謝勝利

摘要：本文針對《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》這門計算機專業(yè)的核心課程，深入探討了課程的定位、教學(xué)目標、內(nèi)容體系等，給出該課程的理論教學(xué)設(shè)計、實驗教學(xué)設(shè)計及考核方式和標準，并已在甌江學(xué)院理工分院的計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)三個不同年級的學(xué)生中實施，取得了較理想的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；教學(xué)設(shè)計；教學(xué)目標；內(nèi)容體系

中圖分類號：TP3-0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）08-0209-04

一、引言

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》是計算機科學(xué)與技術(shù)及相關(guān)專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)核心課程，其主要研究內(nèi)容是數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系和物理實現(xiàn)，即探索有利的數(shù)據(jù)組織形式及存取方式。有關(guān)計算機的各類軟件的開發(fā)和設(shè)計，首先要考慮數(shù)據(jù)的表示，即使用何種類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。因此，如何更好地解決實際問題，僅僅依賴幾種計算機程序設(shè)計語言是不夠的，還必須學(xué)習(xí)和掌握好數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的有關(guān)知識。當(dāng)我們使用計算機來處理一個具體問題時，一般需要經(jīng)過下列幾個步驟：首先要從該具體問題抽象出一個恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，然后設(shè)計出解決此類數(shù)學(xué)模型的算法，再編寫相應(yīng)的程序并進行調(diào)試、測試，運行程序并最后得到答案，如圖1所示。

早期計算機為解決問題而涉及的運算對象都是一些簡單的數(shù)據(jù)類型，如整型、實型或布爾類型數(shù)據(jù)，所以一般把著重點放在程序設(shè)計的技巧上，而不必重視數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。隨著計算機的發(fā)展，它的應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，涉及非數(shù)值計算問題的應(yīng)用所占的比例越來越大，許多問題涉及到的處理對象不再是簡單的數(shù)據(jù)類型，其形式更加多樣，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，因此，解決這類問題的關(guān)鍵不再是數(shù)學(xué)分析和計算方法，而是要設(shè)計出合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便更有效地解決問題。

二、課程說明

1.課程的定位?！稊?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》這門課程，是計算機理論與技術(shù)的重要基石，該課程一般是在大學(xué)二年級上學(xué)期開設(shè)，具有承上啟下的重要作用，既要對前一年學(xué)習(xí)的軟件技術(shù)進行總結(jié)提高，又要為后續(xù)專業(yè)課程提供基礎(chǔ)。它貫通始終，是計算機科學(xué)與技術(shù)人才素質(zhì)培養(yǎng)框架中的中堅課程，對學(xué)生的軟件開發(fā)能力培養(yǎng)至關(guān)重要，也為學(xué)生今后的專業(yè)生涯打下牢固的基礎(chǔ)。所以《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程是計算機專業(yè)提高軟件設(shè)計水平的一門關(guān)鍵性課程，它在整個課程體系中具有非常重要的地位?！稊?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程在計算機學(xué)科中與其他課程的關(guān)系如圖2所示。

2.課程的教學(xué)目標。溫州大學(xué)甌江學(xué)院作為獨立學(xué)院，其定位為培養(yǎng)“應(yīng)用性”本科人才，同時結(jié)合本課程的地位，因此，在本課程的教學(xué)中體現(xiàn)“基礎(chǔ)性”和“應(yīng)用性”。本課程的定位與目標是：①注重基礎(chǔ)性：掌握基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點，了解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的關(guān)系；培養(yǎng)學(xué)生的算法設(shè)計與分析的基本理論知識和技能；培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計及選擇有效的算法、設(shè)計合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的能力；增強學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。②突出應(yīng)用性：本課程強調(diào)理論和實踐的統(tǒng)一，突出對學(xué)生的動手能力的培養(yǎng)。在對學(xué)生進行基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的理論、技術(shù)和設(shè)計等的知識運用和技能培養(yǎng)的同時，突出對學(xué)生進行將實際問題轉(zhuǎn)化為基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法問題的分析能力。鼓勵學(xué)生學(xué)以致用，用學(xué)到的知識來解決實際問題。

