宋麗華 趙永升

魯東大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 山東煙臺(tái) 264025

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的重要理論和技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)于計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)學(xué)生解決現(xiàn)實(shí)問題的能力以及學(xué)習(xí)后續(xù)的操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、算法設(shè)計(jì)與分析等專業(yè)課程起著非常重要的作用。

由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)討論的是非數(shù)值計(jì)算問題，內(nèi)容多又較抽象，再加上學(xué)生只具備程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，還不能熟練使用所學(xué)知識(shí)解決具體問題。特別是理論與實(shí)踐的聯(lián)系不夠緊密是較為突出的問題，學(xué)生實(shí)踐少，與主講內(nèi)容脫節(jié)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的特點(diǎn)是根據(jù)問題選擇合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，高效地解決問題。課上所講授的知識(shí)絕大部分內(nèi)容均可通過上機(jī)實(shí)現(xiàn)，有些內(nèi)容，教師在講授的過程中可以編程完成，而有些內(nèi)容需要學(xué)生在課余時(shí)間繼續(xù)完成。但由于種種原因，部分學(xué)生完成課上的學(xué)習(xí)內(nèi)容后，由于缺乏學(xué)習(xí)興趣，沒有在課余時(shí)間抽出時(shí)間和精力自主學(xué)習(xí)，造成學(xué)生動(dòng)手能力差和實(shí)踐能力不突出。因此，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)是提高數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)質(zhì)量和效率的有效手段。

針對(duì)以上存在的問題，結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的特點(diǎn)，在應(yīng)用型人才培養(yǎng)改革中實(shí)施了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的教學(xué)改革。結(jié)合教育部對(duì)教育信息化的規(guī)劃要求，積極探索STEM教育，并針對(duì)課程特點(diǎn)積極探索CDIO教學(xué)模式，本文將對(duì)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)踐課程的一些探索進(jìn)行總結(jié)。

1 STEM與CDIO

2016年教育部出臺(tái)的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中明確指出有效利用信息技術(shù)推進(jìn)“眾創(chuàng)空間”建設(shè)，探索STEM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式，使學(xué)生具有較強(qiáng)的信息意識(shí)與創(chuàng)新意識(shí)，養(yǎng)成數(shù)字化學(xué)習(xí)習(xí)慣，具備重視信息安全、遵守信息社會(huì)倫理道德與法律法規(guī)的素養(yǎng)[1]。

STEM教育研究最早起源于美國科技促進(jìn)協(xié)會(huì)(AAAS)在1985年發(fā)起的一項(xiàng)致力于改革美國科學(xué)、數(shù)學(xué)與科技教育的長期研究計(jì)劃—Project 2061，將科學(xué)、數(shù)學(xué)及科技三大領(lǐng)域分立的知識(shí)體系與日常生活聯(lián)系，為學(xué)生提供更多應(yīng)用數(shù)學(xué)或科技的機(jī)會(huì)，解決傳統(tǒng)教學(xué)無法了解數(shù)學(xué)、科學(xué)與科技間的彼此關(guān)系的問題[2]。STEM教育聚焦了科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用與創(chuàng)新，關(guān)注學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，成為當(dāng)今世界課程改革的新方向。不僅是把科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行簡單疊加，而且特別強(qiáng)調(diào)將本來分散的4門學(xué)科自然地組合形成新的整體。更好地幫助學(xué)生不被單一學(xué)科的知識(shí)體系所束縛，促進(jìn)教師在教學(xué)過程中更好地進(jìn)行跨學(xué)科融合，鼓勵(lì)學(xué)生跨學(xué)科解決真實(shí)世界中的問題。培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、理性思維，把科學(xué)和理性融于生活。通過動(dòng)腦、動(dòng)手促進(jìn)學(xué)生健康、快樂地成長，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、實(shí)踐能力和知識(shí)的積累能力，使學(xué)生成為具備良好的多學(xué)科知識(shí)、綜合應(yīng)用能力的創(chuàng)新人才。

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。CDIO代表構(gòu)思(conceive)、設(shè)計(jì)(design)、實(shí)現(xiàn)(implement)、運(yùn)作(operate)，它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，是讓學(xué)生將實(shí)踐與課程之間有機(jī)聯(lián)系的主動(dòng)學(xué)習(xí)工程。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力4個(gè)層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這4個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。CDIO的理念不僅繼承和發(fā)展了歐美20多年來工程教育改革的理念，更重要的是系統(tǒng)地提出了具有可操作性的能力培養(yǎng)、全面實(shí)施以及檢驗(yàn)測(cè)評(píng)的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)整個(gè)模式的實(shí)施和檢驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的、全面的指引，使得工程教育改革具體化、可操作、可測(cè)量，并對(duì)學(xué)生和教師都具有重要指導(dǎo)意義。CDIO體現(xiàn)了系統(tǒng)性、科學(xué)性和先進(jìn)性的統(tǒng)一，代表了當(dāng)代工程教育的發(fā)展趨勢(shì)[3]。

