在線評判在數(shù)據(jù)結構實踐教學中的應用論文
1背景
數(shù)據(jù)結構是計算機及相關學科的核心課程，教學環(huán)節(jié)包括理論教學與實踐教學。實踐教學不僅是幫助學生理解基本的數(shù)據(jù)結構及實現(xiàn)方法，培養(yǎng)學生算法設計和實現(xiàn)能力的主要教學環(huán)節(jié)，更是培養(yǎng)學生實踐探索興趣、科學研究素養(yǎng)、工程創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作精神的重要手段。在教育部實施的“高等學校教學質量與教學改革工程中，提出要“高度重視實踐環(huán)節(jié)，提高學生實踐能力”，并通過重點建設一批國家級實驗教學示范中心，大力推進實驗內容和實驗教學模式的改革和創(chuàng)新。隨著國家對高等教育資金投入的不斷增加，高校實驗室的設備和環(huán)境得到了極大的改善。然而，良好的實驗設備和環(huán)境與實驗教學質量并未成正比，數(shù)據(jù)結構課程的實踐教學就是其中的一個薄弱環(huán)節(jié)，學生動手能力差，教師考核難，其原因在于實驗教學內容、實驗教學手段、實驗考核方法不能適應大眾化教育。存在的問題主要有：學生的程序設計能力較弱，影響了數(shù)據(jù)結構實現(xiàn)能力的訓練;實驗學時有限，師資相對不足，學生不能得到及時有效的指導，難以在有限的學時內完成實驗任務;考核方式落后，達不到評價與激勵的作用等。將在線評判應用于數(shù)據(jù)結構課程的實踐教學，有利于改善實踐教學環(huán)境，提高實踐教學質量。
2基于在線評判的數(shù)據(jù)結構實踐教學設計
在線評判(online judge)基于Web工作模式，允許用戶在線提交代碼，自動進行編譯、運行，給出評判結果，將其用于程序設計類課程的實踐教學，可以不受時間和空間的限制，隨時學習與實踐，并得到實踐結果，既方便學習者實踐，也提高過程的監(jiān)控力度、減輕教師的工作負擔。針對數(shù)據(jù)結構課程實踐教學中存在的實驗時間不足、考核結果不客觀等問題，我們將在線評判應用于數(shù)據(jù)結構實踐課程，借鑒ACM(association for computing machinery)競賽模式，對實踐教學的內容、方式方法、考核模式等進行改革，堅持“以學生為本”的教學理念，分層次設計實踐教學內容;開放實驗的時間和空間，變目標考核為過程考核，加強師生之間、學生之間的交流;不定期組織程序設計競賽，以個性化培養(yǎng)為基礎，以創(chuàng)新精神、實踐能力培養(yǎng)為目標，充分調動學生參與實踐的積極性，賽學結合，因材施教，提高數(shù)據(jù)結構課程的實踐教學效果。
2.1研發(fā)實驗教學軟件“數(shù)據(jù)結構實驗平臺”
國內已有成熟的在線評判軟件，如北京大學的“PKU Judge Online”、浙江大學的"ZOJ"，這些軟件建立了豐富的題庫資源，學生可以自由注冊、自主選擇題目進行練習和訓練，對提高學生的算法設計與實現(xiàn)能力有著巨大的作用。但是這些軟件更適用于競賽，如果直接拿來用于數(shù)據(jù)結構的實驗教學，題庫的題目難度過大，而且學生要通過所有的測試數(shù)據(jù)并且在規(guī)定的時空范圍內，才能得到正確的評判。這種非成功即失敗的.評判方式不適合初學數(shù)據(jù)結構課程的學生。對于初學者，代碼設計考慮不周全是常態(tài)，上述評判方式會使學生不知所措，而且過多考慮算法的效率、邊界等問題，也不利于學生把注意力放在核心算法的實現(xiàn)上，不符合學生的認知規(guī)律，甚至會使學生失去學習與實踐的信心。
基于在線評判開發(fā)數(shù)據(jù)結構實驗平臺，功能應包括題庫維護、學生管理、數(shù)據(jù)結構實驗、數(shù)據(jù)結構考試、程序設計競賽、抄襲檢測、成績分析、論壇、排行榜等。該實驗平臺既能用于數(shù)據(jù)結構的實驗教學、考試，也能用于程序設計競賽，其核心功能是對學生提交的代碼在線評判，提供多組測試數(shù)據(jù)，根據(jù)通過測試數(shù)據(jù)的組數(shù)，評判學生的實驗或考試成績，使學習與訓練循序漸進、逐漸提高。由于在線評判，學生能立即知道自己的實驗結果，有問題可以在論壇留言，教師和學生都可以解答，部分解決了教師不足、指導不到位的問題。其中，排行榜按學生獲得正確結果的題目數(shù)排序，給學生以良性刺激，使學生學有干勁，趕有目標，既有壓力，也有動力，積極參與實驗與競賽。
2.2開放實驗教學平臺
“數(shù)據(jù)結構實驗平臺”不僅應用于平時集中的實驗教學，也24小時對學生開放，只要有瀏覽器，能夠登錄校園網(wǎng)，均可以學習、訓練、答疑、討論、測試，擴展了實驗的時間和空間。通過查看平臺上學生的實驗記錄，可以看出學生的參與率達到了98%。平臺調動了學生的學習興趣和自主學習意識，為學生營造了一個全天候的數(shù)據(jù)結構與程序設計實踐環(huán)境，使學生能夠隨時上機實驗并及時獲得實驗結果，隨時提出問題并得到解答。由于實驗平臺開放，學生有足夠的訓練時間，能通過循序漸進的實驗體驗到進步與成功，增強自信心，逐步提高程序設計能力、計算思維能力、實踐能力與創(chuàng)新能力，解決實驗時間不足的問題。
