摘要：從課程目標、教學計劃、教學大綱、教材建設(shè)、教學實施和教學研究等方面對“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析”課程進行探討，探索適于研究型大學計算機專業(yè)人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新性“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析”課程教學模式。
　　關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析；課程體系；研究型大學；創(chuàng)新性教學
　　
　　
　　為落實教育部“高等學校教學質(zhì)量與教學改革工程”，湖南大學肩負著為建設(shè)創(chuàng)新型國家而培養(yǎng)創(chuàng)新型拔尖人才的重大歷史使命[1]。湖南大學計算機與通信學院為進一步貫徹以人為本、因材施教的辦學理念，加速培養(yǎng)基礎(chǔ)寬厚、學科知識交叉的復合型人才，充分調(diào)動學生學習積極性，以精品課程為目標，進行研究型大學創(chuàng)新性課程建設(shè)，實施設(shè)計與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的本科教學質(zhì)量工程[2]。在學院制定的新本科教學計劃中，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析”是四門學科通識教育課之一。課程教學團隊結(jié)合學校和學院的教學質(zhì)量工程要求，對課程進行了全面的創(chuàng)新建設(shè)。
　　1 “數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析”課程的地位
　　計算機專業(yè)的學生今后無論是從事硬件方向的工作，還是從事軟件方向的工作，其程序設(shè)計和算法設(shè)計與分析的能力都是非常重要的！隨著計算機應用領(lǐng)域的擴大和軟硬件的發(fā)展，計算機加工處理的數(shù)據(jù)越來越龐大和復雜，而且對其處理的效率也提出了更高的需求[3]?！皵?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析”就是隨著處理對象的復雜性不斷增加而發(fā)展起來的一門課程，作為計算機專業(yè)的核心課程，它在專業(yè)人才培養(yǎng)鏈條中占有舉足輕重的地位，它是一門承上啟下的樞紐課程，同時也是一門實踐性很強的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程[4]。
　　2研究創(chuàng)新性“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析”課程的目標
　　研究型大學既要培養(yǎng)研究型人才，也必須培養(yǎng)高質(zhì)量的應用型人才，即必須多目標培養(yǎng)人才[5]。同時為貫徹教育部本科教學質(zhì)量工程提出的顯著增強學生的實踐能力和創(chuàng)新精神的要求。我們制定研究創(chuàng)新性“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析”課程的目標是：激發(fā)創(chuàng)新意識，培養(yǎng)研究興趣，訓練兩種能力，提高實踐技能。
　　研究數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的目的是為了學會編寫更高效的程序，基于追求更有效率程序的創(chuàng)新理念，引入并加強“權(quán)衡”的概念，培養(yǎng)學生研究數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)的代價和效益的興趣和方法。通過課程教學和實驗，訓練數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和算法分析兩種能力。這兩種能力有以下三個層次：1)學會常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，形成一個程序員的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)工具箱，在解決實際問題時，能熟練使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示和存儲問題中待處理的數(shù)據(jù)元素。2)熟練地應用各種常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。掌握對每一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和相關(guān)基本操作算法所花費的時間和空間代價的分析方法。針對實際問題所要求的資源限制，能確定工具箱中的哪一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對于該問題是最合適的，即解決方案是最有效率的。3)了解研究數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法分析的方法，培養(yǎng)研究數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的興趣，為在解決實際問題中，能發(fā)明新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和進行正確的算法分析打下良好的基礎(chǔ)。
