留學(xué)生“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法”課程教學(xué)模式探究

劉 影，岳 靜，楊先鳳

（西南石油大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610500）

引言

教育為國家富強(qiáng)、民族繁榮、人民幸福之本。隨著我國綜合實力和經(jīng)濟(jì)實力的進(jìn)一步提升，我國高等教育國際化進(jìn)程加速，來華留學(xué)生規(guī)模逐年增長。2021年留學(xué)生數(shù)量突破44萬，中國成為亞洲最大留學(xué)目的國。特別是我國從2013年提出“一帶一路”倡議以來，在人文交流先行思想指導(dǎo)下，我國與“一帶一路”國家加強(qiáng)教育合作、擴(kuò)大人文交流、共同培養(yǎng)人才，為區(qū)域發(fā)展提供支撐。在此背景下，“一帶一路”沿線國家來華留學(xué)生數(shù)量急劇增加，結(jié)構(gòu)和層次不斷提升。來華留學(xué)生打破以漢語學(xué)習(xí)為主的格局，理、工、農(nóng)、醫(yī)類學(xué)科留學(xué)生比例分布更加合理?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展綱要（2010—2020）》提出“進(jìn)一步擴(kuò)大留學(xué)生規(guī)?！薄皟?yōu)化來華留學(xué)生人員結(jié)構(gòu)”“提高來華留學(xué)生教育質(zhì)量”，為中國高校國際化發(fā)展指明了方向。留學(xué)生規(guī)模和培養(yǎng)質(zhì)量在一定程度上反映了高等學(xué)校的教育水平。在國務(wù)院頒布的《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》中提出“營造良好的國際化教學(xué)和科研環(huán)境，增強(qiáng)對外籍優(yōu)秀教師和高水平留學(xué)生的吸引力”。留學(xué)生培養(yǎng)成為“雙一流”大學(xué)建設(shè)的組成部分和建設(shè)成效的重要衡量指標(biāo)，提升留學(xué)生教育質(zhì)量是培養(yǎng)知華友華的國際各領(lǐng)域優(yōu)秀人才的主要途徑。

西南石油大學(xué)計算機(jī)科學(xué)學(xué)院現(xiàn)有計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程專業(yè)本科、碩士留學(xué)生近100人，主要來自孟加拉國、印度尼西亞、馬來西亞等亞非國家。自2019年開始，作者對計算機(jī)科學(xué)學(xué)院本科留學(xué)生開展了連續(xù)三年的全英文“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法”課程教學(xué)工作，累積授課學(xué)時超過190學(xué)時，聽課學(xué)生70余人。由于留學(xué)生的學(xué)科基礎(chǔ)、文化背景、學(xué)習(xí)方式和習(xí)慣、求學(xué)目的與中國學(xué)生均有明顯差異，作者深刻感受到必須針對留學(xué)生課程進(jìn)行建設(shè)與教學(xué)模式改革，以培養(yǎng)適應(yīng)國際化需求的計算機(jī)專業(yè)技術(shù)人才。

二、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法”留學(xué)生課程概況

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法”課程是計算機(jī)大類專業(yè)留學(xué)生的核心基礎(chǔ)課，總學(xué)時為64學(xué)時。該課程理論和實踐性強(qiáng)、內(nèi)容豐富且抽象。通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法，熟悉算法復(fù)雜性分析，培養(yǎng)學(xué)生對問題的抽象和建模能力，為學(xué)生分析和解決計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題奠定良好的基礎(chǔ)。本課程的學(xué)習(xí)效果直接影響到學(xué)生后續(xù)課程學(xué)習(xí)的積極性和信心，也影響著學(xué)生對抽象建模和程序設(shè)計能力的培養(yǎng)。