2 改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)措施

針對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的課程特點(diǎn)，結(jié)合對(duì)計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力要求，在教學(xué)模式、觀念、方法、考試等方面進(jìn)行了改革，以提高學(xué)生的分析、解決復(fù)雜工程問題的實(shí)際能力。尤其是實(shí)踐教學(xué)過程中，注重結(jié)合STEM教育，融入CDIO工程教育模式，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)中實(shí)踐項(xiàng)目的設(shè)計(jì)構(gòu)思，充分考慮實(shí)踐項(xiàng)目的趣味性，貼近生活；通過興趣調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，對(duì)具體的實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行分析，按照工程觀點(diǎn)分解項(xiàng)目任務(wù)，細(xì)化構(gòu)思，進(jìn)而設(shè)計(jì)相應(yīng)模型和結(jié)構(gòu)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行預(yù)期分析，最終實(shí)施完成并進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；讓學(xué)生主動(dòng)參與從理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)化過程中來，并在實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)和創(chuàng)新能力。

2.1 持續(xù)更新實(shí)踐項(xiàng)目內(nèi)容 形成多層次的實(shí)踐教學(xué)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)踐教學(xué)主要包括課程實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)兩部分。課程實(shí)驗(yàn)主要要求學(xué)生對(duì)各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本操作進(jìn)行編程驗(yàn)證，綜合設(shè)計(jì)則是對(duì)學(xué)生分析問題、設(shè)計(jì)解決方案、編程能力和測(cè)試能力的綜合訓(xùn)練。

由于課程實(shí)驗(yàn)主要以驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主，為激發(fā)學(xué)生的實(shí)踐興趣，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力，在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)適當(dāng)增加設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的比重。例如，在隊(duì)列的基本操作中，要求學(xué)生利用隊(duì)列的基本操作實(shí)現(xiàn)舞會(huì)舞伴配對(duì)問題；在樹的操作中，建立一個(gè)家族的族譜，要求根據(jù)給定的某個(gè)人的信息，找出該人的所有祖先等。對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)都有具體要求，并鼓勵(lì)學(xué)生利用課余時(shí)間多實(shí)踐，每次試驗(yàn)結(jié)束后要求學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告及調(diào)試分析、算法的效率分析，為將來進(jìn)行軟件開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在綜合設(shè)計(jì)中，設(shè)立一些項(xiàng)目鍛煉學(xué)生綜合分析問題、解決問題的能力。可以搜集學(xué)生感興趣的題目，并且收集畢業(yè)生在工作中用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)，組成項(xiàng)目案例庫，為學(xué)生提供實(shí)踐項(xiàng)目。也可以選擇專業(yè)競(jìng)賽、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為綜合設(shè)計(jì)題目。例如，在講授樹結(jié)構(gòu)的問題時(shí)，可以增加如下的問題。

詩人李白一生好飲。一天，他提著酒壺，從家里出來，酒壺中有酒兩斗。他邊走邊唱：無事街上走，提壺去打酒。逢店加一倍，遇花喝一斗。這一路上，他一共遇到店5次，遇到花10次，已知最后一次遇到的是花，他正好把酒喝光了。請(qǐng)你計(jì)算李白遇到店和花的次序，可以把遇店記為a，遇花記為b。則babaabbabbabbbb就是合理的次序。像這樣的答案一共有多少呢？請(qǐng)你計(jì)算出所有可能方案的個(gè)數(shù)。

該問題是藍(lán)橋杯程序設(shè)計(jì)大賽的真題，對(duì)于問題的求解可以采用多種策略，其中最關(guān)鍵的是解空間的有效組織。在介紹樹的知識(shí)時(shí)，引入該問題，可以讓學(xué)生進(jìn)一步理解樹形結(jié)構(gòu)在實(shí)際生活中的應(yīng)用，也讓學(xué)生在學(xué)習(xí)這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)不再枯燥。

