數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)MOOC課程的設(shè)計(jì)與建設(shè)

唐艷琴，陳衛(wèi)衛(wèi)，鮑愛華，李志剛，吳永芬，李 清

（解放軍理工大學(xué) 指揮信息系統(tǒng)學(xué)院，江蘇 南京 210007）

0 引 言

MOOC（massive open online courses，慕課）大規(guī)模開放在線課程在維基百科上的定義為“MOOC是一種以開放訪問和大規(guī)模參與為目的的在線課程”。MOOC起源于2007年，2012年以來，斯坦福大學(xué)創(chuàng)辦了Udacity和Coursera，麻省理工大學(xué)與哈佛大學(xué)聯(lián)合創(chuàng)建了edX，還有可汗學(xué)院的建立，MOOC作為一種新的網(wǎng)絡(luò)教育模式熱遍全球，開創(chuàng)了在線教育的新變革，2012年也被稱為MOOC元年[1]。

2013年4月香港科技大學(xué)教授Naubahar Sharif在Coursera平臺上開設(shè)了中國的科學(xué)、科技與社會課程，這是亞洲首門MOOC課程[2]。隨后，北京大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等眾多國內(nèi)知名高校相繼建立了本校的MOOC平臺，多家互聯(lián)網(wǎng)公司也投身其中，構(gòu)建了慕課中國、學(xué)堂在線、中國大學(xué)MOOC平臺、華文慕課、好大學(xué)在線平臺、智慧樹、頂你學(xué)堂等等眾多MOOC平臺。MOOC是一種資源，一種變革，具有重要的意義，不僅對教師有“教”的影響，還對學(xué)生有“學(xué)”的影響。

1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)MOOC的設(shè)計(jì)

北京大學(xué)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程作為國內(nèi)首批中文MOOC課程，于2013年10月20日正式開課[3]，隨后清華大學(xué)、浙江大學(xué)、臺灣新竹“清華大學(xué)”、中國海洋大學(xué)等高校分別在相關(guān)平臺上開設(shè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程涵蓋的內(nèi)容多、跨度大，如何定位課程、如何設(shè)置學(xué)時、如何取舍內(nèi)容等問題都需要認(rèn)真考慮。對于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這樣一門重要的計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)課程，在長期教學(xué)中，我們認(rèn)為透徹理解概念術(shù)語，把文字教材不易呈現(xiàn)的知識內(nèi)涵講解出來，展示知識發(fā)生發(fā)展過程，啟發(fā)學(xué)生思考，提升學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生具有對比批判的分析能力是十分重要的；在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)也就容易得多。因此，將MOOC課程定位在基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，便于實(shí)施翻轉(zhuǎn)課程，在設(shè)計(jì)上突出自己的特色，應(yīng)主要考慮以下幾個方面的問題。

1.1 教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)問題

教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)是MOOC課程的整體導(dǎo)向。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)習(xí)者懂得數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一般原理，掌握表、樹、圖等基本結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，各結(jié)構(gòu)的存儲表示和所涉及的運(yùn)算，完成各種運(yùn)算的算法及其實(shí)現(xiàn)方法，學(xué)會對算法的評價方法。學(xué)習(xí)的最終目標(biāo)是使學(xué)習(xí)者具有一定的算法設(shè)計(jì)能力、較強(qiáng)的程序設(shè)計(jì)能力和實(shí)際應(yīng)用能力。

