張偉偉 陳彥磊

“數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”是選擇性必修課程的第一個(gè)模塊，該模塊包含“數(shù)據(jù)及其價(jià)值”“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用”三部分內(nèi)容。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用屬于選擇性必修1的第三部分，該部分要求學(xué)生掌握前兩部分內(nèi)容后，能綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)解決實(shí)際問題，體現(xiàn)數(shù)據(jù)蘊(yùn)含價(jià)值，結(jié)構(gòu)提升效率是整個(gè)選擇性必修1模塊的難點(diǎn)和重點(diǎn)?！镀胀ǜ咧行畔⒓夹g(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》）對(duì)該部分的學(xué)業(yè)要求為：能針對(duì)限定條件的實(shí)際問題進(jìn)行數(shù)據(jù)抽象，運(yùn)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)合理組織、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，選擇合適的算法（如排序、查找、迭代、遞歸等）編程實(shí)現(xiàn)、解決問題。本部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的信息意識(shí)和計(jì)算思維，將知識(shí)應(yīng)用于解決現(xiàn)實(shí)問題，深入理解信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)，具有十分重要的作用。

● 課程內(nèi)容分析

本部分內(nèi)容涉及的學(xué)科概念主要是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在現(xiàn)實(shí)問題中的應(yīng)用需要選擇合適的數(shù)據(jù)類型和恰當(dāng)?shù)乃惴?，通過編程來(lái)解決問題。教科版教材中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型分別介紹了線性表、隊(duì)列、棧、二叉樹，算法引入了迭代和遞歸，涉及解決實(shí)質(zhì)性問題的有排序和查找。

教材在第一章中提出了數(shù)據(jù)及其結(jié)構(gòu)，引入了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)提升數(shù)據(jù)價(jià)值、提高數(shù)據(jù)利用效率的重要性，其后的章節(jié)中分別介紹了線性表、隊(duì)列、棧和二叉樹，對(duì)每種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也貫穿在其中。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用的內(nèi)容與新課標(biāo)的內(nèi)容要求對(duì)應(yīng)如下表所示。

本部分通過對(duì)典型實(shí)例進(jìn)行分析與體驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型、特征，迭代、遞歸算法。根據(jù)本單元教材內(nèi)容及教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合新課標(biāo)的教學(xué)理念，建議以項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行組織，通過項(xiàng)目的實(shí)施，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)解決問題的一般方法和過程，其知識(shí)結(jié)構(gòu)與項(xiàng)目任務(wù)對(duì)應(yīng)的思維導(dǎo)圖如圖1所示。

● 教學(xué)實(shí)施策略

依據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)該部分的學(xué)業(yè)要求和素養(yǎng)要求，建議在本部分教學(xué)實(shí)施時(shí)采用基于真實(shí)情境的項(xiàng)目教學(xué)法。在學(xué)習(xí)過程中，教師采用多維度評(píng)測(cè)方式，對(duì)學(xué)生的項(xiàng)目實(shí)施過程和項(xiàng)目成果進(jìn)行反饋和評(píng)價(jià)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，以達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)。

1.創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境

教師在創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境時(shí)，要充分考慮與學(xué)生生活相關(guān)的主題。例如，圖書館的書籍分類放置、學(xué)生排隊(duì)借書，就用到了兩種不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。圖書存放采用的是樹形結(jié)構(gòu)，而排隊(duì)借書用到的是線性結(jié)構(gòu)中的隊(duì)列結(jié)構(gòu)。因此在解決相關(guān)問題時(shí)，需要建立不同的數(shù)據(jù)模型，利用合適的抽象數(shù)據(jù)類型來(lái)解決。

2.以學(xué)生為本開展教學(xué)

在教學(xué)實(shí)施過程中，要充分體現(xiàn)學(xué)生的主體地位。分析具體問題環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生通過小組討論、頭腦風(fēng)暴的方式把握問題核心，將復(fù)雜的生活問題抽象成相關(guān)的數(shù)據(jù)模型。選擇算法環(huán)節(jié)可以鼓勵(lì)學(xué)生嘗試選擇多種算法，通過對(duì)比不同算法時(shí)間和空間的復(fù)雜度，來(lái)確定最優(yōu)算法。

3.立足而不拘泥于教材

教材為教學(xué)實(shí)施設(shè)計(jì)了很好的教學(xué)思路，也為項(xiàng)目開展提供了較豐富的教學(xué)資源，但是教師在具體的教學(xué)中，應(yīng)根據(jù)地域和學(xué)生水平差異對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行重組或者二次開發(fā)，以達(dá)到更好的教學(xué)效果。

4.有效評(píng)價(jià)提升項(xiàng)目實(shí)施效果

在整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施過程中，教學(xué)評(píng)價(jià)多維度、多形式貫穿于教學(xué)活動(dòng)的始終，包括學(xué)生自評(píng)、組內(nèi)互評(píng)和教師點(diǎn)評(píng)，以及過程性評(píng)價(jià)和結(jié)果評(píng)價(jià)。有效的評(píng)價(jià)既能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和項(xiàng)目的參與度，又能讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不斷改進(jìn)實(shí)施方案和探究方式，有效地促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

● 典型案例設(shè)計(jì)

下面，筆者以教科版“數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”第四章“隊(duì)列及其應(yīng)用”中的第三節(jié)《排隊(duì)取號(hào)模擬系統(tǒng)》一課為例，講解如何以項(xiàng)目實(shí)施來(lái)開展模塊教學(xué)，體現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值。

1.學(xué)習(xí)目標(biāo)

