摘要：針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法教學(xué)中存在的問題，在分析案例教學(xué)法在程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)中的地位與作用的基礎(chǔ)上，本文提出“精選典型案例—設(shè)計(jì)生動(dòng)課件—激活課堂教學(xué)”的觀點(diǎn)，結(jié)合我院學(xué)生與課程團(tuán)隊(duì)教師的實(shí)際，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程教學(xué)設(shè)計(jì)與改革方面進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，取得了顯著的效果。
　　關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；案例教學(xué)；教學(xué)設(shè)計(jì)
　　
　　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法是教育部規(guī)定的高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門重要的專業(yè)主干課程。它是介于數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算機(jī)軟件三者之間的一門核心課程，是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)編譯程序、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)及其他系統(tǒng)程序和大型應(yīng)用程序的重要基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)專業(yè)課程設(shè)置中起著承上啟下的作用。由于該課程的理論性強(qiáng)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，算法知識(shí)抽象，很多知識(shí)的講解使用傳統(tǒng)的“粉筆+黑板”的模式難以把問題表述清楚，教學(xué)難點(diǎn)不容易突破。為彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足，解決數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法教學(xué)過程中的困難，我們?cè)诮虒W(xué)中引入了案例教學(xué)法。
　　基于各種理論和相關(guān)實(shí)踐，人們對(duì)案例教學(xué)法的界定也各有側(cè)重。舒爾曼(Shulman)認(rèn)為，案例教學(xué)法是利用案例作為教學(xué)媒介的一種教學(xué)方法[1]。在教育學(xué)中，人們將案例教學(xué)法定義為教學(xué)中的案例方法，是指圍繞一定的教育目的，把實(shí)際教育過程中真實(shí)的情景加以典型化處理，形成學(xué)生思考和決斷的案例，從而提高學(xué)生分析問題和解決問題能力的一種方法，它既包括了一種特殊的教學(xué)材料，同時(shí)也包括了運(yùn)用這些材料的特殊技巧[1-2]。簡(jiǎn)言之，案例教學(xué)法就是利用案例作為教學(xué)媒介的以提高學(xué)生綜合能力為目標(biāo)的教學(xué)方法[2]。針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)法中存在的問題，在基于案例的教學(xué)方法的指導(dǎo)下，結(jié)合我院學(xué)生實(shí)際，貴州師范大學(xué)數(shù)計(jì)學(xué)院數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程團(tuán)隊(duì)的老師們提出了“精選典型案例—設(shè)計(jì)生動(dòng)課件—激活課堂教學(xué)”的三階式教學(xué)設(shè)計(jì)觀點(diǎn)，在實(shí)際運(yùn)用中很好地調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)了學(xué)生的求知欲，使教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”做到了思想上的統(tǒng)一，從而實(shí)現(xiàn)以教師的“教”為引導(dǎo)達(dá)到以學(xué)生主動(dòng)地“學(xué)”為目的最終目標(biāo)[3]。
　　1傳統(tǒng)教學(xué)過程中存在的問題