　　通過該課程的學習，我們不僅要讓學生掌握數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)及其相應的算法，更重要的是激發(fā)學生的研究創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學生研究問題和解決問題的能力，即能夠把現(xiàn)實世界中的客觀問題變換為在計算機內(nèi)的表示形式，學會組織數(shù)據(jù)、選擇算法、養(yǎng)成良好的程序設(shè)計風格。所以，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析”的教學要以培養(yǎng)學生的實踐能力為核心，重點提高學生的分析設(shè)計能力和編程能力，進而提高學生的系統(tǒng)的認知、設(shè)計、開發(fā)、應用能力，為研究數(shù)據(jù)處理的科學問題和創(chuàng)新解決問題的科學方法打下堅實的基礎(chǔ)。
　　3研究創(chuàng)新性“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析”課程建設(shè)
　　3.1教學計劃
　　在創(chuàng)新與設(shè)計型人才培養(yǎng)模式探索過程中，學院基于基礎(chǔ)厚實、學以致用、知識技能并重的理念，大膽重設(shè)課程體系，實現(xiàn)通識教育基礎(chǔ)上的寬口徑專業(yè)教育的兩階段培養(yǎng)模式，并將實驗教學組成相對獨立體系，提出了“課程實驗——實驗課程——工程設(shè)計訓練——畢業(yè)設(shè)計”四級實驗體系[2]。學院選出“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析”等四門專業(yè)基礎(chǔ)課程作為專業(yè)學科通識教育平臺課程。要求課程相對穩(wěn)定，安排足夠?qū)W時，力求講透講深，夯實專業(yè)學科的理論基礎(chǔ)。安排足夠的課程實驗學時，通過課程實驗使學生鞏固加深對理論知識的理解；以及通過相應的實驗課程，訓練和增強學生綜合運用知識的能力。圖1 給出了本科教學計劃的部分運行圖。由圖可知，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析”在課程體系中的安排，凸顯了其作為培養(yǎng)學生專業(yè)基本能力的地位和作用，強調(diào)計算思維能力、算法設(shè)計與分析能力和程序設(shè)計與實現(xiàn)能力的訓練和培養(yǎng)，為全面培養(yǎng)學生的創(chuàng)新與設(shè)計能力打下堅實基礎(chǔ)。
　　3.2教學大綱
　　課程教學大綱根據(jù)近年全國碩士研究生入學統(tǒng)一考試計算機科學與技術(shù)學科綜合考試大綱中的要求，參考全國著名高等院校近幾年使用的教材以及期末考試、研究生入學考試試題編制而成。教學內(nèi)容包括54個知識點，分為：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緒論，算法分析，線性表，棧、隊列和數(shù)組，樹和二叉樹，圖，查找和內(nèi)部排序八個部分。每個知識點根據(jù)課程目標中三個能力層次要求分為基礎(chǔ)知識，重點知識，提高知識，并為其設(shè)計相應的教學內(nèi)容，教學進度，作業(yè)題或?qū)嶒烆}以及考查評價要求。
　　如教學大綱中線性表部分。通過這部分的課堂和實驗教學，要求學生熟練掌握線性表的基本性質(zhì)，及其順序存儲結(jié)構(gòu)和鏈式存儲結(jié)構(gòu)的描述方法，以及線性表的各種基本操作的實現(xiàn)，這是該部分的基礎(chǔ)知識，注重課程目標中能力層次一的培養(yǎng)。理解線性表的兩類存儲結(jié)構(gòu)的特點，能夠從時間和空間復雜度的角度綜合比較兩類存儲結(jié)構(gòu)和各種基本操作性能的不同特點及其適用場合，這是該部分的重點知識，注重課程目標中能力層次二的培養(yǎng)。了解從實際應用問題的需求分析中發(fā)現(xiàn)待處理數(shù)據(jù)具有線性關(guān)系的方法，以及如何設(shè)計合適的基本操作，這是該部分的提高知識，注重課程目標中能力層次三的培養(yǎng)。重點考查學生對線性表的基本概念和基本應用的掌握，以及對線性表兩種存儲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)(尤其是鏈表實現(xiàn))的特點的理解情況。通過實驗和算法設(shè)計題考查學生對線性表靈活運用的程度。
　　
　　3.3教材建設(shè)
　　由于計算機科學是一門快速發(fā)展的新興科學，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析的理論、概念和方法隨著程序設(shè)計方法學和程序設(shè)計語言的發(fā)展不斷發(fā)展和更新。這些情況給課程的教材建設(shè)提出了更高的要求：必須緊跟計算機科學技術(shù)發(fā)展的步伐[6]。在選材上，我們始終堅持統(tǒng)一要求和因材施教的原則，確保教材內(nèi)容的組織科學、合理，體系得當。選取的課堂教學教材，內(nèi)容涵蓋了教學大綱中確定的所有知識點，并根據(jù)課程的培養(yǎng)目標，以及學生的學習基礎(chǔ)和興趣需求，選用了三本高水平教材——嚴蔚敏主編的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(C語言版)》、Clifford A. Shaffer主編的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析(C++版)》和Sartaj Sahni主編的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法與應用(C++語言描述)》。經(jīng)過幾年的教學實踐，學生普遍反映嚴老師的書在講解知識點時，能夠把抽象的內(nèi)容表述得更明確、更具體、更便于學生理解和把握。