3.課程內(nèi)容體系。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的內(nèi)容主要是圍繞著數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)在計算機中的存儲方式）和選用合適的算法來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的相關(guān)操作展開。數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)有：線性結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)、圖結(jié)構(gòu)；數(shù)據(jù)的物理（存儲）結(jié)構(gòu)有：順序存儲結(jié)構(gòu)和鏈式存儲結(jié)構(gòu)。在教學(xué)中引入抽象數(shù)據(jù)類型（ADT）觀點介紹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)技術(shù)，采用算法時空分析來判斷算法的好壞。在此基礎(chǔ)上介紹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的具體應(yīng)用。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的內(nèi)容體系如圖3所示。

我們把數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的內(nèi)容劃分為基礎(chǔ)部分、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法部分和應(yīng)用部分。基礎(chǔ)部分的內(nèi)容有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的基本概念，抽象數(shù)據(jù)類型（Abstract Data Type，簡稱ADT）的表示，算法時空分析（算法復(fù)雜度）等。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法部分是課程的核心內(nèi)容。介紹各種基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點、ADT、各種存儲實現(xiàn)方法、相關(guān)的操作的實現(xiàn)。應(yīng)用部分主要介紹排序、查找（或檢索）、索引和散列等經(jīng)典算法。

三、理論教學(xué)設(shè)計

1.教學(xué)方法與手段。由于獨立學(xué)院的學(xué)生本身基礎(chǔ)不夠扎實，加上《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程理論性強，內(nèi)容抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程的開始階段，容易產(chǎn)生畏懼和茫然的情緒。為了提高教學(xué)質(zhì)量，我們在對教學(xué)方法和教學(xué)手段等方面進行了有益的探索和嘗試。要處理好多媒體教學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)模式之間的關(guān)系。多媒體教學(xué)模式以其形象性、生動性和信息量大等特點已成為主要的課堂教學(xué)手段，但也存在一些不足，一方面影響教師的即興發(fā)揮，而這恰是傳統(tǒng)黑板教學(xué)的長處；另一方面，由于多媒體教學(xué)具有信息量大、呈現(xiàn)快速、表現(xiàn)直觀、操作簡便的特點，教學(xué)活動很容易出現(xiàn)“課件喧賓奪主”的不良傾向。筆者認為，在講述如算法思想、編寫程序時，采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式更能清晰地表達。因此，在教學(xué)中要綜合使用多媒體教學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)模式兩種教學(xué)手段，以達到良好的教學(xué)效果。

2.把握課程的重點和難點。①課程的重點?；A(chǔ)部分：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的有關(guān)概念術(shù)語、算法特性、算法描述和算法分析；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法部分：線性表、棧、隊列、串、樹、二叉樹、圖等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)、相應(yīng)基本操作的實現(xiàn)，這些基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用：一元多項式的運算、遞歸算法的設(shè)計和實現(xiàn)、哈夫曼算法的實現(xiàn)和哈夫曼編碼的設(shè)計、最小生成樹和最短路徑的求法及實現(xiàn)；應(yīng)用部分：順序查找算法的設(shè)計，二分查找算法的設(shè)計，二叉查找樹的創(chuàng)建、查找、插入和刪除的算法的設(shè)計，散列表的建立和查找算法的設(shè)計；直接插入排序算法、冒泡排序算法、簡單選擇排序算法、快速排序算法、堆排序算法和歸并排序算法的實現(xiàn)，這些排序算法的性能比較。②課程的難點?；A(chǔ)部分：抽象數(shù)據(jù)類型（Abstract Data Type，簡稱ADT）概念的理解和描述，算法時間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度的估算方法；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法部分：棧在遞歸函數(shù)中的應(yīng)用，模式匹配KMP算法。圖的遍歷方法、Dijstra、Floyd、Prim、Kruskal等典型的圖應(yīng)用算法；應(yīng)用部分：排序算法的復(fù)雜性分析，排序方法在各類實際問題中的應(yīng)用。散列表的建立和查找算法的設(shè)計。

