摘要：為了應(yīng)對新工科背景下培養(yǎng)學(xué)生的要求，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”的課程教學(xué)需要在現(xiàn)存問題的基礎(chǔ)上，進(jìn)行課程創(chuàng)新改革。課程改革以工程實(shí)踐案例為基礎(chǔ)，搭建起問題引入、模型建立與問題解決的框架，結(jié)合實(shí)際工程問題的典型特征歸納、經(jīng)典模型提取手段，進(jìn)行課程創(chuàng)新改革，綜合培養(yǎng)新工科學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的綜合能力。在教學(xué)評估方向，建立起案例驅(qū)動(dòng)的立體評價(jià)體系，綜合考查學(xué)生的理論、邏輯與實(shí)踐三方面學(xué)習(xí)效果，實(shí)現(xiàn)全方位的學(xué)習(xí)效果評估。通過以上課程創(chuàng)新改革，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)學(xué)科缺乏與實(shí)際案例相結(jié)合的問題，提高了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

關(guān)鍵詞：新工科；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；教學(xué)改革；案例教學(xué)

1概述

新經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展迫切需要新型工科人才支撐，所以國家對工業(yè)人才的教育、思維和創(chuàng)新力提出更高的要求［12］。如何在新工科培養(yǎng)模式下，讓學(xué)生更加深刻理解“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程，提高解決實(shí)際問題的能力，是如今教學(xué)改革的重點(diǎn)。課程改革以案例教學(xué)為基礎(chǔ)，從實(shí)際工程案例出發(fā)，結(jié)合實(shí)際案例去搭建問題解決模型，構(gòu)建創(chuàng)新型的課程教學(xué)體系，提高學(xué)生的主動(dòng)性、積極性、參與性［3］以及解決實(shí)際問題的能力。

2課程現(xiàn)狀

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”是我校人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)及相關(guān)專業(yè)本科生的一門專業(yè)必修課程。課程涵蓋內(nèi)容廣泛，理論性強(qiáng)，算法描述多使用抽象模型和偽代碼［4］，抽象性與邏輯性較高。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生感覺學(xué)習(xí)難度較大，就會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性不高，且新工科教育特別注重培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力［5］。所以，現(xiàn)如今教學(xué)中需要解決的問題主要有以下三個(gè)方面。

（1）分析復(fù)雜工程問題的經(jīng)驗(yàn)與手段。學(xué)生在“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程學(xué)習(xí)的過程中，將課本上的偽代碼算法完善成可執(zhí)行的程序，調(diào)試成功就算完成任務(wù)［6］。雖然可以提高其編程水平，但是不能提高其分析復(fù)雜工程問題的經(jīng)驗(yàn)與手段。

（2）課程知識點(diǎn)高度抽象化，無法直接作用于實(shí)際需要解決的工程問題?！皵?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”是一門比較抽象的課程，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”的“抽象”一直是一個(gè)困擾學(xué)生的關(guān)鍵點(diǎn)［7］。抽象的概念無法直接作用于實(shí)際需要解決的工程問題，提高了課程學(xué)習(xí)的難度，因此降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

（3）考核方式以理論知識為主，與評價(jià)學(xué)生問題解決能力的要求脫節(jié)?，F(xiàn)有的考核模式主要包括筆試期末考試和學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師根據(jù)試卷上理論知識的掌握和學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容來對學(xué)生成績做出不同的評價(jià)。這種考核模式僅考查了理論知識的掌握情況，無法對學(xué)生解決實(shí)際問題的能力進(jìn)行準(zhǔn)確評價(jià)。

3課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)背景

河南大學(xué)人工智能學(xué)院信息融合團(tuán)隊(duì)在處理網(wǎng)絡(luò)通信方面的實(shí)際工程問題，特別是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面有多年的經(jīng)驗(yàn)累積，團(tuán)隊(duì)核心成員具有較強(qiáng)的理論研究功底和突出的工程實(shí)現(xiàn)能力，主持國家自然科學(xué)基金課題4項(xiàng)，省部級項(xiàng)目7項(xiàng)，在SCI/EI學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文50余篇［8］。人工智能學(xué)院也非常關(guān)注“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程體系建設(shè)，委派團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人進(jìn)行課程建設(shè)，在經(jīng)費(fèi)方面也給予了大力支持。

