張善新

(江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

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基于多元融合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)方法初探

張善新

(江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

針對國內(nèi)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)過程中任務(wù)重、要求高和課時少的突出矛盾，為高效利用有限的課堂時間和課外時間，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和信心，提出了多元融合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程改革方案，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)手段、實踐教學(xué)和教學(xué)質(zhì)量評價等多方面進(jìn)行優(yōu)化改革。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)； 課程改革； 教學(xué)模式； 多元融合

1968年，美國著名計算機(jī)科學(xué)家，斯坦福大學(xué)高德納(Donald Ervin Knuth)教授在其所著的《計算機(jī)程序設(shè)計藝術(shù)》第一卷《基本算法》中，第一次較系統(tǒng)地闡述了數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的操作，這標(biāo)志著數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體系的開創(chuàng)[1]。從此以后，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”正式作為計算機(jī)科學(xué)的一門獨立學(xué)位課程開始出現(xiàn)，尤其是20世紀(jì)70年代以后，隨著大型程序的出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計成為主流，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在程序設(shè)計中的作用越來越明顯。

在計算機(jī)發(fā)展早期，其主要用途是科學(xué)和工程計算。而進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，計算機(jī)的工作重點轉(zhuǎn)向了數(shù)據(jù)處理，并且現(xiàn)在計算機(jī)用于數(shù)據(jù)處理的時間比例達(dá)到80%以上。因此，可以說數(shù)據(jù)處理已經(jīng)成為計算機(jī)應(yīng)用的主要內(nèi)容。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體系建立早期，由于工藝和技術(shù)的限制，計算機(jī)內(nèi)存容量很小，大型程序?qū)τ跀?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的要求很高，這也促進(jìn)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)容的發(fā)展。然而，隨著芯片加工工藝的快速發(fā)展，計算機(jī)不斷更新?lián)Q代，內(nèi)存存儲容量快速增加，使得人們在程序設(shè)計過程中對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重要性的認(rèn)識不斷下降。

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”是一門計算機(jī)類的基礎(chǔ)課程，是數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)等后續(xù)課程的重要理論技術(shù)基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要針對非數(shù)值計算的實現(xiàn)，涉及非數(shù)值計算過程中數(shù)據(jù)在計算機(jī)中的表示、組織與處理。由于課程的基礎(chǔ)地位，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程影響到學(xué)生本科期間很多后續(xù)內(nèi)容的開展和學(xué)習(xí)，無論是對于進(jìn)一步學(xué)習(xí)計算機(jī)領(lǐng)域其他課程、參加競賽和實踐，還是對學(xué)生將來工作和深造，以及今后從事理論研究、技術(shù)開發(fā)管理等都具有重要的影響。因此，如何有效提高“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教與學(xué)的質(zhì)量是需要我們深入研究的一個重要課題，也是我們一直以來都面臨的一個任務(wù)艱巨的挑戰(zhàn)，更是我們孜孜以求的實踐目標(biāo)。

