在線評(píng)判在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用論文
1背景
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)及相關(guān)學(xué)科的核心課程，教學(xué)環(huán)節(jié)包括理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)。實(shí)踐教學(xué)不僅是幫助學(xué)生理解基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法，培養(yǎng)學(xué)生算法設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能力的主要教學(xué)環(huán)節(jié)，更是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐探索興趣、科學(xué)研究素養(yǎng)、工程創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神的重要手段。在教育部實(shí)施的“高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程中，提出要“高度重視實(shí)踐環(huán)節(jié)，提高學(xué)生實(shí)踐能力”，并通過(guò)重點(diǎn)建設(shè)一批國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，大力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革和創(chuàng)新。隨著國(guó)家對(duì)高等教育資金投入的不斷增加，高校實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備和環(huán)境得到了極大的改善。然而，良好的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和環(huán)境與實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量并未成正比，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的實(shí)踐教學(xué)就是其中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，學(xué)生動(dòng)手能力差，教師考核難，其原因在于實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段、實(shí)驗(yàn)考核方法不能適應(yīng)大眾化教育。存在的問(wèn)題主要有：學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力較弱，影響了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)能力的訓(xùn)練;實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限，師資相對(duì)不足，學(xué)生不能得到及時(shí)有效的指導(dǎo)，難以在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù);考核方式落后，達(dá)不到評(píng)價(jià)與激勵(lì)的作用等。將在線評(píng)判應(yīng)用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的實(shí)踐教學(xué)，有利于改善實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。
2基于在線評(píng)判的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)
在線評(píng)判(online judge)基于Web工作模式，允許用戶在線提交代碼，自動(dòng)進(jìn)行編譯、運(yùn)行，給出評(píng)判結(jié)果，將其用于程序設(shè)計(jì)類課程的實(shí)踐教學(xué)，可以不受時(shí)間和空間的限制，隨時(shí)學(xué)習(xí)與實(shí)踐，并得到實(shí)踐結(jié)果，既方便學(xué)習(xí)者實(shí)踐，也提高過(guò)程的監(jiān)控力度、減輕教師的工作負(fù)擔(dān)。針對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程實(shí)踐教學(xué)中存在的實(shí)驗(yàn)時(shí)間不足、考核結(jié)果不客觀等問(wèn)題，我們將在線評(píng)判應(yīng)用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)踐課程，借鑒ACM(association for computing machinery)競(jìng)賽模式，對(duì)實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容、方式方法、考核模式等進(jìn)行改革，堅(jiān)持“以學(xué)生為本”的教學(xué)理念，分層次設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容;開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和空間，變目標(biāo)考核為過(guò)程考核，加強(qiáng)師生之間、學(xué)生之間的交流;不定期組織程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽，以個(gè)性化培養(yǎng)為基礎(chǔ)，以創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力培養(yǎng)為目標(biāo)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)踐的積極性，賽學(xué)結(jié)合，因材施教，提高數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的實(shí)踐教學(xué)效果。
2.1研發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”
國(guó)內(nèi)已有成熟的在線評(píng)判軟件，如北京大學(xué)的“PKU Judge Online”、浙江大學(xué)的"ZOJ"，這些軟件建立了豐富的題庫(kù)資源，學(xué)生可以自由注冊(cè)、自主選擇題目進(jìn)行練習(xí)和訓(xùn)練，對(duì)提高學(xué)生的算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力有著巨大的作用。但是這些軟件更適用于競(jìng)賽，如果直接拿來(lái)用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，題庫(kù)的題目難度過(guò)大，而且學(xué)生要通過(guò)所有的測(cè)試數(shù)據(jù)并且在規(guī)定的時(shí)空范圍內(nèi)，才能得到正確的評(píng)判。這種非成功即失敗的.評(píng)判方式不適合初學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的學(xué)生。對(duì)于初學(xué)者，代碼設(shè)計(jì)考慮不周全是常態(tài)，上述評(píng)判方式會(huì)使學(xué)生不知所措，而且過(guò)多考慮算法的效率、邊界等問(wèn)題，也不利于學(xué)生把注意力放在核心算法的實(shí)現(xiàn)上，不符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，甚至?xí)箤W(xué)生失去學(xué)習(xí)與實(shí)踐的信心。
