面向网络安全专业的《数据结构》混合式课程建设

尚蕾

摘要：文章结合网络安全专业教学实际，对《数据结构》课程教学中遇到的问题进行了深入分析，阐述了在混合式课程建设中的课程开发与教学改革的措施，包括教学内容的修订、教学模式改革、课程考核改革等内容，并给出了具体方案。通过实践，取得了良好的教学效果，为程序设计类混合式课程的建设，以及面向安全专业的计算机基础课程优化提供了借鉴。

关键词：网络安全;算法;计算思维;混合式教学

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）16-0083-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 引言

《数据结构》课程主要讨论现实世界中数据的各种逻辑结构，对应保存到计算机存储器中的各种存储结构，以及对数据进行各种运算的典型方法（即算法）。通过课程的学习要求学生掌握程序设计的理论知识，培养编程实践能力，为后续专业课程（操作系统、数据库、软件安全、软件工程等）的学习和从事软件开发、信息数据安全保护等工作打下坚实的基础。

学习《数据结构》课程可以很好地提升学生的逻辑思维、计算思维，培养创新思维。在清华MOOC（慕课）平台“学堂在线”首批推出的5门课程中，《数据结构》即是其一。在综合型大学，选修这门课除了计算机专业学生，也会包含其他工科专业学生，甚至文科专业学生，学生通过课程可以学会计算机科学的思想方法，培养计算思维，用不一样的思路去解决问题。面对新的形势，做好《数据结构》混合式课程的开发与改革，对于提高计算机类、网络安全类工科专业学生的学科理论水平和计算思维有着至关重要的作用.

2 《数据结构》课程教学中存在的问题

《数据结构》作为工科课程，不仅有很深的理论知识，也要求培养学生的编程实践能力和应用能力;同时又是一门承上启下的课程，课程的讲授以学生已掌握一般程序设计为基础，是学生专业中后续学习设计和实现操作系统、数据库系统及其他大型应用程序的重要基础。当前《数据结构》教学中存在以下问题：

1）课程知识理论性抽象性强，课时不足。《数据结构》课程本身涉及的概念多、内容广，理论性强、且高度抽象，学生在学习理解上普遍存在一定的困难。课堂教学中学生提不起学习兴趣，教学过程参与程度不高，造成了教学效果的下降。

2）教学反馈不及时。传统的教学模式多是灌输式，教师面授课程结束后布置作业，再次上课时讲评讨论，中间的间隔少则2-3天多则1-2周，这期间学生缺失了对知识深入探索及时查漏补缺的时机，教师也未能及时得到教学反馈，调整教学工作。

3）课程实践环节薄弱，缺乏综合型实践。实践是《数据结构》课程的重要环节，培养学生设计开发复杂高效程序的技能是课程的教学要求之一。实际教学中，实验课时不足，实验条件有限，实验教学内容刻板陈旧造成了课程的实践环节较为薄弱，学生在课程学习后往往反映：“课堂内容能够掌握，但上机编程时困难重重无从下手”。目前，课程开设的大都是验证性的实验，缺少综合性和创新性的实验，也难以起到培养学生综合运用数据结构知识分析问题和解决问题的能力以及创新能力，从而无法达到课程预期的教学目的和教学效果。

4）缺乏合理的考核方式。 目前该课程的考核方式多是试卷考核，期末笔试也主要是基础知识、基础算法，这使得学生偏向于只掌握几个考试重点算法，会画图执行算法步骤，而忽略对动手实践能力的训练，这种状况实际上不利于应用型人才的培养。

3 《数据结构》课程建设沿革

针对数据结构教学中存在的问题，许多学者专家在课程建设中探索改进，既有教学内容的修订也有教学方法上的改革。2013年北京大学张铭教授在Coursera 上开设了“数据结构与算法”（https：//class.coursera.org/dsalgo-001），是国内首批中文MOOC课程;徐卫、刘端阳等在课堂教学环节提出基于PBL（Problem-Based Learning，问题式学习）的数据结构课堂教学思路、实施流程，并设计了PBL教学实例;陈川等提出基于微课的案例教学法，探讨了以微课为技术手段制作案例，将案例应用于《数据结构》教学的混合式教学模式，可以充分调动学生的主动性，实现良好的师生互动和反馈;戴成秋提出基于 MOOC+SPOC （Small Private Online Course）的混合式教学思路，既融合大规模在线开放课程的优点，同时也弥补传统课堂的不足;李清等提出以问题驱动教学法培养学生计算思维和计算技能，并给出了《数据结构》课程中的教学实施路径;李高云等对课程的无纸化考试方式做了探索。这些研究成果推动了《数据结构》课程的建设，对教学改革有很大的借鉴作用，作为应用型高校要结合自己的专业定位和人才培养目标开展《数据结构》混合式课程的建设。