1 “數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)方法研究現(xiàn)狀

鑒于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性，目前在課程教學(xué)過程中提出了很多教學(xué)方法。邱勁等從教學(xué)實踐出發(fā)，針對“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)中存在的問題,提出了“合理組織教學(xué)內(nèi)容，改革傳統(tǒng)教學(xué)模式，優(yōu)化教學(xué)手段,加強工程實踐,建立科學(xué)評價機(jī)制”的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)改革與實踐研究方案[2]。李治軍在對教學(xué)模式進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種以問題驅(qū)動為核心的教學(xué)模式[3]。唐劍梅對課程的教學(xué)模式進(jìn)行了研究和探討，從課程整體安排、教學(xué)環(huán)節(jié)組織、實訓(xùn)報告規(guī)范化以及課程考核方式等方面提出了可行性較強的具體措施[4]。楊峰等將微課與翻轉(zhuǎn)課堂結(jié)合應(yīng)用到“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)過程中，為課堂教學(xué)帶來了新的思路[5]。吳一塵等在分析現(xiàn)行教學(xué)模式下“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，探討了翻轉(zhuǎn)課堂在課程中的應(yīng)用前景，以“最小生成樹”教學(xué)內(nèi)容為例，研究了翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的可行性[6]。曹妍等為實現(xiàn)計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，在對課程教學(xué)中存在的實際問題進(jìn)行分析基礎(chǔ)上，提出了一種淡化細(xì)節(jié)注重算法思想和實踐環(huán)節(jié)的啟發(fā)式創(chuàng)新型教學(xué)模式[7]。趙慶聰提出在云計算教學(xué)平臺基礎(chǔ)上，引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)實驗?zāi)Ｊ?，設(shè)計了實驗教學(xué)過程，實踐表明，這種方法對“教”與“學(xué)”都起到促進(jìn)作用[8]。楊玉軍和楊夷梅針對傳統(tǒng)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)的弊端，結(jié)合自己多年計算機(jī)程序設(shè)計競賽培訓(xùn)經(jīng)驗和教學(xué)實踐，論述了《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)中融入計算機(jī)程序設(shè)計競賽思想的重要性,并且就程序設(shè)計競賽思想全方位融入到“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中的具體方法進(jìn)行了探索，為“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)改革提供有益參考[9]。劉小晶等從分析“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)現(xiàn)狀和翻轉(zhuǎn)課堂的概念入手，探究如何在高?！皵?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課堂教學(xué)中有效實施翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，提出了具體實施方案，明確了教學(xué)活動過程中各要素的流程控制，最后就實施方案應(yīng)用中擬解決的關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析[10]。張燕則借助微信公眾平臺輔助高校數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)研究[11]。張紹武等對“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”教學(xué)模式進(jìn)行探索，研究了基于慕課平臺的翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)理論及教學(xué)實踐，力求使學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)，能夠了解掌握數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)及算法設(shè)計與分析的基本思想，從而為各種計算領(lǐng)域的學(xué)習(xí)和研究打下基礎(chǔ)[12]。盡管這些方法取得一些成績，然而由于“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”這門課程的特殊性，目前在教學(xué)過程中仍存在著一些問題：(1)應(yīng)用平臺的問題。一方面學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，對于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)之后的應(yīng)用對象缺乏直觀認(rèn)識，容易造成理論脫離實際的困境。另一方面現(xiàn)在計算機(jī)內(nèi)存很大，CPU運算速度也很快，學(xué)生很難體會到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的作用與優(yōu)勢；(2)先修課程掌握不足?！癈語言程序設(shè)計”是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要前導(dǎo)課程之一，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中由于受課時和實驗條件的限制，實踐較少，造成C語言知識掌握和熟練程度普遍不足，學(xué)生感覺數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程理論知識能夠聽懂，但是不知道從何處入手實現(xiàn)算法，感到“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”難以掌握，從而喪失學(xué)習(xí)興趣和信心，直接影響到課程教學(xué)過程。(3)課時量少。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識點豐富，內(nèi)容繁多，現(xiàn)在的課時難以支撐一些新的教學(xué)模式的開展，主要的教學(xué)方式還是以課堂教師授課為主，學(xué)生很難參與進(jìn)來。如何將不同教學(xué)模式進(jìn)行合理運用安排，以及引導(dǎo)學(xué)生課外時間對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識應(yīng)用顯得尤為重要。

針對“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”教學(xué)過程中出現(xiàn)的上述問題，本文以江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程為依托，按照培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題以及解決問題的原則，以能力為中心，以學(xué)生為主體，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)實踐以及質(zhì)量評價等方面展開“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)改革與實踐研究，提出一種新的多元融合的教學(xué)方法。

2 基于多元融合的課程教學(xué)與實踐改革

2.1 教學(xué)內(nèi)容組織與改革

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程是以非數(shù)值計算的程序設(shè)計問題為研究對象的一門學(xué)科，課程涉及眾多內(nèi)容。從邏輯結(jié)構(gòu)角度來說，涉及基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(線性表、棧、隊列、串、數(shù)組和廣義表)、復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(樹、圖和動態(tài)存儲管理)以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用(查找和內(nèi)部排序)。從存儲結(jié)構(gòu)角度來說，涉及線性存儲和鏈?zhǔn)酱鎯煞N主要存儲方式，但是對于每種不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存儲方式上又有差別。更為復(fù)雜的是，對于每一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，都有包括創(chuàng)建、銷毀、插入、刪除、以及遍歷等在內(nèi)的大量不同操作?！皵?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)內(nèi)容的有效選擇和組織是首先要解決的一個重要問題。

