耿彧　趙仲孟

[摘要]當(dāng)今是一個(gè)信息高度共享的時(shí)代，高校的課程教學(xué)需更有效地借助于快捷方便的數(shù)字信息化平臺(tái)，培養(yǎng)大學(xué)生計(jì)算思維能力，適應(yīng)現(xiàn)代教學(xué)手段和課程資源共享模式，使學(xué)生能夠更好地分配學(xué)習(xí)時(shí)間，取得更好的教學(xué)效果。本文以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程為教學(xué)改革探討的實(shí)施對(duì)象，結(jié)合課程自身特點(diǎn)，將以問題為導(dǎo)向的教學(xué)法與翻轉(zhuǎn)式課堂思想結(jié)合起來，闡述如何建設(shè)自主學(xué)習(xí)、課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)3者相結(jié)合的綜合課程教學(xué)模式，更好地培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

[關(guān)鍵詞]計(jì)算思維；教學(xué)情景；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

doi：10.3969/j.issn.1673-0194.2017.18.154

[中圖分類號(hào)]G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1673-0194（2017）18-0245-02

1研究背景

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法是一門介于數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)軟硬件之間的計(jì)算機(jī)專業(yè)核心課程，目前在各高校的課程設(shè)置中，不但成為計(jì)算機(jī)學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，還是軟件工程、通信工程、電子技術(shù)等信息類專業(yè)的必修基礎(chǔ)課，也是計(jì)算機(jī)系歷屆研究生入學(xué)必考的專業(yè)基礎(chǔ)課，甚至于成為聘用單位的筆試課目。因此，學(xué)校通過對(duì)本課程進(jìn)行科學(xué)合理的課程建設(shè)，為學(xué)生后續(xù)課程學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維及訓(xùn)練編程動(dòng)手能力極其關(guān)鍵。

瑞士著名計(jì)算機(jī)科學(xué)家N.Wirth提出著名公式“程序=算法+數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”。如何設(shè)計(jì)出一個(gè)結(jié)構(gòu)好、效率高的程序，設(shè)計(jì)者必須研究數(shù)據(jù)的特性及數(shù)據(jù)間的相互關(guān)系和其對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)表示，即數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并利用這些特性和關(guān)系設(shè)計(jì)出相應(yīng)的算法和程序。從抽象數(shù)據(jù)類型和面向?qū)ο蟮挠^點(diǎn)來討論數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)已成為一種新的趨勢(shì)，越來越受到各個(gè)學(xué)校的重視，很多學(xué)科已經(jīng)開設(shè)或正在醞釀開設(shè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程。此外，如三維圖形、海量數(shù)據(jù)處理、機(jī)器學(xué)習(xí)和語音識(shí)別等研究所需要處理的計(jì)算量極大，均需要依靠卓越的算法來解決。因此，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展，學(xué)校迫切需要加強(qiáng)學(xué)生在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法設(shè)計(jì)方面的理論培訓(xùn)和實(shí)踐操作，提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和專業(yè)素質(zhì)。

目前，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的教學(xué)面臨著理論性較強(qiáng)、內(nèi)容抽象、算法枯燥以及與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合不夠密切的問題。但是，實(shí)際教學(xué)中所采用的傳統(tǒng)課堂教學(xué)方法，以教師講授為主，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)的教學(xué)方式，無法有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的求知欲與積極性，無法達(dá)到理想的教學(xué)效果。為了適應(yīng)現(xiàn)代教學(xué)手段和課程資源共享模式，面對(duì)課程教學(xué)遇到的新挑戰(zhàn)，學(xué)校應(yīng)積極探索新的具有特色的教學(xué)模式，更好地為各學(xué)科培養(yǎng)新時(shí)代環(huán)境下的高素質(zhì)創(chuàng)新人才。

2教學(xué)模式的探索與改革

2.1結(jié)合PBL教學(xué)法，將教學(xué)內(nèi)容問題化

PBL教學(xué)法是以問題為學(xué)習(xí)起點(diǎn)、以學(xué)生為主體、以教師為導(dǎo)向的啟發(fā)式教育，強(qiáng)調(diào)把學(xué)習(xí)置于復(fù)雜的、有意義的問題情境中，達(dá)到師生之間交流與互動(dòng)的效果。因此，生動(dòng)的教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)顯得非常重要，教師依據(jù)教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)目的創(chuàng)設(shè)情境導(dǎo)入課程。同時(shí)，教師設(shè)置經(jīng)典問題及富有挑戰(zhàn)性的題目作為課程的先導(dǎo)問題和課后探索研究的內(nèi)容，調(diào)動(dòng)學(xué)生的求知欲，培養(yǎng)學(xué)生善于捕捉、整合、判斷各種知識(shí)的能力，以及不斷思索與創(chuàng)新的能力。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的內(nèi)容主要涉及基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如線性表、棧、隊(duì)列；復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如樹、二叉樹和圖；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，如查找和排序；常見算法，如貪心算法、分治算法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法和回溯算法等。教師可以將一些經(jīng)典問題（如表1所示）抽象為某種特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后用合適的算法來實(shí)現(xiàn)，達(dá)到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的融會(huì)貫通。