2.2 分層教學(xué)與評(píng)價(jià)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容大部分屬于抽象理論教學(xué)，學(xué)生對(duì)于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)看不到、摸不著，學(xué)習(xí)較吃力?？紤]到課程本身的難度，為了使學(xué)生更好地學(xué)好本課程，在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)采取分層教學(xué)與評(píng)價(jià)，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)對(duì)實(shí)踐內(nèi)容精心設(shè)計(jì)，盡可能讓不同層次的學(xué)生都能對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練，以達(dá)到鞏固知識(shí)的目的。對(duì)于精選的實(shí)踐題目，可以設(shè)置多問，難度逐步增加。編程能力稍差的學(xué)生可完成較為簡單的基礎(chǔ)題，即能使學(xué)生稍加努力便能完成，又能體驗(yàn)到成功的喜悅，更進(jìn)一步鞏固基礎(chǔ)知識(shí)。對(duì)于一些操作，給出部分詳細(xì)設(shè)計(jì)，使學(xué)生增強(qiáng)用程序?qū)崿F(xiàn)算法的自信心，繼而模仿編程，最終實(shí)現(xiàn)將理論知識(shí)應(yīng)用到解決實(shí)際問題中，提高其應(yīng)用能力。例如，利用棧實(shí)現(xiàn)括號(hào)匹配問題，給出表達(dá)式中只包含小括號(hào)的情況，然后要求學(xué)生完成表達(dá)式中含有3種括號(hào)的情況。對(duì)于編程能力一般的學(xué)生，要在大綱標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，適當(dāng)拔高，以提高解決具體問題的能力。對(duì)于喜歡編程又肯鉆研的學(xué)生，要廣泛調(diào)動(dòng)其積極性，挖掘其潛能，提高要求，引導(dǎo)其盡可能完成難度較高的問題，使其既發(fā)揮了自己的特長，又鍛煉了獨(dú)立分析問題、解決問題的能力。建立分層評(píng)價(jià)機(jī)制。教師對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)具有導(dǎo)向、激勵(lì)的功能。在教學(xué)過程中對(duì)不同層次的學(xué)生可以不同起點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)給出相應(yīng)評(píng)價(jià)，這樣能使學(xué)生建立自信，有利于激發(fā)學(xué)習(xí)的積極性。采取分層評(píng)價(jià)機(jī)制還能形成一種“你追我趕”的學(xué)習(xí)氛圍，共同提高學(xué)習(xí)成績和學(xué)習(xí)效果。也可以采用小組合作方式完成綜合性較強(qiáng)的項(xiàng)目，既鍛煉了學(xué)生的思考問題、解決問題的能力，也學(xué)會(huì)了團(tuán)隊(duì)合作精神。

2.3 通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)

任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法是一種以“任務(wù)為主線、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”的教學(xué)方式，主要體現(xiàn)在以下3點(diǎn)。(1)教學(xué)內(nèi)容被巧妙地設(shè)置在具體的任務(wù)當(dāng)中，學(xué)生帶著真實(shí)的任務(wù)學(xué)習(xí)。(2)學(xué)生擁有學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)，在教師啟發(fā)式的教學(xué)方式下自主思考、分析、解決實(shí)際問題。(3)教師不斷地引導(dǎo)、激勵(lì)學(xué)生，幫助學(xué)生完成教學(xué)內(nèi)容。

通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法來改進(jìn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)踐教學(xué)，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力[4]。如在求最短路徑的項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)了一個(gè)具體事例，要求大家作為新生入學(xué)向?qū)е驹刚咭龑?dǎo)新生及家長考察圖書館、主要的幾個(gè)學(xué)生餐廳、教學(xué)樓、宿舍樓、活動(dòng)場(chǎng)所等，并在引導(dǎo)過程中進(jìn)行情況介紹。這就要求學(xué)生開動(dòng)腦筋、查詢相關(guān)資料，并根據(jù)學(xué)校內(nèi)部的道路情況設(shè)計(jì)一條理想路徑。由于案例貼近學(xué)生具體生活，學(xué)生都很踴躍參與到討論分析過程中，在路徑設(shè)計(jì)方面甚至不僅考慮距離遠(yuǎn)近問題，還考慮到作為向?qū)б瓿傻娜蝿?wù)，還可能考慮到幾方面的加權(quán)問題。引導(dǎo)學(xué)生將問題轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的求最短路徑問題，通過分析，可以將每個(gè)地點(diǎn)作為圖中的一個(gè)頂點(diǎn)，若從一個(gè)地方到達(dá)另外一個(gè)地方，可以利用求源點(diǎn)到其他各頂點(diǎn)的最短路徑方法解決問題。學(xué)生既在此過程中增長了人文見識(shí)，又學(xué)會(huì)了知識(shí)點(diǎn)在實(shí)際生活中的應(yīng)用。

3 結(jié)語

由于課程教學(xué)尤其是實(shí)踐教學(xué)改革引起了學(xué)生的興趣，了解了相關(guān)知識(shí)點(diǎn)在實(shí)際生活中的應(yīng)用，從簡單到復(fù)雜，調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)積極性，教學(xué)效果得到改善與提高。與此同時(shí)，有效利用ACM、藍(lán)橋杯大賽和學(xué)校對(duì)應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)政策組織部分學(xué)生組成學(xué)習(xí)小組、參加大賽，近兩屆學(xué)生成績?cè)诓粩嗵嵘?，已?jīng)取得省賽、國賽的一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)。通過實(shí)踐驗(yàn)證，課程改革的效果良好，同時(shí)實(shí)踐課程的創(chuàng)新改革也帶動(dòng)了整個(gè)課程的進(jìn)步，課堂氣氛活躍，問題討論熱烈，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性得到了很大提高，真正做到了教與學(xué)的良好互動(dòng)，提高了教學(xué)質(zhì)量。