根據(jù)教育部頒布的《來華留學(xué)生高等教育質(zhì)量規(guī)范》，來華留學(xué)生在學(xué)科專業(yè)上的培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求與所在學(xué)校和專業(yè)的中國學(xué)生一致。西南石油大學(xué)計算機(jī)大類專業(yè)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法”課程的授課目標(biāo)是：“使學(xué)生理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念、計算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)對象的表示和特性，掌握數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)以及各種基本操作的實現(xiàn)，能夠針對實際問題選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并設(shè)計出結(jié)構(gòu)清晰、正確易讀、復(fù)雜性較優(yōu)的算法；能夠綜合運用所學(xué)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識、算法分析與設(shè)計知識解決較復(fù)雜的實際工程問題；掌握對算法進(jìn)行時間、空間復(fù)雜性分析的基本技能”。

三、留學(xué)生課程體驗中的主要問題

北京師范大學(xué)一項針對來華留學(xué)生全英文授課項目的就讀體驗調(diào)查表明，留學(xué)生對教學(xué)質(zhì)量基本感到滿意，但對課程教學(xué)主要有以下意見：開課前教師提供詳細(xì)課程計劃的現(xiàn)象非常少見，學(xué)生不知道課程進(jìn)程安排；在教學(xué)深度上，教師對思想的啟迪有所欠缺，按照PPT照本宣科的現(xiàn)象比較普遍，不能促發(fā)學(xué)生思考，沒有認(rèn)知上的進(jìn)一步拓展；教師對留學(xué)生要求標(biāo)準(zhǔn)較低且不嚴(yán)格。這一調(diào)查結(jié)果在一定程度上反映了其他高校留學(xué)生教學(xué)中的問題。課程是教學(xué)活動的主要載體，學(xué)生對課程內(nèi)容、形式及質(zhì)量的評價將影響其留學(xué)的整體體驗。

四、任務(wù)驅(qū)動型教學(xué)模式

傳統(tǒng)的課堂講授為主的授課方式以知識為導(dǎo)向、教師為主體，學(xué)生被動接受教師的知識灌輸，對學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨立思考和解決問題能力的培養(yǎng)明顯不足。特別是留學(xué)生在語言交流上不夠順暢，教師講授為主的授課方式更加難以吸引學(xué)生參與課堂教學(xué)。

針對留學(xué)生的課程體驗反饋和傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式的不足，我們采用任務(wù)驅(qū)動型教學(xué)模式，開展以學(xué)生為主體、以問題為導(dǎo)向、以綜合案例貫穿零散知識點的授課模式實施教學(xué)改革。通過提出具體的分階段任務(wù)，要求學(xué)生獨立完成一系列子任務(wù)，最終實現(xiàn)課程目標(biāo)。任務(wù)驅(qū)動方式能夠調(diào)動學(xué)生主動探索式學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)生對課程參與度的提升直接導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量的提升。

（一）任務(wù)案例的設(shè)計思路

任務(wù)驅(qū)動型教學(xué)方法要求學(xué)生完成一系列子任務(wù)，最終實現(xiàn)一個完整的綜合任務(wù)。實現(xiàn)任務(wù)案例需要靈活運用課程覆蓋的全部主要知識點，打破以往線性表、樹、圖、查找與排序、算法復(fù)雜度分析等知識點零散應(yīng)用的方式，采用一個相對獨立、完整、復(fù)雜的案例貫穿主要知識點。任務(wù)案例的設(shè)計是任務(wù)驅(qū)動型教學(xué)模式的關(guān)鍵，案例可在課程實施過程中根據(jù)本學(xué)科發(fā)展和教師的科研項目進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，但必須能體現(xiàn)課程學(xué)習(xí)的達(dá)成度。