基于在線評(píng)判開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，功能應(yīng)包括題庫(kù)維護(hù)、學(xué)生管理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)考試、程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽、抄襲檢測(cè)、成績(jī)分析、論壇、排行榜等。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)既能用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、考試，也能用于程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽，其核心功能是對(duì)學(xué)生提交的代碼在線評(píng)判，提供多組測(cè)試數(shù)據(jù)，根據(jù)通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)的組數(shù)，評(píng)判學(xué)生的實(shí)驗(yàn)或考試成績(jī)，使學(xué)習(xí)與訓(xùn)練循序漸進(jìn)、逐漸提高。由于在線評(píng)判，學(xué)生能立即知道自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有問(wèn)題可以在論壇留言，教師和學(xué)生都可以解答，部分解決了教師不足、指導(dǎo)不到位的問(wèn)題。其中，排行榜按學(xué)生獲得正確結(jié)果的題目數(shù)排序，給學(xué)生以良性刺激，使學(xué)生學(xué)有干勁，趕有目標(biāo)，既有壓力，也有動(dòng)力，積極參與實(shí)驗(yàn)與競(jìng)賽。
2.2開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)
“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”不僅應(yīng)用于平時(shí)集中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也24小時(shí)對(duì)學(xué)生開(kāi)放，只要有瀏覽器，能夠登錄校園網(wǎng)，均可以學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、答疑、討論、測(cè)試，擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和空間。通過(guò)查看平臺(tái)上學(xué)生的實(shí)驗(yàn)記錄，可以看出學(xué)生的參與率達(dá)到了98%。平臺(tái)調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)意識(shí)，為學(xué)生營(yíng)造了一個(gè)全天候的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)境，使學(xué)生能夠隨時(shí)上機(jī)實(shí)驗(yàn)并及時(shí)獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隨時(shí)提出問(wèn)題并得到解答。由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)放，學(xué)生有足夠的訓(xùn)練時(shí)間，能通過(guò)循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)到進(jìn)步與成功，增強(qiáng)自信心，逐步提高程序設(shè)計(jì)能力、計(jì)算思維能力、實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力，解決實(shí)驗(yàn)時(shí)間不足的問(wèn)題。
學(xué)生通過(guò)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其學(xué)習(xí)行為與實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果都保留在平臺(tái)上，有助于教師分析學(xué)生的個(gè)體學(xué)習(xí)策略和協(xié)作學(xué)習(xí)策略，總結(jié)學(xué)生的基本學(xué)習(xí)和實(shí)踐活動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，能規(guī)范教師的基本教學(xué)活動(dòng)，改變傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)管理模式。以學(xué)生為中心、以在線評(píng)判系統(tǒng)為工具，可以為學(xué)生提供集中和開(kāi)放相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境;在實(shí)驗(yàn)室集中輔導(dǎo)，能面對(duì)面解決學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題;開(kāi)放環(huán)境不限時(shí)間、地點(diǎn)，學(xué)生隨時(shí)可以通過(guò)"數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)"選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成實(shí)驗(yàn)，并利用在線評(píng)判系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)利用平臺(tái)的交流工具得到幫助和指導(dǎo)，解決實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)力度不夠的問(wèn)題。
2.3按類、分層次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