　　筆者教授數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程已有十年的歷史。對(duì)該課程的教學(xué)在多年的努力中逐漸走向了成熟，完成了從教學(xué)技能型ibWKPXX0fAgKvAhTxrFQXqcOl/eyiFsggH0zdFLp+ao=教師到教學(xué)研究型教師的轉(zhuǎn)變。經(jīng)過多年的觀察和近年來的教學(xué)實(shí)踐研究，我們發(fā)現(xiàn)所有計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生都知道這門課程的重要性，也迫切希望能學(xué)好此課程。每當(dāng)給一個(gè)新班級(jí)上第一節(jié)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課時(shí)，總能感受到學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情，看著同學(xué)們?nèi)褙炞⒌臉幼?，?zé)任感、使命感、自豪感和工作激情一下子就涌遍全身。但兩三周后，同學(xué)們的臉上就再也看不到那樣的表情了，課堂上取而代之的是一種困惑、沒有學(xué)習(xí)積極性、盲目無奈的眼神，自我感覺講得非常成功的課也提不起學(xué)生們的興趣。這種讓人擔(dān)憂的現(xiàn)象引起了我們的高度重視，學(xué)院出資建立了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)教師從教學(xué)中存在的問題入手開展了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的教學(xué)改革研究工作。研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)教學(xué)過程中表現(xiàn)出來的問題根源主要來自于以下三個(gè)方面。
　　1.1來自學(xué)生“學(xué)”的問題
　　學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和學(xué)習(xí)興趣是最關(guān)鍵的問題，內(nèi)因是解決問題決定性的因素。學(xué)生們所表現(xiàn)出來的學(xué)習(xí)熱情呈急速下降趨勢(shì)的原因有來自心理的，也有來自課程內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法等方面的，具體表現(xiàn)為：1) 覺得算法理論太抽象，邏輯性太強(qiáng)，難理解、難掌握，產(chǎn)生了畏懼感；2) 內(nèi)容多、概念多，學(xué)習(xí)中難以把握整體內(nèi)容，學(xué)完后不知道到底學(xué)了些什么；3) 感覺在課堂上思路跟不上，難以消化；4) 不知道學(xué)習(xí)算法在實(shí)際中有什么用，逐漸失去了學(xué)習(xí)興趣；5) 不重視上機(jī)實(shí)驗(yàn)，覺得能讀懂算法和書面編寫的算法就可以了[4]。
　　1.2來自教師“教”的問題
　　1) 教學(xué)難度大。目前，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的算法大都由C、C++語(yǔ)言進(jìn)行描述。首先，學(xué)生對(duì)C或C++語(yǔ)言中的函數(shù)、指針和結(jié)構(gòu)體、類等知識(shí)點(diǎn)本身理解就不夠，一下子跨度到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，學(xué)生難以接受。其次，本課程要求學(xué)生在理解數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)等基本概念的基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的算法，并掌握對(duì)數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)之間關(guān)系的處理方法。但是這些基本概念和數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的表示等知識(shí)非常抽象，學(xué)生很難建立起概念模型[5]。
　　2) 教學(xué)方法有待改進(jìn)。在課堂教學(xué)過程中，過于強(qiáng)調(diào)教師講授的作用，由于教師占用了大量的課堂時(shí)間進(jìn)行講解，學(xué)生只是被動(dòng)接受，忽視了學(xué)生主觀能動(dòng)性的發(fā)揮，沒有注重培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立自主的學(xué)習(xí)興趣和能力，導(dǎo)致很多學(xué)生學(xué)完本課程后不能掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)，知識(shí)零散，不具備總結(jié)并貫穿所學(xué)知識(shí)的能力，不能把所學(xué)的知識(shí)和方法應(yīng)用到實(shí)際問題中去，不會(huì)分析問題，不會(huì)將抽象問題建立數(shù)學(xué)模型[6]。
　　1.3其他方面的原因