4課程改革

教學(xué)改革構(gòu)建了以案例教學(xué)法為基礎(chǔ)的教學(xué)改革框架，以實(shí)際工程問題作為切入點(diǎn)，采用線上線下混合教學(xué)的手段，引領(lǐng)學(xué)生實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工程6DdwWKiHjfxJPXYI5vHpjQ==案例的解決。本章節(jié)以“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程中經(jīng)典知識點(diǎn)“最小二乘樹”為例，展示課程改革的體系、手段以及實(shí)施效果。以工程案例為驅(qū)動(dòng)，改革教學(xué)的架構(gòu)以問題解決流程為步驟，劃分為三個(gè)階段：問題引入—模型提取—案例解決。首先，在實(shí)際工程問題“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”里提取知識點(diǎn)進(jìn)行問題引入，然后運(yùn)用模型提取手段搭建解決模型，最后實(shí)現(xiàn)案例的解決。

4.1問題引入

現(xiàn)在需要解決的實(shí)際工程問題是“如何在一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)時(shí)刻中，尋找每個(gè)節(jié)點(diǎn)到移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的最佳傳輸路徑”。該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)、衛(wèi)星、Internet、控制中心和用戶組成，如圖1所示。

圖1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖

假設(shè)有N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過程中以速度v進(jìn)行移動(dòng)，通過閾值計(jì)算將每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分成各自的區(qū)域集合，然后在各自的區(qū)域中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)區(qū)域內(nèi)所有數(shù)據(jù)收集完成后，由圖中Ⅰ類傳感器節(jié)點(diǎn)對收集到的Ⅱ類傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，接著根據(jù)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前位置，將融合后的數(shù)據(jù)發(fā)送到移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)，直至移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)收集完全部數(shù)據(jù)，該輪數(shù)據(jù)傳輸就完成了。教師需要帶領(lǐng)學(xué)生找到此時(shí)刻每個(gè)收集好各自區(qū)域的Ⅰ類傳感器節(jié)點(diǎn)，將融合后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的最佳路徑，也就是由移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)和Ⅰ類傳感器節(jié)點(diǎn)組成的最小生成樹，因此需要進(jìn)行模型提取。

4.2模型提取

找到各個(gè)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)到移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的最佳傳輸路徑是為了節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗，延長此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。通過分析案例，為了找到最佳傳輸路徑，教師需引入最小生成樹模型解決該問題，如圖2所示，最上層移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)接收來自下兩層各個(gè)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)融合后的數(shù)據(jù)，即傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸路徑樹。

圖2無傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸路徑樹

4.3案例解決

在案例解決步驟中，實(shí)現(xiàn)對于傳感器網(wǎng)絡(luò)模型的抽象化，使其衍化成為“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程中的經(jīng)典模型，并通過教師的講述實(shí)現(xiàn)知識點(diǎn)的講解以及工程問題的解決。

在課程的教學(xué)過程中，線上線下混合教學(xué)的交互式教學(xué)手段貫穿整個(gè)過程中。線上部分注重學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，線下部分注重學(xué)生對問題更深層次的理解，成功將各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)深度融合，有效地提升了教學(xué)質(zhì)量［9］，如圖3所示。