學(xué)習(xí)者的認(rèn)知能力是有差異的，教育工作者必須承認(rèn)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(dá)到最大化。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)建立有層次、有梯度的實(shí)驗(yàn)與考核項(xiàng)目庫(kù)。有層次指將其分為驗(yàn)證型題目、設(shè)計(jì)型題目，如線性表的實(shí)驗(yàn)，分為兩類題，一類是線性表的順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)及鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)，屬于驗(yàn)證型題目，一類是集合的交、并集運(yùn)算，即應(yīng)用線性表解決實(shí)際問(wèn)題，屬于設(shè)計(jì)型題目。每一個(gè)教學(xué)層次應(yīng)準(zhǔn)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(biāo)�！皵�(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”改變ACM競(jìng)賽平臺(tái)非對(duì)即錯(cuò)的評(píng)判方法，將測(cè)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(xué)生提交的代碼通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)組數(shù)，評(píng)定學(xué)生的考試成績(jī)，只有通過(guò)全部測(cè)試數(shù)據(jù)才能得到滿分。題目的分層與評(píng)判的梯度性符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，使學(xué)生能依據(jù)自己的知識(shí)水平和實(shí)踐能力，有計(jì)劃、循序漸進(jìn)地在實(shí)踐中得到提高，保證了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量。
2.4組織程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽
競(jìng)賽是課外延伸訓(xùn)練，貫穿教學(xué)始終，目的是使學(xué)有余力的學(xué)生與校內(nèi)、校外學(xué)生同臺(tái)競(jìng)技，既增加了學(xué)習(xí)的趣味性，也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神，鍛煉了學(xué)生的挑戰(zhàn)能力。由師生共同研發(fā)與維護(hù)的在線評(píng)判系統(tǒng)(Judge Online)，從各高校的ACM題庫(kù)中選取適合本校學(xué)生的題目，也自主設(shè)計(jì)一些題目供學(xué)生練習(xí)，并給予學(xué)生一定的指導(dǎo)。學(xué)生可以自主地選擇并完成若干道題目。通過(guò)開(kāi)放的在線評(píng)判系統(tǒng)，學(xué)生可以自主練習(xí)，也可以參加院內(nèi)組織的競(jìng)賽，還可以通過(guò)競(jìng)賽選拔“基礎(chǔ)扎實(shí)、具有潛力”的優(yōu)秀學(xué)生參加國(guó)內(nèi)組織的ACM競(jìng)賽，既提高學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力、算法設(shè)計(jì)能力、英語(yǔ)閱讀能力，也加強(qiáng)校際間的合作與交流，使“課程與競(jìng)賽”形成良性的互動(dòng)循環(huán)機(jī)制。
2.5全程實(shí)驗(yàn)考核
在線評(píng)判數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，一方面實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)與程序設(shè)計(jì)題的自動(dòng)批閱，解決了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)考核中算法設(shè)計(jì)題閱卷強(qiáng)度大、主觀性強(qiáng)的問(wèn)題，另一方面在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以在線評(píng)判程序的正確性，解決了學(xué)生人數(shù)多，教師不能檢查所有學(xué)生的程序代碼而影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)度的問(wèn)題。由于程序自動(dòng)評(píng)判的效率很高，使得過(guò)程考核成為可能，通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的抄襲檢測(cè)功能，能夠在一定程度上解決抄襲的問(wèn)題。通常按知識(shí)點(diǎn)將實(shí)驗(yàn)分為6個(gè)單元，分別是線性表、棧與隊(duì)列、樹(shù)與二叉樹(shù)、圖、查找、排序，實(shí)驗(yàn)與理論課程同步進(jìn)行。每一單元都設(shè)置開(kāi)始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間，學(xué)生必須在結(jié)束時(shí)間之前完成實(shí)驗(yàn)�？己朔譃�4個(gè)階段，即線性表、樹(shù)與二叉樹(shù)、圖、查找與排序，實(shí)驗(yàn)考核在相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后進(jìn)行，4個(gè)階段的考核成績(jī)合計(jì)作為實(shí)驗(yàn)課考核成績(jī)，最終并入課程的考核總成績(jī)。由于采取全過(guò)程實(shí)踐教學(xué)考核模式，學(xué)生必須注重平時(shí)的實(shí)踐訓(xùn)練，聚沙成塔，才能順利通過(guò)考核。全過(guò)程考核能夠比較真實(shí)地考核學(xué)生的實(shí)踐能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自我約束能力和自我管理能力，解決了實(shí)驗(yàn)考核結(jié)果不客觀的問(wèn)題。
3結(jié)語(yǔ)
經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐，在線評(píng)判應(yīng)用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的實(shí)踐教學(xué)，教學(xué)效果有顯著的提高，也得到了大多數(shù)學(xué)生的認(rèn)可�！皵�(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”為學(xué)生營(yíng)造了一個(gè)全天候的實(shí)踐環(huán)境，使學(xué)生能夠隨時(shí)學(xué)習(xí)與實(shí)踐，壓力適度、階梯遞進(jìn)、自主互動(dòng)，逐步提高了算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力。近年來(lái)，學(xué)校有30%以上的學(xué)生獲得“挑戰(zhàn)杯”、ACM、數(shù)學(xué)建模等省級(jí)以上競(jìng)賽獎(jiǎng)勵(lì);35%的學(xué)生參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目;學(xué)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(guān)注學(xué)生的個(gè)體差異，以學(xué)生為本，修改和完善實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目庫(kù)和考核項(xiàng)目庫(kù)，使之層次分明、梯度合理，為提高數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及程序設(shè)計(jì)課程的實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量不斷探索與實(shí)踐。
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