　　先行課程不扎實(shí)。高等數(shù)學(xué)、程序設(shè)計(jì)和離散數(shù)學(xué)等為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的先導(dǎo)課程。要想學(xué)好數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法，首先要求學(xué)生能夠較好地掌握這些先導(dǎo)課程，具有一定的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。其中，程序設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)質(zhì)量對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程學(xué)習(xí)的影響最為明顯。由于教學(xué)條件、非高考科目等原因，大多數(shù)學(xué)生進(jìn)大學(xué)前都沒有接觸過程序設(shè)計(jì)。因此，第一次學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的許多約定理解得不是很透徹，用計(jì)算機(jī)解決問題不可能得心應(yīng)手，更談不上把所學(xué)的知識(shí)融會(huì)貫通。由于其前導(dǎo)課程掌握不好或沒能熟練掌握，導(dǎo)致學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程困難是一個(gè)比較普遍的現(xiàn)象[7]。
　　另外，教學(xué)學(xué)時(shí)數(shù)少也是一個(gè)重要的客觀原因。許多高校由于教學(xué)改革，對(duì)包括本課程在內(nèi)的許多專業(yè)課時(shí)都進(jìn)行了壓縮。針對(duì)涵蓋面廣、抽象復(fù)雜的課程內(nèi)容，有些教師為了趕進(jìn)度不得不僅限于知識(shí)點(diǎn)的介紹，沒辦法深入講解，幫助學(xué)生加深理解。
　　2三階式教學(xué)設(shè)計(jì)
　　針對(duì)目前數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程教學(xué)中存在的問題，近年來我們團(tuán)隊(duì)提出了三階式教學(xué)設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)，在教學(xué)實(shí)踐中取得了很好的效果。
　　三階式教學(xué)設(shè)計(jì)是將教學(xué)設(shè)計(jì)分為“精選典型案例—設(shè)計(jì)生動(dòng)課件激活課堂教學(xué)”三個(gè)階段來完成。第一階段：根據(jù)教學(xué)內(nèi)容精選典型的教學(xué)案例；第二階段：將已確定使用的教學(xué)案例設(shè)計(jì)制作成表現(xiàn)力強(qiáng)、生動(dòng)直觀的多媒體課件；第三階段：研究在實(shí)際教學(xué)中如何將傳統(tǒng)教學(xué)與多媒體課件有機(jī)結(jié)合，適時(shí)地進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣，激發(fā)學(xué)生的求知欲，提高他們的積極性和主動(dòng)性。
　　2.1精選典型案例
　　案例是案例教學(xué)的核心，案例選編是一項(xiàng)重要的工作。要選擇真實(shí)、基礎(chǔ)、本質(zhì)的東西作為教學(xué)內(nèi)容。在選擇案例時(shí)要注意2個(gè)問題，一是要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇案例，也就是說案例中只涉及學(xué)生已學(xué)過或即將學(xué)到的知識(shí)；二是根據(jù)學(xué)生的素質(zhì)情況，選用難易相當(dāng)、繁簡(jiǎn)相宜的案例，切不可好大喜功，貪全求深[8]。
　　教學(xué)案例既可直接選用傳統(tǒng)的典型案例，也可自行編寫。例如，在講解棧的應(yīng)用時(shí)，我們直接選用了迷宮求解典型案例。即：使用順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)下的棧通過“窮舉求解”的方法求迷宮中從入口到出口的一條簡(jiǎn)單路徑[9]。
　　2.2設(shè)計(jì)生動(dòng)課件
　　基于案例的多媒體課件的設(shè)計(jì)質(zhì)量是成功進(jìn)行案例教學(xué)的關(guān)鍵。多年來，結(jié)合選定案例，制作直觀、生動(dòng)、表現(xiàn)力強(qiáng)的多媒體課件是我們的重要特色之一，并取得了一些成果，部分章節(jié)的課件曾獲全省多媒體課件比賽大學(xué)組一等獎(jiǎng)和三等獎(jiǎng)，獲全國(guó)多媒體課件大賽高校組優(yōu)秀獎(jiǎng)。在基于案例的多媒體課件設(shè)計(jì)過程中，我們著重解決的三個(gè)問題是：1) 教學(xué)重點(diǎn)與教學(xué)難點(diǎn)的分析；2) 如何將靜態(tài)的教學(xué)內(nèi)容通過動(dòng)態(tài)的多媒體課件“演示”出來，突破教學(xué)重點(diǎn)與教學(xué)難點(diǎn)；3) 選擇合適的課件開發(fā)工具，進(jìn)行課件設(shè)計(jì)。
