面向應(yīng)用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革與實(shí)踐

莊鎖法 陳興梅

（安徽科技學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng) 233100）

0 引言

應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)是知識(shí)、能力、素質(zhì)和諧發(fā)展的高素質(zhì)人才，是介于傳統(tǒng)學(xué)科型人才與職業(yè)技能型人才的“中間型人才”，要求既有本科人才的學(xué)科教育特征，又有應(yīng)用人才的職業(yè)教育特性，著重培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力應(yīng)該是專業(yè)的主要特性也是最需要加強(qiáng)的部分[1]，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的課程體系中起著承上啟下的作用。其教學(xué)目的是使學(xué)生學(xué)會(huì)分析計(jì)算機(jī)所加工處理的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特性，為軟件開發(fā)過程中涉及的數(shù)據(jù)選擇適當(dāng)?shù)倪壿嫿Y(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的算法，并初步掌握算法的時(shí)間效率分析和空間效率分析的技術(shù)。

學(xué)好數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)于提高學(xué)生的理論認(rèn)知水平和實(shí)踐能力有著極為重要的作用。學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的最終目的是為了獲得求解問題的能力。對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界中的問題，學(xué)生應(yīng)該能從中抽象出一個(gè)適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型在計(jì)算機(jī)內(nèi)部用相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)表示，然后設(shè)計(jì)一個(gè)解此數(shù)學(xué)模型的算法，再進(jìn)行編程調(diào)試，最后獲得問題的解答。現(xiàn)在，各個(gè)高校數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教材的主要內(nèi)容集中在 “基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義和分析、基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用”這兩個(gè)方面，而我們教學(xué)的目的不僅是讓學(xué)生了解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的理論知識(shí)，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，所以我們認(rèn)為應(yīng)用型本科數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的教學(xué)要以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力為核心，重點(diǎn)提高分析設(shè)計(jì)能力和編程能力，這樣才能搞好數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)，為學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)及實(shí)踐打下良好的基礎(chǔ)。

1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程自身特點(diǎn)

（1）本課程高度抽象，需要數(shù)理邏輯、圖論、集合論和代數(shù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)；

（2）內(nèi)容豐富，學(xué)習(xí)量大?！皵?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”的研究不僅涉及到計(jì)算機(jī)硬件（編譯理論、存儲(chǔ)設(shè)備和存取方法）的研究范圍，而且與計(jì)算機(jī)軟件的研究有著更密切的關(guān)系，無(wú)論是編譯系統(tǒng)還是操作系統(tǒng)，都涉及到數(shù)據(jù)元素在存儲(chǔ)器中的分配問題，在研究信息檢索時(shí)也必須考慮如何組織數(shù)據(jù)，以便查找和存取數(shù)據(jù)元素更為方便和高效率；

（3）需要運(yùn)用許多前驅(qū)課程沒有涉及到的知識(shí)，在解答問題時(shí)也因此困難重重；

（4）隱含在各部分的技術(shù)和方法豐富。

2）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)現(xiàn)狀

長(zhǎng)期從事數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)和對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)中存在如下一些問題。

（1）學(xué)生難理解。《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程是培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力、抽象思維能力，鍛煉學(xué)生分析問題、解決問題能力的課程，由于抽象程度比較高，學(xué)生難以聯(lián)系實(shí)際，因此對(duì)課程的理解有較大的難度。例如，在課堂上，我們經(jīng)常提到定義節(jié)點(diǎn)或記錄，需要說(shuō)明用戶類型，一般用elemtype表示，但學(xué)生好長(zhǎng)一段時(shí)間不能很好理解這一表示。

（2）學(xué)生難實(shí)現(xiàn)。在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程包含了大量的算法，目前大部分的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教材都是采用C語(yǔ)言進(jìn)行算法描述，而且主要使用的是C語(yǔ)言里的指針、函數(shù)和結(jié)構(gòu)體這些知識(shí)。但在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)這些C語(yǔ)言內(nèi)容恰恰是學(xué)生掌握情況最不理想的部分。雖然大多數(shù)學(xué)生能讀懂算法，明白算法思想，但自己編寫程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)卻很困難，從某種意義上說(shuō)，學(xué)生只停留在驗(yàn)證上，從而學(xué)生對(duì)這門課的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)目的性更加迷茫。