1.2 教學(xué)內(nèi)容和知識體系

教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)是MOOC課程的支撐。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)MOOC共分為12講，包括三大部分：基礎(chǔ)知識（第1講）、基本模型（第2講～第10講）和基本問題(第11講和第12講)。基礎(chǔ)知識包括基本概念、算法的評價標(biāo)準(zhǔn)、算法的描述方法等；基本模型包括表、樹、圖、散列表的重要知識點(diǎn)和算法；基本問題是排序章節(jié)的內(nèi)容。教師可以問題為導(dǎo)向，介紹求解同一個問題的多種不同處理算法，通過對算法的評價，分析各算法的特點(diǎn)、效率和適用情況。整個MOOC教學(xué)內(nèi)容應(yīng)以基礎(chǔ)知識點(diǎn)為主，輔以相關(guān)知識，增加學(xué)生認(rèn)識事物的廣度，使其將各知識點(diǎn)融會貫通，并且對每個知識點(diǎn)，都從一個有趣的或?qū)嶋H應(yīng)用示例開始。單向鏈表的教學(xué)內(nèi)容如圖1所示。

圖1 單向鏈表的教學(xué)內(nèi)容示意圖

1.3 教學(xué)模式設(shè)計(jì)問題

教學(xué)模式設(shè)計(jì)形成了整個MOOC課程的風(fēng)格。對于基本概念，教師在講清基本概念條文的同時，盡可能多地舉例闡述概念的內(nèi)涵，并強(qiáng)調(diào)規(guī)范術(shù)語用詞，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)。

對于算法設(shè)計(jì)，遵循“少而精”的原則，突出重點(diǎn)，以點(diǎn)帶面，利用對比，使學(xué)習(xí)者逐步建立設(shè)計(jì)“好”算法的意識。

對于表、樹和圖這三大基本結(jié)構(gòu)，依照“邏輯結(jié)構(gòu)→物理結(jié)構(gòu)→基本運(yùn)算→基本算法→算法評價”的脈絡(luò)，研究每種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，給學(xué)習(xí)者列出一條清晰的研究主線，使學(xué)習(xí)者能夠根據(jù)問題的特點(diǎn)選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步理解研究數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的意義；主要采用“問題—模型—算法—演變”的教學(xué)模式進(jìn)行講解，運(yùn)用問題驅(qū)動、BOPPPS模型、概念圖等[4-6]方式讓學(xué)生更好地理解其中的含義。最小生成樹的教學(xué)設(shè)計(jì)過程如圖2所示。

2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)MOOC的建設(shè)步驟

2.1 教學(xué)團(tuán)隊(duì)組建

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)MOOC建設(shè)工作量大，不僅包括錄制教學(xué)視頻，還包括課程上線、實(shí)踐、維護(hù)管理、交流等，會耗費(fèi)教師大量的精力，需要組建教學(xué)團(tuán)隊(duì)共同完成。團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作的任務(wù)通常包括：①共同商討定內(nèi)容，分工制作PPT；②主講人審定PPT，獨(dú)立撰寫講稿、審定視頻；③分工裁減視頻片段，二次成片；④分工編配習(xí)題，共同討論審定；⑤1人負(fù)責(zé)總維護(hù)，分工上傳資源；⑥共同交流答疑。

2.2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

2.2.1 碎片化教學(xué)內(nèi)容組織問題

互聯(lián)網(wǎng)信息越來越容易獲取，針對人類注意力的心理學(xué)研究表明，成年人的“倒U型注意力曲線”在峰值附近持續(xù)的時間長度大約為6～10min[7]，過多信息消耗了接受者的注意力，導(dǎo)致信息碎片化成為不可避免的趨勢。因此，在MOOC課程教學(xué)時，同樣需要將授課內(nèi)容碎片化。

圖2 最小生成樹的教學(xué)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)課堂中，一節(jié)課的教學(xué)時長通常是40～50min，MOOC必須將其更細(xì)致地梳理和切分，切割成每個6～10min的短小視頻，使學(xué)生可以隨時隨地充分利用零碎時間，在注意力最能有效集中的時間段進(jìn)行學(xué)習(xí)；同時，碎片化的教學(xué)內(nèi)容組織方式也更容易滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

