數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 課 程 教 學(xué) 改 革 探 索

喻 梅, 李曉紅, 王文俊, 王慶節(jié), 徐 超

(天津大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300072)

0 引 言

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、軟件工程專業(yè)的一門重要的學(xué)科基礎(chǔ)課，也是相關(guān)專業(yè)的必修課及選修課[1]。該課程通過介紹計算機中數(shù)據(jù)的組織和管理方法、各種基本類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，使學(xué)生學(xué)會分析研究計算機加工的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特性，以便為應(yīng)用涉及的數(shù)據(jù)選擇適當(dāng)?shù)倪壿嫿Y(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的算法，并掌握算法的時間復(fù)雜度分析和空間復(fù)雜度分析技術(shù)[2]。通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握各種基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本運算和算法，能應(yīng)用高級語言編寫算法，編寫的程序結(jié)構(gòu)符合軟件工程的規(guī)范，為今后實際工程中軟件算法的研究奠定基礎(chǔ)[3-4]?！皵?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程還是計算機及相關(guān)專業(yè)的專業(yè)先行課，其后續(xù)課程如“數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用”、“操作系統(tǒng)”、“編譯原理”等課程。同時，該課程還是計算機專業(yè)考研專業(yè)課程，因此該課程的教學(xué)效果將直接影響到學(xué)生對計算機專業(yè)的認識以及對其他專業(yè)課的學(xué)習(xí)[5-6]。

目前，我校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程為3.5學(xué)分，總學(xué)時為64學(xué)時，其中理論課時40學(xué)時，實驗課時24學(xué)時，在大學(xué)二年級第一學(xué)期開設(shè)，主要的專業(yè)基礎(chǔ)先行課有“程序設(shè)計原理”及“離散數(shù)學(xué)導(dǎo)論”。在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，這門課由于抽象性、理論性較強，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中有一定的困難，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。該課程學(xué)得是否扎實，直接影響學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，甚至影響學(xué)生對本專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣。經(jīng)過多年的教學(xué)實踐，針對課程教學(xué)中存在的問題，對我?！皵?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程進行教學(xué)改革：以注重學(xué)生平時學(xué)習(xí)為主，打好課程理論基礎(chǔ)；以理論和實踐相結(jié)合，鍛煉學(xué)生實踐能力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維；改革教學(xué)環(huán)節(jié)、改進教學(xué)方法和手段，改革考核方式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，為專業(yè)教學(xué)打好基礎(chǔ)[7-11]。

1 教學(xué)中存在的主要問題

經(jīng)過多年的課程教學(xué)，分析以往的教學(xué)過程，聽取學(xué)生、任課教師及相關(guān)專業(yè)教師的意見，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中存在以下問題，影響了學(xué)習(xí)效果，不能達到預(yù)期的教學(xué)效果。

(1) 課程難度較大?！皵?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程介紹的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)容較多，學(xué)習(xí)量較大，理論性較強，抽象性較高，學(xué)生在理解上較困難，不能很好地與現(xiàn)實生活中的實例相結(jié)合，不能有效地理解理論知識，以致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不佳，積極性不足。學(xué)習(xí)后不知有什么用處，也不知對后續(xù)課程有什么意義。即使有實驗課程，也不能很好地實踐，沒能幫助理論知識的理解。

(2) 編程語言掌握不夠扎實。我?！皵?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的算法描述采用C語言，C語言中的指針、函數(shù)、結(jié)構(gòu)體是語言學(xué)習(xí)中的難點，也是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法描述中的重要工具。我校學(xué)生雖在“程序設(shè)計原理”課程中學(xué)習(xí)了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思想，但對于難點知識的指針、函數(shù)、結(jié)構(gòu)體掌握得不夠扎實，還不能靈活地應(yīng)用于程序設(shè)計，有的學(xué)生甚至不能很好理解這方面的內(nèi)容。這樣，對“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程中出現(xiàn)的算法描述就不能理解，因此也就不能理解相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

(3) 學(xué)習(xí)過程的考核不足。以前該課程的考核方式主要以期末考試為主，對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程很少考核，雖然有作業(yè)有實驗，但由于大學(xué)二年級學(xué)生的課程較多，一旦疏于監(jiān)督考核，就會使學(xué)生推遲學(xué)習(xí)，不能跟上教學(xué)進度，只在學(xué)期末趕作業(yè)趕實驗，為考試突擊，不能真正將課程的內(nèi)容牢固掌握，當(dāng)時能記得所學(xué)知識，但過后易忘，以致后續(xù)課程學(xué)習(xí)中出現(xiàn)問題。

