邢 丹 姚俊明 徐 琦

(濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院 日照 276826)

1 引言

計(jì)算機(jī)應(yīng)用的目的是解決實(shí)際問題，而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示實(shí)際問題中信息及其關(guān)系，算法則是描述問題解決方案。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法是計(jì)算機(jī)科學(xué)的支撐，掌握和應(yīng)用該課程可以為深入學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程奠定基礎(chǔ)[1]?！皵?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”作為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的專業(yè)基礎(chǔ)課，能夠?yàn)槠渌麑I(yè)課提供常用工具，學(xué)生在課程中除學(xué)到專業(yè)知識外，還可以掌握工作和生活中所需的思維方式?！皵?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程中的相關(guān)問題比較抽象和難于理解，而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、找到學(xué)習(xí)的內(nèi)在驅(qū)動力，則是克服課程學(xué)習(xí)困難的關(guān)鍵。本文針對上述問題從多個維度進(jìn)行課程思政教學(xué)探索。

2 課程中存在的相關(guān)問題及解決方案

2.1 存在的問題

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)存在的主要問題包括：概念抽象、難于理解；學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，未深刻理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程在計(jì)算機(jī)學(xué)科中的重要作用；編碼過程中遇到的bug無法調(diào)試通過；學(xué)生編碼過程中難以靈活運(yùn)用C語言，無法理解抽象數(shù)據(jù)類型的定義和使用，上述問題限制了計(jì)算機(jī)科學(xué)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。

2.2 解決方案

學(xué)科知識一般是由基本概念及基本概念之間的聯(lián)系構(gòu)成的。信息化時代信息繁多，如何充分利用相關(guān)信息將知識講清楚并同實(shí)際應(yīng)用緊密聯(lián)系是當(dāng)前高校教師必須解決的問題。有計(jì)算機(jī)科學(xué)家指出，要成為領(lǐng)域?qū)＜倚枰獙W(xué)好并真正學(xué)懂基礎(chǔ)知識和理論。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程概念學(xué)習(xí)重在理解其內(nèi)涵和用意[2]。這就需要課堂教學(xué)設(shè)計(jì)貼近生活，抓住概念的基本要點(diǎn)及知識鏈接等。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程基本概念、原理及方法抽象、較難理解，需要教師在講授過程中使用通俗易懂、言簡意賅的語言，所舉例子盡可能貼近工作和生活，不能單純從概念到概念進(jìn)行講解，而應(yīng)更多地從應(yīng)用角度去闡釋概念內(nèi)涵和外延。在教學(xué)過程中可通過充分挖掘課程內(nèi)容應(yīng)用場景，從多角度充分理解基本概念[3]；通過類比方式，將熟悉與不熟悉的內(nèi)容之間做類比，實(shí)現(xiàn)從已知到未知的轉(zhuǎn)化并尋找適合的學(xué)習(xí)方法；強(qiáng)調(diào)從應(yīng)用角度理解基本概念并將新概念融入原有知識網(wǎng)絡(luò)中，以此加深對課程中概念、思想和方法等內(nèi)容的理解。提升學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)驅(qū)動力，通過充分挖掘課程中蘊(yùn)含的德育元素，從一切優(yōu)秀文化成果中尋找與課程相通的地方，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，最終實(shí)現(xiàn)價值引領(lǐng)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性。

3 面向應(yīng)用型人才的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程培養(yǎng)目標(biāo)

3.1 基本目標(biāo)

以應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，夯實(shí)學(xué)科基礎(chǔ)，通過典型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法的學(xué)習(xí)及訓(xùn)練，使學(xué)生逐步掌握根據(jù)不同應(yīng)用場景和實(shí)際提煉數(shù)據(jù)和選用適合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行信息整合，配置相應(yīng)的運(yùn)算和處理算法，最終完成信息化系統(tǒng)集成。

