王昱哲,王羅惠

(西安科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西西安710054)

0 引言

計(jì)算機(jī)編程中加工處理的對(duì)象是數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)具有組織結(jié)構(gòu)；編程不僅僅需要掌握計(jì)算機(jī)語言，還必須掌握數(shù)據(jù)組織、存儲(chǔ)、運(yùn)算的方法，才能寫出效率更好的程序。而數(shù)據(jù)組織、存儲(chǔ)和運(yùn)算方法正是《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》研究的主要內(nèi)容。通過對(duì)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的學(xué)習(xí)可以使學(xué)生了解計(jì)算機(jī)處理對(duì)象的特征，通過算法訓(xùn)練可以提高學(xué)生的思維能力[1]?！稊?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》也是學(xué)習(xí)編譯原理、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等其它課程的重要基礎(chǔ)，對(duì)計(jì)算機(jī)學(xué)科起到承前啟后的作用，這些都使得《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》在計(jì)算機(jī)專業(yè)課程學(xué)習(xí)中具有核心地位。

計(jì)算思維是問題解決所采用的一般數(shù)學(xué)思維方法，周以真教授將其定義為：運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[2]。計(jì)算思維是人類求解問題的一種思維方式。如何在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》的課堂教學(xué)中融入計(jì)算思維能力的培養(yǎng)呢？

1 設(shè)置問題，鼓勵(lì)學(xué)生多思考、多發(fā)言

計(jì)算機(jī)的主要目的就是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，解決人們現(xiàn)實(shí)中的的實(shí)際問題。數(shù)據(jù)不是雜亂無章的，同自然界的一切事物一樣，存在著內(nèi)在聯(lián)系，學(xué)習(xí)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的目的是如何合理的組織數(shù)據(jù)以便能高效的處理數(shù)據(jù)。因此在課堂上，應(yīng)避開知識(shí)的大量灌輸，明確學(xué)習(xí)的目的、意義以及要解決的問題。將書上的知識(shí)與現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用結(jié)合起來，舉一些實(shí)際例子，設(shè)置問題，讓學(xué)生思考。通過多設(shè)問題，循序漸進(jìn)引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考問題，使學(xué)生從被動(dòng)的被灌輸知識(shí)變?yōu)榉e極思考主動(dòng)獲得知識(shí)，從而達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生的思維方式的目的。

學(xué)生自己主動(dòng)思考獲得的知識(shí)，不僅能加深學(xué)學(xué)習(xí)印象、提高自信，更能培養(yǎng)思考習(xí)慣。設(shè)置問題，引導(dǎo)學(xué)生思考，鼓勵(lì)學(xué)生在課堂上把自己的想法講出來，其他的學(xué)生也會(huì)克服一些畏難心理，更有興趣的去聽講自己同班的學(xué)生的回答，不僅能對(duì)他人想法有一個(gè)初步的評(píng)價(jià)也能激發(fā)自己對(duì)問題的思考，課堂氣氛也往往能更加活躍。

學(xué)生思考出來的解決方法，如果不完善或不正確，也不要急于糾正。順著學(xué)生的思路，對(duì)學(xué)生的方法設(shè)置疑問，讓學(xué)生思考解決面臨各種預(yù)設(shè)的條件下，該算法是否能處理問題、方法是否考慮周詳、思路是否有局限，一步步將學(xué)生引導(dǎo)到正確方法上來，完善解決問題的算法。

通常問題的解決方法不僅一種，設(shè)置問題鼓勵(lì)學(xué)生勤于思考，使學(xué)生主動(dòng)思考獲取基礎(chǔ)知識(shí)。還要鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)一步思考，還有沒有其它的或更好的算法。引導(dǎo)學(xué)生從基本的數(shù)據(jù)組織和處理方法為基礎(chǔ)、進(jìn)一步思考更高效率的算法，對(duì)各種算法的特點(diǎn)以及性能進(jìn)行對(duì)比、鼓勵(lì)學(xué)生課下思考并查閱相關(guān)資料將學(xué)習(xí)的知識(shí)進(jìn)一步深化，激發(fā)學(xué)生課余進(jìn)一步深入探索書本之外知識(shí)的興趣。

