基于翻转课堂的数据结构课程实验教学模式研究
赵庆聪
[摘 要]在传统的教学模式下，数据结构的实验课程难以实现对理论课程的辅助作用。可以在云计算教学平台基础上，提出翻转课堂教学实验模式，设计实验教学过程。在数据结构实验课程教学过程中引入翻转课堂的教学模式，对“教”与“学”都起到促进作用。
[关键词]数据结构；实验教学；翻转课堂
[中图分类号] G642·423 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）02-0009-02
数据结构是信息管理与信息系统专业的必修课，主要研究从现实中总结出的数据的逻辑结构、数据在计算机中的存储结构及在数据结构上能进行的各种处理运算方法。课程的教学目标为：让学生根据实际问题设计出数据的逻辑结构，并选用合适存储结构；分析对数据结构进行的可能性操作，设计算法并编写出解决应用问题的程序。
数据结构课程内容比较抽象，只靠课堂讲授，学生很难真正理解、掌握。与教学内容配套的实验教学，本应是学生通过实践练习，完成对理论知识的消化理解，并能解决实际应用问题，但现在设置的实验内容基本是对课堂已讲授的数据结构及算法进行验证，缺乏学生独立思考、自行解决问题的环节，所以教师无法从学生那里得到其对教学内容掌握程度的反馈。如何激发学生学习的主动性，有效管理学生课外的学习时间成为亟待解决的问题。
“翻转课堂”（Flipped Classroom）是一种对知识传授和知识内化的颠倒安排。[1]传统的教学过程是教师在课堂讲授新知识，课后布置适量的作业，让学生对所学知识加以巩固、消化。教师将需要学生掌握的新知识以视频、课件等形式提供给学生，然后利用课堂时间与学生进行交流，鼓励学生提出问题，组织学生进行讨论、解答，指导学生完成作业。[2]在数据结构的实验教学中引入翻转课堂的教学模式，在激发学生学习的积极性、提高教师的工作效率、提升学生的学习效率方面都具有促进作用。
一、实验教学内容的调整
数据结构课程改革的目标和方向是提升学生的实践应用能力，对此，课程组对实验教学内容进行了相应的调整。
（一）增加实验内容，完善对理论课程的辅助作用
增加“算法设计与分析”实验，作为数据结构课程的引入实验。课程组教师提供六个比较复杂的算法设计题目，让学生自行挑选其中三个，设计算法，分析时间复杂度，并编写出程序。这一过程既能检验学生对时间复杂度概念是否理解，又能考查学生编写复杂程序的能力及实现语言、开发环境的熟悉程度。
增加“数组与特殊矩阵”实验。缩减理论课时后，对特殊矩阵的存储原理，无需在课堂花费太多时间讲解，可将这部分知识的学习放在实验教学过程中完成。
（二）转换实验题目，提升实验的应用性和趣味性
在学习线性表、栈、队列、二叉树、图等数据结构的过程中，除实现数据结构的基本操作之外，实验题目应与特定应用场景结合，引导学生尝试用所学知识解决具体应用问题。如利用栈实现火车车厢的排列，利用队列模拟银行排队系统，利用图解决高速公路交通网的存储及查询最短路径问题等。这些题目既与实际应用问题结合，又有一定的趣味性，对激发学生学习的主动性和积极性有显著效果。
（三）提升实验难度，体现实验的设计性和综合性
合并实验内容，模拟搜索引擎的工作流程，实现文本内容的查询与排序。这类实验项目难度较大，需要学生把学到的理论知识融会贯通，并加入自己的设计思想，这样既锻炼了学生的综合应用能力，也提高了他们的设计能力。
二、翻转课堂教学模式的设计
翻转课堂亦称反转式教学，顾名思义，传统教学模式将被彻底翻转过来，即新知识的学习过程是以学生为主体，通过提供教学视频、学习资源等各种方式，让学生自主进行学习。但是这并不意味着学习新知识的过程将不在教师的控制下进行，相反整个教学过程都应该在教师的设计和操控下完成。结合数据结构实验课程自身的特点，课程组构建出基于翻转课堂的教学模式（如图1）。
