線上評判在資料結構實踐教學中的應用論文
線上評判在資料結構實踐教學中的應用論文
1背景
資料結構是計算機及相關學科的核心課程，教學環節包括理論教學與實踐教學。實踐教學不僅是幫助學生理解基本的資料結構及實現方法，培養學生演算法設計和實現能力的主要教學環節，更是培養學生實踐探索興趣、科學研究素養、工程創新能力、團隊協作精神的重要手段。在教育部實施的“高等學校教學質量與教學改革工程中，提出要“高度重視實踐環節，提高學生實踐能力”，並透過重點建設一批國家級實驗教學示範中心，大力推進實驗內容和實驗教學模式的改革和創新。隨著國家對高等教育資金投入的不斷增加，高校實驗室的裝置和環境得到了極大的改善。然而，良好的實驗裝置和環境與實驗教學質量並未成正比，資料結構課程的實踐教學就是其中的一個薄弱環節，學生動手能力差，教師考核難，其原因在於實驗教學內容、實驗教學手段、實驗考核方法不能適應大眾化教育。存在的問題主要有：學生的程式設計能力較弱，影響了資料結構實現能力的訓練;實驗學時有限，師資相對不足，學生不能得到及時有效的指導，難以在有限的學時內完成實驗任務;考核方式落後，達不到評價與激勵的作用等。將線上評判應用於資料結構課程的實踐教學，有利於改善實踐教學環境，提高實踐教學質量。
2基於線上評判的資料結構實踐教學設計
線上評判(online judge)基於Web工作模式，允許使用者線上提交程式碼，自動進行編譯、執行，給出評判結果，將其用於程式設計類課程的實踐教學，可以不受時間和空間的限制，隨時學習與實踐，並得到實踐結果，既方便學習者實踐，也提高過程的監控力度、減輕教師的工作負擔。針對資料結構課程實踐教學中存在的實驗時間不足、考核結果不客觀等問題，我們將線上評判應用於資料結構實踐課程，借鑑ACM(association for computing machinery)競賽模式，對實踐教學的內容、方式方法、考核模式等進行改革，堅持“以學生為本”的教學理念，分層次設計實踐教學內容;開放實驗的時間和空間，變目標考核為過程考核，加強師生之間、學生之間的交流;不定期組織程式設計競賽，以個性化培養為基礎，以創新精神、實踐能力培養為目標，充分調動學生參與實踐的積極性，賽學結合，因材施教，提高資料結構課程的實踐教學效果。
2.1研發實驗教學軟體“資料結構實驗平臺”
國內已有成熟的線上評判軟體，如北京大學的“PKU Judge Online”、浙江大學的"ZOJ"，這些軟體建立了豐富的題庫資源，學生可以自由註冊、自主選擇題目進行練習和訓練，對提高學生的演算法設計與實現能力有著巨大的作用。但是這些軟體更適用於競賽，如果直接拿來用於資料結構的實驗教學，題庫的題目難度過大，而且學生要透過所有的測試資料並且在規定的時空範圍內，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資料結構課程的學生。對於初學者，程式碼設計考慮不周全是常態，上述評判方式會使學生不知所措，而且過多考慮演算法的效率、邊界等問題，也不利於學生把注意力放在核心演算法的實現上，不符合學生的認知規律，甚至會使學生失去學習與實踐的信心。
基於線上評判開發資料結構實驗平臺，功能應包括題庫維護、學生管理、資料結構實驗、資料結構考試、程式設計競賽、抄襲檢測、成績分析、論壇、排行榜等。該實驗平臺既能用於資料結構的實驗教學、考試，也能用於程式設計競賽，其核心功能是對學生提交的程式碼線上評判，提供多組測試資料，根據透過測試資料的組數，評判學生的實驗或考試成績，使學習與訓練循序漸進、逐漸提高。由於線上評判，學生能立即知道自己的實驗結果，有問題可以在論壇留言，教師和學生都可以解答，部分解決了教師不足、指導不到位的問題。其中，排行榜按學生獲得正確結果的題目數排序，給學生以良性刺激，使學生學有幹勁，趕有目標，既有壓力，也有動力，積極參與實驗與競賽。
2.2開放實驗教學平臺
“資料結構實驗平臺”不僅應用於平時集中的實驗教學，也24小時對學生開放，只要有瀏覽器，能夠登入校園網，均可以學習、訓練、答疑、討論、測試，擴充套件了實驗的時間和空間。透過檢視平臺上學生的實驗記錄，可以看出學生的參與率達到了98%。平臺調動了學生的學習興趣和自主學習意識，為學生營造了一個全天候的資料結構與程式設計實踐環境，使學生能夠隨時上機實驗並及時獲得實驗結果，隨時提出問題並得到解答。由於實驗平臺開放，學生有足夠的訓練時間，能透過循序漸進的實驗體驗到進步與成功，增強自信心，逐步提高程式設計能力、計算思維能力、實踐能力與創新能力，解決實驗時間不足的問題。