圖3線上線下混合教學(xué)手段

在課前，教師先將本節(jié)課學(xué)生需要學(xué)習(xí)的最小生成樹基本概念發(fā)布在雨課堂上，讓學(xué)生進(jìn)行線上預(yù)習(xí)，并且鼓勵(lì)學(xué)生自己運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)［9］。通過線上預(yù)習(xí)，學(xué)生會(huì)對該節(jié)課需要學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)有了了解，能夠帶著自己的疑問在課堂上進(jìn)行學(xué)習(xí)，在探索中學(xué)習(xí)的模式可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在課堂上，首先教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行知識點(diǎn)的回顧與學(xué)習(xí)，接著引導(dǎo)學(xué)生將知識點(diǎn)與實(shí)際工程問題相結(jié)合，引入提取的解決模型；然后教師將學(xué)生分成小組，讓他們根據(jù)所學(xué)知識點(diǎn)和模型進(jìn)行討論；最后由教師匯總每個(gè)小組的討論結(jié)果，進(jìn)行比較，給出結(jié)論，得到該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)某一時(shí)刻的最小傳輸路徑生成樹，如圖4所示。每個(gè)Ⅰ類傳感器節(jié)點(diǎn)先將各自區(qū)域Ⅱ類傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收集并進(jìn)行信息融合后，將處理好的數(shù)據(jù)通過路徑（實(shí)線條或虛線條）傳輸給此時(shí)刻的移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)，每條線上的數(shù)字代表著從發(fā)送傳感器到接收傳感器的路徑權(quán)值，最佳傳輸路徑即最優(yōu)權(quán)值。將實(shí)際問題引入提取的解決模型后，可以得到由實(shí)線條、移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)V0以及5個(gè)傳感器區(qū)域集合V1、V2、V3、V4、V5組成的樹，就是該時(shí)刻的最小傳輸路徑生成樹，問題也隨之解決。在解決該實(shí)際工程案例后，教師根據(jù)考勤率、課堂小組討論的表現(xiàn)以及代碼完成度對學(xué)生進(jìn)行打分。

圖4傳輸路徑最小生成樹

課后，教師在雨課堂上發(fā)布習(xí)題，將該實(shí)際案例中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)另一時(shí)刻的移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)接收各個(gè)區(qū)域數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚÷窂缴蓸渥鳛榕e一反三的測試，來檢驗(yàn)學(xué)生是否在課堂中掌握了該知識點(diǎn)，并且在雨課堂上設(shè)立線上答疑和討論區(qū)，學(xué)生有不懂的問題可以留言給教師進(jìn)行解答，同學(xué)之間也可以相互交流討論。

4.4課程效果評估與效果

課程效果評估則由教師建立起案例驅(qū)動(dòng)的立體評價(jià)體系，綜合考查學(xué)生理論、邏輯與實(shí)踐三方面的學(xué)習(xí)效果，實(shí)現(xiàn)全方位的學(xué)習(xí)效果評估。理論方面以期末考試成績?yōu)橹?，?shí)驗(yàn)報(bào)告為輔。期末考試采用閉卷形式，主要考核學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握和理解，占總成績的50%。邏輯與實(shí)踐方面以平時(shí)課堂表現(xiàn)為主，小組討論為輔，占總成績的50%。在集體討論的過程中，教師檢查學(xué)生是否能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識點(diǎn)與實(shí)際工程案例相結(jié)合，打破傳統(tǒng)思維的禁錮，提高創(chuàng)新能力，以及是否可以解決課后小測的實(shí)際工程問題。

在河南大學(xué)的100名人工智能專業(yè)本科生中進(jìn)行教學(xué)改革實(shí)踐后，進(jìn)行了分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)，如下表所示。從表中可以看出，所有學(xué)生的期末成績均為良好。同時(shí)，通過課中以及課后的師生討論也可以看出，在教學(xué)改革之后，同學(xué)不僅真正掌握了“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的知識，還可以熟練運(yùn)用“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的知識解決實(shí)際工程問題，這種思維也為其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定了良好的基礎(chǔ)。

結(jié)語

在新工科背景下，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力是我國高等教育的發(fā)展趨勢。本項(xiàng)目立足新工科背景下人才培養(yǎng)的要求，以教學(xué)案例為切入點(diǎn)，利用線上線下混合教學(xué)手段，在課堂中將知識點(diǎn)與實(shí)際案例相結(jié)合，用經(jīng)典模型提取手段建立模型將實(shí)際問題解決，進(jìn)行課程創(chuàng)新改革。同時(shí)，在教學(xué)過程中，采用立體評價(jià)體系。在提升教學(xué)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)學(xué)科與實(shí)際案例結(jié)合少的缺陷，還提高了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

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作者簡介：魏倩（1984—），女，漢族，河南開封人，博士，講師，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；陳贊如（2002—），女，漢族，河南商丘人，2022級碩士在讀，研究方向：水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議優(yōu)化。