实验教学模式主要由实验准备、课前自主学习、课堂活动、课后反馈与评价四部分构成。实验准备是由教师准备各种与实验相关的教学资源；学生根据实验要求进行课前自主学习并进行知识点测验。课堂活动可根据实验内容及实验的难易程度，由教师安排进行分组交流讨论、小组成员分工协作、小组汇报、答疑指导等多种形式的教学活动，保证学生在交流与合作中完成知识的内化。[3]课程结束后需要学生提交实验成果及实验报告，实验成果可公示于教学平台，由学生小组相互评价，也请课程组每位教师打分、评价，再结合实验准备情况、课堂综合表现等给出最后评价。在实验报告中可要求学生对本次实验的收获、难点及未解决的遗留问题进行阐述，以进一步了解学生知识内化的程度和效果，进而及时对实验内容及实验设计做相应调整和优化。由图1可以看出，翻转课堂的教学模式离不开云计算教学平台的支持，除了课堂教学活动是学生、教师之间进行面对面交流外，其他三个教学步骤都需要在云教学平台上进行。
三、实验教学过程设计
（一）实验准备
实验准备环节包括编写实验指导书、录制教学视频、生成教学资源包。
编写实验指导书。课程组根据实验教学目的来编制实验指导书，指定实验内容，提出实验要求，如有特殊的操作要求，可给出详细的实验步骤。
录制教学视频。对实验中需要用到的、较难理解的理论知识，或是有一些特殊的操作步骤，可录制微视频加以讲解或说明。视频不宜过长，10-15分钟比较合适，要充分考虑学生自主学习的时长和难易程度。视频可配测验题目，便于学生检验自己是否掌握了必要的知识点。
生成教学资源包。提供与实验相关的学习资源，解决不同层次学生的不同学习需求。同班级的学生在学习能力和学习兴趣上总会有差异，一般实验内容和难易程度会以大多数学生的学习情况来设定。可通过在教学资源包中提供拓展实验和延伸学习资源等方式来满足能力强、学习兴趣浓厚的学生的学习要求。教学资源可用多种方式呈现，如视频、音频、文本、网站等。
（二）课前自主学习
学生在课前应阅读实验指导书，了解实验内容和实验要求，按提示观看教学视频，对实验的理论知识或操作步骤进行自主学习。学完后要进行测试，检验自己是否掌握了必要的知识点。测试通过后可根据实验难易程度自行或组队设计实验方案，在此过程中学生之间可交流讨论，学生也可通过云计算平台与教师交流讨论。
（三）课堂活动
一次实验教学可根据实验的难易程度安排2学时或4学时。如课前已设计出实验方案，可直接进行小组汇报及成果展示，若还有未解决问题，可先进行小组讨论，教师答疑指导，方案通过后再进行编程实现。
（四）课后反馈评价
实验课后，学生要按实验指导书中的要求完成实验报告，实验报告中需含设计方案描述、代码实现、结果截图、成员分工、实验心得等内容。完成后通过云计算教学平台提交实验报告。教师根据学生的自主学习情况、实验课堂表现及最后的实验报告综合给出实验评价。可设置学生互评，促进学生互相学习、交流。最后，课程组教师应根据实验课堂的效果、学生的反馈等对实验进行总结，以及时调整实验内容或难易程度。
四、结束语
课程组在2012级、2013级信息管理与信息系统试点专业的数据结构课程实验教学中采用了基于翻转课堂的实验教学模式，取得了良好效果，不但激发了学生的学习主动性和积极性，而且学生之间、学生与教师之间都有了更多的交流机会。根据学生对实验的反馈评价，教师能及时调整或更新实验资料，实现了“学”对“教”的促进。翻转课堂的教学模式彻底颠覆了传统的教学模式，真正实现了“以学生为中心”的教学理念。借助云计算教学平台等现代化的信息技术手段，翻转课堂的教学模式必将为教育界带来一场教学革命，让“教”更好地为“学”服务。
[ 注 释 ]
[1] 张金磊，王颖，张宝辉.翻转课堂教学模式研究[J].远程教育杂志，2012（4）：46-51.
[2] 徐妲，钟绍春，马相春.基于翻转课堂的化学实验教学模式及支撑系统研究[J].远程教育杂志，2013（5）：107-112.
[3] 林青松.基于翻转课堂的“现代教育技术实验”课程设计[J].实验室研究与探索，2014（1）：194-198.