4 《数据结构》混合式课程改革实例

4.1修订教学内容，突出安全特色

《数据结构》课程是计算机学科知识结构的核心和技术体系的基石，计算机类专业本科生都要学习，很多高校在研究生入学考试时设为必考课程、主要复试课程，各类软件、系统架构职业资格类证书考试中也对数据结构知识有所涵盖。虽然课程教学中存在着课时不够的情况，但教学内容不能压缩，否则会影响学生的后续专业科学习、继续深造和职业发展。课程内容多，理论知识丰富，抽象性强，如何变抽象为直观，在课程内容优化上我们将知识点与生活场景结合，与学生的安全专业结合，理论与实践相结合，来激发学生的学习兴趣和实践动力。例如字符串部分的模式匹配算法是学习重点，基本算法有BF（Brute Force）、KMP（Knuth-Morris-Pratt），单一的学习和验证实验比较枯燥，我们在算法讲解后鼓励学生开发“作业查重程序”，课下拓展学习“多模匹配算法与入侵检测系统”，以实际应用和专业应用激励学生的实践。经过两轮的教学实践，将数据结构与网络安全内容结合，我们做了以下教学内容的调整和優化。

4.2教學方法改革

1）MOOC+翻转课堂

混合式教学，是将在线教学和传统教学的优势结合起来的一种“线上”+“线下”的教学，最终目的是有效提升学生的学习深度。混合式教学中的关键是教学设计，课内外学习任务分配、问题反馈机制设计、课堂学习活动设计、课外作业辅导、考核等。

在教学内容的面授和网络学习划分上，我们将课程的重点、难点放在课上，由老师引导学生构建课程的完整知识框架，实施翻转课堂，鼓励学生分享思考过程、学习方法;对线上学习任务的设计，一部分是学生在前导课中已接触过的知识如单链表建立、栈结构、队列结构特点等，再就是往“安全”方向算法拓展学习的背景知识。我们为学生明确了自主学习任务单，并在大纲、教案、授课计划中得以体现，做到课前任务有的放矢，与慕课视频内容和翻转课堂有效对接。同时，为线上、线下学习设计了问题反馈机制（图2）。教师要善用网络学习数据挖掘学生的学习规律，发挥好引导、启发、监控教学过程的作用，充分调动学生作为学习主体的主动性、积极性与创造性，获得最佳的学习效果。

2）创新实践教学、支撑学科竞赛

《数据结构》是一门理论与实践并重的课程，在课程的实践教学方面，我们引入了综合性课程设计这一模式，设计了“验证实验—〉应用实验—〉创新项目实验”的实验教学体系。使学生不仅得到良好的程序设计实践，更重要的是初步感受到软件开发过程的项目管理方法与规范，获得工作经验。具体的改革措施有：借助虚实结合的在线实验环境，满足教师和学生“任何时间、任何地点”开展实验的需求;通过交互可视化的形式动态展示算法的执行过程，使学生更容易理解算法思想;基于 ACM 竞赛和在线评测系统，激励学生提高编程能力。

实践教学内容的课堂活动中，主要有学生实践成果的展示，鼓励学生做实践经验的分享，教师引导学生分组、做好学生学习过程的监测和记录、作品讲评等，对于项目设计类实验不鼓励单人完成，而要鼓励学生强弱组合、加强团队协作。

4.3课程中的人文素质教育

网络强国战略，实质是网络人才强国战略，对网络人才的要求除了技术扎实，更要政治过硬、道德高尚，这也是对安全专业“课程思政”的具体要求，以立德树人为根本，培养德智体美全面发展的网络安全人才。教师在课堂教学中不仅要注重学生知识和能力的培养，更要做好学生思想引领和价值观的塑造工作。一方面教师在讲授课程知识本身之外，也要努力发掘并让学生领略到课程中蕴含的美。抽象是数据结构的特点，有的学生摸不透害怕抽象，在讲述相关知识的时候，可以结合具体的例子，如图部分，可以从数学家欧拉研究著名的德国哥尼斯堡七桥问题引出，让学生领略数学抽象思维的魅力。“数据结构”中每个结构都有其严谨之处，每个过程都可以用数学推导，学习过程就是提升学生的逻辑思维，培养创新思维的过程。

另一方面，激励学生积极响应网络强国战略，扎实专业学习，激发学生的专业使命感、自豪感，确立努力学习，为国家安全、民族复兴奋斗的爱国主义情怀。

4.4课程考核改革

与《数据结构》混合式教学相对应的是建立多层次的评价机制，一方面要提高平时成绩在课程总成绩中的比重，这样可以调动学生线上学习的积极性，重视学习过程。教师需要健全完善过程性评价的指标，如对线上学习情况的跟踪和评估，课堂学习过程的评价和记录，学习小组内成员间的评价等;另一方面，探索试卷考试以外的课程考核形式，如程序在线评测、线上考试等。

5 结束语

网络空间安全领域的研究中离不开数据结构和算法分析等基础知识的支撑，相对于传统的计算机类专业，该专业的《数据结构》课程在内容设计和实践教学方面有其自身特色。混合式课程建设中我们将“网络安全”的特色贯穿于理论教学和实验教学，突出教学内容的特色和先进性，为学生带来前沿的学科知识，提升课程品质，促进应用型网络安全人才培养目标的实现。未来，还将在微课制作、教材建设、在线考试等方面积极探索，完善课程。

参考文献：

[1]张铭. 立足北大，放眼未来——“数据结构与算法”MOOC课程教学实践与思考[J]. 工业和信息化教育，2014（9）.

[2]殷人昆，邓俊辉. 清华大学“数据结构”精品课程建设[J].计算机教育2006（5）.

[3]窦本年，许春根. 密码学课程中的人文素质教育[J].计算机教育，2019（3）.

【通联编辑：王力】