2 “數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)環(huán)節(jié)的改革

為了實現(xiàn)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)目標(biāo)，讓學(xué)生真正掌握該課程教學(xué)內(nèi)容，為本專業(yè)后續(xù)課程打好基礎(chǔ)，我們確定了“注重平時學(xué)習(xí)、強化實踐教學(xué)”的教學(xué)指導(dǎo)思想，對該課程的教學(xué)進行改革，將實踐教學(xué)和課堂教學(xué)緊密結(jié)合，互為補充，幫助學(xué)生掌握課程理論知識的同時，提高編程能力、實踐應(yīng)用能力。通過教學(xué)改革，提高學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)興趣，使其主動學(xué)習(xí)，通過理論和實踐教學(xué)，使學(xué)生能夠?qū)W以致用[12-15]。

課程負責(zé)人及任課教師均為多年從事數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)的教師，有豐富的教學(xué)和實踐經(jīng)驗，通過總結(jié)以往教學(xué)過程的經(jīng)驗、存在的問題，收集學(xué)生對課程的意見、要求，以及本課程在學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用，根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)制定有效的教學(xué)改革措施。

將“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)環(huán)節(jié)分為幾個部分：課堂教學(xué)、實驗教學(xué)、課后作業(yè)、實驗作業(yè)、課堂測驗、期末考試。

2.1 課堂教學(xué)

課堂教學(xué)主要介紹理論知識。理論知識內(nèi)容多且抽象性高，不容易理解?！皵?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程需要介紹各種線性結(jié)構(gòu)和非線性結(jié)構(gòu)，以及最基本的查找和排序操作，教學(xué)內(nèi)容較多，雖然課堂教學(xué)是40學(xué)時，但對教學(xué)內(nèi)容不能面面俱到，因此在課堂教學(xué)中首先精簡教學(xué)內(nèi)容，突出重點。在介紹每一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時，主要介紹該結(jié)構(gòu)的特點、基本算法及主要應(yīng)用，關(guān)鍵是介紹算法的設(shè)計思想，學(xué)生掌握設(shè)計思想后，可以舉一反三，對其他算法能夠更好理解。例如在講解棧這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時，主要介紹棧的順序存儲結(jié)構(gòu)和鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)及對應(yīng)的進棧和出棧算法，了解算法的思想后，對于判斷?？辗瘛M否等算法可以讓學(xué)生課下學(xué)習(xí)。在講解棧的應(yīng)用時，主要介紹遞歸和進制轉(zhuǎn)換應(yīng)用，而漢諾塔等應(yīng)用留給學(xué)生課下學(xué)習(xí)。這樣可以充分利用課堂時間介紹主要知識。其次，在講授內(nèi)容時理論和實踐相結(jié)合，配合現(xiàn)實生活中的例子，更能夠讓學(xué)生理解理論知識。例如講解隊列時，結(jié)合現(xiàn)實生活中的排隊實例，學(xué)生很快就能掌握隊列的進隊、出隊等算法。

2.2 實驗教學(xué)

實驗教學(xué)有助于理解理論知識，提高學(xué)生的編程能力。有些學(xué)生因編程語言基礎(chǔ)不好，比較畏懼實驗教學(xué)。在實驗教學(xué)中，采取先易后難的方法，設(shè)計不同層次的實驗內(nèi)容，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在實驗教學(xué)中安排兩類實驗：基礎(chǔ)型實驗、應(yīng)用型實驗。

(1) 基礎(chǔ)型實驗?；A(chǔ)型實驗又稱為驗證性實驗，主要是實現(xiàn)教材上的基本算法，幫助學(xué)生對理論知識的理解和掌握，理解核心算法的基本思想，掌握設(shè)計算法的基本程序。這種實驗一般給出程序結(jié)構(gòu)、部分程序偽代碼算法，由學(xué)生根據(jù)對算法的理解，編寫完整的程序以實現(xiàn)算法。這些實驗重點培養(yǎng)學(xué)生掌握程序設(shè)計思想、算法程序結(jié)構(gòu)、函數(shù)調(diào)用，以及對程序設(shè)計語言的熟練程度。這部分實驗較簡單，學(xué)生很容易進入實驗環(huán)境、調(diào)通程序，有助于理解理論知識，且有一定的成就感，對后續(xù)實驗會有信心和興趣。