（3）應(yīng)用困難。一般教師在教學(xué)中都會(huì)向?qū)W生說(shuō)明數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程更加注重應(yīng)用，但在教學(xué)過程中往往很難甚至沒有具體的應(yīng)用，學(xué)生反映教材中內(nèi)容學(xué)懂了，但仍然無(wú)法應(yīng)用到實(shí)際問題中。一方面，不知如何選擇數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；另一方面，不清楚如何優(yōu)化算法，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性受到了一定的影響。

（4）教學(xué)模式單一。目前，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程在在教學(xué)手段上采用多媒體課件教學(xué)或者傳統(tǒng)的黑板加粉筆的教學(xué)方式，這種方法雖然清晰、方便，但由于本課程涉及大量的概念、抽象數(shù)據(jù)類型以及算法，理論性強(qiáng)又較為抽象，特別是算法的描述無(wú)法在課堂上一一詳細(xì)介紹，算法的執(zhí)行過程很難在課堂上充分演示，使學(xué)生難以想象數(shù)據(jù)之間的復(fù)雜關(guān)系。即使學(xué)生在課堂上聽懂了，課后也可能無(wú)法及時(shí)上機(jī)實(shí)踐，由此導(dǎo)致教師講授的知識(shí)多于學(xué)生吸引的知識(shí)，長(zhǎng)此以往學(xué)生便失去了學(xué)習(xí)的熱情。

1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)方法改革

針對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，提出根據(jù)不同內(nèi)容采用不同教學(xué)方法，形成一門課程多種教學(xué)方法并舉的綜合教學(xué)方法改革。

1.1 課堂教學(xué)化抽象為具體

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程涉及數(shù)理邏輯、圖論、集合論和代數(shù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，內(nèi)容高度抽象，涉及很多概念和技術(shù)。為了幫助學(xué)生理解化，降低學(xué)習(xí)難度，化抽象為具體，采用圖示法幫助理解基本概念，制作動(dòng)畫演示幫助理解算法過程。例如在講解單鏈表中的頭插入法建立鏈表算法[2]時(shí)，先分析掃描字符串局部插入核心步驟，兩步操作，第一步：將原鏈表的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)成為新生成的節(jié)點(diǎn)后繼，語(yǔ)句為s-＞next=head-＞next;第二步：新生成的節(jié)點(diǎn)成為第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，語(yǔ)句為head-＞next=s;然后用幻燈片做圖形動(dòng)畫演示，每一個(gè)操作步驟對(duì)應(yīng)的圖示過程如圖1所示。

1.2 采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情

任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)是教師根據(jù)課堂教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容的需要，通過設(shè)置具體任務(wù)或案例，引導(dǎo)學(xué)生積極參與分析、討論、協(xié)作等活動(dòng)，讓學(xué)生在具體的完成任務(wù)情景時(shí)積極思考、主動(dòng)探索，以提高教與學(xué)的質(zhì)量和效果，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識(shí)問題，分析問題和解決問題等綜合能力的一種教學(xué)方法[3]。任務(wù)驅(qū)動(dòng)法一般分四個(gè)步驟[4]：①設(shè)置情景、創(chuàng)建任務(wù)。②分析任務(wù)、提出方案。③搜集素材，完成任務(wù)。④評(píng)估總結(jié)。作者所教授的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，為便于學(xué)生更好地理解和掌握線性表順序存儲(chǔ)、排序算法、查找算法等概念，熟練得掌握插入排序、二分查找等基礎(chǔ)算法，首先安排任務(wù)“學(xué)生成績(jī)管理系統(tǒng)”。然后將問題分解為有輸入學(xué)生成績(jī)、按學(xué)生成績(jī)排序、根據(jù)學(xué)號(hào)或姓名查找學(xué)生成績(jī)、和基本信息統(tǒng)計(jì)等任務(wù)，第三步要求學(xué)生用課堂上學(xué)過的算法來(lái)解決每一個(gè)模塊，最后一個(gè)一個(gè)模塊去點(diǎn)評(píng)，指出存在的問題和優(yōu)化的方法，這樣逐步推進(jìn)，使學(xué)生有一種從了解、熟悉到深入理解、掌握、運(yùn)用的漸進(jìn)過程。

1.3 引入案例教學(xué)法，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用意識(shí)