3.2 實(shí)現(xiàn)路徑

更深入地完成該目標(biāo)的前提是掌握課程中的基本內(nèi)容，主要包括基本概念、基本結(jié)構(gòu)及基本技術(shù)[4]。其中基本概念的掌握要按照由淺入深、由表及里、從具體到抽象的原則進(jìn)行，以符合認(rèn)知規(guī)律。其中抽象數(shù)據(jù)類型處于中樞位置，集中體現(xiàn)了軟件工程分解、抽象和信息隱蔽基本原則，圍繞抽象數(shù)據(jù)類型設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用展開教學(xué)，注意分析對比不同存儲結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，揭示主要算法求解思路，分析對比不同算法用到的相同技術(shù)。其基本結(jié)構(gòu)主要分為線性與非線性結(jié)構(gòu)，其中最常用的是表結(jié)構(gòu)?；炯夹g(shù)中最重要的是遞歸技術(shù)及查找排序中的經(jīng)典算法。遞歸是計(jì)算機(jī)思維區(qū)別于人類思維最本質(zhì)的特征，因此對其講解和掌握的透徹程度是課程教學(xué)的關(guān)鍵問題之一。常見概念及經(jīng)典算法中體現(xiàn)的方法論對工作和生活均有指導(dǎo)作用。

4 基于“一核心，六維度”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程思政教學(xué)探索

4.1 課程思政“一核心，六維度”原則

“一核心，六維度”原則中的“一核心”是指以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心，“六維度”是指以課程中體現(xiàn)的方法論、傳統(tǒng)文化中體現(xiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)思想、辯證思維、大自然中蘊(yùn)含的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、熱點(diǎn)問題、科學(xué)家及工匠精神6個維度進(jìn)行探索，從中挖掘出對課程內(nèi)容理解最恰如其分的案例。

4.2 教學(xué)案例

4.2.1 “一核心”計(jì)算思維的教學(xué)案例設(shè)計(jì) 計(jì)算思維是指在學(xué)習(xí)和應(yīng)用計(jì)算機(jī)學(xué)科理論和技能的過程中所體驗(yàn)和獲得的思想方法和做事方法。在未來超級智能時代，高效的學(xué)習(xí)方法是找到等價問題，實(shí)現(xiàn)舉一反三，達(dá)到一通百通的目的。計(jì)算機(jī)科學(xué)中的精髓就是遞歸思維[5]，將大事分解，自頂向下設(shè)計(jì)，再自下而上回歸。計(jì)算思維核心的遞歸案例設(shè)計(jì)如下。案例名稱：積累的重要作用；知識單元：棧和遞歸的實(shí)現(xiàn)；思政目標(biāo)：遞歸的過程實(shí)質(zhì)與《禮記·大學(xué)》中的“古之欲明德于天下者，先治其國。欲治其國者，先齊其家。欲齊其家者，先修其身。欲修其身者，先正其心。欲正其心者，先誠其意。欲誠其意者，先致其知；致知在格物。物格而后知至，知至而后意誠，意誠而后心正，心正而后身修，身修而后家齊，家齊而后國治，國治而后天下平”具有相通之處。案例詳細(xì)內(nèi)容：遞歸中體現(xiàn)的自頂向下的思想是計(jì)算思維中最本質(zhì)和核心的。遞歸在程序設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的3個要點(diǎn)分別是：自頂向下、分叉和層層遞進(jìn)。自頂向下倒推是重要的工作方法。強(qiáng)調(diào)做好頂層規(guī)劃和每一個步驟。