2 多舉實(shí)例，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程應(yīng)多舉實(shí)例，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。舉例來說，《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》學(xué)到完棧和隊(duì)列時(shí)，可以請學(xué)生思考，實(shí)際生活中哪些事情符合先進(jìn)后出或先進(jìn)先出的特點(diǎn)。而學(xué)生的思維也確實(shí)非常活躍，往往能舉一些身邊很熟悉的事情。比如列舉到了中午吃飯排隊(duì)是符合隊(duì)列的特點(diǎn)，保證先到的先打飯，而如果有人插隊(duì)，則會(huì)破壞了規(guī)則。吃完飯把盤子送到回收餐具處，而餐廳服務(wù)員要清洗盤子時(shí)，首先清洗的是后放的盤子，符合后進(jìn)先出的棧式思想。再比如，學(xué)生交作業(yè)和教師改作業(yè)，則又符合棧的特點(diǎn)。

在講完樹這一章的知識(shí)后，可請學(xué)生思考八枚硬幣問題，用一個(gè)天平如何用最少的次數(shù)秤出八枚硬幣中哪一枚是假幣，并判斷出假幣比真幣重還是輕。這個(gè)問題可以留作課下思考，使學(xué)生在課余畫出稱量的方法和過程，而這個(gè)過程剛好可用一棵樹來描述，恰是樹的一個(gè)應(yīng)用舉例。

在學(xué)習(xí)圖這一章知識(shí)里，可以用著名的七橋問題引入內(nèi)容學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)遞歸時(shí)，列舉關(guān)于兔子生育問題引入費(fèi)波拉契數(shù)列、漢諾塔、求階乘等例子，進(jìn)一步講解和比較采用遞歸方法和非遞歸方法解決問題的特點(diǎn)。列舉有趣的例子既可以吸引學(xué)生學(xué)習(xí)注意力、活躍課堂氣氛、又可以激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深對(duì)知識(shí)的理解和記憶。

3 通過算法訓(xùn)練學(xué)生掌握算法的通用策略

在授課講解的過程中，不僅要學(xué)習(xí)知識(shí)，更要引導(dǎo)學(xué)生去思考，解決這個(gè)問題有哪些方法，為什么要這樣解決，有什么益處，要學(xué)習(xí)這種解決問題的思路和方法。不僅要注重知識(shí)的傳授，更要培養(yǎng)學(xué)習(xí)知識(shí)、解決問題的思維方法。

計(jì)算機(jī)只是一臺(tái)機(jī)器，不能夠主動(dòng)思考算法，它是按照程序員編寫的指令去解決問題。解決任何問題都需要算法，算法是指令的有限序列。算法是由程序員來設(shè)定的，利用計(jì)算機(jī)解決問題時(shí)的算法，有它自己的特點(diǎn)和所遵循的方法和規(guī)律。教授《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》，不僅使學(xué)生掌握一些知識(shí)，更要通過不斷的學(xué)習(xí)案例，進(jìn)行分析和總結(jié)，積累經(jīng)驗(yàn)，訓(xùn)練清晰和縝密的思維方式。

在思考問題的解決方法時(shí)，都需要首先確定輸入什么數(shù)據(jù)、如何組織數(shù)據(jù)、如何處理、以及問題的輸出是什么，輸出就是問題的最終結(jié)果。然后再進(jìn)一步仔細(xì)思考，如何處理這些數(shù)據(jù)，用什么樣的算法進(jìn)行處理，才能得出結(jié)果。

有的學(xué)生思路開闊、思維活躍，遇到問題能馬上整理出計(jì)算模型，而有的學(xué)生遇到問題毫無思路，一籌莫展[3]。學(xué)習(xí)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》，不僅學(xué)習(xí)書上解決問題的方法，更要培養(yǎng)算法思維，通過學(xué)習(xí)，進(jìn)行大量的訓(xùn)練，掌握算法的分析技術(shù)、設(shè)計(jì)技術(shù)，掌握計(jì)算機(jī)解決問題的規(guī)律。