四、實驗教學(xué)設(shè)計

1.實驗類型。根據(jù)獨立學(xué)院應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標，注重培養(yǎng)實踐動手能力，結(jié)合教育部的“面向21世紀教學(xué)內(nèi)容和改革計劃，保留少量必開的經(jīng)典驗證型實驗，增開綜合型、設(shè)計型實驗”的精神，為了保證實驗課的正常運行，完成實驗教學(xué)目標，針對獨立學(xué)院學(xué)生普遍編程能力比較弱，C程序設(shè)計語言基礎(chǔ)較差的情況，我們打算增開一些鞏固C語言的課程預(yù)備型實驗，保留了必要的經(jīng)典的驗證型實驗內(nèi)容，增加設(shè)計型實驗，加強綜合型實驗，使得實驗類型不再單一，實驗內(nèi)容更顯層次化，做到既要有基本實驗的訓(xùn)練，又有獨立思考、綜合運用知識、創(chuàng)新等能力和素質(zhì)的培養(yǎng)。預(yù)備型實驗：主要加強學(xué)生C語言的薄弱環(huán)節(jié)，如結(jié)構(gòu)體、指針、數(shù)組、函數(shù)調(diào)用等，掌握C語言的這些知識點是完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗的有力保證。驗證型實驗：主要是為了理解和鞏固數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本知識點，用來驗證典型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的邏輯定義及在具體存儲結(jié)構(gòu)下的相關(guān)操作實現(xiàn)。綜合型實驗：實驗內(nèi)容涉及本課程的綜合知識或本課程相關(guān)課程知識，主要是為了培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力、實驗動手能力、數(shù)據(jù)處理能力及查找參考資料的能力。

2.實驗方法。對于驗證型實驗，學(xué)生在做實驗的任務(wù)基本上，只是將課本的算法修改為在某種編程語言環(huán)境下可以運行的程序而已。但對于設(shè)計型和綜合型實驗，尤其是綜合型實驗，它是多個知識點的綜合訓(xùn)練，包括問題分析、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、程序設(shè)計等基本技能，需要用更科學(xué)的實驗方法系統(tǒng)地完成。所以，為完成《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》實驗，我們引入軟件工程的方法來指導(dǎo)實驗，以實現(xiàn)實驗方法的規(guī)范化。需求分析：說明實驗的主要任務(wù)，如輸入的形式和輸入值的范圍、輸出的形式、程序功能和測試數(shù)據(jù)等。概要設(shè)計：說明本實驗中用到的所有抽象數(shù)據(jù)類型的定義、主程序的流程以及各程序模塊之間的層次調(diào)用關(guān)系。詳細設(shè)計：實現(xiàn)概要設(shè)計中定義的所有數(shù)據(jù)類型，對每個操作用程序設(shè)計語言編寫代碼；畫出函數(shù)之間的調(diào)用關(guān)系圖。調(diào)試分析：調(diào)試過程中遇到的問題是如何解決的以及對設(shè)計與實現(xiàn)的回顧討論和分析；算法的時間復(fù)雜度與空間復(fù)雜度的分析；算法的改進設(shè)想。

