基于數(shù)據(jù)結(jié)構教輔系統(tǒng)的實驗課程改革

張瑞霞，周 婭，唐 麟（桂林電子科技大學 計算機科學與工程學院，廣西 桂林 541004）

?

基于數(shù)據(jù)結(jié)構教輔系統(tǒng)的實驗課程改革

張瑞霞，周 婭，唐 麟
（桂林電子科技大學 計算機科學與工程學院，廣西 桂林 541004）

摘 要：基于自行開發(fā)的數(shù)據(jù)結(jié)構教輔系統(tǒng)，提出應以教師為主導、學生為主體、源碼學習為中心，綜合利用Flash、Java、Android手機游戲、開源Linux等方式，在教學中將理論性、實踐性與娛樂性有機結(jié)合起來，并分別從自主學習、個性化、興趣性、探索性等方面說明數(shù)據(jù)結(jié)構教輔系統(tǒng)的具體應用。

關鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構；實驗教學；源碼；教輔系統(tǒng)

0　引　言

數(shù)據(jù)結(jié)構是計算機程序設計的重要基礎課，該課程具有較強的理論性和實踐性。實驗教學對培養(yǎng)學生的動手實踐能力和創(chuàng)新能力起著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)教學存在的問題是教學手段單一、編程語言單一、實驗題目缺少前沿性和趣味性以及實用性[1-3]。筆者針對教學中存在的問題，結(jié)合多年的教學實踐開發(fā)了數(shù)據(jù)結(jié)構教輔系統(tǒng)平臺。該平臺不但能夠輔助學生課后自主學習，而且能夠輔助教師的課堂教學。

該系統(tǒng)以培養(yǎng)學生動手實踐為主要目的，系統(tǒng)地設計融入教學的理念和方法并應用在實驗教學改革探索實踐中，結(jié)合大學生喜歡新生事物的特點，綜合利用Flash、Java、視頻錄像、Android手機游戲、開源Linux等方式，將理論性、實踐性與娛樂性有機結(jié)合起來，逐步培養(yǎng)面向應用的創(chuàng)新人才。

1　系統(tǒng)總體設計

數(shù)據(jù)結(jié)構教輔系統(tǒng)包括理論知識點、動手實驗環(huán)節(jié)等8個模塊，內(nèi)容分別是源碼學習、教學資源、算法演示、開源Linux、實驗互動、實踐創(chuàng)新、Android游戲和作品展示，如圖1所示，我們在理論和實驗環(huán)節(jié)為學生構建了完整的自主學習資源。整個系統(tǒng)的核心模塊是源碼學習，在這個模塊中包含了其他各個模塊涉及的完整代碼。這些源碼可以輔助教師的課堂教學，更有助于學生課下的自主學習和探索性學習。

圖1　系統(tǒng)模塊

2　實驗教學改革

2.1算法演示與代碼動態(tài)同步關聯(lián)

對抽象算法的理解是學好數(shù)據(jù)結(jié)構的第一步，因此教學過程中我們采用Flash演示幫助學生更好地理解知識點。不過，傳統(tǒng)的Flash脫離代碼，學生在學習過程中雖然理解了算法，但在具體實現(xiàn)代碼時卻存在障礙。在算法演示模塊中，我們利用Java和Flash技術，將算法演示與算法代碼有機結(jié)合，實現(xiàn)了算法演示與當前代碼的同步關聯(lián)[4-5]。在二叉排序樹的插入算法中，插入的數(shù)據(jù)既可以隨機產(chǎn)生，也可以手工輸入，具有良好的互動性。代碼執(zhí)行到哪里，F(xiàn)lash演示到哪里，這樣就將數(shù)據(jù)結(jié)構的算法具體化，在算法理解和算法實現(xiàn)之間搭起一座橋梁。這種多媒體動態(tài)演示程序提高了實驗教學效果，受到越來越多的教學者和學習者的歡迎。我們自行開發(fā)了30多個類似演示，包含數(shù)據(jù)結(jié)構的重難點部分，有助于學生的自主學習。

2.2動態(tài)調(diào)試方法幫助學生理解抽象的概念

在源碼學習模塊，共有70多個工程文件包含其他模塊中所有案例的完整源代碼，在軟件安裝時分類安裝到系統(tǒng)目錄中，可以方便學生的自主學習和教師的輔助教學。在課堂上，教師可以利用源碼輔助教學。例如，在關于鏈表的學習過程中，為了使學生更好地理解指針和鏈表算法，教師在創(chuàng)建鏈表、插入算法、刪除算法、設置斷點時，通過單步調(diào)試幫助學生理解抽象的算法。教師將調(diào)試的過程放慢節(jié)奏并結(jié)合板書，給學生分析自動窗口和局部窗口指針的變化，通過單步調(diào)試方式幫助學生理解代碼。調(diào)試技術有助于學生自行分析尋找自己在程序設計中的邏輯錯誤。鍛煉學生的調(diào)試能力，是培養(yǎng)其動手實踐能力的關鍵起步點。另外，項目組成員將每章中的重點算法調(diào)試過程制作成了微課，方便學生課下復習。