(2) 應(yīng)用型實驗。應(yīng)用型實驗是讓學(xué)生在掌握了基礎(chǔ)型實驗的設(shè)計思想、設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計實驗以完成某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。例如在圖的最小生成樹一節(jié)中，基礎(chǔ)型實驗要求學(xué)生完成Prim和Kruskal算法，在應(yīng)用型實驗中先給學(xué)生提出問題：求在n個城市之間鋪設(shè)通信線路，費用最低的方案。這種類型的實驗?zāi)軌蜃寣W(xué)生理論結(jié)合實際，能夠理解所學(xué)知識在實際生活中的應(yīng)用，不僅可以鍛煉學(xué)生的編程能力，而且鍛煉學(xué)生的思考能力、應(yīng)用所學(xué)知識解決問題的能力，也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.3 課后作業(yè)

課后作業(yè)幫助學(xué)生理解和消化所學(xué)理論知識，鞏固和深化教學(xué)知識點。每一章教學(xué)內(nèi)容結(jié)束后，都會給學(xué)生布置課后作業(yè)，課后作業(yè)包括本章所要求的知識點的練習(xí)題，既包括識記、領(lǐng)會、理解的內(nèi)容，也包括應(yīng)用的內(nèi)容，不僅鞏固學(xué)生對基本概念、基本算法的理解，還包括基于概念和算法的應(yīng)用，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。作業(yè)有多種題型，既包括選擇題、判斷題和填空題，還包括證明題、應(yīng)用題等。多種題型可以從不同方面鍛煉學(xué)生對所學(xué)知識點的掌握及應(yīng)用。

2.4 實驗作業(yè)

課后作業(yè)主要是對理論知識的加強，而實驗作業(yè)是在實踐教學(xué)中的基礎(chǔ)型和應(yīng)用型實驗的基礎(chǔ)上，鍛煉和提高學(xué)生綜合程序設(shè)計能力。實驗作業(yè)是每一章學(xué)習(xí)后布置的綜合型實驗，綜合利用本章所學(xué)知識于實際應(yīng)用，實驗規(guī)模大于基礎(chǔ)型和應(yīng)用型實驗，需要學(xué)生既對應(yīng)用環(huán)境了解，又對所需要的知識點和程序設(shè)計熟練掌握，從分析問題、提出解決方案、算法描述、上機調(diào)試、到解決問題的全過程的充分體驗，從中學(xué)生能夠掌握利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)解決實際問題的方法和過程，提高實踐能力，并初步感受軟件開發(fā)的規(guī)范，全面培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識的能力、進行研究型學(xué)習(xí)的能力。

2.5 課堂測驗

整個學(xué)期安排4或5次階段性的課堂測驗，每次約30 min左右。測驗內(nèi)容為階段性教學(xué)內(nèi)容的核心知識點的概念、核心算法及簡單應(yīng)用。階段性測驗內(nèi)容一般不難，考核基本的核心的教學(xué)內(nèi)容，目的是檢查和督促學(xué)生平時的循序漸進地學(xué)習(xí)，對教學(xué)內(nèi)容的逐漸掌握，發(fā)現(xiàn)問題及時解決，不致于問題堆積。

2.6 期末考試

期末考試是對整個學(xué)期所學(xué)全部內(nèi)容的綜合性考核，是考核學(xué)生一學(xué)期的學(xué)習(xí)效果，考試之前學(xué)生的復(fù)習(xí)，是對這門課程的總復(fù)習(xí)，可以系統(tǒng)地總結(jié)每個階段的學(xué)習(xí)成果，鞏固學(xué)習(xí)效果。

3 “數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”教學(xué)方法的探討

3.1 細化教學(xué)大綱

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的大綱分為兩個：理論教學(xué)大綱和實驗教學(xué)大綱。理論教學(xué)大綱給出每一章理論知識的知識點，并細化每個知識點為識記、理解、領(lǐng)會、簡單應(yīng)用、綜合應(yīng)用5個教學(xué)要求層次，明確每個知識點為重點、次重點、一般三個考核類型。實驗教學(xué)大綱明確每個實驗教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、實驗環(huán)境、實驗步驟、需掌握的知識點、課后實驗等。細化的大綱不僅是授課教師的指導(dǎo)性綱領(lǐng)，也給學(xué)生學(xué)習(xí)該課程指明方向。