對課程內(nèi)容進(jìn)行合理的選擇和組織，以計算思維為導(dǎo)向，遵循抓重點、破難點、釋疑點、造亮點的原則，統(tǒng)籌兼顧，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，突出重點難點，精準(zhǔn)發(fā)力，科學(xué)實施。做到重點、難點、疑點和亮點的精準(zhǔn)選擇，重點難點精講細(xì)講、易懂的內(nèi)容充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，重點內(nèi)容(概念、算法和思想等)做到講細(xì)講透，加強與已有知識的聯(lián)系與區(qū)別，對于抽象內(nèi)容，不易掌握的算法思想等難點，要化抽象為具體。

2.2 教學(xué)模式改革

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中很重要的一部分就是算法，由于算法比較抽象，對于學(xué)生的想象能力要求很高。因此，現(xiàn)代教學(xué)模式在課堂中的引入顯得尤為重要。如啟發(fā)式教學(xué)模式、范例教學(xué)模式以及翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式等的引入。在教學(xué)過程中，加強實際生活中案例的應(yīng)用，例如在講圖中單源最小路徑求解的Dijkstra算法的過程中，筆者以學(xué)生放假回家為情景，通過啟發(fā)學(xué)生規(guī)劃回家路線這一案例，將書上抽象的符號具體化。在講圖中最小生成樹概念的時候，以不同城市之間架設(shè)通信線路為例，鼓勵學(xué)生到講臺上講述自己實現(xiàn)這一過程的思路，通過將翻轉(zhuǎn)課堂模式嵌入到課堂教學(xué)中，將學(xué)生的表述內(nèi)容進(jìn)行抽象總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生理解Prim算法和Kruskal算法的思想，增加課堂上師生之間的互動。此外，在教學(xué)過程中，注重內(nèi)容之間的連續(xù)性與繼承性，建立完整的知識體系，對不同類型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的區(qū)別與聯(lián)系進(jìn)行分析。

與此同時，加強老師與學(xué)生之間的互動，充分調(diào)動學(xué)生課下學(xué)習(xí)的興趣，通過即時通信工具，如微信平臺的使用，加強學(xué)生與教師之間的交流，對學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的困難做到及時溝通與處理。

2.3 教學(xué)手段改革

多媒體技術(shù)的出現(xiàn)，使得教學(xué)手段更加豐富。充分利用多媒體技術(shù)，將抽象概念用動畫形式進(jìn)行展示，使抽象概念直觀化，在強化教學(xué)效果的同時也便于學(xué)生對于概念的理解。特別是對于算法過程的講解中，通過動畫效果，展示算法執(zhí)行過程，學(xué)生可以通過動畫演示，動態(tài)了解數(shù)據(jù)變化過程，理解算法執(zhí)行情況。

在使用多媒體教學(xué)的同時，也應(yīng)該注重對板書的應(yīng)用。此外，由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容需要用C語言進(jìn)行實現(xiàn)，可以借助多媒體，通過結(jié)合Visual Studio等開發(fā)工具的調(diào)試過程，展示程序運行過程中算法執(zhí)行過程，變量變化情況等。

此外，鼓勵學(xué)生通過包括慕課、網(wǎng)絡(luò)公開課等多種形式的多媒體網(wǎng)絡(luò)課件實現(xiàn)自學(xué)和復(fù)習(xí)的過程，并與課堂教學(xué)結(jié)合起來，形成多維立體的學(xué)習(xí)環(huán)境。

2.4 開展多元實踐教學(xué)模式

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程學(xué)習(xí)的目標(biāo)是將理論與應(yīng)用進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，而如何引導(dǎo)學(xué)生在實際中應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識是課程改革的重點。通過實踐教學(xué)，使學(xué)生明白數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)、作用、優(yōu)勢和應(yīng)用領(lǐng)域，同時引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會針對具體問題進(jìn)行分析，選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型，從而解決問題，實現(xiàn)對學(xué)生分析能力和解決問題能力的培養(yǎng)。