學生通過“數(shù)據(jù)結構實驗平臺”進行實驗，其學習行為與實驗過程及結果都保留在平臺上，有助于教師分析學生的個體學習策略和協(xié)作學習策略，總結學生的基本學習和實踐活動。在此基礎上，能規(guī)范教師的基本教學活動，改變傳統(tǒng)的實踐教學管理模式。以學生為中心、以在線評判系統(tǒng)為工具，可以為學生提供集中和開放相結合的實踐教學環(huán)境;在實驗室集中輔導，能面對面解決學生實驗中的問題;開放環(huán)境不限時間、地點，學生隨時可以通過"數(shù)據(jù)結構實驗平臺"選擇實驗項目完成實驗，并利用在線評判系統(tǒng)對實驗結果進行測試，同時利用平臺的交流工具得到幫助和指導，解決實驗指導力度不夠的問題。
2.3按類、分層次設計實驗內容
學習者的認知能力是有差異的，教育工作者必須承認并尊重智力差異，才能采取有效的措施，使受教育者都能得到最大的提高，教育效率達到最大化。在數(shù)據(jù)結構課程的實驗教學中，應建立有層次、有梯度的實驗與考核項目庫。有層次指將其分為驗證型題目、設計型題目，如線性表的實驗，分為兩類題，一類是線性表的順序存儲結構與實現(xiàn)及鏈式存儲結構與實現(xiàn)，屬于驗證型題目，一類是集合的交、并集運算，即應用線性表解決實際問題，屬于設計型題目。每一個教學層次應準備多道參考選題。有梯度指同一層次的題目有不同的考核指標。“數(shù)據(jù)結構實驗平臺”改變ACM競賽平臺非對即錯的評判方法，將測試數(shù)據(jù)分為多組，包括理想數(shù)據(jù)、邊界數(shù)據(jù)、特殊數(shù)據(jù)等，根據(jù)學生提交的代碼通過測試數(shù)據(jù)組數(shù)，評定學生的考試成績，只有通過全部測試數(shù)據(jù)才能得到滿分。題目的分層與評判的梯度性符合學生的認知規(guī)律，使學生能依據(jù)自己的知識水平和實踐能力，有計劃、循序漸進地在實踐中得到提高，保證了數(shù)據(jù)結構實踐教學的質量。
2.4組織程序設計競賽
競賽是課外延伸訓練，貫穿教學始終，目的是使學有余力的學生與校內、校外學生同臺競技，既增加了學習的趣味性，也培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新精神，鍛煉了學生的挑戰(zhàn)能力。由師生共同研發(fā)與維護的在線評判系統(tǒng)(Judge Online)，從各高校的ACM題庫中選取適合本校學生的題目，也自主設計一些題目供學生練習，并給予學生一定的指導。學生可以自主地選擇并完成若干道題目。通過開放的在線評判系統(tǒng)，學生可以自主練習，也可以參加院內組織的競賽，還可以通過競賽選拔“基礎扎實、具有潛力”的優(yōu)秀學生參加國內組織的ACM競賽，既提高學生的程序設計能力、算法設計能力、英語閱讀能力，也加強校際間的合作與交流，使“課程與競賽”形成良性的互動循環(huán)機制。
2.5全程實驗考核
在線評判數(shù)據(jù)結構的實驗結果，一方面實現(xiàn)了數(shù)據(jù)結構實驗與程序設計題的自動批閱，解決了數(shù)據(jù)結構實驗考核中算法設計題閱卷強度大、主觀性強的問題，另一方面在數(shù)據(jù)結構課程的實驗教學中，可以在線評判程序的正確性，解決了學生人數(shù)多，教師不能檢查所有學生的程序代碼而影響實驗教學進度的問題。由于程序自動評判的效率很高，使得過程考核成為可能，通過實驗平臺提供的抄襲檢測功能，能夠在一定程度上解決抄襲的問題。通常按知識點將實驗分為6個單元，分別是線性表、棧與隊列、樹與二叉樹、圖、查找、排序，實驗與理論課程同步進行。每一單元都設置開始時間與結束時間，學生必須在結束時間之前完成實驗。考核分為4個階段，即線性表、樹與二叉樹、圖、查找與排序，實驗考核在相應的實驗結束之后進行，4個階段的考核成績合計作為實驗課考核成績，最終并入課程的考核總成績。由于采取全過程實踐教學考核模式，學生必須注重平時的實踐訓練，聚沙成塔，才能順利通過考核。全過程考核能夠比較真實地考核學生的實踐能力，有利于培養(yǎng)學生的自我約束能力和自我管理能力，解決了實驗考核結果不客觀的問題。
3結語
經(jīng)過多年的教學實踐，在線評判應用于數(shù)據(jù)結構課程的實踐教學，教學效果有顯著的提高，也得到了大多數(shù)學生的認可。“數(shù)據(jù)結構實驗平臺”為學生營造了一個全天候的實踐環(huán)境，使學生能夠隨時學習與實踐，壓力適度、階梯遞進、自主互動，逐步提高了算法設計與實現(xiàn)能力。近年來，學校有30%以上的學生獲得“挑戰(zhàn)杯”、ACM、數(shù)學建模等省級以上競賽獎勵;35%的學生參加大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目;學生第一作者發(fā)表論文多篇。今后我們要依據(jù)"最近發(fā)展區(qū)"理論，關注學生的個體差異，以學生為本，修改和完善實驗項目庫和考核項目庫，使之層次分明、梯度合理，為提高數(shù)據(jù)結構及程序設計課程的實踐教學質量不斷探索與實踐。
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