2.3實施個性化教學，支持多語言實驗和課程設計

“適合教育是面向每一個學生的個性化發(fā)展教育，是因材施教的最高境界，是對每一個學生高度負責的教育”[6]。學生的個性品質(zhì)是社會、家庭、學校共同作用的結(jié)果，學生個性特征、興趣愛好的差異和學生學習多樣化的需求，決定了高校的創(chuàng)新教育必然是一種因材施教、個性化的教育，因此應在一個大框架基礎上將學生進行分類，讓學生有一定的學習選擇權，有屬于自己支配的時間和空間，充分發(fā)展學生良好的個性品質(zhì)，使學生個性張揚的同時產(chǎn)生創(chuàng)造性。我們制定了切實可行的、彰顯學生個性和能力的方案，并應用到作業(yè)、實驗以及課程設計中。

我們以C語言版本的數(shù)據(jù)結(jié)構為教材[7]，但是更關注學生的個性，鼓勵學生根據(jù)自身的興趣愛好以及能力用其他語言（如C++或Java）實現(xiàn)。除了開發(fā)語言，學生也可以自由選擇開發(fā)環(huán)境。筆者在學校信息安全專業(yè)2009、2010和2011級試點后，得到了學生的認可。從學生提交的作品看，這種形式真正發(fā)揮了學生的主觀能動性。從2010級信息安全專業(yè)的58個學生來看，8個學生選擇Java語言，10個選擇C++，40個選擇C語言。從平臺來看，6個學生在Android平臺上開發(fā)，8個選擇Linux環(huán)境，44個選擇Windows環(huán)境。其中15個優(yōu)秀的作品中，使用Java語言的2個，使用Android的3個，使用Linux環(huán)境的2個。從中可以看出，這種靈活的方式更能調(diào)動學生的積極性和主動性。

2.4Android手機游戲培養(yǎng)學生興趣

興趣是最好的老師。結(jié)合大學生喜歡新鮮事物的特點，我們開發(fā)了3款原創(chuàng)Android手機游戲[8-9]，幫助學生理解抽象的概念，激發(fā)學生學習的興趣?！靶∏蚺判蛴螒颉庇兄趯W生理解二叉排序樹的概念，游戲說明給出了涉及的數(shù)據(jù)結(jié)構知識點和玩法，左邊的小球一直往上移動，上面的數(shù)字是隨機出現(xiàn)的，玩家根據(jù)二叉排序樹的性質(zhì)放到合適的位置，在小球到達頂端之前沒有完成插入，即游戲失敗，正確完成7次排序后則進入下一關。“荊軻游戲”共設兩關，分別包含了隊列和棧的概念，主人公荊軻首先在3個商人那里購買狼、羊和白菜，如果按照安全的方式運到南岸，則進入下一關走迷宮；一旦走錯，比如狼和羊單獨在一起，則游戲失敗重新再來?！皫煾颠x掌門游戲”包含了循環(huán)鏈表的概念。這些游戲的實現(xiàn)都會用到某種數(shù)據(jù)結(jié)構，使學生切實感受到數(shù)據(jù)結(jié)構與算法無處不在的魅力，并有意識地應用到編程實踐中。

2.5更新綜合性和設計性實驗題目和課設題目

如果不及時更新傳統(tǒng)陳舊的實驗題目，一方面不能調(diào)動學生的積極性和熱情，另一方面，學生能夠從各種渠道找到成熟的方案，留給學生自行設計的空間太少，不能達到設計性要求[10]。因此，應該緊跟時代發(fā)展，不斷更新實驗內(nèi)容。題目可以由學生自擬，也可以由指導教師選擇一些創(chuàng)意題目，如“基于Android平臺的校園導航”能考查學生對圖的最短路徑的理解。這個題目貼合生活實際，符合時代趨勢，激發(fā)了學生的興趣?！盎诩t黑樹的堆內(nèi)存泄漏檢測”能夠跟蹤由new和delete引起的內(nèi)存泄漏問題，是在學生理解了復雜的紅黑樹后開發(fā)的較為實用的作品?！盎瘜W輔助工具”是學生為高中化學教師做的小工具，是學生對鏈表的靈活應用，該工具能夠輔助化學教師構建復雜的化學符號和化學公式?！皢卧~拼寫檢查器”是學生自學Trie樹后設計實現(xiàn)的課設作品，具有高效訪問、自動提示、錯誤檢查等功能。優(yōu)秀的實驗和課設作品在作品展示模塊展示，包括完整的設計文檔、可執(zhí)行程序和工程源代碼，激發(fā)了更多學生的興趣性和探索性。