兩位美國教授編寫的教材都使用C++語言描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，使得數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與面向?qū)ο蟮乃枷刖o密結(jié)合。Shaffer的書還結(jié)合算法分析來討論各種存儲方法和算法的利弊，如何設(shè)計出有效率的算法，如何根據(jù)應用需求選擇最佳方案，這種“授人以漁”的思想極大激發(fā)學生的思考熱情。Sartaj Sahni的書最大特色就是強調(diào)應用，通過現(xiàn)實生活中的許多應用實例具體演示了各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法設(shè)計方法，使學生能了解學習數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后如何應用到實際工作中去，學以致用。
　　
　　只靠讀書是不能學會靈活使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的。課程的教學目的不僅是讓學生掌握各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，更重要的是培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。因此，上機實驗是課程教學的重要環(huán)節(jié)。為了幫助學生進行有效的實驗訓練，我們積累多年實驗教學改革經(jīng)驗，編寫了《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析課程實踐》講義，用于指導學生的課程實驗教學。在講義中不僅精心設(shè)計題目，緊扣理論內(nèi)容，由淺入深，循序漸進地培養(yǎng)學生計算思維能力、算法設(shè)計與實現(xiàn)能力，而且給出了實習步驟和實習報告的規(guī)范，訓練學生軟件工程的能力。教學實踐表明，學生通過上機訓練和完成實驗報告，不僅加深了對理論知識的理解，提高了復雜程序設(shè)計的技能，而且培養(yǎng)了良好程序設(shè)計的習慣和工作作風。
　　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析是實踐性很強的課程，僅靠上課和上機中學習是絕對不夠的。為了給學生在課外自學和練習中提供指導，我們編寫了《ACM程序設(shè)計培訓教程》，并提供在線評測系統(tǒng)供學生隨時測試。這樣做可以充分調(diào)動學生的學習積極性和主動性，并使其鉆研更深、更新、更難的問題，提高研究創(chuàng)新能力。
　　3.4教學組織
　　多年來，本課程教學團隊已積累了一套“課堂—課程實驗—實驗課程—課外自學輔導”四個環(huán)節(jié)相互配合，提倡激發(fā)興趣，精講多練，重點突出，培養(yǎng)專業(yè)基本能力和研究創(chuàng)新的教學實施方案。
　　課堂環(huán)節(jié)注重計算思維能力的訓練。在講授具體課程內(nèi)容時，要精講，把重點要講透徹，把難點加以分解，讓學生能理解。要串講：把前后相互關(guān)聯(lián)的多個知識點串講，總結(jié)其中的共性，突出各自的特點，分析相互的差別。要活講，除了講解基本的知識，更要授人以漁，要把“分析問題中待處理的數(shù)據(jù)建立抽象數(shù)據(jù)類型、根據(jù)物理存儲特點建立物理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、設(shè)計有效率的存儲結(jié)構(gòu)和基本操作算法、分析各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和基本操作算法特點和適用性”這樣一條學習主線給予詳細的介紹，引導學生有效地學習理論知識，進行計算思維能力的訓練，使學生掌握創(chuàng)新地學習的能力，以激發(fā)學生對問題的探索精神。
　　實驗注重算法、程序設(shè)計與分析能力的訓練。通過實驗報告文檔，訓練學生的算法設(shè)計和分析能力，通過上機實踐，訓練學生的程序設(shè)計和調(diào)試能力。實驗實踐環(huán)節(jié)由簡單到復雜，通過精心挑選的驗證型、技能型、創(chuàng)新與設(shè)計型三類實驗題目，提升學生對理論知識的理解和應用能力，促進學生的創(chuàng)新研究思維。對每次實驗的目的、原理、實驗步驟、注意事項和實驗要求都做出了詳細的說明，突出了實驗的重點，并編寫了詳細的實習指導書，包括實習報告范例、難度不同的程序范例，便于學生從模板開始，快速入門與提高。實驗報告包括需求分析，概要設(shè)計，詳細設(shè)計，調(diào)試分析，測試結(jié)果，使用說明和實驗心得七個方面。嚴格實施這些貌似繁瑣的規(guī)范，對于學生基本程序設(shè)計素養(yǎng)的培養(yǎng)和研究問題方法的訓練，將能起到顯著的促進作用。
　　課外自學輔導注重因材施教，滿足不同的學習需求。學生的興趣、專長，接受能力、自學能力都有差異，課堂上“均等和有限”的教學不能達到因材施教的目的。在課堂上，教師只能針對程度一般的多數(shù)學生的情況進行教學，對于程度差的學生要靠個別的輔導，幫助其積累知識和提高理解能力，跟上一般學生的進度。對于優(yōu)等生，也要進行個別的指導，指定課外讀物，加大信息量，布置思考題，調(diào)動其潛能，引導其創(chuàng)新。對于尖子生，我們還有一條措施，讓其參加程序設(shè)計競賽，組織和指導他們參加全國性的學科競賽，促使他們脫穎而出。
　　3.5教學研究