內(nèi)容的碎片化并不是要求將所有的知識點(diǎn)講解都壓縮或裁剪到6～10min之內(nèi)，“6～10min規(guī)律”只是提醒我們，在超出這個時間后，學(xué)生的注意力可能會不集中，因此，我們在時間稍長的視頻中都會設(shè)置一個提問環(huán)節(jié)，如在二分查找的5'36''處設(shè)置提問環(huán)節(jié)。中國大學(xué)MOOC提供在視頻中插入提問的功能，視頻播放到提問處會暫停，學(xué)生必須點(diǎn)擊后才能繼續(xù)播放，以便將學(xué)生的注意力重新引回授課視頻。

2.2.2 組織結(jié)構(gòu)問題

MOOC課程的組織根據(jù)知識點(diǎn)進(jìn)行劃分，將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行自頂向下的分解，分成講、節(jié)和知識點(diǎn)3個層級。其中，講相當(dāng)于課程中的章，節(jié)相當(dāng)于每章中的小節(jié)，知識點(diǎn)就是一系列相對獨(dú)立的MOOC短視頻。每個章節(jié)包括多個知識單元，每個課時還可以包含多個知識點(diǎn)（視頻）。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)MOOC課程中，我們設(shè)計(jì)了12講，分39節(jié)，共93個知識點(diǎn)，第二章順序表的組織結(jié)構(gòu)見表1。

表1 順序表的內(nèi)容組織結(jié)構(gòu)

2.2.3 輔助配套等相關(guān)問題

傳統(tǒng)課堂中，教師和學(xué)生之間是面對面的授課，通過課堂交流、課內(nèi)測試等方式，教師可以很好地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況；但是在MOOC學(xué)習(xí)中，多數(shù)課程為教師引導(dǎo)型授課，缺少面對面的交流，因此教師很難及時了解學(xué)生的需求。為了彌補(bǔ)這個缺陷，各大平臺上都提供了課間提問、課后測驗(yàn)、單元測驗(yàn)、單元作業(yè)、討論區(qū)等工具，充分利用這些工具，可以在一定程度上達(dá)到良好的教學(xué)效果。

課后測驗(yàn)是MOOC教學(xué)優(yōu)于傳統(tǒng)課堂的一種方式，某個知識點(diǎn)講解完后的小測驗(yàn)，可以用來檢驗(yàn)學(xué)生是否掌握所學(xué)知識，幫助學(xué)生分析自己的聽課效果。雖然傳統(tǒng)課堂中也有各類小測驗(yàn)，但是通常受限于時間，只能關(guān)注到一部分學(xué)生是否掌握；MOOC的課后測驗(yàn)由系統(tǒng)直接評判，學(xué)生提交答案就能知道測驗(yàn)結(jié)果，有利于學(xué)生根據(jù)測驗(yàn)情況，對照檢查自身對視頻內(nèi)容的理解情況，及時發(fā)現(xiàn)問題，并可反復(fù)觀看視頻進(jìn)行學(xué)習(xí)。

單元測試和單元作業(yè)設(shè)置在單元結(jié)束之后，是對某個單元的整體學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行評估。完成時間一般設(shè)置為一周；單元測試由系統(tǒng)直接評判，系統(tǒng)提供3次測試機(jī)會，每次測試題目隨機(jī)抽取，取3次成績中最好的成績作為本單元的最終成績。單元作業(yè)一般為主觀題，可由學(xué)生之間進(jìn)行互評，每位學(xué)生評價他人作業(yè)不少于3份，每份作業(yè)必須有3位學(xué)生進(jìn)行評價才能得到最終成績，如少于3位則由教師進(jìn)行判分。

討論區(qū)是課堂的延伸，是一種在線即時討論方式，主要分為兩種討論模式：一種是教師引導(dǎo)的討論，主要針對當(dāng)前所學(xué)知識點(diǎn)提出一些拓展或思考的問題，由學(xué)生進(jìn)行討論；另一種是學(xué)生主導(dǎo)的討論，均有一定的時效性要求，需要教師及時參與，同時鼓勵學(xué)生共同參與討論，營造一種學(xué)生之間互幫互助的學(xué)習(xí)氛圍。

