摘要：針對石油專業(yè)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，在分析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程特點(diǎn)、教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，探索了具有鮮明石油特色專業(yè)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)層次化教學(xué)方法。構(gòu)建該課程面向?qū)I(yè)導(dǎo)向的“實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系層次化、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容專業(yè)化、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程可視化”的教學(xué)模式。教學(xué)實(shí)踐表明，此方法能夠充分發(fā)揮學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，對培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)的工程能力和創(chuàng)新能力有明顯作用。
　　關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；課程體系；算法
　　
　　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門核心課程，是研究非數(shù)值計(jì)算的程序設(shè)計(jì)問題中計(jì)算機(jī)操作對象以及它們之間的關(guān)系和操作等的一門學(xué)科。課程概念多，理論教學(xué)抽象，為了使學(xué)生更好地理解數(shù)據(jù)對象、數(shù)據(jù)關(guān)系在計(jì)算機(jī)中的存儲表示、運(yùn)算以及執(zhí)行算法，必須與實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊密結(jié)合。我校的一些具有深厚石油背景的非計(jì)算機(jī)類專業(yè)，例如勘察、測井、資信以及測控等專業(yè)都開設(shè)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程；非計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)過程確實(shí)存在一定的困難，主要表現(xiàn)為：學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課缺乏學(xué)習(xí)興趣、理論基礎(chǔ)薄弱以及解決實(shí)際問題能力差等。筆者作為該課程的主講教師，結(jié)合自己在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)中的一些體會，談?wù)勛约宏P(guān)于目前數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程體系研究與探索的認(rèn)識。
　　1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀
　　1.1前導(dǎo)課程知識缺乏
　　現(xiàn)有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教科書的算法描述語言主要分為C語言版、C++版和Java語言版3個(gè)版本。根據(jù)我校的具體實(shí)際情況，C語言程序設(shè)計(jì)和C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)被列為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)兩個(gè)主要的前導(dǎo)課程。學(xué)生對它們的熟悉、掌握程度，直接關(guān)系到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果。我校有多個(gè)院系在大學(xué)一年級第一學(xué)期開設(shè)C語言課程，課時(shí)設(shè)置為64學(xué)時(shí)，其中8～16學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課時(shí)不等。不同院系所開設(shè)的“C語言程序設(shè)計(jì)”的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)要求并不完全一致。作為學(xué)生最先接觸的程序設(shè)計(jì)語言課程，教師由于課時(shí)有限、內(nèi)容多，使C語言的教學(xué)內(nèi)容處于初級階段，課堂上講解基本概念及簡單程序的編寫占用了大部分教學(xué)時(shí)間。由于對數(shù)組、結(jié)構(gòu)體、指針等復(fù)雜數(shù)據(jù)類型講解不夠，導(dǎo)致石油類專業(yè)學(xué)生對指針和結(jié)構(gòu)體的認(rèn)識和理解不深。然而，這些知識點(diǎn)不僅是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)，也是未來工作或深造學(xué)習(xí)過程中使用頻率很高的內(nèi)容。因此，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，盡管老師費(fèi)盡唇舌，學(xué)生仍然模糊不清，致使實(shí)驗(yàn)效果不理憨，學(xué)生甚至喪失了對該課程學(xué)習(xí)的興趣與信心。
　　1.2教學(xué)內(nèi)容安排不盡合理
　　目前我校有些院系的C語言與C++語言的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容基本相同。部分學(xué)生為了滿足計(jì)算機(jī)課程學(xué)分的需要，在一個(gè)學(xué)期同時(shí)學(xué)習(xí)C語言和C++語言，這導(dǎo)致同學(xué)缺乏足夠的時(shí)間對所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行沉淀和吸收。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置過程中，實(shí)驗(yàn)課時(shí)沒有根據(jù)石油專業(yè)具體需求進(jìn)行合理設(shè)置，教師在面向不同的專業(yè)的學(xué)生時(shí)采用相同的實(shí)驗(yàn)案例，學(xué)生在練習(xí)的教師指定的題目時(shí)只是簡單地實(shí)現(xiàn)教科書中以章節(jié)劃分為主的知識點(diǎn)，缺乏處理復(fù)雜問題的機(jī)會， 缺少創(chuàng)新性以及與學(xué)生本專業(yè)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)聯(lián)系。由于只注重了計(jì)算機(jī)專業(yè)課程知識點(diǎn)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而忽略了非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的專業(yè)背景，這使得非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生很難產(chǎn)生“共鳴”，教學(xué)效果達(dá)不到理想的目標(biāo)。