　　為實現(xiàn)培養(yǎng)“寬口徑、厚基礎(chǔ)、強能力、高素質(zhì)”的研究型人才的教學理念，學院對包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析在內(nèi)的四門學科通識教育課程進行重點建設(shè)，組織專業(yè)教師認真總結(jié)多年來的教學經(jīng)驗，深入開展教學研究，提出一系列合理的教改方案。
　　1) 優(yōu)化調(diào)整專業(yè)培養(yǎng)計劃。
　　2009年初，為配合學校的人才培養(yǎng)模式向研究型轉(zhuǎn)變的本科教育培養(yǎng)計劃改革，學院制定了新的旨在培養(yǎng)設(shè)計與創(chuàng)新型人才的課程體系和實驗體系，把“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析”課程定位在學科通識教育課程，全院所有專業(yè)的學生必修。同時把該課程從第四學期提前到第三學期，并與第一學期開設(shè)的程序設(shè)計基礎(chǔ)，第二學期開設(shè)的高等程序設(shè)計和軟件基礎(chǔ)實驗1，以及第四學期的軟件基礎(chǔ)實驗2，構(gòu)成一組課程體系，保證本科生在通識教育培養(yǎng)的兩年中，每個學期都開設(shè)程序設(shè)計方面的課程，為培養(yǎng)設(shè)計與創(chuàng)新型人才夯實學科基礎(chǔ)。
　　2) 基于課程責任制的師資隊伍建設(shè)。
　　近幾年，學院在教學改革中大力實施定崗定編和課程責任制改革。根據(jù)教師的科研方向分配教學任務，同時按照課程特色組合多個教學團隊，并與教師所屬的科研團隊互相關(guān)聯(lián)，達到科研與教學相結(jié)合促進教學質(zhì)量提高的目的。
　　3) 以申報精品課程為契機加速課程信息化建設(shè)。
　　以課程建設(shè)促進專業(yè)建設(shè)，打造精品課程是學院對每門專業(yè)核心課程的要求。根據(jù)精品課程建設(shè)的要求，開發(fā)了課程網(wǎng)站，學生可以隨時訪問網(wǎng)站獲取課程資源、在線播放課件、習題指導等；開發(fā)實驗與實踐在線評測系統(tǒng)，學生可隨時上網(wǎng)提交軟件在線評測，并在學習園地學習交流。開發(fā)ACM競賽培訓網(wǎng)站，為喜愛編程的學生提供交流和切磋的平臺。
　　4) 培養(yǎng)設(shè)計與創(chuàng)新人才的實踐教學體系建設(shè)。
　　學院提出了“課程實驗—實驗課程—工程設(shè)計訓練—畢業(yè)設(shè)計”的新型特色實踐教學體系。明確“課程實驗”和“實驗課程”的內(nèi)涵與目標，要求所有核心課程必有此環(huán)節(jié)[2]?！皵?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析”作為訓練學生計算思維、算法設(shè)計和分析能力和程序設(shè)計與實現(xiàn)能力的重要課程，對課程實驗和實驗課程的實踐教學環(huán)節(jié)不斷改革創(chuàng)新，如教學團隊積累多年實踐教學經(jīng)驗，編寫了《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析課程實踐》講義，用于指導學生的課程實踐教學。申請多個SIT項目，為學生提供研究創(chuàng)新平臺。編寫了《ACM程序設(shè)計培訓教程》教材，對喜歡算法和程序設(shè)計的學生進行指導，使學生在各類與程序設(shè)計相關(guān)的學科競賽中頻獲佳績。
　　4結(jié)語
　　“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析”是計算機專業(yè)的一門核心課程，學習數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法設(shè)計分析不僅為學習后續(xù)課程建立基礎(chǔ)，也有益于創(chuàng)新與設(shè)計型人才的培養(yǎng)。
　　為了不使教學過程過于抽象和枯燥，我們要充分調(diào)動學生主動學習的積極性，提高教學的趣味性；大力提高學生的實踐能力和知識應用能力，注重創(chuàng)新研究能力的培養(yǎng)。借著學院新型課程體系和新型特色實踐教學體系改革的春風，我們明確了培養(yǎng)創(chuàng)新與設(shè)計人才的理念，針對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析課程能力培養(yǎng)三層目標，在繼承原有教學體系中關(guān)注課堂教學的基礎(chǔ)上，加強實踐教學環(huán)節(jié)和課外輔導提高環(huán)節(jié)，使這門課程的教學更加系統(tǒng)和全面。實踐證明，這種新模式對提升教學質(zhì)量非常必要，近幾年，學生和校督導團的評教成績在學院名列前茅，該課程已通過省精品課程評審，用新模式培養(yǎng)出來的學生陸續(xù)在全國各種大賽上獲得較好名次，在2010年ACM亞洲區(qū)比賽中我院學生獲得兩個金獎。
　　按照學院提出的“創(chuàng)新與設(shè)計型人才”培養(yǎng)目標?！皵?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析”課程教學工作從課堂教學和實踐教學兩個方面進行建設(shè)和完善，精品課程網(wǎng)站和實驗與實踐在線評測系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，課程教學輔助課件在逐步建設(shè)中，符合創(chuàng)新與設(shè)計型人才培養(yǎng)目標的教材正在編寫中，相信“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析”這門課的教學質(zhì)量在教學改革中將不斷得到提高。
　　參考文獻：
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