在線(xiàn)評判在數據結構實(shí)踐教學(xué)中的應用論文
1背景
數據結構是計算機及相關(guān)學(xué)科的核心課程，教學(xué)環(huán)節包括理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)。實(shí)踐教學(xué)不僅是幫助學(xué)生理解基本的數據結構及實(shí)現方法，培養學(xué)生算法設計和實(shí)現能力的主要教學(xué)環(huán)節，更是培養學(xué)生實(shí)踐探索興趣、科學(xué)研究素養、工程創(chuàng )新能力、團隊協(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，提高學(xué)生實(shí)踐能力”，并通過(guò)重點(diǎn)建設一批國家級實(shí)驗教學(xué)示范中心，大力推進(jìn)實(shí)驗內容和實(shí)驗教學(xué)模式的改革和創(chuàng )新。隨著(zhù)國家對高等教育資金投入的不斷增加，高校實(shí)驗室的設備和環(huán)境得到了極大的改善。然而，良好的實(shí)驗設備和環(huán)境與實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量并未成正比，數據結構課程的實(shí)踐教學(xué)就是其中的一個(gè)薄弱環(huán)節，學(xué)生動(dòng)手能力差，教師考核難，其原因在于實(shí)驗教學(xué)內容、實(shí)驗教學(xué)手段、實(shí)驗考核方法不能適應大眾化教育。存在的問(wèn)題主要有：學(xué)生的程序設計能力較弱，影響了數據結構實(shí)現能力的訓練;實(shí)驗學(xué)時(shí)有限，師資相對不足，學(xué)生不能得到及時(shí)有效的指導，難以在有限的學(xué)時(shí)內完成實(shí)驗任務(wù);考核方式落后，達不到評價(jià)與激勵的作用等。將在線(xiàn)評判應用于數據結構課程的實(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(xiàn)評判的數據結構實(shí)踐教學(xué)設計
在線(xiàn)評判(online judge)基于Web工作模式，允許用戶(hù)在線(xiàn)提交代碼，自動(dòng)進(jìn)行編譯、運行，給出評判結果，將其用于程序設計類(lèi)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)習與實(shí)踐，并得到實(shí)踐結果，既方便學(xué)習者實(shí)踐，也提高過(guò)程的監控力度、減輕教師的工作負擔。針對數據結構課程實(shí)踐教學(xué)中存在的實(shí)驗時(shí)間不足、考核結果不客觀(guān)等問(wèn)題，我們將在線(xiàn)評判應用于數據結構實(shí)踐課程，借鑒ACM(association for computing machinery)競賽模式，對實(shí)踐教學(xué)的內容、方式方法、考核模式等進(jìn)行改革，堅持“以學(xué)生為本”的教學(xué)理念，分層次設計實(shí)踐教學(xué)內容;開(kāi)放實(shí)驗的時(shí)間和空間，變目標考核為過(guò)程考核，加強師生之間、學(xué)生之間的交流;不定期組織程序設計競賽，以個(gè)性化培養為基礎，以創(chuàng )新精神、實(shí)踐能力培養為目標，充分調動(dòng)學(xué)生參與實(shí)踐的積極性，賽學(xué)結合，因材施教，提高數據結構課程的實(shí)踐教學(xué)效果。
2.1研發(fā)實(shí)驗教學(xué)軟件“數據結構實(shí)驗平臺”
國內已有成熟的在線(xiàn)評判軟件，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資源，學(xué)生可以自由注冊、自主選擇題目進(jìn)行練習和訓練，對提高學(xué)生的算法設計與實(shí)現能力有著(zhù)巨大的作用。但是這些軟件更適用于競賽，如果直接拿來(lái)用于數據結構的實(shí)驗教學(xué)，題庫的題目難度過(guò)大，而且學(xué)生要通過(guò)所有的測試數據并且在規定的時(shí)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(xué)數據結構課程的學(xué)生。對于初學(xué)者，代碼設計考慮不周全是常態(tài)，上述評判方式會(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)現上，不符合學(xué)生的認知規律，甚至會(huì )使學(xué)生失去學(xué)習與實(shí)踐的信心。
