā)環(huán)境不夠熟悉，需要和助教一起加強(qiáng)與這部分學(xué)生的定向互動。

5. 教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式需要進(jìn)一步更新、優(yōu)化，吸引學(xué)生的興趣。課程教學(xué)內(nèi)容的生動性、易于實(shí)踐性方面仍有較大幅度的提升空間。

文稿：劉航

審核：劉志強(qiáng)? 王克勤

總結(jié)

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