算法的設(shè)計(jì)有若干通用策略，匯總起來構(gòu)成了一套非常有用的工具集，若能運(yùn)用得當(dāng)，可以解決計(jì)算機(jī)科學(xué)中的眾多問題。學(xué)習(xí)該門課程，重要在于通過算法訓(xùn)練，熟練掌握這些策略并將其應(yīng)用到實(shí)際環(huán)境中去。比如常用的方法有：窮舉、遞歸、分治、貪心、動(dòng)態(tài)規(guī)劃等。在學(xué)習(xí)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》的過程中，貫徹計(jì)算思維的培養(yǎng)、應(yīng)用。

比如樹這一章中，由于二叉樹的定義就是用二叉樹來定義二叉樹，用到了遞歸的思想，因此樹這一章中的很多算法，都用遞歸來解決，雖然遞歸不是唯一的辦法，但卻是最簡單最便于理解和實(shí)現(xiàn)的方法。在學(xué)習(xí)圖這一章里，求最小生成樹的普里姆算法和克魯斯卡爾算法都是應(yīng)用貪心算法設(shè)計(jì)策略的例子，盡管它們做貪心選擇的方式不同，以及圖中求單源最短路徑問題的迪杰斯特拉算法也是應(yīng)用了貪心策略。查找中的折半查找算法和排序中的快速排序，都是分治策略的典型應(yīng)用。

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》的算法往往不是一種，每一種問題的解決方案總有優(yōu)缺點(diǎn)，每一種算法總有適用該算法的情景。不是一種算法能適合任何情形。有的算法比較浪費(fèi)時(shí)間，但設(shè)計(jì)另一種算法若節(jié)約了時(shí)間，又往往會(huì)浪費(fèi)存儲(chǔ)空間，《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》中解決同一問題的各種算法，往往在時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度上找到一個(gè)均衡點(diǎn)[4]。在學(xué)習(xí)過程中不僅要讓學(xué)生熟悉算法思想和步驟，還要讓學(xué)生重視算法的性能分析以及適應(yīng)的條件，能夠根據(jù)實(shí)際問題的應(yīng)用情況選用合適的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》和算法解決問題。

4 理論聯(lián)系實(shí)際，注重實(shí)踐應(yīng)用

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》是一門邏輯性和應(yīng)用型非常強(qiáng)的學(xué)科[5]。學(xué)生不僅要掌握必備的基礎(chǔ)知識(shí)，更要將知識(shí)用于實(shí)踐，因此可將知識(shí)點(diǎn)與實(shí)際的應(yīng)用對(duì)應(yīng)起來。只有明確了要學(xué)習(xí)的內(nèi)容的實(shí)際用處，才能更好的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。而《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》解決的問題，很多都是實(shí)際生活中的問題，可以多舉學(xué)生身邊熟悉的實(shí)例，比如：排隊(duì)打飯問題、成績管理問題，讓學(xué)生將書本知識(shí)與生活中遇到的問題對(duì)應(yīng)起來，鼓勵(lì)學(xué)生自己獨(dú)立提出問題、分析問題和解決問題。

該門課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)，不能只是驗(yàn)證算法，而應(yīng)對(duì)該課程中的算法的實(shí)際應(yīng)用場景、問題規(guī)模、算法效率等方面也要多加考慮，不僅使學(xué)生理解和記憶經(jīng)典算法理論，更要理解消化、靈活運(yùn)用它們，通過上機(jī)實(shí)踐使學(xué)生的思維創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力得到有效培養(yǎng)和提高。

5 結(jié)語

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》作為計(jì)算機(jī)學(xué)科的核心課程，該課程的教學(xué)，不僅傳授知識(shí)，更要培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，本文探討如何組織教學(xué)內(nèi)容、研究教學(xué)方法，將計(jì)算思維能力的培養(yǎng)融入到課堂教學(xué)中，為學(xué)生以后從事計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的研究工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。