基于在線(xiàn)評判開(kāi)發(fā)數據結構實(shí)驗平臺，功能應包括題庫維護、學(xué)生管理、數據結構實(shí)驗、數據結構考試、程序設計競賽、抄襲檢測、成績(jì)分析、論壇、排行榜等。該實(shí)驗平臺既能用于數據結構的實(shí)驗教學(xué)、考試，也能用于程序設計競賽，其核心功能是對學(xué)生提交的代碼在線(xiàn)評判，提供多組測試數據，根據通過(guò)測試數據的組數，評判學(xué)生的實(shí)驗或考試成績(jì)，使學(xué)習與訓練循序漸進(jìn)、逐漸提高。由于在線(xiàn)評判，學(xué)生能立即知道自己的實(shí)驗結果，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、指導不到位的問(wèn)題。其中，排行榜按學(xué)生獲得正確結果的題目數排序，給學(xué)生以良性刺激，使學(xué)生學(xué)有干勁，趕有目標，既有壓力，也有動(dòng)力，積極參與實(shí)驗與競賽。
2.2開(kāi)放實(shí)驗教學(xué)平臺
“數據結構實(shí)驗平臺”不僅應用于平時(shí)集中的實(shí)驗教學(xué)，也24小時(shí)對學(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、訓練、答疑、討論、測試，擴展了實(shí)驗的時(shí)間和空間。通過(guò)查看平臺上學(xué)生的實(shí)驗記錄，可以看出學(xué)生的參與率達到了98%。平臺調動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習興趣和自主學(xué)習意識，為學(xué)生營(yíng)造了一個(gè)全天候的數據結構與程序設計實(shí)踐環(huán)境，使學(xué)生能夠隨時(shí)上機實(shí)驗并及時(shí)獲得實(shí)驗結果，隨時(shí)提出問(wèn)題并得到解答。由于實(shí)驗平臺開(kāi)放，學(xué)生有足夠的訓練時(shí)間，能通過(guò)循序漸進(jìn)的實(shí)驗體驗到進(jìn)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(shí)踐能力與創(chuàng )新能力，解決實(shí)驗時(shí)間不足的問(wèn)題。
學(xué)生通過(guò)“數據結構實(shí)驗平臺”進(jìn)行實(shí)驗，其學(xué)習行為與實(shí)驗過(guò)程及結果都保留在平臺上，有助于教師分析學(xué)生的個(gè)體學(xué)習策略和協(xié)作學(xué)習策略，總結學(xué)生的基本學(xué)習和實(shí)踐活動(dòng)。在此基礎上，能規范教師的基本教學(xué)活動(dòng)，改變傳統的實(shí)踐教學(xué)管理模式。以學(xué)生為中心、以在線(xiàn)評判系統為工具，可以為學(xué)生提供集中和開(kāi)放相結合的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境;在實(shí)驗室集中輔導，能面對面解決學(xué)生實(shí)驗中的問(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)"數據結構實(shí)驗平臺"選擇實(shí)驗項目完成實(shí)驗，并利用在線(xiàn)評判系統對實(shí)驗結果進(jìn)行測試，同時(shí)利用平臺的交流工具得到幫助和指導，解決實(shí)驗指導力度不夠的問(wèn)題。
2.3按類(lèi)、分層次設計實(shí)驗內容
學(xué)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。在數據結構課程的實(shí)驗教學(xué)中，應建立有層次、有梯度的實(shí)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(xiàn)性表的實(shí)驗，分為兩類(lèi)題，一類(lèi)是線(xiàn)性表的順序存儲結構與實(shí)現及鏈式存儲結構與實(shí)現，屬于驗證型題目，一類(lèi)是集合的交、并集運算，即應用線(xiàn)性表解決實(shí)際問(wèn)題，屬于設計型題目。每一個(gè)教學(xué)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�！皵祿Y構實(shí)驗平臺”改變ACM競賽平臺非對即錯的評判方法，將測試數據分為多組，包括理想數據、邊界數據、特殊數據等，根據學(xué)生提交的代碼通過(guò)測試數據組數，評定學(xué)生的考試成績(jì)，只有通過(guò)全部測試數據才能得到滿(mǎn)分。題目的分層與評判的梯度性符合學(xué)生的認知規律，使學(xué)生能依據自己的知識水平和實(shí)踐能力，有計劃、循序漸進(jìn)地在實(shí)踐中得到提高，保證了數據結構實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量。