4.2.2 維度一：方法論課程思政案例設(shè)計(jì) 案例1名稱：選擇的智慧；知識單元：二叉樹的遍歷；思政目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會選擇正確的事，不同的選擇會有不同的人生，人生就在選擇之中；案例詳細(xì)內(nèi)容：二叉樹的遍歷算法能夠從某一個結(jié)點(diǎn)出發(fā)訪問二叉樹的所有節(jié)點(diǎn)。而人生的選擇之路卻是選擇了一條就沒辦法再走另外一條。從西方詩“未選擇的路”中，提示大家要選擇好要走的路，做最好的自己。闡釋選擇一方面是選擇好一條路，另一方面是走好所選擇的路。案例2名稱：提高效率就要少做事；知識單元：快速排序；思政目標(biāo)：效率=產(chǎn)出/所做的事情。人的產(chǎn)出是很難提高的，但是所做的事情是可以減少的；案例詳細(xì)內(nèi)容：通過講解快速排序思想理解提高效率的方法。計(jì)算機(jī)算法和組織的管理乃至社會的管理，在道理上有相通性，想要提高效率就要少做事情。提高管理效率，最簡單的辦法就是對每一個人進(jìn)行區(qū)分。案例3名稱：分而治之，統(tǒng)籌合作；知識單元：歸并排序；思政目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生統(tǒng)籌規(guī)劃及協(xié)作能力；案例詳細(xì)內(nèi)容：將一個復(fù)雜問題分解成多個簡單問題，逐一解決，最后比直接解決復(fù)雜問題要節(jié)省時間。案例4名稱：從量級中改進(jìn)工程方法；知識單元：算法效率的評價；思政目標(biāo)：工程上的本質(zhì)區(qū)別是量級之間的差距；案例詳細(xì)內(nèi)容：通過比較芝麻、橘子、西瓜、大象、大山、地球、太陽、銀河系之間的差別，類比其量級之間的差距，通過成就=成功率×事情的量級×做事的速度公式，大部分人做不到的是提高事情的量級。而一個好的工程師能夠梳理出一個難題中各個因素在量級上的不同，去除掉無關(guān)緊要的事情。案例5名稱：智能時代高效學(xué)習(xí)的方法；知識單元：算法的編碼實(shí)現(xiàn)；思政目標(biāo)：充分理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中經(jīng)典算法的重要價值；案例詳細(xì)內(nèi)容：通過講解算法概念，引導(dǎo)學(xué)生不是從簡單的個人習(xí)慣角度去寫程序，而是先去學(xué)習(xí)那些經(jīng)典的、驗(yàn)證了無數(shù)次和優(yōu)化過的答案，掌握別人已經(jīng)寫好的高質(zhì)量代碼，才能夠事半功倍。

4.2.3 維度二：傳統(tǒng)文化課程思政案例設(shè)計(jì) 案例1名稱：二叉樹的分叉與陰陽對稱；知識單元：二叉樹的定義、折半查找、歸并排序；思政目標(biāo)：從《易經(jīng)》中汲取常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)工具——二叉樹中相似的本質(zhì)特征，強(qiáng)調(diào)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化中許多內(nèi)容能夠跨越時空、國界，富有永恒魅力，具有當(dāng)代價值。教育學(xué)生要具有高度的文化自信；案例詳細(xì)內(nèi)容：二叉樹，其左子樹和右子樹可看成原始事物發(fā)展的兩個方面(即陰陽)，也可以看成0和1問題。而利用最優(yōu)二叉樹可以形成最優(yōu)編碼，實(shí)質(zhì)是將通信問題轉(zhuǎn)化成數(shù)字問題。折半查找中通過將原始問題歸結(jié)成前一半和后一半，前一半和后一半再各分一半，直到找到或找不到待查找記錄為止，本質(zhì)也是在二叉樹結(jié)構(gòu)上去完成。同理類似于歸并排序，先劃分記錄再兩兩歸并，最終是在一棵樹型結(jié)構(gòu)上完成。很多問題雖然最初沒有樹型結(jié)構(gòu)，但是在不斷操作過程中形成一棵樹。案例2名稱：平衡對稱思維；知識單元：平衡二叉排序樹；思政目標(biāo)：掌握易經(jīng)中陰陽兩個方面相輔相成，相互推移，不可偏廢?！兑捉?jīng)中》講“中行無咎”，意即不要過分走極端，也不能不及；案例詳細(xì)內(nèi)容：根據(jù)二叉排序樹的特點(diǎn)構(gòu)建對稱型樹形結(jié)構(gòu)，而平衡的二叉排序樹，就是將其調(diào)整成平衡、對稱的。這與走中道“不偏不倚”的思想是一脈相承的。在10億數(shù)據(jù)中只需要進(jìn)行10幾次比較就能查找到目標(biāo)，因具有極高效率，平衡的二叉排序樹成為信息技術(shù)中廣泛使用的數(shù)據(jù)類型。紅黑樹則是一種近似的平衡二叉排序樹，Java集合中的TreeMap和TreeSet都是這種結(jié)構(gòu)，同時B-樹作為平衡二叉排序樹的擴(kuò)展，是被廣泛應(yīng)用的一種m叉多路查找樹，廣泛應(yīng)用于外存文件索引中。這些均是平衡對稱思想在課程中的體現(xiàn)。