　　1.3實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭配與專業(yè)需求脫節(jié)
　　目前我校數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境不能完全適應(yīng)專業(yè)教學(xué)發(fā)展需要。在Windows操作系統(tǒng)下，課題組一般采用Visual C++6.0作為平臺，讓學(xué)生搭建基于Console控制臺工程，在命令行的方式下運(yùn)行。由于我校具有鮮明的石油特色，特別是在石油的勘探與生產(chǎn)中需要評估潛在的石油資源，準(zhǔn)確直觀地定位油氣資源的空間分布及其特征，并需要高效融合衛(wèi)星影像、航拍地圖、地震勘探、地表地質(zhì)研究、地下橫斷截面影像以及現(xiàn)有井位等信息。這需要開源的可視化平臺以及地理信息系統(tǒng)來滿足面向?qū)I(yè)的實(shí)驗(yàn)需求。筆者在指導(dǎo)學(xué)生上機(jī)實(shí)驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)，石油專業(yè)學(xué)生普遍反映數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上機(jī)實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)離當(dāng)前專業(yè)所需要的開發(fā)環(huán)境，缺乏友好的圖形用戶界面，因此對實(shí)驗(yàn)重視程度不夠。
　　1.4實(shí)驗(yàn)過程流于形式
　　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程本身較強(qiáng)的邏輯性和抽象性決定該課程的難度較大，學(xué)生首先從心理上畏懼?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，害怕實(shí)踐，拿到實(shí)驗(yàn)任務(wù)到上機(jī)實(shí)習(xí)，常常茫然不知如何動手。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中缺乏合適的監(jiān)督管理和獎懲制度，大多數(shù)學(xué)生因程序設(shè)計(jì)基本功不扎實(shí)，當(dāng)任務(wù)無法按時(shí)完成時(shí)就采取抄襲方式交差，企圖蒙混過關(guān)。在實(shí)驗(yàn)過程中常出現(xiàn)這種現(xiàn)象：當(dāng)某個(gè)題目暫時(shí)無人做出來時(shí)，同學(xué)們還能靜下心來實(shí)踐；當(dāng)某位同學(xué)做出來以后，結(jié)果程序很快就會傳播，部分同學(xué)再也“無心戀戰(zhàn)”了。因此，有的學(xué)生一學(xué)期下來做了多次實(shí)驗(yàn)，自己卻一個(gè)程序也未能調(diào)試通過，逐漸養(yǎng)成了“坐享其成”的習(xí)慣，久而久之，q/dOYBuE5iJ3Bva32ybZLGIHR67H9P63Vt6yT73h81w=對編程失去興趣，根本就不會編程序調(diào)程序，程序設(shè)計(jì)的能力也就可想而知了。
　　2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程體系
　　2.1加強(qiáng)經(jīng)典算法及其衍生方法的教學(xué)實(shí)踐
　　在“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，由于算法眾多，編程實(shí)現(xiàn)所有算法是不實(shí)際也是不必要的。因此應(yīng)該重點(diǎn)編程實(shí)現(xiàn)典型算法，同時(shí)注意講解該算法在石油行業(yè)的應(yīng)用以及該算法目前主要的衍生算法。這樣一個(gè)典型的算法往往能夠起到以點(diǎn)帶面的作用，只要掌握了這些算法的實(shí)現(xiàn)方法以及后續(xù)的改進(jìn)策略，就可以將知識點(diǎn)構(gòu)筑成立體的知識網(wǎng)，也就掌握相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)。當(dāng)然，在選擇典型算法的時(shí)候，要考慮算法的代表性、難易程度、綜合性等因素。
　　2.2面向?qū)I(yè)學(xué)生的課程群建設(shè)
　　目前，國內(nèi)高校在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)研究中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化等方面取得了一些實(shí)踐性成果，但在課程綜合體系建設(shè)方面仍然有一些不足[1]。我校非計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)尤其要強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與其他相關(guān)課程，特別是石油信息科學(xué)之間的緊密銜接，并將離散數(shù)學(xué)、數(shù)據(jù)庫、地理信息系統(tǒng)、并行計(jì)算等課程的主要知識點(diǎn)分散、穿插、融入到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的教學(xué)中，從而優(yōu)化整個(gè)課程體系結(jié)構(gòu)。課題組在上機(jī)實(shí)驗(yàn)之前，在課堂上以程序?qū)嵗男问狡饰鯟語言中的指針、結(jié)構(gòu)體和函數(shù)等知識點(diǎn)，尤其要在學(xué)生難理解、容易混淆和犯錯誤的地方，布置涉及這些知識點(diǎn)的課外編程作業(yè)，通過作業(yè)批改發(fā)現(xiàn)問題后集中重點(diǎn)講解。
　　2.3建立面向不同專業(yè)實(shí)驗(yàn)考核方式