2.4組織程序設計競賽
競賽是課外延伸訓練，貫穿教學(xué)始終，目的是使學(xué)有余力的學(xué)生與校內、校外學(xué)生同臺競技，既增加了學(xué)習的趣味性，也培養了學(xué)生的創(chuàng )新精神，鍛煉了學(xué)生的挑戰能力。由師生共同研發(fā)與維護的在線(xiàn)評判系統(Judge Online)，從各高校的ACM題庫中選取適合本校學(xué)生的題目，也自主設計一些題目供學(xué)生練習，并給予學(xué)生一定的指導。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(xiàn)評判系統，學(xué)生可以自主練習，也可以參加院內組織的競賽，還可以通過(guò)競賽選拔“基礎扎實(shí)、具有潛力”的優(yōu)秀學(xué)生參加國內組織的ACM競賽，既提高學(xué)生的程序設計能力、算法設計能力、英語(yǔ)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(dòng)循環(huán)機制。
2.5全程實(shí)驗考核
在線(xiàn)評判數據結構的實(shí)驗結果，一方面實(shí)現了數據結構實(shí)驗與程序設計題的自動(dòng)批閱，解決了數據結構實(shí)驗考核中算法設計題閱卷強度大、主觀(guān)性強的問(wèn)題，另一方面在數據結構課程的實(shí)驗教學(xué)中，可以在線(xiàn)評判程序的正確性，解決了學(xué)生人數多，教師不能檢查所有學(xué)生的程序代碼而影響實(shí)驗教學(xué)進(jìn)度的問(wèn)題。由于程序自動(dòng)評判的效率很高，使得過(guò)程考核成為可能，通過(guò)實(shí)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(wèn)題。通常按知識點(diǎn)將實(shí)驗分為6個(gè)單元，分別是線(xiàn)性表、棧與隊列、樹(shù)與二叉樹(shù)、圖、查找、排序，實(shí)驗與理論課程同步進(jìn)行。每一單元都設置開(kāi)始時(shí)間與結束時(shí)間，學(xué)生必須在結束時(shí)間之前完成實(shí)驗�？己朔譃�4個(gè)階段，即線(xiàn)性表、樹(shù)與二叉樹(shù)、圖、查找與排序，實(shí)驗考核在相應的實(shí)驗結束之后進(jìn)行，4個(gè)階段的考核成績(jì)合計作為實(shí)驗課考核成績(jì)，最終并入課程的考核總成績(jì)。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，有利于培養學(xué)生的自我約束能力和自我管理能力，解決了實(shí)驗考核結果不客觀(guān)的問(wèn)題。
3結語(yǔ)
經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐，在線(xiàn)評判應用于數據結構課程的實(shí)踐教學(xué)，教學(xué)效果有顯著(zhù)的提高，也得到了大多數學(xué)生的認可�！皵祿Y構實(shí)驗平臺”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)，逐步提高了算法設計與實(shí)現能力。近年來(lái)，學(xué)校有30%以上的學(xué)生獲得“挑戰杯”、ACM、數學(xué)建模等省級以上競賽獎勵;35%的學(xué)生參加大學(xué)生創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)訓練計劃項目;學(xué)生第一作者發(fā)表論文多篇。今后我們要依據"最近發(fā)展區"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)驗項目庫和考核項目庫，使之層次分明、梯度合理，為提高數據結構及程序設計課程的實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量不斷探索與實(shí)踐。
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