（二）基于新冠疫情防控研究的案例設(shè)計舉例

這里我們以基于新冠疫情防控研究的案例為例，說明任務(wù)驅(qū)動型課程的教學(xué)設(shè)計和實施過程。新冠病毒引發(fā)的流行病在世界范圍內(nèi)暴發(fā)，給人類的生產(chǎn)、生活造成極大的影響。世界各國在應(yīng)對疫情過程中付出了巨大的經(jīng)濟(jì)代價，流行病的傳播與控制是人類共同關(guān)注的話題。我們以新冠疫情防控為背景，提出“構(gòu)建人類接觸傳播網(wǎng)絡(luò)并識別網(wǎng)絡(luò)中最具影響力的傳播源”這一問題作為課程任務(wù)案例。為解決該問題，需要應(yīng)用“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法”課程主要知識點，包含線性表、堆棧、隊列、樹、圖、查找和排序等，實現(xiàn)對人類接觸網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、感染個體的加入與刪除、最具影響力的傳播源的識別與排序等。為了實現(xiàn)“新冠疫情中最有影響力的傳播源識別”這一任務(wù)，圍繞線性結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)、圖結(jié)構(gòu)、查找與排序等核心知識點，我們設(shè)計若干幾個子任務(wù)：（1）個體數(shù)據(jù)的采集及存儲；（2）人類接觸網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及分析；（3）網(wǎng)絡(luò)社區(qū)檢測；（4）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中心性的計算；（5）最有影響力的傳播源識別。

解決上子任務(wù)涉及知識點包括線性結(jié)構(gòu)的存儲及運算算法、圖結(jié)構(gòu)的存儲及運算算法、樹結(jié)構(gòu)的存儲及運算算法、查找和排序算法這五大核心知識模塊。我們設(shè)計針對上述任務(wù)的子任務(wù)，各子任務(wù)與課程知識點的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 綜合案例的任務(wù)分解

課程一開始就將任務(wù)下達(dá)給學(xué)生，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源預(yù)習(xí)相關(guān)章節(jié)，嘗試實現(xiàn)子任務(wù)。在實現(xiàn)任務(wù)過程中，學(xué)生可以靈活地應(yīng)用所學(xué)知識，提出創(chuàng)造性地解決問題的辦法。這種形式有利于促發(fā)學(xué)生的主動思考。

五、教學(xué)設(shè)計和實施

（一）教學(xué)過程設(shè)計

圍繞課程任務(wù)案例，將每個子任務(wù)的實現(xiàn)和相對應(yīng)的知識點設(shè)計為一個單元，每個單元分為課前預(yù)習(xí)、課堂理論教學(xué)、課后實踐、任務(wù)評價四個環(huán)節(jié)，如圖1所示。

圖1 教學(xué)過程階段劃分

在課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，教師向?qū)W生提供本單元學(xué)習(xí)指導(dǎo)。學(xué)習(xí)指導(dǎo)主要包括如下部分：應(yīng)掌握的知識點、在線英文學(xué)習(xí)資源、本單元學(xué)習(xí)完成后應(yīng)完成的子任務(wù)、課后作業(yè)提交方式及截止時間。計算機(jī)類課程的全英文在線資源較為豐富。如美國加州大學(xué)伯克利分校開設(shè)，內(nèi)容主要包括數(shù)組、字符串、鏈表、堆棧、隊列、樹、圖、壓縮存儲等結(jié)構(gòu)及其運算算法。美國普林斯頓大學(xué)開設(shè)，內(nèi)容包括最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法，特別是排序、查找、圖和字符串。澳大利亞昆士蘭大學(xué)開設(shè)，內(nèi)容主要包括貪心算法、動態(tài)規(guī)劃、分治法，基于圖的算法。這些教學(xué)內(nèi)容與我們課程目標(biāo)點基本吻合。學(xué)生可以通過訪問課程網(wǎng)站、在線開放課程，進(jìn)行課前自主學(xué)習(xí)，在此基礎(chǔ)上嘗試實現(xiàn)子任務(wù)。對任務(wù)截止時間的限定使得對留學(xué)生的管理更為嚴(yán)格和規(guī)范。