[责任编辑：钟 岚]
[摘 要]在传统的教学模式下，数据结构的实验课程难以实现对理论课程的辅助作用。可以在云计算教学平台基础上，提出翻转课堂教学实验模式，设计实验教学过程。在数据结构实验课程教学过程中引入翻转课堂的教学模式，对“教”与“学”都起到促进作用。
[关键词]数据结构；实验教学；翻转课堂
[中图分类号] G642·423 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）02-0009-02
数据结构是信息管理与信息系统专业的必修课，主要研究从现实中总结出的数据的逻辑结构、数据在计算机中的存储结构及在数据结构上能进行的各种处理运算方法。课程的教学目标为：让学生根据实际问题设计出数据的逻辑结构，并选用合适存储结构；分析对数据结构进行的可能性操作，设计算法并编写出解决应用问题的程序。
数据结构课程内容比较抽象，只靠课堂讲授，学生很难真正理解、掌握。与教学内容配套的实验教学，本应是学生通过实践练习，完成对理论知识的消化理解，并能解决实际应用问题，但现在设置的实验内容基本是对课堂已讲授的数据结构及算法进行验证，缺乏学生独立思考、自行解决问题的环节，所以教师无法从学生那里得到其对教学内容掌握程度的反馈。如何激发学生学习的主动性，有效管理学生课外的学习时间成为亟待解决的问题。
“翻转课堂”（Flipped Classroom）是一种对知识传授和知识内化的颠倒安排。[1]传统的教学过程是教师在课堂讲授新知识，课后布置适量的作业，让学生对所学知识加以巩固、消化。教师将需要学生掌握的新知识以视频、课件等形式提供给学生，然后利用课堂时间与学生进行交流，鼓励学生提出问题，组织学生进行讨论、解答，指导学生完成作业。[2]在数据结构的实验教学中引入翻转课堂的教学模式，在激发学生学习的积极性、提高教师的工作效率、提升学生的学习效率方面都具有促进作用。
一、实验教学内容的调整
数据结构课程改革的目标和方向是提升学生的实践应用能力，对此，课程组对实验教学内容进行了相应的调整。
（一）增加实验内容，完善对理论课程的辅助作用
增加“算法设计与分析”实验，作为数据结构课程的引入实验。课程组教师提供六个比较复杂的算法设计题目，让学生自行挑选其中三个，设计算法，分析时间复杂度，并编写出程序。这一过程既能检验学生对时间复杂度概念是否理解，又能考查学生编写复杂程序的能力及实现语言、开发环境的熟悉程度。
增加“数组与特殊矩阵”实验。缩减理论课时后，对特殊矩阵的存储原理，无需在课堂花费太多时间讲解，可将这部分知识的学习放在实验教学过程中完成。
（二）转换实验题目，提升实验的应用性和趣味性
在学习线性表、栈、队列、二叉树、图等数据结构的过程中，除实现数据结构的基本操作之外，实验题目应与特定应用场景结合，引导学生尝试用所学知识解决具体应用问题。如利用栈实现火车车厢的排列，利用队列模拟银行排队系统，利用图解决高速公路交通网的存储及查询最短路径问题等。这些题目既与实际应用问题结合，又有一定的趣味性，对激发学生学习的主动性和积极性有显著效果。
（三）提升实验难度，体现实验的设计性和综合性
合并实验内容，模拟搜索引擎的工作流程，实现文本内容的查询与排序。这类实验项目难度较大，需要学生把学到的理论知识融会贯通，并加入自己的设计思想，这样既锻炼了学生的综合应用能力，也提高了他们的设计能力。
二、翻转课堂教学模式的设计
翻转课堂亦称反转式教学，顾名思义，传统教学模式将被彻底翻转过来，即新知识的学习过程是以学生为主体，通过提供教学视频、学习资源等各种方式，让学生自主进行学习。但是这并不意味着学习新知识的过程将不在教师的控制下进行，相反整个教学过程都应该在教师的设计和操控下完成。结合数据结构实验课程自身的特点，课程组构建出基于翻转课堂的教学模式（如图1）。