　　針對不同院系制訂合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)考核指標(biāo)，加大對學(xué)生實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的考核力度，杜絕學(xué)生“等”、“要”、“靠”。在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的考核中，概念基礎(chǔ)層題目一般要求1周內(nèi)完成，綜合型題目一般要求2～3周內(nèi)完成，對于綜合型題目，學(xué)生先按3～4人分成一組，確定小組成員的角色與任務(wù)，每人完成一個(gè)模塊，通過統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)環(huán)境接口組成一個(gè)完整的程序，最后隨機(jī)抽取小組中的一名代表講解編程的設(shè)計(jì)思路，演示程序執(zhí)行情況。在這個(gè)過中程中教師提供必要的與測井、勘探數(shù)據(jù)處理相關(guān)的學(xué)習(xí)資料、參考方法等，為學(xué)生完成任務(wù)提供智力支持，使學(xué)生透徹地理解各種數(shù)據(jù)對象的特點(diǎn)，學(xué)會數(shù)據(jù)的組織方法和實(shí)現(xiàn)方法，選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，甚至改造基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步培養(yǎng)基本的良好的程序設(shè)計(jì)能力。學(xué)生要在規(guī)定的時(shí)間請輔導(dǎo)教師驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)題，過期不驗(yàn)收，視為自動放棄，本次實(shí)驗(yàn)題沒有成績。
　　2.4實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系層次化
　　以往的實(shí)踐教學(xué)中實(shí)驗(yàn)大都由教師按教材單元統(tǒng)一組織進(jìn)行，先理論后實(shí)踐，實(shí)踐只是對理論知識的簡單驗(yàn)證，教師只關(guān)心學(xué)生是否來做實(shí)驗(yàn)，而不關(guān)注學(xué)生的專業(yè)實(shí)驗(yàn)需求、實(shí)驗(yàn)的效果如何。結(jié)果是學(xué)生對實(shí)驗(yàn)越來越?jīng)]興趣，不利于學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)和實(shí)踐能力的提高。針對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程抽象性強(qiáng)、難度大的特點(diǎn)，構(gòu)建一個(gè)漸進(jìn)式、層次化的實(shí)踐教學(xué)體系勢在必行。我們嘗試著按基礎(chǔ)性C語言實(shí)驗(yàn)、結(jié)合面向?qū)ο笏枷氲腃++實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化實(shí)驗(yàn)和基于CUDA的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)4個(gè)層次構(gòu)建“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，如圖1所示。
　　
　　第1層次，基礎(chǔ)性C語言實(shí)驗(yàn)。針對教科書某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本運(yùn)算如插入、刪除、查找等算法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其目的是讓學(xué)生掌握基本概念基礎(chǔ)知識和基本操作，通過實(shí)驗(yàn)學(xué)會如何從算法轉(zhuǎn)變?yōu)槌绦?。如?duì)列結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)可以是隊(duì)列的插入(入隊(duì)算法)或刪除運(yùn)算(出隊(duì)算法)。
　　第2層次，結(jié)合面向?qū)ο笏枷氲腃++實(shí)驗(yàn)。在一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中封裝某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一些基本運(yùn)算函數(shù)，提高學(xué)生抽象分析能力。如線性表結(jié)構(gòu)的C++實(shí)驗(yàn)包括鏈表的創(chuàng)建、插入、刪除、遍歷等基本函數(shù)。
　　第3層次，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化實(shí)驗(yàn)?？梢暬瘜?shí)驗(yàn)是一個(gè)面向工作的開發(fā)技能提高過程。以期縮短學(xué)生在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上機(jī)實(shí)驗(yàn)與當(dāng)前主流專業(yè)軟件集成開發(fā)環(huán)境之間的距離。
　　第4層次，基于CUDA的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。我校地質(zhì)勘探專業(yè)的教學(xué)中，地震數(shù)據(jù)處理一直是主要教學(xué)內(nèi)容，尤其是疊前深度偏移、地震相干數(shù)據(jù)體分析等內(nèi)容更是教學(xué)過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。然而，隨著地震采集技術(shù)的進(jìn)步，地震數(shù)據(jù)量越來越大，對處理速度的要求也越來越高，這就對高性能計(jì)算設(shè)備提出了更高的要求。由于GPU擁有大規(guī)模的并行處理單元，因此它特別適合于需要進(jìn)行密集型數(shù)據(jù)處理和并行計(jì)算的地震數(shù)據(jù)處理。
　　在GPU計(jì)算領(lǐng)域，CUDA提供了一個(gè)良好的并行計(jì)算軟件開發(fā)環(huán)境，得到了GPU計(jì)算軟件開發(fā)者的普遍青睞。由于CUDA提供C語言編程接口，因此在勘探專業(yè)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，針對專業(yè)問題給學(xué)生自主設(shè)計(jì)并行算法的選擇的空間，引導(dǎo)學(xué)生深化現(xiàn)有問題，鼓勵學(xué)生提出新的問題，分析新問題以及解決新問題。