由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程涉及很多算法，為了讓學(xué)生更容易理解，教師可提供一些生動且易于理解的動畫，如在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)MOOC中，我們提供了11個算法動畫視頻，以加強(qiáng)學(xué)生對相應(yīng)算法的理解。

2.3 教學(xué)視頻錄制

準(zhǔn)備工作完成后就進(jìn)入視頻錄制階段，MOOC課程中教學(xué)視頻的錄制可采用拍攝或錄屏的方式，拍攝可以請第三方專業(yè)制作公司錄制，或者進(jìn)行課堂實(shí)錄。錄制過程須考慮展示方式、語言表達(dá)的清楚流暢、語速的控制、音質(zhì)、機(jī)位、提詞器等問題；為了保證整體畫面的協(xié)調(diào)，在視頻錄制時還須考慮服裝、字體顏色等的搭配；后期剪輯生成時還要考慮畫語互補(bǔ)、片頭、片尾、剪輯前后的銜接性、視頻的生成質(zhì)量等問題。我們在視頻制作中采用16：9的畫幅、1080p的視頻顯示格式。

2.4 課程上線

我校數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)MOOC選擇在中國大學(xué)MOOC網(wǎng)站上進(jìn)行發(fā)布。開課前的準(zhǔn)備工作包括3部分：①設(shè)置課程團(tuán)隊(duì)。課程團(tuán)隊(duì)所有教師自行注冊，并完成實(shí)名認(rèn)證，由課程負(fù)責(zé)人將團(tuán)隊(duì)教師加入課程團(tuán)隊(duì)。②發(fā)布課程介紹頁。發(fā)布課程基本信息、開課時間、推介、課程介紹、證書要求、介紹視頻、課程大綱等信息；課程介紹視頻類似于一個大片的花絮，因此必須精心制作，以通過這個片花讓“觀眾”一窺整個課程的風(fēng)貌，進(jìn)而吸引其選課；我們使用1'30"的視頻，以虛實(shí)結(jié)合的方式進(jìn)行課程介紹。③發(fā)布教學(xué)單元內(nèi)容。中國大學(xué)MOOC 平臺提供視頻、文檔、富文本、隨堂測驗(yàn)和討論5種教學(xué)類型進(jìn)行編輯添加；教學(xué)視頻發(fā)布可以利用視頻庫，首先將內(nèi)容上傳到庫，然后發(fā)布教學(xué)單元時根據(jù)需要進(jìn)行組合，提高效率；單元內(nèi)容發(fā)布完成后，可使用“預(yù)覽”功能查看發(fā)布效果，并進(jìn)行修改；最后修改發(fā)布時間為正式開課時間，點(diǎn)擊發(fā)布后就進(jìn)入正式開課階段。

2.5 課程開設(shè)與維護(hù)

我校數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)MOOC課程于2016年9月9日在中國大學(xué)MOOC—愛課程網(wǎng)站上首次開課，課程時長為10周，每周約4小時的課程。課程資源包括93個按知識點(diǎn)劃分的視頻（共392分鐘的教學(xué)視頻）、41個課件和11個算法動畫視頻，布置了110個單元測驗(yàn)習(xí)題和24個編程作業(yè)題，共有10 314人選課，最后達(dá)到畢業(yè)要求獲得證書的學(xué)生是65人合格，24人優(yōu)秀。

課程開始后，課程團(tuán)隊(duì)充分利用討論區(qū)與學(xué)生進(jìn)行交流互動，對學(xué)生作業(yè)進(jìn)行評價。對于在線課程而言，互動是非常重要的，因此課程對教師的投入時間要求較高。只有學(xué)生之間良好互動加上教師及時答疑解惑，才能使在線課程更好發(fā)揮作用。