　　
　　這三個(gè)問題從表面上看與一般的課件設(shè)計(jì)沒有什么明顯的區(qū)別，體現(xiàn)不出基于案例的生動(dòng)課件設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。為了突出我們的特色，現(xiàn)以棧的應(yīng)用舉例——迷宮求解為例介紹我們的三階式教學(xué)設(shè)計(jì)過程。
　　案例名稱：迷宮求解
　　方法：窮舉求解
　　多媒體課件設(shè)計(jì)解決的四個(gè)重要問題：
　　1) 教學(xué)重點(diǎn)與教學(xué)難點(diǎn)的分析。在迷宮的窮舉求解過程，對(duì)初學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的學(xué)生來說，僅憑教材中的文字表述和老師傳統(tǒng)方式的課堂講解，或另加帶有幾張靜態(tài)圖片的課件輔助展示，學(xué)生還是很難想像窮舉求解的過程，常常被探索“下一位置”、納入“當(dāng)前路徑”、退回到“前一通道塊”、從“當(dāng)前路徑”上刪除該通道塊等一系列的表述攪得暈頭轉(zhuǎn)向，當(dāng)然也就無法完全理解算法的設(shè)計(jì)思想。因此，動(dòng)態(tài)課件的重頭戲在于解決四個(gè)方面的問題：一是何為“下一位置”；二是探索的過程中需要不斷地進(jìn)行判斷是“通道”還是“墻”，并對(duì)探索過的位置進(jìn)行標(biāo)記；三是如果當(dāng)前位置可通過，則納入“當(dāng)前路徑”——入棧；四是如當(dāng)前位置“不可通過”，則應(yīng)從“當(dāng)前路徑”上刪除該通道塊——出棧。其中，入棧和出棧是兩個(gè)更為重要的關(guān)鍵問題。
　　2) 為了突破教學(xué)重點(diǎn)與教學(xué)難點(diǎn)，基于“迷宮求解”例的動(dòng)態(tài)多媒體采用了窮舉法“走”一遍的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方案，即從“入口”開始，一步步從“當(dāng)前位置”向“下一位置”進(jìn)行探索，并將整個(gè)窮舉求解的過程動(dòng)態(tài)、完整地進(jìn)行一遍模擬，讓學(xué)生在路徑探索的情境中去理解算法的設(shè)計(jì)思想。
　　3) 課件開發(fā)工具的選擇?；诿詫m求解案例的多媒體課件設(shè)計(jì)方案中最基本的動(dòng)作是探索“下一位置”、入棧、退回到“前一通道塊”、出棧等，這些動(dòng)作在課件設(shè)計(jì)中通過運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫或沿路徑的運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫即可完成。因此，我們選擇了著名的二維動(dòng)畫制作軟件——Flash進(jìn)行課件的設(shè)計(jì)，主要包括復(fù)習(xí)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法分析(或“走”迷宮)、課后思考等5個(gè)場(chǎng)景，整個(gè)文件長(zhǎng)達(dá)15分鐘，其中，“走”完迷宮的全過程大概需要7分鐘左右的播放時(shí)間。圖1至圖4是從本課件中載取的幾個(gè)重點(diǎn)、難點(diǎn)畫面。其中，圖1給學(xué)生展示了密宮初始狀態(tài)與空棧(順序棧)，這是“探索”開始前的初始狀態(tài)；圖2是“探索”還沒有完成但存儲(chǔ)路徑的順序棧已滿時(shí)的狀態(tài)，這是一種獨(dú)具特色的設(shè)計(jì)方案，為了讓學(xué)生更好地理解“擴(kuò)容”的概念，我們?cè)O(shè)計(jì)初始狀態(tài)時(shí)特意設(shè)計(jì)了一個(gè)“容量不夠”的順序棧；圖3是擴(kuò)容成功后繼續(xù)“探索”的畫面，目的是讓學(xué)生理解擴(kuò)容成功后繼續(xù)“探索”的過程與擴(kuò)容前沒有什么不同；圖4是“探索”完成后的“大結(jié)局”畫面。
　　4) 生動(dòng)效果的設(shè)計(jì)。適當(dāng)夸張的表現(xiàn)方式配以恰當(dāng)?shù)囊粜⑹拐n件的演示收到意想不到的效果。在進(jìn)行畫面及動(dòng)畫設(shè)計(jì)時(shí)，為了使學(xué)生加深對(duì)“通道”和“墻”的印象，迷宮圖中我們使用了淺藍(lán)色的方塊表示“通道”，土黃色的方塊表示“墻”；為了強(qiáng)化對(duì)“沿原路退回”和“探索遇到了墻”兩種情況的理解，我們?cè)谝选疤剿鬟^”但“不在路徑上”的“通道”上加上一個(gè)可愛的“小腳丫”后再做“沿原路退回”動(dòng)畫，“探索遇到了墻”則采用一個(gè)不規(guī)則的星形圖標(biāo)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。雖然背景音樂和音效不是一直伴隨著課件進(jìn)行播放的，相反，我們的課件中音樂和音效并不多，但我們卻非常重視給一些特定的內(nèi)容和動(dòng)畫加上能起到畫龍點(diǎn)睛作用的背景音樂和特殊的音效，例如，顯示概念文本時(shí)，我們插入了一段很舒緩且音量很小的樂曲，當(dāng)“探索到了通道”時(shí)，我們會(huì)播放1～2秒鐘長(zhǎng)度的流暢而愉快的音樂片段，當(dāng)“探索遇到了墻”時(shí)，則同步出現(xiàn)一個(gè)很短的類似剎車或遇阻的音效。這些效果的設(shè)計(jì)常常能使學(xué)生在觀看課件時(shí)獲得一種不會(huì)脫離學(xué)習(xí)狀態(tài)的放松感，非常受學(xué)生們的歡迎。