3.實驗過程。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程實驗同其他課程不同，在上實驗課之前需要做大量的準備工作，整個實驗從開始到結(jié)束不可能在有限的實驗計劃課時中全部完成，因此對整個實驗過程的控制和管理顯得非常重要，要求對每一次實驗課都進行精心地策劃，我們主要從課前預(yù)習(xí)階段、實驗操作階段和實驗總結(jié)階段等三個階段進行改革，以實現(xiàn)實驗過程的規(guī)范化。課前預(yù)習(xí)階段：以往的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，往往是學(xué)生到了課堂上才知道實驗的內(nèi)容，學(xué)生往往措手不及，這不利于實驗教學(xué)的正常開展。現(xiàn)在我們采用把每個實驗內(nèi)容提前放在網(wǎng)上，要求學(xué)生課前充分預(yù)習(xí)，詳細了解實驗?zāi)康暮驮?、實驗要用到的?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，在實驗之前必須提交實驗預(yù)習(xí)報告。通過課前預(yù)習(xí)，保證學(xué)生在實驗中思路清晰，能及時發(fā)現(xiàn)問題，易于取得實驗的成功。實驗操作階段：學(xué)生上機實驗的過程是實驗成敗的關(guān)鍵，我們一方面培養(yǎng)學(xué)生在實驗過程中養(yǎng)成做實驗記錄的良好習(xí)慣，另一方面引導(dǎo)學(xué)生在實驗過程中積極思考，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時，教師要指導(dǎo)學(xué)生分析其產(chǎn)生問題的根源，尋求解決問題的方法。學(xué)生在每次實驗結(jié)束后，要將實驗記錄交給教師檢查簽字。實驗總結(jié)階段：這一階段要求學(xué)生完成高質(zhì)量的實驗報告，實驗報告中除了包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義、算法思路、異常情況分析、測試數(shù)據(jù)及運行結(jié)果等必備的內(nèi)容外，更重要的還要包括實驗設(shè)計實施的成敗得失、經(jīng)驗教訓(xùn)和心得體會。整理和填寫實驗報告的過程，即是學(xué)生對自身存在的問題進行修正和完善的過程，通過分析整理實驗報告，學(xué)生可以更深刻地認識到自己在實驗中存在的問題，加強其設(shè)計思維的訓(xùn)練，也能不斷地積累解決實際問題的動手能力。

五、課程考核

1.《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的考核學(xué)生成績以100分制評定，其中，平時成績（包括書面作業(yè)、課堂測試、期中測試），占總成績的15%；考勤和學(xué)習(xí)態(tài)度，占總成績的5%；上機實習(xí)（加實習(xí)報告），占學(xué)期總成績的20%；期末考試，占總成績的60%。

2.“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)綜合實驗”的考核學(xué)生成績以優(yōu)、良、中、及格和不及格五個等級評定，其中，學(xué)生編寫的實際軟件和運行結(jié)果，占總成績的30%；設(shè)計報告，占總成績50%；教師提問，占總成績10%；考勤和學(xué)習(xí)態(tài)度，占總成績10%。關(guān)于綜合實驗成績的考核，由于過去過分依賴實驗報告的優(yōu)劣，導(dǎo)致學(xué)生不注重實驗過程，片面追求實驗報告的篇幅和整潔程度，嚴重制約了對學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。因此，必須注重綜合能力的考評，考慮平時的表現(xiàn)、實驗過程的考核、嚴禁抄襲。

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)主干課程，該課程整體的教學(xué)設(shè)計是以獨立學(xué)院人才培養(yǎng)目標為依據(jù)，結(jié)合學(xué)生的整體情況和課程在整個學(xué)科體系中的地位作出的，已在本院2008級、2009級、2010級計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)三屆的學(xué)生中實施過。從實施過程中得到的反饋信息有：學(xué)生認為理論課掌握得比較好，但要自己動手編程解決具體問題還是比較難，實驗的完成情況不理想；該課程對前導(dǎo)課程（主要是C語言程序設(shè)計和離散數(shù)學(xué)）的依賴性很強，學(xué)生編程能力低下和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的薄弱對該課程的教與學(xué)都有比較嚴重的影響。因此，借著該課程院級精品課程建設(shè)的契機，對該課程教學(xué)設(shè)計還要做較深入的探索，比如對各種實驗類型的比例設(shè)置，實驗難度的控制，如何與前導(dǎo)課程的融合，做好課程群建設(shè)等，以不斷提高課程的教學(xué)質(zhì)量。