MOOC學(xué)習(xí)中，對學(xué)生主要是以作業(yè)、互動情況和期末考試成績作為評分依據(jù)，因此，我們采用的評分標(biāo)準(zhǔn)是單元測驗(yàn)占40%；單元作業(yè)占10%；期末考試占40%；課堂討論占10%，課堂討論按活躍度計(jì)算，滿分至少30個回復(fù)，對課程中設(shè)置的討論題進(jìn)行一次回復(fù)算1個活躍度。

在MOOC課程中，課間提問、課后測驗(yàn)和單元測驗(yàn)一般都為客觀題，可由系統(tǒng)自動評分，但是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為一門程序設(shè)計(jì)類課程，要求學(xué)生具有解決問題的實(shí)際能力，那么編程題必不可少。因此，我們在單元作業(yè)中布置編程題，如果采用學(xué)生互評方式，學(xué)生的專業(yè)水平本來就參差不齊，每人掌握的語言可能也有不同，這給互評帶來很大的難度和隨意性；但是如果都由教師進(jìn)行評分，也存在巨大的工作量問題。這就是我們在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)MOOC建設(shè)過程中遇到的一個亟待解決的問題——在線測評系統(tǒng)的缺乏。雖然多數(shù)高校都有自己的在線測評系統(tǒng)，但是學(xué)生是在MOOC上注冊的在線學(xué)習(xí)，用所在學(xué)校的測評系統(tǒng)，又會涉及與MOOC平臺的對接問題。由于缺少測試平臺，期末考試均為主觀題，只能考查學(xué)生的理論掌握水平，我們急切期待MOOC平臺能推出在線測評系統(tǒng)。

由于MOOC的教學(xué)實(shí)施與考核都是在無人監(jiān)督的狀態(tài)下進(jìn)行的，目前尚無有效技術(shù)手段保證考核結(jié)果和證書獲得者與課程具有可信的對應(yīng)關(guān)系，因此，國內(nèi)對于MOOC的考核只能作為教師或?qū)W生了解學(xué)習(xí)效果的一種參考。美國的MOOC組織者如Coursera、edX等，是通過線下有監(jiān)督的考試頒發(fā)更有參考價值的證書，但其規(guī)模受到人力資源如閱卷教師的限制。

3 結(jié) 語

2017年1月11日中國大學(xué)在線開放課程論壇上，愛課程中心吳博主任通過對中國MOOC課程的統(tǒng)計(jì)分析，得出如下結(jié)論：①本科學(xué)生人群最青睞MOOC學(xué)習(xí)。學(xué)生群體中本科大一、大二年級的學(xué)生占據(jù)了MOOC學(xué)習(xí)中半數(shù)以上的比例；在職群體中同樣是本科學(xué)歷的學(xué)生在半數(shù)以上。②年輕人更愛學(xué)慕課。MOOC學(xué)習(xí)用戶中整體年齡年輕化，18—23周歲用戶比例為71.11%，24—26周歲用戶比例為9.07%。③課程通過率最高達(dá)到46.08%。平臺整體課程通過率為1.5%，排名前10位的課程通過率均在20%以上，通過率在10%以上的課程有41門。④累計(jì)注冊人數(shù)突破620萬，累計(jì)選課人次突破2 000萬。

MOOC課程的使用一般有純MOOC式教學(xué)、MOOC+SPOC方式、純SPOC方式和嵌入課程教學(xué)式，即MOOC僅僅作為一種資源，具體采用哪種方法，與各個學(xué)校的師資力量和教學(xué)內(nèi)容需求相關(guān)。相信隨著更多MOOC課程的涌現(xiàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)的方式更加多樣化，所謂教學(xué)相長，也會促進(jìn)更多教師采用先進(jìn)的教學(xué)資源和教學(xué)手段投入MOOC建設(shè)和MOOC資源的應(yīng)用，培養(yǎng)出更多具有自主學(xué)習(xí)精神、善于思辨和交流討論的學(xué)生，為社會輸送更多優(yōu)秀的復(fù)合型人才。

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