实验教学模式主要由实验准备、课前自主学习、课堂活动、课后反馈与评价四部分构成。实验准备是由教师准备各种与实验相关的教学资源；学生根据实验要求进行课前自主学习并进行知识点测验。课堂活动可根据实验内容及实验的难易程度，由教师安排进行分组交流讨论、小组成员分工协作、小组汇报、答疑指导等多种形式的教学活动，保证学生在交流与合作中完成知识的内化。[3]课程结束后需要学生提交实验成果及实验报告，实验成果可公示于教学平台，由学生小组相互评价，也请课程组每位教师打分、评价，再结合实验准备情况、课堂综合表现等给出最后评价。在实验报告中可要求学生对本次实验的收获、难点及未解决的遗留问题进行阐述，以进一步了解学生知识内化的程度和效果，进而及时对实验内容及实验设计做相应调整和优化。由图1可以看出，翻转课堂的教学模式离不开云计算教学平台的支持，除了课堂教学活动是学生、教师之间进行面对面交流外，其他三个教学步骤都需要在云教学平台上进行。
三、实验教学过程设计
（一）实验准备
实验准备环节包括编写实验指导书、录制教学视频、生成教学资源包。
编写实验指导书。课程组根据实验教学目的来编制实验指导书，指定实验内容，提出实验要求，如有特殊的操作要求，可给出详细的实验步骤。
录制教学视频。对实验中需要用到的、较难理解的理论知识，或是有一些特殊的操作步骤，可录制微视频加以讲解或说明。视频不宜过长，10-15分钟比较合适，要充分考虑学生自主学习的时长和难易程度。视频可配测验题目，便于学生检验自己是否掌握了必要的知识点。
生成教学资源包。提供与实验相关的学习资源，解决不同层次学生的不同学习需求。同班级的学生在学习能力和学习兴趣上总会有差异，一般实验内容和难易程度会以大多数学生的学习情况来设定。可通过在教学资源包中提供拓展实验和延伸学习资源等方式来满足能力强、学习兴趣浓厚的学生的学习要求。教学资源可用多种方式呈现，如视频、音频、文本、网站等。
（二）课前自主学习
学生在课前应阅读实验指导书，了解实验内容和实验要求，按提示观看教学视频，对实验的理论知识或操作步骤进行自主学习。学完后要进行测试，检验自己是否掌握了必要的知识点。测试通过后可根据实验难易程度自行或组队设计实验方案，在此过程中学生之间可交流讨论，学生也可通过云计算平台与教师交流讨论。
（三）课堂活动
一次实验教学可根据实验的难易程度安排2学时或4学时。如课前已设计出实验方案，可直接进行小组汇报及成果展示，若还有未解决问题，可先进行小组讨论，教师答疑指导，方案通过后再进行编程实现。
（四）课后反馈评价
实验课后，学生要按实验指导书中的要求完成实验报告，实验报告中需含设计方案描述、代码实现、结果截图、成员分工、实验心得等内容。完成后通过云计算教学平台提交实验报告。教师根据学生的自主学习情况、实验课堂表现及最后的实验报告综合给出实验评价。可设置学生互评，促进学生互相学习、交流。最后，课程组教师应根据实验课堂的效果、学生的反馈等对实验进行总结，以及时调整实验内容或难易程度。
四、结束语
课程组在2012级、2013级信息管理与信息系统试点专业的数据结构课程实验教学中采用了基于翻转课堂的实验教学模式，取得了良好效果，不但激发了学生的学习主动性和积极性，而且学生之间、学生与教师之间都有了更多的交流机会。根据学生对实验的反馈评价，教师能及时调整或更新实验资料，实现了“学”对“教”的促进。翻转课堂的教学模式彻底颠覆了传统的教学模式，真正实现了“以学生为中心”的教学理念。借助云计算教学平台等现代化的信息技术手段，翻转课堂的教学模式必将为教育界带来一场教学革命，让“教”更好地为“学”服务。
[ 注 释 ]
[1] 张金磊，王颖，张宝辉.翻转课堂教学模式研究[J].远程教育杂志，2012（4）：46-51.
[2] 徐妲，钟绍春，马相春.基于翻转课堂的化学实验教学模式及支撑系统研究[J].远程教育杂志，2013（5）：107-112.
[3] 林青松.基于翻转课堂的“现代教育技术实验”课程设计[J].实验室研究与探索，2014（1）：194-198.
[责任编辑：钟 岚]