2.6學以致用，不斷創(chuàng)新，激勵學生探索性學習

培養(yǎng)學生的實踐能力并使其能夠?qū)W以致用是教學的重要目標。為了培養(yǎng)學生這方面的能力，我們將Linux中的數(shù)據(jù)結(jié)構剝離，并引導學生學以致用，融匯在作業(yè)、課程設計以及創(chuàng)新實踐中，這樣學生對數(shù)據(jù)結(jié)構的認識向?qū)嵱眯赃~出了一步。例如，課本上對鏈表的描述與Linux中真實使用的循環(huán)鏈表是有差別的。Linux中使用的鏈表為了實現(xiàn)通用性，其定義形式和課本上是不同的。學習通用鏈表能為后續(xù)學習操作系統(tǒng)課程打下基礎，有助于學生深入理解和研究Linux操作系統(tǒng)中的某些模塊（如文件監(jiān)控模塊、網(wǎng)絡模塊）。系統(tǒng)提供了多個案例，教師在課堂上抽取部分重點講解。這些案例包含了對Linux中數(shù)據(jù)結(jié)構的講解、使用工程及說明文檔，從教學效果看，極大增加了學生對Linux的研究興趣，學生由原來的好奇和畏懼，到一步一步深入探索性學習，加深了對學生探究能力的培養(yǎng)。

筆者指導的學生獲得國家級創(chuàng)新項目1項、廣西區(qū)級創(chuàng)新項目2項。我們應以創(chuàng)新項目為契機，引領基礎扎實的學生進行創(chuàng)新開發(fā)。比如，“基于Android 平臺的手機安全防護系統(tǒng)”是國家級大學生創(chuàng)新項目，“基于Linux的多媒體網(wǎng)絡教學系統(tǒng)”是在Linux下利用開源庫開發(fā)的廣西區(qū)級大學生創(chuàng)新項目。

3　結(jié)　語

數(shù)據(jù)結(jié)構教輔系統(tǒng)在實現(xiàn)過程中吸納了一批動手實踐能力較強的學生參與完成，并且包含了大量的學生優(yōu)秀實驗作業(yè)、課程設計和創(chuàng)新項目。整個系統(tǒng)整合為一個安裝包，學生能方便地安裝在自己的機器上進行自主學習。該系統(tǒng)經(jīng)過2009、2010、2011級3屆學生的應用實踐，教學效果明顯，并獲得第12屆全國多媒體課件大賽工科組一等獎，并在進行不斷的完善改進中。

參考文獻：

[1] 陶影, 張斌. 數(shù)據(jù)結(jié)構教學應重視算法設計與分析能力的培養(yǎng)[J]. 實驗室研究與探索, 2008(12): 120-121.

[2] 沈奇, 劉鈺, 張燕.“數(shù)據(jù)結(jié)構”課程雙語教學的研究與實踐[J]. 實驗技術與管理, 2012(12): 154-155.

[3] 楊程, 劉濤,范勇. 基于虛擬顯示的數(shù)據(jù)結(jié)構三維動態(tài)教學系統(tǒng)[J]. 實驗技術與管理, 2012(1): 74-75.

[4] 安博教育集團. Java核心技術[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2012: 2.

[5] Rober L.Java數(shù)據(jù)結(jié)構與算法[M]. 許曉云, 趙研, 曾希, 譯. 北京: 中國電力出版社, 2004: 2.

[6] 曾憲波. 適合學生的教育才是優(yōu)質(zhì)教育[J].湖北教育, 2012(9): 32-33.

[7] 張乃孝. 算法與數(shù)據(jù)結(jié)構: C語言描述[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006: 12.

[8] 吳亞峰, 蘇亞光. Android游戲開發(fā)大全[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2012.

[9] 詹建飛. 想到做到: Android開發(fā)關鍵技術與精彩案例[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2012.

[10] 王慧琴, 吳慶豐, 梁曉軍. 以應用為導向的大學物理實驗改革的探討[J]. 實驗技術與管理, 2012(9): 148-149.

（編輯：孫怡銘）

第一作者簡介：張瑞霞，女，高級實驗師，研究方向為數(shù)據(jù)結(jié)構與信息安全，rxzhang@guet.edu.cn。

基金項目：廣西區(qū)級重點項目（2014JGZ117）；廣西精品課程數(shù)據(jù)結(jié)構項目；桂林電子科技大學國家級計算機實驗示范中心項目（教高廳函2015[2]號）。

中圖分類號：G642

文章編號：1672-5913(2016)04-0068-03