4.2.4 維度三：辯證思維課程思政設(shè)計(jì)案例 案例名稱：時間和空間復(fù)雜度中蘊(yùn)含的辯證思維；知識單元：算法效率的度量；思政目標(biāo)：辨證看待時間和空間復(fù)雜度的提升，恰當(dāng)運(yùn)用中庸辯證思維；案例詳細(xì)內(nèi)容：時間和空間復(fù)雜度的度量是辯證統(tǒng)一的關(guān)系，算法效率的提升或者是通過時間換空間，或者使用空間換時間。凡事都要辯證看待。

4.2.5 維度四：大自然中蘊(yùn)含的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程思政案例 案例名稱：自然界中蘊(yùn)含的遞歸思想；知識單元：遞歸；思政目標(biāo)：遞歸的本質(zhì)是自相似性，體會大自然中的美，體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)中則是數(shù)學(xué)與藝術(shù)的完美結(jié)合；案例詳細(xì)內(nèi)容：以常見樹為例，一棵樹與它自身上的樹枝及枝杈，在局部形狀上沒有大的區(qū)別，大樹與樹枝這種關(guān)系在幾何形狀上稱之為自相似關(guān)系。日常還有很多常見例子，如菜花、蝸牛殼、龍卷風(fēng)、銀河系等都是以分形幾何學(xué)常見的圖片展示。整個宇宙以一種出人意料的方式構(gòu)成自相似結(jié)構(gòu)，將數(shù)學(xué)上的美與美學(xué)上的美進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。從本質(zhì)上理解遞歸問題在于大問題和小問題之間存在自相似性，求解遞歸問題也是利用這種自相似性，只要給出遞歸終止條件和遞歸體就能解決最終問題。遞歸原理在很多情況是使用遞歸的原則設(shè)計(jì)，遞推的原則實(shí)現(xiàn)。

4.2.6 維度五：熱點(diǎn)問題課程思政案例設(shè)計(jì) 案例名稱：應(yīng)用排序算法設(shè)計(jì)；知識單元：排序算法綜合比較；思政目標(biāo)：對比各國對突發(fā)公共衛(wèi)生事件的控制情況，增強(qiáng)民族自豪感，做到增強(qiáng)“四個自信”，引導(dǎo)學(xué)生具有家國情懷、團(tuán)隊(duì)和大局意識；案例詳細(xì)內(nèi)容：在對各種排序算法比較之后引入應(yīng)用，對各國突發(fā)公共衛(wèi)生事件控制情況進(jìn)行排序比較，凸顯我國“以人為本”及大國擔(dān)當(dāng)。在實(shí)踐探究過程中體悟精益求精的科學(xué)精神[2]。