目前，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的實驗內(nèi)容很多，針對每種不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都有相應(yīng)的實驗任務(wù)，學(xué)生的上機(jī)實驗也很多。但是，這些實驗的內(nèi)容多是驗證性實驗，缺乏培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題能力的內(nèi)容。因此，需要對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行多方面優(yōu)化與改進(jìn)：

(1)實驗內(nèi)容的優(yōu)化：教學(xué)實驗內(nèi)容題目設(shè)計要更加合理，以實際應(yīng)用課題為出發(fā)點設(shè)計上機(jī)實驗內(nèi)容，同時還要加強知識運用方面的內(nèi)容。

(2)工程課題實踐的改革：以單片機(jī)為應(yīng)用平臺，通過在單片機(jī)上實現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提出以單片機(jī)系統(tǒng)為應(yīng)用平臺，通過在單片機(jī)系統(tǒng)上編寫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中鏈表、順序表、棧、隊列、樹和圖的程序，實現(xiàn)查找以及排序等功能，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在工程實踐過程中使學(xué)生掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識。

(3)學(xué)科競賽思路的引入：將計算機(jī)程序設(shè)計競賽試題的解決方案和“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)進(jìn)行融合，通過向?qū)W生講述計算機(jī)程序設(shè)計競賽的重要性，增加學(xué)生興趣，并且將程序設(shè)計競賽思想全方位融入課程的實踐教學(xué)中。

2.5 優(yōu)化教學(xué)質(zhì)量評價體系

優(yōu)化學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評價體系，可以有助于提高學(xué)生的主動性，增加學(xué)習(xí)的樂趣，提高學(xué)習(xí)的效率，如何建立多元評價體系是一個需要進(jìn)行優(yōu)化的課題：

(1)考核方式的多元化。上課表現(xiàn)、實驗表現(xiàn)、課后作業(yè)以及期末考試等多元考核方式綜合運用。課后作業(yè)形式實現(xiàn)多元化，設(shè)計包括選擇題、計算題和編程題等不同類型題目的綜合形式。實驗成績的考核也從實驗報告成績一種方式轉(zhuǎn)化成上機(jī)表現(xiàn)和實驗報告成績加權(quán)的方式進(jìn)行。

(2)理論成績和實踐成績相結(jié)合，增加學(xué)生實踐成績的比例。以小組的形式，共同完成綜合大作業(yè)任務(wù)，通過小組自評、互評和教師評價加權(quán)的方式進(jìn)行效果評價。

3 結(jié)語

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計算機(jī)類專業(yè)的基礎(chǔ)課，同時也是眾多相關(guān)專業(yè)的重要選修課程。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的學(xué)習(xí)對于培養(yǎng)學(xué)生的思維抽象能力，問題分析和解決能力具有重要的作用。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在計算機(jī)類課程中具有重要的基礎(chǔ)作用。筆者針對課程理論性強，抽象、難以掌握，而且學(xué)生對學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之后的用途不了解，導(dǎo)致對課程重要性認(rèn)識不足、學(xué)習(xí)興趣不高的問題，提出了多元融合的課程改革方案，讓學(xué)生更加深入地理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在程序設(shè)計中的重要性，更加有效地掌握課程內(nèi)容。通過改革與建設(shè)，將課程建設(shè)成為一門充滿創(chuàng)新精神，理論聯(lián)系實際，具有現(xiàn)代計算機(jī)專業(yè)特色的一門課程。

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責(zé)任編輯 俞 林

Teaching method of “Data Structure” based on multi-integration mode

ZHANGShanxin

(School of Internet of Things Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

In order to solve the contradiction problems with heavy tasks, high requirements and less time during the teaching process of data structure course, a novel curriculum reform program about the course is proposed based on multi-integration mode to efficiently use limited classroom time and extra-curricular time, arouse the enthusiasm of students, as well as promote the interest and confidence of students in learning data structure. In this paper, the optimization and reform of teaching content, mode, methods, practice and quality evaluation system are presented.

Data Structure; curriculum reform; teaching mode; multi-integration

2016-04-26

項目來源：中央高?；究蒲谢痦椖?JUSRP115A27)

張善新(1987— )，男，山東臨沂人，講師，博士，研究方向：模式識別與人工智能。

10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2016.06.011

G 642.0

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1671-7880(2016)06-0039-04