學生透過“資料結構實驗平臺”進行實驗，其學習行為與實驗過程及結果都保留在平臺上，有助於教師分析學生的個體學習策略和協作學習策略，總結學生的基本學習和實踐活動。在此基礎上，能規範教師的基本教學活動，改變傳統的實踐教學管理模式。以學生為中心、以線上評判系統為工具，可以為學生提供集中和開放相結合的實踐教學環境;在實驗室集中輔導，能面對面解決學生實驗中的問題;開放環境不限時間、地點，學生隨時可以透過"資料結構實驗平臺"選擇實驗專案完成實驗，並利用線上評判系統對實驗結果進行測試，同時利用平臺的交流工具得到幫助和指導，解決實驗指導力度不夠的問題。
2.3按類、分層次設計實驗內容
學習者的認知能力是有差異的，教育工作者必須承認並尊重智力差異，才能採取有效的措施，使受教育者都能得到最大的提高，教育效率達到最大化。在資料結構課程的實驗教學中，應建立有層次、有梯度的實驗與考核專案庫。有層次指將其分為驗證型題目、設計型題目，如線性表的實驗，分為兩類題，一類是線性表的順序儲存結構與實現及鏈式儲存結構與實現，屬於驗證型題目，一類是集合的交、並集運算，即應用線性表解決實際問題，屬於設計型題目。每一個教學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。“資料結構實驗平臺”改變ACM競賽平臺非對即錯的評判方法，將測試資料分為多組，包括理想資料、邊界資料、特殊資料等，根據學生提交的程式碼透過測試資料組數，評定學生的考試成績，只有透過全部測試資料才能得到滿分。題目的分層與評判的梯度性符合學生的認知規律，使學生能依據自己的知識水平和實踐能力，有計劃、循序漸進地在實踐中得到提高，保證了資料結構實踐教學的質量。
2.4組織程式設計競賽
競賽是課外延伸訓練，貫穿教學始終，目的是使學有餘力的學生與校內、校外學生同臺競技，既增加了學習的趣味性，也培養了學生的創新精神，鍛鍊了學生的挑戰能力。由師生共同研發與維護的線上評判系統(Judge Online)，從各高校的ACM題庫中選取適合本校學生的題目，也自主設計一些題目供學生練習，並給予學生一定的指導。學生可以自主地選擇並完成若干道題目。透過開放的線上評判系統，學生可以自主練習，也可以參加院內組織的競賽，還可以透過競賽選拔“基礎紮實、具有潛力”的優秀學生參加國內組織的ACM競賽，既提高學生的程式設計能力、演算法設計能力、英語閱讀能力，也加強校際間的合作與交流，使“課程與競賽”形成良性的互動迴圈機制。
2.5全程實驗考核
線上評判資料結構的實驗結果，一方面實現了資料結構實驗與程式設計題的自動批閱，解決了資料結構實驗考核中演算法設計題閱卷強度大、主觀性強的問題，另一方面在資料結構課程的實驗教學中，可以線上評判程式的正確性，解決了學生人數多，教師不能檢查所有學生的程式程式碼而影響實驗教學進度的問題。由於程式自動評判的效率很高，使得過程考核成為可能，透過實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題。通常按知識點將實驗分為6個單元，分別是線性表、棧與佇列、樹與二叉樹、圖、查詢、排序，實驗與理論課程同步進行。每一單元都設定開始時間與結束時間，學生必須在結束時間之前完成實驗。考核分為4個階段，即線性表、樹與二叉樹、圖、查詢與排序，實驗考核在相應的實驗結束之後進行，4個階段的考核成績合計作為實驗課考核成績，最終併入課程的考核總成績。由於採取全過程實踐教學考核模式，學生必須注重平時的實踐訓練，聚沙成塔，才能順利透過考核。全過程考核能夠比較真實地考核學生的實踐能力，有利於培養學生的自我約束能力和自我管理能力，解決了實驗考核結果不客觀的問題。
3結語
經過多年的教學實踐，線上評判應用於資料結構課程的實踐教學，教學效果有顯著的提高，也得到了大多數學生的認可。“資料結構實驗平臺”為學生營造了一個全天候的實踐環境，使學生能夠隨時學習與實踐，壓力適度、階梯遞進、自主互動，逐步提高了演算法設計與實現能力。近年來，學校有30%以上的學生獲得“挑戰杯”、ACM、數學建模等省級以上競賽獎勵;35%的學生參加大學生創新創業訓練計劃專案;學生第一作者發表論文多篇。今後我們要依據"最近發展區"理論，關注學生的個體差異，以學生為本，修改和完善實驗專案庫和考核專案庫，使之層次分明、梯度合理，為提高資料結構及程式設計課程的實踐教學質量不斷探索與實踐。