4.2.7 維度六：科學(xué)家及工匠精神課程思政案例設(shè)計(jì) 案例1名稱：敢于走別人未走的路；知識單元：哈夫曼樹；思政目標(biāo)：體會原始創(chuàng)新的重要性及對我國發(fā)展的作用，培養(yǎng)家國情懷；案例詳細(xì)內(nèi)容：哈夫曼放棄對已有編碼的研究，轉(zhuǎn)向新探索，形成新的編碼思想，并很快證明方法的有效性。通過這個實(shí)例可以印證“科技創(chuàng)新特別是原始創(chuàng)新要有創(chuàng)造性思辨的能力、嚴(yán)格求證的方法，不迷信學(xué)術(shù)權(quán)威，不盲從既有學(xué)說，敢于大膽質(zhì)疑，認(rèn)真實(shí)證，不斷試驗(yàn)”。案例2名稱：中國獲得圖靈獎的算法大師姚期智；知識單元：算法基本概念；思政目標(biāo)：以中國大師、中青年學(xué)子在該課程領(lǐng)域取得的成績激勵學(xué)生，增強(qiáng)民族自信心；案例詳細(xì)內(nèi)容：在概論的生活中的算法部分，以“圖靈獎”相關(guān)算法為示例，以此為切入點(diǎn)引入課程思政。強(qiáng)調(diào)人應(yīng)該具有奮斗精神、工匠精神以及體現(xiàn)社會主義核心價值觀的敬業(yè)精神。

5 課程思政教學(xué)效果及反思

5.1 教學(xué)效果

對2019級計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)合堂一(計(jì)本、信本、醫(yī)信工)及合堂二(軟件外包、智能物聯(lián)、大數(shù)據(jù)、人工智能)的問卷調(diào)查分別顯示91.5%和91.9%的學(xué)生認(rèn)為教師引入的案例能夠很好地聯(lián)系實(shí)際，引起學(xué)習(xí)興趣。分別有79.8%和86.6%的學(xué)生認(rèn)為中華傳統(tǒng)文化的引入恰到好處，能夠引起學(xué)習(xí)興趣。由此可見采用“一核心，六維度”進(jìn)行課程思政，能夠有效解決存在的問題。

5.2 反思

課程思政的教學(xué)設(shè)計(jì)仁者見人，智者見智。無論在教學(xué)中滲透何種思政元素，始終遵循的目標(biāo)是恰當(dāng)、自然。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的特點(diǎn)及課程的學(xué)時限制決定了課程思政需要在總體上實(shí)現(xiàn)顯性和隱性相結(jié)合，需要對教學(xué)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。內(nèi)容可多可少，可以是簡單的一句話或者簡單的一個思考題，看似無意實(shí)則意味深長。在課程教學(xué)中從各種應(yīng)用角度充分理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用途，例如從常用的手機(jī)導(dǎo)航功能引入最短路徑問題；從百度毫秒級搜索速度引出索引的重要作用；由如何從淘寶網(wǎng)中獎勵前10名購買記錄最多的顧客引出堆排序；從哈夫曼樹的編碼策略談投資中的策略——將最優(yōu)質(zhì)的資源用到使用最多的信息上；從最早期的商業(yè)對人員和財(cái)務(wù)報(bào)表的管理談線性表使用；從系統(tǒng)各個要素之間關(guān)系談拓?fù)渑判颍粡木W(wǎng)絡(luò)中尋找骨干網(wǎng)絡(luò)談最小生成樹；從計(jì)算機(jī)誕生后的13年才發(fā)明的快速排序，引導(dǎo)學(xué)生理解高效的方法不是冥思苦想而是擅于學(xué)習(xí)；從良好的編碼規(guī)范中談職業(yè)素養(yǎng)等。

6 結(jié)語

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程程思政案例庫建設(shè)仍處于探索中,還未形成完善和成熟的體系。課程思政教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循因時、因地、因人的原則，充分根據(jù)學(xué)校辦學(xué)定位、學(xué)生特點(diǎn)、教學(xué)階段以及教師教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和課堂教學(xué)情況,實(shí)時恰到好處地融入才能起到潤物無聲的效果。