　　2.5可視化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)框架研究
　　俗話說，“萬事開頭難”。如果要求學(xué)生從頭開始編寫程序，學(xué)生常感到無從下手，浪費(fèi)了寶貴的教學(xué)時(shí)間，因此有必要為學(xué)生提供一個(gè)輔助的開發(fā)環(huán)境。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)環(huán)境是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件的重要組成部分[2]。為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程可視化目的，我們設(shè)計(jì)了可視化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)框架。學(xué)生利用框架，只須將精力集中在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型本身就可以利用本實(shí)驗(yàn)框架達(dá)到可視化的效果，把抽象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在屏幕上通過圖形用戶界面形式顯示出來，這樣學(xué)生可以在不需要實(shí)現(xiàn)可視化的代碼的情況下實(shí)現(xiàn)可視化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，既增加了學(xué)習(xí)興趣，又提高了學(xué)習(xí)效率[3]。可視化實(shí)驗(yàn)框架采用模型、視圖和控制器框架，通過MVC模式將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的集合關(guān)系、線性關(guān)系、樹狀關(guān)系和圖狀關(guān)系等數(shù)據(jù)模型本身和可視化部件有機(jī)結(jié)合起來。根據(jù)我?？碧?、地質(zhì)等不同石油專業(yè)現(xiàn)有的實(shí)際集成開發(fā)環(huán)境以及相應(yīng)的專業(yè)需求，我們提供兩種實(shí)驗(yàn)框架備選：方案一，選用Visual C++6.0 + MFC實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”中所有經(jīng)典算法的實(shí)驗(yàn)框架，共計(jì)21個(gè)；方案二，采用Visual C++9.0 + QT4.0。由于地理信息系統(tǒng)在石油勘探、生產(chǎn)開發(fā)、設(shè)備管理、管道管理、運(yùn)輸管理、銷售規(guī)劃以及地面建設(shè)方面具有廣泛的應(yīng)用，因此我們提供的QGIS作為基礎(chǔ)開發(fā)框架。
　　2.6實(shí)踐教學(xué)過程工程化
　　信息科學(xué)工作者應(yīng)具備科學(xué)的工作方法和良好的工作作風(fēng)，使學(xué)生從實(shí)驗(yàn)課每個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)得到應(yīng)有的工程訓(xùn)練。特別是在問題分析、抽象設(shè)計(jì)階段，可以采用“任務(wù)驅(qū)動式”教學(xué)，以“任務(wù)書”的形式將設(shè)計(jì)問題下達(dá)給學(xué)生，要求學(xué)生按照軟件工程的開發(fā)流程進(jìn)行實(shí)踐。我們將由課題組印制的具有統(tǒng)一格式的實(shí)驗(yàn)文檔下發(fā)給學(xué)生，在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中規(guī)定了實(shí)驗(yàn)題目的描述內(nèi)容，包括專業(yè)問題描述、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求、需求分析、概要設(shè)計(jì)、界面設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、測試數(shù)據(jù)、程序調(diào)試問題以及結(jié)合專業(yè)思考等。
　　教師根據(jù)“調(diào)試問題”以及“結(jié)合專業(yè)思考”的內(nèi)容可以及時(shí)做出針對性解答并向?qū)W生提出問題，教會他們舉一反三，促進(jìn)學(xué)生的思維向新和深的層次發(fā)展，加深他們對所學(xué)知識的理解。
　　3結(jié)語
　　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)具有扎實(shí)的計(jì)算機(jī)理論知識和創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才的重要環(huán)節(jié)。我校石油特色鮮明，呈現(xiàn)多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的學(xué)科專業(yè)布局。如何在專業(yè)跨度大、工學(xué)背景強(qiáng)、學(xué)時(shí)相對少的情況下，“數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作仍然能夠取得良好的效果，是當(dāng)前具有挑戰(zhàn)性的課題。本文結(jié)合自身實(shí)驗(yàn)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)石油專業(yè)的特點(diǎn)，通過合理、有效、系統(tǒng)地組織實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、強(qiáng)化試驗(yàn)考核以及開發(fā)可視化實(shí)驗(yàn)環(huán)境平臺來強(qiáng)化理論教學(xué)的效果、提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。從我校的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)實(shí)踐看，采取了這些措施和方法后，鞏固了同學(xué)“獻(xiàn)身石油的理想”、增強(qiáng)了自信心、激發(fā)了學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的興趣，真正實(shí)現(xiàn)了“教”和“學(xué)”的良好互動，提高了教學(xué)質(zhì)量。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
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