①了解排隊(duì)取號(hào)系統(tǒng)的基本功能。②分析該系統(tǒng)中用到的數(shù)據(jù)，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。③掌握隊(duì)列在排隊(duì)取號(hào)模擬系統(tǒng)中的應(yīng)用方法。④體會(huì)排隊(duì)取號(hào)模擬系統(tǒng)在輔助決策中的應(yīng)用。

2.項(xiàng)目分析

（1）項(xiàng)目情境

用餐高峰時(shí)段餐館排隊(duì)現(xiàn)象普遍，等待時(shí)間過久容易流失顧客，這對(duì)餐館來(lái)說是一個(gè)損失，而通過應(yīng)用隊(duì)列結(jié)構(gòu)來(lái)模擬顧客排隊(duì)取號(hào)用餐的過程，統(tǒng)計(jì)顧客平均等待時(shí)間，優(yōu)化餐桌配置，可以縮短等待時(shí)間，減少顧客流失。

（2）項(xiàng)目主題

餐館排隊(duì)取號(hào)，小組根據(jù)項(xiàng)目主題，進(jìn)行討論，制訂項(xiàng)目學(xué)習(xí)規(guī)劃方案，可用流程圖、思維導(dǎo)圖等形式表達(dá)，參考上頁(yè)圖2框架。

3.教學(xué)過程

（1）情境引入

用視頻或文字描述生活中的實(shí)例，展示餐館中顧客排隊(duì)取號(hào)、等候和系統(tǒng)叫號(hào)、就餐的過程。

設(shè)計(jì)意圖：①展示數(shù)字化創(chuàng)新對(duì)日常生活的影響;②理解數(shù)據(jù)的價(jià)值。

（2）項(xiàng)目探究活動(dòng)

分析問題，將復(fù)雜的問題分成兩個(gè)子任務(wù)。

任務(wù)一：模擬餐館排隊(duì)取號(hào)。

分析數(shù)據(jù)模型，得出該模型分為叫號(hào)和取號(hào)兩部分。叫號(hào)為顧客在隊(duì)尾入隊(duì)，取號(hào)為顧客在隊(duì)首出隊(duì)，即FIFO結(jié)構(gòu)，可用線性表中的隊(duì)列進(jìn)行表達(dá)和實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)意圖：了解排隊(duì)取號(hào)系統(tǒng)的基本思路;體驗(yàn)隊(duì)列在解決問題過程中的作用。

任務(wù)二：編程實(shí)現(xiàn)餐館排隊(duì)取號(hào)模擬系統(tǒng)。

引導(dǎo)學(xué)生分析解決問題的過程、需要用到的數(shù)據(jù)，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

①用顧客類Guest存儲(chǔ)顧客所選的餐桌類型、顧客的用餐時(shí)間、顧客的取號(hào)時(shí)間。

②用餐桌類Table來(lái)記錄餐桌的類型和狀態(tài)。

③設(shè)計(jì)取號(hào)和叫號(hào)的算法。

④用Python編程實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)信息的展示。

設(shè)計(jì)意圖：明白數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法是相輔相成的，兩者的有效結(jié)合才能提升數(shù)據(jù)的價(jià)值;在解決問題的過程中培養(yǎng)計(jì)算思維;體會(huì)數(shù)字化的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新在輔助決策系統(tǒng)中的作用;提高學(xué)生的信息意識(shí)。

（3）項(xiàng)目展示與交流

將每個(gè)小組的項(xiàng)目成果進(jìn)行展示和分享。每個(gè)小組派一名代表描述本組項(xiàng)目完成的過程、遇到的困難，以及解決的辦法。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生通過陳述問題解決的方法，提升表達(dá)能力和自信心。

（4）項(xiàng)目評(píng)價(jià)

從以下幾個(gè)方面對(duì)各小組進(jìn)行評(píng)價(jià)：

①小組成員參與度的自評(píng)和互評(píng)。②項(xiàng)目的步驟是否進(jìn)行了有效的規(guī)劃。③項(xiàng)目結(jié)果是否有效地呈現(xiàn)。④教師對(duì)學(xué)生取得的成績(jī)充分肯定，對(duì)其不足提出修改建議。

設(shè)計(jì)意圖：在激勵(lì)學(xué)生的同時(shí)，進(jìn)一步完善學(xué)生的知識(shí)體系。

（5）教學(xué)重點(diǎn)總結(jié)

只有將有效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)結(jié)合恰當(dāng)?shù)乃惴ú拍芡ㄟ^程序設(shè)計(jì)解決問題。

讓學(xué)生通過應(yīng)用理解算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，理解問題解決的本質(zhì)是要挖掘出數(shù)據(jù)的價(jià)值，讓數(shù)據(jù)為系統(tǒng)的決策提供支持。

（6）拓展探究任務(wù)

在現(xiàn)行方案上進(jìn)行哪些改動(dòng)，可以有效縮短顧客的等待時(shí)間？說明調(diào)整策略，并編程實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)意圖：從數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，再到應(yīng)用，逐步加深對(duì)問題解決一般性過程的理解，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移。了解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用的本質(zhì)是提升數(shù)據(jù)的價(jià)值，讓數(shù)據(jù)“會(huì)說話”。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用是對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)的綜合提升，難度相對(duì)較大，教師在教學(xué)時(shí)要抓住應(yīng)用服務(wù)于生活的本質(zhì)，讓學(xué)生通過項(xiàng)目學(xué)習(xí)，體驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在生活中的應(yīng)用，更好地理解算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)系。教師在設(shè)計(jì)問題及解決方案時(shí)，要突出在應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之后能有效提升數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)效率、在應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)解決問題之后能明顯提高數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值，真正實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)培養(yǎng)思維、應(yīng)用體現(xiàn)價(jià)值。