在課堂理論教學(xué)環(huán)節(jié)，首先組織學(xué)生對預(yù)習(xí)和任務(wù)初步探索過程中遇到的困難進(jìn)行討論，找準(zhǔn)學(xué)生學(xué)習(xí)難點。然后教師結(jié)合自身的教學(xué)經(jīng)驗和學(xué)生的實際情況，重點突出地對關(guān)鍵知識點進(jìn)行講解，并以演示形式應(yīng)用在解決任務(wù)中。這一環(huán)節(jié)對教師的英文水平提出較高的要求。教師不但要講解自己熟悉的課程內(nèi)容，還要與來自不同國家、具有不同口音的留學(xué)生進(jìn)行面對面的交流。這就要求教師不斷錘煉自身英文授課的基本功，以便流暢地與學(xué)生進(jìn)行雙向交流。

在完成課堂教學(xué)之后，學(xué)生對關(guān)鍵知識點有了更深一步的理解。為了按時完成子任務(wù)，學(xué)生需要花費大量的課后時間結(jié)合開放學(xué)習(xí)資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。面對任務(wù)，學(xué)生能夠發(fā)揮個人的創(chuàng)造性，利用所學(xué)知識分析和解決問題。例如，在實現(xiàn)表1中所示子任務(wù)5“網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的接近中心性計算”時，學(xué)生需要自行查閱網(wǎng)絡(luò)科學(xué)相關(guān)論文，學(xué)習(xí)“接近中心性”的計算算法。由于接近中心性需要計算最短路徑，算法時間復(fù)雜度較高，學(xué)生需要選擇合適的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)使得計算復(fù)雜度較低。這樣在完成該任務(wù)時，鍛煉了學(xué)生的科研探索能力、綜合分析能力和對核心知識的應(yīng)用能力，實現(xiàn)了主動的課后延伸。

最后，教師組織學(xué)生一起對任務(wù)完成情況進(jìn)行評價。評價由任務(wù)完成報告和課堂報告兩部分組成。針對任務(wù)完成報告，主要評估學(xué)生是否完成任務(wù)所要求的功能和性能。由于課程學(xué)時所限，對于每個子任務(wù)選擇有代表性的1～2個同學(xué)進(jìn)行匯報，教師對報告內(nèi)容進(jìn)行點評，對學(xué)生完成任務(wù)的情況進(jìn)行反饋。與學(xué)生就任務(wù)進(jìn)行及時、明確的溝通，營造開放的課堂氛圍，能夠保證教學(xué)活動順利推進(jìn)，帶給學(xué)生更加積極的學(xué)習(xí)體驗。

（二）課后延伸

在學(xué)生順利完成課堂教學(xué)后，進(jìn)一步以多種渠道鼓勵學(xué)生進(jìn)行課后延伸，強(qiáng)化對課程內(nèi)容的掌握和調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。一是嘗試引導(dǎo)學(xué)生參加ACM國際大學(xué)生程序設(shè)計比賽、大學(xué)生互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等含金量高的大賽，二是鼓勵留學(xué)生加入教師科研團(tuán)隊，盡早展開科研訓(xùn)練。這樣不僅可以快速積累知識和經(jīng)歷，還為就業(yè)或繼續(xù)深造做好儲備。

結(jié)語

留學(xué)生是國際交流和合作的紐帶，提升來華留學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量是促進(jìn)我國高等教育國際化、提高國際影響力和培養(yǎng)知華友華的國際人才的必然要求。本文將任務(wù)驅(qū)動型教學(xué)方法引入留學(xué)生“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法”課程教學(xué)，舉例說明基于綜合案例的任務(wù)驅(qū)動型教學(xué)模式。通過提出任務(wù)和解決問題導(dǎo)向，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和能動性，同時利用學(xué)生的反饋信息激勵教師不斷地改進(jìn)教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容，將“教”與“學(xué)”統(tǒng)一起來，做到教學(xué)相長，切實提高留學(xué)生課程質(zhì)量。