為了適應(yīng)計(jì)算機(jī)思維培養(yǎng)的需求，教師要進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生深化問題，發(fā)揮獨(dú)特的創(chuàng)新能力，參照美國(guó)大學(xué)生競(jìng)賽的部分題目，設(shè)置一些挑戰(zhàn)性題目。如手機(jī)普及與社會(huì)能耗問題，涉及到手機(jī)革命引起的能源問題，研究手機(jī)與固定電話之間使用量的優(yōu)化問題以及手機(jī)使用和美國(guó)電能資源之間關(guān)系。再如，環(huán)島道路交通流的優(yōu)化問題，該問題的目標(biāo)是使用一個(gè)模型來決定如何更好地控制環(huán)島內(nèi)的交通流，并考慮車輛進(jìn)入環(huán)島內(nèi)的效率與安全因素。教師要按照“問題描述+問題分析+抽象數(shù)學(xué)模型+算法設(shè)計(jì)+編寫程序”幾個(gè)環(huán)節(jié)循序漸進(jìn)地導(dǎo)入，通過實(shí)際的建模問題，培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法設(shè)計(jì)的思想進(jìn)行思考、歸納、分析和創(chuàng)新，開拓學(xué)生的思維想象空間。

2.2借鑒MOOC平臺(tái)，將翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)合

MOOC（慕課）是大型開放式網(wǎng)絡(luò)課程的在線課堂，因其通過網(wǎng)絡(luò)為廣大學(xué)生提供更高質(zhì)、高效、便利的教育資源和學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)而倍受國(guó)內(nèi)外高等教育界的關(guān)注。2013年，我國(guó)的“東西部高校課程共享聯(lián)盟”引入MOOC的機(jī)制推動(dòng)高校從傳統(tǒng)教學(xué)方式向現(xiàn)代化教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變。為了逐步適應(yīng)目前新型在線教學(xué)模式的發(fā)展趨勢(shì)，學(xué)校應(yīng)該以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力、實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的彈性學(xué)習(xí)、緩解學(xué)校上課資源壓力等因素為出發(fā)點(diǎn)，并結(jié)合強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)資源，借鑒國(guó)內(nèi)知名高校建設(shè)的MOOC平臺(tái)，探索將翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)課堂相結(jié)合的教學(xué)模式應(yīng)用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法設(shè)計(jì)課程，尋求課程的模塊化設(shè)計(jì)，使學(xué)習(xí)變得更加靈活。

教師通過采用翻轉(zhuǎn)式課堂教學(xué)模式，采用課外線上學(xué)習(xí)和課內(nèi)線下集中兩種方式，將知識(shí)點(diǎn)劃分為3個(gè)難度級(jí)別：①難度高的采用課前看視頻自修，課內(nèi)講授重點(diǎn)難點(diǎn)；②難度中的采用課內(nèi)先講解，課后看視頻加強(qiáng)；③難度易的采用只安排課外看視頻，課內(nèi)不再講解。由此，教師的一部分授課任務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)知識(shí)點(diǎn)、設(shè)計(jì)準(zhǔn)備、討論課、查看數(shù)據(jù)和答疑輔導(dǎo)。同時(shí)，教師把每章的內(nèi)容細(xì)化為若干個(gè)知識(shí)點(diǎn)，列出學(xué)習(xí)任務(wù)清單，根據(jù)每種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)制定相應(yīng)的問題，按照“問題描述+問題分析+抽象數(shù)學(xué)模型+算法設(shè)計(jì)+編寫程序”循序漸進(jìn)地導(dǎo)人。根據(jù)學(xué)生個(gè)人對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解與掌握程度設(shè)置學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)。此外，學(xué)校要搭建同學(xué)之間、師生之間共同研討的平臺(tái)，教師也可從學(xué)生的討論中受到啟發(fā)，達(dá)到教學(xué)相長(zhǎng)。

2.3實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)要合理設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法實(shí)驗(yàn)是一種驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，將所學(xué)的理論知識(shí)與上機(jī)實(shí)踐相結(jié)合，通過利用某種高級(jí)語言環(huán)境對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證。教師要按照理論知識(shí)一實(shí)訓(xùn)課一專題實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié)依次進(jìn)行。實(shí)訓(xùn)課在設(shè)計(jì)的時(shí)候要重基礎(chǔ)、重驗(yàn)證，要求每個(gè)學(xué)生必須掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)及獨(dú)立實(shí)現(xiàn)主要算法的驗(yàn)證。專題實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)的時(shí)候要重綜合、重設(shè)計(jì)，以小組形式進(jìn)行、以任務(wù)書的形式下達(dá)給每組學(xué)生。實(shí)驗(yàn)完成后以書面報(bào)告和小組講解兩種形式驗(yàn)收，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生查閱資料的能力、創(chuàng)新能力、實(shí)踐動(dòng)手能力與合作精神。

3結(jié)語

以講授為主的傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式將逐漸被以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主的新型教學(xué)模式所取代。教師要以問題為導(dǎo)向設(shè)置與現(xiàn)實(shí)生活密切相關(guān)的算法問題，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，讓學(xué)生能夠感受到學(xué)有所用、學(xué)能所踐，最終達(dá)到理論與實(shí)踐的完美結(jié)合。