楊秋妹

摘 要：教育應與時代接軌，人工智能時代給高等教育帶來了智慧教學新工具，也給學生的專業(yè)知識培養(yǎng)帶來了新要求。文章針對人工智能時代下《數(shù)據(jù)結構》課程的教學改革問題，分析了課程理論教學及實驗教學需要改進的地方，闡述了《數(shù)據(jù)結構》課程應充分利用人工智能時代的新工具，調整授課方式，改善教學效果。同時也應根據(jù)人工智能時代的新要求，將課程的教授內(nèi)容與時代研究熱點相結合，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)人工智能時代所需要的特色人才。

關鍵詞：數(shù)據(jù)結構;人工智能;計算思維;教學改革

中圖分類號：G434;TP311.12? ? ? 文獻標志碼：B? ? ? ?文章編號：1673-8454（2020）24-0048-04

一、引言

人工智能已滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€環(huán)節(jié)，個性化的購物體驗、新聞定制、醫(yī)療保健、智能家居、城市安保等無一不是人工智能的應用范疇?；ヂ?lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術的發(fā)展引領社會的未來發(fā)展方向，帶動社會崗位技能需求變革，也給高校的教育體系帶來了挑戰(zhàn)[1]。為迎接人工智能時代的到來，高校需要在教學思想以及專業(yè)設置等多方面進行調整[2]。人工智能研究主要集中學習、推理、問題解決、感知和使用語言這幾方面的研究，分為兩種類型：一種是數(shù)據(jù)驅動的人工智能，以機器學習為研究方法;另一種是基于知識的人工智能，以領域知識的推理為解決方案。當前人工智能的成功主要是以數(shù)據(jù)驅動的人工智能技術的進步。

《數(shù)據(jù)結構》作為大學計算機相關專業(yè)的基礎課程，教學目標為提高學生以計算機為工具的問題求解能力，是一門研究數(shù)據(jù)建模的學科。其不僅僅是大學程序設計能力訓練的核心課程，也是人工智能技術的基礎課程。《數(shù)據(jù)結構》課程于1968年由Knuth教授提出，其在《計算機程序設計藝術》一書中系統(tǒng)地講述了數(shù)據(jù)的邏輯結構、物理結構以及在數(shù)據(jù)集合上常用的操作。20世紀70年代初，《數(shù)據(jù)結構》開始進入大學課堂，是一門歷史悠久的經(jīng)典課程。計算機科學與技術是一個持續(xù)發(fā)展、快速更新的學科，對應的學科知識講授也應與時俱進。在《數(shù)據(jù)結構》課程的教學過程中，應結合當前人工智能時代的發(fā)展需求以及研究熱點，調整相應的教學內(nèi)容以及教學方法[3]。本文將結合《數(shù)據(jù)結構》教學環(huán)節(jié)中的理論教學以及實踐教學，探討如何在現(xiàn)有的基礎上利用新技術，結合新需求，進一步改革該課程的教學。

二、《數(shù)據(jù)結構》課堂理論教學探討

《數(shù)據(jù)結構》知識點多且抽象程度高，學習難度大。而授課的對象多為大一下學期或大二上學期的學生，大部分學生僅進行了《計算機導論》及《程序設計語言》的專業(yè)基礎課程學習，程序設計能力較為薄弱，對計算機專業(yè)知識接觸面窄，理解不夠深刻。在此背景下，任課教師應結合學生的知識體系，適當?shù)匾肴斯ぶ悄軙r代涉及的新技術、新概念，引導學生更好地完成課程的學習。

1.注重授課內(nèi)容與人工智能時代核心技術的關聯(lián)

圖靈獎得主、計算機科學家N.Wirth提出程序等于數(shù)據(jù)結構加算法的觀點?！冻绦蛟O計語言》《數(shù)據(jù)結構》及《算法設計與分析》這三門課程組成大學計算機相關專業(yè)進行程序設計能力培養(yǎng)的一個課程體系，在課程安排上按照“《程序設計語言》—《數(shù)據(jù)結構》—《算法設計與分析》”的授課次序開展?！稊?shù)據(jù)結構》教學內(nèi)容起到承上啟下的作用?！冻绦蛟O計語言》以語法學習為主，學習變量、運算符、表達式、順序、循環(huán)、分支、函數(shù)及遞歸、結構體、指針等程序設計的基本概念，培養(yǎng)學生程序閱讀、代碼編寫及調試能力?！稊?shù)據(jù)結構》在此基礎上，主要講授在程序設計過程中對于數(shù)據(jù)的建模?！稊?shù)據(jù)結構》課程研究的是非數(shù)值計算問題處理過程中，數(shù)據(jù)元素之間的邏輯關系、數(shù)據(jù)在計算機上的存儲結構以及在各種結構上相關的運算?！稊?shù)據(jù)結構》學科講授的內(nèi)容包括基本的數(shù)據(jù)結構，如線性表、棧和隊列、串、數(shù)組和廣義表、樹和二叉樹、圖以及常用的計算機操作，如查找、排序的介紹及實現(xiàn)。《算法設計與分析》則旨在進一步提高學生問題求解能力，學習內(nèi)容主要包括通用的算法設計技術及算法復雜度分析理論。課程包括分治及遞歸、動態(tài)規(guī)劃、貪心、回溯與分支限界等常用算法的學習。這三門課程的教學相輔相成，互相促進。在如今的人工智能時代下，該課程體系也應適應技術變更需求，進行相應的改革。