3.2 多媒體教學(xué)方式的采用

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容理論性、抽象性較強，很多學(xué)生反映不容易理解，在課堂教學(xué)中引用多媒體教學(xué)方法，為不好理解的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法制作多媒體課件，將算法過程用多媒體動畫展示，例如將最短路徑算法的每一步使用動畫演示，并配有步驟講解，這樣學(xué)生和只看算法代碼相比更能直觀地理解算法過程，也能充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，降低知識的抽象性。

3.3 分層次的實驗教學(xué)內(nèi)容

實驗教學(xué)是對課堂教學(xué)的輔助，能夠有效幫助學(xué)生理解和掌握教材中的理論知識，并將理論知識用于解決實際問題，培養(yǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用能力和軟件工程所需要的實踐能力。在實驗教學(xué)中，將實驗內(nèi)容分為基礎(chǔ)型、應(yīng)用型及綜合型實驗3個層次，使學(xué)生能夠從簡單到復(fù)雜的實踐中，牢固地掌握所授知識點，并逐步提高學(xué)生程序設(shè)計的能力，提高學(xué)習(xí)積極性，同時能提高學(xué)習(xí)效果。

3.4 實驗報告規(guī)范化

綜合型實驗是軟件工程的綜合訓(xùn)練，包括問題分析，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，用戶界面設(shè)計，程序設(shè)計基本技能和技巧，是對學(xué)生軟件工程規(guī)范的訓(xùn)練和科學(xué)作風(fēng)的培養(yǎng)。要求學(xué)生每個綜合型實驗均提交實驗報告，實驗報告要符合科技論文的寫作要求。實驗報告除介紹實驗?zāi)康暮蛯嶒瀮?nèi)容外，還應(yīng)詳細寫清以下幾個方面的內(nèi)容。

(1) 需求分析。綜合型實驗的任務(wù)，主要解決的問題；

(2) 概要設(shè)計。說明綜合型實驗任務(wù)中涉及的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義、各功能模塊的設(shè)計以及模塊之間的調(diào)用關(guān)系；

(3) 詳細設(shè)計。描述各功能模塊的具體實現(xiàn)算法；

(4) 調(diào)試分析。編寫好的各功能模塊程序調(diào)試過程中遇到的問題及解決方法；算法的復(fù)雜度分析；

(5) 實驗結(jié)果。實驗任務(wù)的輸入和輸出；

(6) 程序代碼。按功能模塊給出帶注釋的源程序，以及設(shè)計思想。

3.5 改革考核方式

將以筆試為主的傳統(tǒng)的考核方式改為平時教學(xué)環(huán)節(jié)及期末考試并重的考核方式，以綜合評價學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，尤其注重學(xué)生的課程學(xué)習(xí)過程。課程成績分為5個部分：課后作業(yè)占10%，課后實驗作業(yè)占20%，課堂測驗占10%，實驗課練習(xí)占10%，期末考試占50%。這種考核方式注重學(xué)生的平時學(xué)習(xí)，避免期末突擊、且所學(xué)知識不牢固的問題。

4 教學(xué)效果

任課教師的業(yè)務(wù)水平和教學(xué)水平是影響課程建設(shè)質(zhì)量的重要因素。在擔(dān)任該課程教學(xué)任務(wù)的教師中，學(xué)科帶頭人、教授2名，副教授1名，講師2名，碩士研究生助教1名，教師隊伍學(xué)歷層次較高，職稱、年齡結(jié)構(gòu)合理，能夠高效完成教學(xué)任務(wù)，也便于該課程的建設(shè)和發(fā)展。

表1和圖1顯示了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程近兩年學(xué)生綜合成績情況，從表和圖中看出，經(jīng)過課程的改革及根據(jù)教學(xué)情況的調(diào)整，學(xué)生的學(xué)習(xí)情況較好，成績逐漸提高，成績好的學(xué)生逐漸增加。

表1 分數(shù)分布情況

圖1 成績分布圖

5 結(jié) 語

經(jīng)過近2年的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)改革，學(xué)生反映，雖然平時作業(yè)很多很辛苦，但確實學(xué)到了知識，而且很牢固，課堂及實驗教學(xué)都取得了預(yù)期的效果，且該課程的成績顯著提高，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，明確了課程的重要性，以及該課程的作用，對本專業(yè)后續(xù)課程學(xué)習(xí)充滿信心。在今后的教學(xué)過程中，將繼續(xù)努力，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生研究性學(xué)習(xí)能力。

[1] 教育部高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會. 高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實踐教學(xué)體系與規(guī)范[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2008.

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