案例教學(xué)法是一種開放式、互動(dòng)式的教學(xué)方式，需要教師根據(jù)理論教學(xué)內(nèi)容事先精心策劃和準(zhǔn)備案例，指導(dǎo)學(xué)生提前閱讀，并組織學(xué)生開展討論案例，形成反復(fù)的互動(dòng)與交流。將知識(shí)融入案例之中，重視實(shí)踐，可以大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，從而達(dá)到提高該課程的教學(xué)效果案例分析法，一般在教學(xué)過程中分三步[4]，①首先抽象出數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)。②確定數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。③算法設(shè)計(jì)。本文作者在教學(xué)中，教材是李春葆編寫的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教程》[2]，根據(jù)不同內(nèi)容設(shè)置不同案例，例如，對(duì)于線性表，選用案例學(xué)生信息管理系統(tǒng)，對(duì)于棧，選用停車場(chǎng)管理系統(tǒng)；對(duì)于隊(duì)列，選用醫(yī)院病人就診管理系統(tǒng)；對(duì)于樹結(jié)構(gòu)，采用計(jì)算機(jī)中文件管理模型；對(duì)于圖采用實(shí)際交通圖等。經(jīng)過努力，在案例和問題的驅(qū)動(dòng)下，教師的引導(dǎo)下，學(xué)生主動(dòng)去分析問題和解決問題，就產(chǎn)生了學(xué)習(xí)該課程的興趣，很自然地就掌握了該課程的內(nèi)容。

2 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生動(dòng)手能力

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不僅具有較強(qiáng)的理論性，同時(shí)也具有較強(qiáng)的可應(yīng)用性和實(shí)踐性。因此，一定要重視教學(xué)實(shí)踐。長(zhǎng)期以來(lái)，課程組重視實(shí)踐教學(xué)，致力于理論基礎(chǔ)和實(shí)踐教學(xué)的完美結(jié)合，形成了保證基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，推動(dòng)綜合實(shí)驗(yàn)多層次的實(shí)踐教學(xué)體系[6]?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)是將理論課上講的抽象數(shù)據(jù)類型上機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)的過程中，深刻理解抽象數(shù)據(jù)類型和類之間的關(guān)系、算法設(shè)計(jì)和程序?qū)崿F(xiàn)之間的關(guān)系、問題描述和成員函數(shù)之間的關(guān)系，課程組根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程大綱要求，每章編制以驗(yàn)證為主的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，目的是幫助學(xué)生理解理論課上學(xué)習(xí)的內(nèi)容，同時(shí)也訓(xùn)練了學(xué)生的編程；設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，給出面向?qū)嶋H應(yīng)用的實(shí)踐題目，由學(xué)生自己設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、定義類、實(shí)現(xiàn)類，從而解決該實(shí)際問題，這樣將幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)連接起來(lái)，自己設(shè)計(jì)解決一個(gè)小的問題，課程組根據(jù)大綱和教材設(shè)計(jì)了如表達(dá)式分析與計(jì)算、迷宮、停車場(chǎng)管理問題、醫(yī)院病人就診、約瑟夫環(huán)問題、高速公路建設(shè)問題、教學(xué)計(jì)劃編排等問題，要求學(xué)生利用課后時(shí)間，可以集體討論解決，也可以一個(gè)學(xué)生獨(dú)立完成，提高了學(xué)生分析問題和解決問題能力；綜合實(shí)驗(yàn)是給出面向?qū)嶋H應(yīng)用的稍大一些的實(shí)踐題目，課程組設(shè)置了學(xué)生信息管理系統(tǒng)、圖書管理系統(tǒng)、集合運(yùn)算、車票管理系統(tǒng)等綜合實(shí)驗(yàn)題目，每一個(gè)題目都要求學(xué)生按照需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、測(cè)試分析、效率分析步驟解決，在實(shí)驗(yàn)課組織學(xué)生分別演示程序，分組討論，教師根據(jù)存在的問題進(jìn)行點(diǎn)評(píng).其目的是培養(yǎng)學(xué)生的程序設(shè)計(jì)、程序調(diào)試和程序分析能力，最大限度避免程序抄襲現(xiàn)象。通過設(shè)置綜合實(shí)驗(yàn)題目、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅岣邔W(xué)生的綜合程序設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

分析了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程自身特點(diǎn)，通過對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的幾個(gè)問題的改進(jìn)，理論課采用抽象變具體、案例教學(xué)法和任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，強(qiáng)化了程序設(shè)計(jì)的理念，增強(qiáng)了學(xué)生分析問題和解決問題能力，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在應(yīng)用型本科的核心地位更加明顯，課程教學(xué)效果得到了一定的改善，今后我們將進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法，以培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才為宗旨，為培養(yǎng)出合格的計(jì)算機(jī)專業(yè)人才打下夯實(shí)基礎(chǔ)。

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