更快的計算機處理器、大數(shù)據(jù)的可用性和計算方法的進步引發(fā)了人工智能時代的到來。機器學習、深度學習、大數(shù)據(jù)處理等都是人工智能時代的核心技術。結合當前人工智能的發(fā)展，可在《數(shù)據(jù)結構》講授的過程中作為擴展內(nèi)容，給學生介紹當今的研究熱點。從數(shù)據(jù)結構的基礎學習內(nèi)容出發(fā)，探討課程知識點在人工智能熱點技術中的應用，激發(fā)學生學習的興趣[4]?？稍诓檎宜惴ǖ膶W習中引出大數(shù)據(jù)中對應的搜索策略等，結合深度學習中廣泛采用的人工神經(jīng)網(wǎng)絡結構，如圖1所示，其實現(xiàn)時可用《數(shù)據(jù)結構》中的帶權圖結構進行表示，圖中頂點表示神經(jīng)元，邊表示神經(jīng)元之間的連接線，每條連接線擁有一個不同的權值，該權值經(jīng)由訓練得到。

2.利用智慧教學工具加強課堂互動及推廣個性化教學

人工智能技術改變了傳統(tǒng)的教學模式。傳統(tǒng)的課堂教學由于人數(shù)眾多，教師無法與學生有效互動，較難快速獲取課堂教學效果的直接反饋。同時，由于智慧手機應用花樣層出，成為分散學習者上課注意力的主要原因。為了充分借助現(xiàn)代化信息手段改善課堂講學效果，雨課堂、超星學習通等平臺應時而生，將信息技術與教學需求相融合，更好地讓學生利用手中資源，革新傳統(tǒng)的教學模式，產(chǎn)生教學“線下”和“線上”相結合的模式[5]。虛擬化技術在《數(shù)據(jù)結構》課堂中得到應用[6]，各類新型教學平臺在《數(shù)據(jù)結構》的教學上也得到了應用及推廣[7][8]。

《數(shù)據(jù)結構》課程教學內(nèi)容抽象，如果只是由授課教師做理論講述，學生較難掌握。結合“線上”平臺，可通過設計與課程內(nèi)容密切關聯(lián)的線上互動，提高學生的上課積極性，同時任課教師可實時了解學生對知識點的掌握程度，及時調整上課進度。以雨課堂的使用為例，其通過PowerPoint插件的方式使用，將豐富的教學資源插入到講義中，學生通過手機端實時地與任課教師進行互動，系統(tǒng)提供完善的數(shù)據(jù)分析反饋。任課教師可在課前備課時設計與知識點相關的習題。如在講授棧這一種數(shù)據(jù)結構時，可設計與棧的進棧、出棧相關的練習;在講授串的模式匹配問題時，由于KMP模式匹配算法較難理解，可設計失效函數(shù)計算的習題。另外，由于《數(shù)據(jù)結構》課程還涉及到代碼實現(xiàn)問題，但是在課堂教學中由于時間及硬件條件的限制，任課教師往往無法對代碼實現(xiàn)進行詳盡的講解，由此導致學生在代碼實現(xiàn)這一環(huán)節(jié)出現(xiàn)困難。利用雨課堂可以幫助教師把較難編寫的關鍵代碼抽出來，通過互動的形式教導學生進行代碼編寫。

智慧教學的主要特色是自適應性、突出用戶個性化。通過收集和分析大量的教學相關智能數(shù)據(jù)，形成人工智能技術驅動的教學效果評價系統(tǒng)。教師可充分利用智能評價系統(tǒng)的反饋，更好地對學生進行個性化的教學，根據(jù)各個學生在知識點上掌握的差異進行不同的學習資料推送，因材施教，達到更好的教學效果。

3.人工智能時代下計算思維的培養(yǎng)

計算思維與閱讀、寫作、算術并列，被認為是當今人類應掌握的四大基本技能。計算思維利用可計算的理論去解決問題、設計系統(tǒng)及理解人類行為。計算思維的本質是抽象與自動化[9]。計算思維關注的核心為：什么是可計算的，并探索什么問題人類比機器擅長以及什么問題機器比人類更擅長。在問題的可計算考量上，如何選擇符合實際需求的數(shù)據(jù)結構及算法很重要。選取的數(shù)據(jù)結構不同，相應設計的算法也會有差異。