　　2.3激活課堂教學(xué)
　　案例設(shè)計(jì)好后，教師在教學(xué)過程中，要注意案例呈現(xiàn)的時(shí)間。分析案例是案例教學(xué)中最重要的部分。教師在呈現(xiàn)案例時(shí)應(yīng)營(yíng)造分析案例的氣氛，用循循善誘的語(yǔ)言，啟發(fā)學(xué)生的思維，讓他們?cè)诮處煹囊龑?dǎo)下，在頭腦中不斷呈現(xiàn)、疊加、聯(lián)系、比較、擴(kuò)大或縮小、分析和綜合。
　　我們?cè)谥v解“棧的應(yīng)用舉例——迷宮求解”這一內(nèi)容時(shí)，雖然我們所制作的課件只有15分鐘，但我們并不是讓課件一打開就一直播放到結(jié)束。為了創(chuàng)設(shè)情境，營(yíng)造分析案例的氣氛，我們會(huì)不斷點(diǎn)擊“暫停”按鈕，留一定的時(shí)間給學(xué)生思考，啟發(fā)學(xué)生時(shí)思考時(shí)所提的問題也會(huì)注意留給學(xué)生一定的思考空間，待學(xué)生分析結(jié)束后，再點(diǎn)擊“播放”按鈕繼續(xù)下面的演示。一般情況下，這段15分鐘的課件需要停下來6～8次，全部?jī)?nèi)容的講解則需要30分鐘左右的時(shí)間。在這30分鐘的時(shí)間里，學(xué)生們一直處于主動(dòng)思考的狀態(tài)，并能主動(dòng)積極地回答問題，完全看不到傳統(tǒng)教學(xué)法中那種困惑的表情和漫不經(jīng)心的樣子。在這樣良好的課堂氛圍里，教師越講越有激情，學(xué)生越學(xué)越有興趣，激活了課堂教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)相長(zhǎng)。
　　3三階式教學(xué)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)與目前存在的問題
　　3.1優(yōu)勢(shì)
　　三階式教學(xué)設(shè)計(jì)方案經(jīng)過三年的教學(xué)實(shí)踐收到了良好的教學(xué)效果，得到了師生的一致好評(píng)。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：1) 激活了課堂，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，學(xué)生從被動(dòng)接受式學(xué)習(xí)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)探究式學(xué)習(xí)狀態(tài)；2) 由于三階式教學(xué)設(shè)計(jì)的主要成果是多媒體課件，方便交流和推廣應(yīng)用。
　　3.2存在的問題
　　1) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程中有些教學(xué)內(nèi)容難以選取或設(shè)計(jì)出滿意的教學(xué)案例，或部分教學(xué)案例確定后難以得到滿意的多媒體課件設(shè)計(jì)方案；
　　2) 課件設(shè)計(jì)方案所需要的特殊效果教學(xué)型的主講教師難以實(shí)現(xiàn)，技術(shù)上的可行性得不到保證。
　　4結(jié)語(yǔ)
　　實(shí)踐研究表明，作為一種先進(jìn)的教學(xué)設(shè)計(jì)理念，三階式教學(xué)設(shè)計(jì)不僅使數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的教學(xué)研究有了一些突破性的進(jìn)展，其中的成功經(jīng)驗(yàn)和成果還能用于其他計(jì)算機(jī)課程的教學(xué)，特別是程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)實(shí)踐。
　　雖然目前三階式教學(xué)設(shè)計(jì)無論從操作上還是技術(shù)上都還存在著一些問題，但我們相信，隨著時(shí)代的前進(jìn)，隨著課件制作軟件的不斷升級(jí)，新的課件制作技術(shù)的不斷出現(xiàn)，隨我們研究的不斷深入，目前存在的這些問題的將會(huì)逐步得到解決，其優(yōu)勢(shì)將會(huì)越來越明顯。
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