人工智能未來的發(fā)展依然存在著各種可能性，因此從人類的基本技能培養(yǎng)出發(fā)更能順應多變的未來需求。《數(shù)據(jù)結構》的教學目標之一是教會學生分析問題、解決問題。計算機問題求解的過程為從問題出發(fā)，抽象出問題求解的數(shù)學模型，設計相應的數(shù)據(jù)結構及算法，最終在計算機上編寫程序并運行得到結果。

在《數(shù)據(jù)結構》課程的學習過程中，研究如何抽象出問題的求解模型是很重要的一個環(huán)節(jié)。問題的求解模型一般以抽象數(shù)據(jù)類型表示。抽象數(shù)據(jù)類型指的是從求解問題的數(shù)學模型中抽象出來的數(shù)據(jù)邏輯結構和抽象運算，不考慮計算機的具體實現(xiàn)，獨立于程序設計語言，研究的是數(shù)據(jù)元素之間的邏輯關聯(lián)。如何正確定義抽象數(shù)據(jù)類型非常重要，在抽象的過程中提取需關注的細節(jié)及忽略無關的部分是計算思維的體現(xiàn)。通過學習常用的抽象數(shù)據(jù)類型，掌握在問題求解中抽象方法的運用。

此外，在《數(shù)據(jù)結構》課程中，還應教導學生進行算法的時間復雜度及空間復雜度分析。在問題求解中，一般將多項式時間復雜度的算法稱為好算法。通過圖表等形式向學生直觀展示多項式時間復雜度及指數(shù)時間復雜度的算法差異，引導學生進行算法評價。教師在課堂教學中與學生探討改進算法復雜度的可用方案，如在講授線性表的歸并時，引入空間換取時間提高算法時間效率的策略介紹。在學習查找、排序等計算機常用算法時，可探討人類與計算機求解問題的區(qū)別等等。

三、《數(shù)據(jù)結構》實驗教學探討

人工智能也通常被稱作為高級的計算機程序。由此看出程序設計是人工智能的基礎，優(yōu)良的編程能力依舊是一個必不可缺的基本技能?！稊?shù)據(jù)結構》課程也是一門訓練學生動手編寫代碼能力的課程。學習數(shù)據(jù)結構的理論知識與編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)結構及其操作是兩個不同的挑戰(zhàn)?！稊?shù)據(jù)結構》的實驗教學主要包括三個部分，分別是配套的實驗課程、綜合性實驗以及課程設計。結合人工智能時代的技術熱點，合理設計好這三個部分的實驗內(nèi)容，有助于學生在鞏固課程知識點的同時更好地與現(xiàn)實接軌，學以致用。

1.與程序設計比賽相聯(lián)合的編程實驗練習

在實驗內(nèi)容的設計上，傳統(tǒng)的《數(shù)據(jù)結構》實驗課主要以實現(xiàn)教材介紹的各種數(shù)據(jù)結構及其基本操作為主，為驗證性的實驗，大部分代碼在教材中已經(jīng)給出，需要學生自主編寫的部分不多。人工智能時代，對該領域專業(yè)人員解決問題、算法設計能力的要求進一步提高。程序設計競賽通過結合當前研究熱點，設計題目激勵當代大學生運用計算機編程技術和技能解決實際問題?？稍凇稊?shù)據(jù)結構》實驗課程中利用程序設計競賽內(nèi)容設計合適的擴展編程訓練[10]。

ACM-ICPC國際大學生程序設計競賽為全球最有影響力的大學生程序設計競賽。該競賽要求3人組隊，各隊在限定時間內(nèi)使用一臺計算機編寫程序，解決給定的問題并通過在線評判，考核了大學生的團隊精神及創(chuàng)新能力。要提高學生的編程能力，可借鑒該競賽的評判模式，引入在線評判系統(tǒng)。實驗的正確性評判一般依賴有限的具有代表性的測試數(shù)據(jù)來完成。初學者編寫程序在測試時往往主觀性強，導致無法全面地評估程序的正確性。利用程序設計競賽的“黑盒子”測試模式則能較客觀地進行程序正確性評判。另外，在實驗題目的設計上，可結合《數(shù)據(jù)結構》課程知識點選取相關的競賽題目作為訓練。常用的程序設計競賽題庫網(wǎng)站有北京大學在線評判系統(tǒng)、浙江大學在線評判系統(tǒng)等。

2.串聯(lián)多個學習知識點的綜合性實驗設計

《數(shù)據(jù)結構》綜合性實驗在學生已經(jīng)完成課程的大部分學習內(nèi)容后開展。綜合性實驗是對課程學習到的多個知識點進行應用以及鞏固，題目的選取要區(qū)分于實驗課的基本練習?！稊?shù)據(jù)結構》課程中經(jīng)常布置的綜合性實驗題目有“平衡二叉排序樹的實現(xiàn)及應用”“利用哈夫曼編碼實現(xiàn)文件壓縮”等。“平衡二叉排序樹的實現(xiàn)及應用”要求實現(xiàn)平衡二叉排序樹這一種數(shù)據(jù)結構，并且實現(xiàn)其插入、刪除、查找、遞歸及非遞歸遍歷（先序、中序、后序、層次）、求最值、交換子樹等基本操作，綜合隊列、堆棧、樹、遞歸等多個知識點來解決問題?！袄霉蚵幋a實現(xiàn)文件壓縮”要求根據(jù)輸入的字符創(chuàng)建哈夫曼樹，并生成每個字符對應的哈夫曼編碼，綜合運用了二叉樹、順序存儲、查找、文件壓縮等知識點。

綜合性實驗的考核方式應從代碼測試以及文檔編寫兩方面進行。除了按傳統(tǒng)的程序設計要求檢查程序的正確性外，還要求學生編寫綜合性實驗報告，鍛煉其文檔編寫能力。綜合性實驗報告的內(nèi)容應包括題目分析、解題思路、測試、算法分析及總結等。

3.與當前新技術相結合的課程設計

《數(shù)據(jù)結構》課程設計是在課程所有知識點學習完畢后，為了深化對課程內(nèi)容理解，拓寬學生知識面而開設的?！稊?shù)據(jù)結構》課程設計的形式一般采用教師布置任務，學生自主查閱資料完成對應任務的形式。鼓勵學生以多人組隊的形式完成比課堂配套實驗難度更高、綜合性更強的題目。教師在課程的開展期間為學生提供資源，負責解答學生遇到的疑問。

在《數(shù)據(jù)結構》課程設計中，可結合當前研究的熱點來布置題目?？梢栽O計與大數(shù)據(jù)分析、人工智能、圖像處理、機器學習等研究方向相關的題目。由于大多數(shù)學生的程序設計水平還不高，在題目的設定上不宜選用大而難的題目，應圍繞著《數(shù)據(jù)結構》課程的教學內(nèi)容作適度簡單的擴展為佳?？山Y合當前大數(shù)據(jù)的應用需求，讓學生運用《數(shù)據(jù)結構》課程知識解決問題，例如，給定100億個整數(shù)，設計算法找到里面出現(xiàn)次數(shù)最多的整數(shù)，則可以用到哈希查找算法思想。人工智能領域可設計人機對弈程序如五子棋等。結合圖像處理需求，讓學生了解圖像的存儲機制，并進行簡單的灰度圖像的平滑、銳化等基本操作的實現(xiàn)。在機器學習方面，可通過構建決策樹的創(chuàng)建及使用，讓學生了解預測模型的建立原理。

在提供擴展題目讓學生拓寬視野之外，《數(shù)據(jù)結構》課程設計的題目也應考慮到知識掌握程度處于不同層次的學生，提供一系列難度不同的題目供學生選擇?；A的題目可包括數(shù)據(jù)結構在各種信息系統(tǒng)中的應用，實現(xiàn)教學內(nèi)容以外的其他數(shù)據(jù)結構等，也應鼓勵學生根據(jù)自己的興趣愛好結合課程學習內(nèi)容自由選題。在代碼實現(xiàn)上，放寬程序設計語言的限制，除了基于C語言的程序實現(xiàn)外，鼓勵學生采用當前在人工智能領域廣泛使用的Python語言進行代碼編寫。

四、結語

人工智能技術給計算機相關專業(yè)人員帶來了大量的工作機遇，與此同時也給專業(yè)學習帶來了巨大的挑戰(zhàn)?！稊?shù)據(jù)結構》科目的學習，能夠培養(yǎng)學生數(shù)據(jù)處理及問題解決能力。在《數(shù)據(jù)結構》的理論教學環(huán)節(jié)中，將該科目與《程序設計語言》《算法設計與分析》等多門課程的學習內(nèi)容進行關聯(lián)，形成完整的知識體系。借助新時代的智慧教學工具加強師生互動，在學習過程中深化計算思維的培養(yǎng)。在實踐教學環(huán)節(jié)，充分利用課程配套實驗課、綜合性實驗以及課程設計多種形式的實踐鍛煉，結合人工智能時代研究熱點，合理設計實驗內(nèi)容。通過課程的教學調整，讓相關專業(yè)的學生更好地順應人工智能時代的人才需求。

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（編輯：李曉萍）