計(jì)算思維與《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)改革實(shí)踐

尚蕾

摘要：文章結(jié)合教學(xué)實(shí)際，對《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)中遇到的問題進(jìn)行了深入分析，并從如何利用計(jì)算思維更好地優(yōu)化和調(diào)整教學(xué)的角度對課程的教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)模式和實(shí)踐教學(xué)改革提出了一些思考和建議。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)思維；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）10-0152-02

1 計(jì)算思維

2006年3月，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真教授在美國計(jì)算機(jī)權(quán)威雜志ACM上發(fā)表并定義了計(jì)算思維（Computational Thinking）。周教授指出，計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及人類行為理解的涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動。[1]計(jì)算思維的提出，引起了美國教育界以及科學(xué)界的廣泛關(guān)注，直接促成了“大學(xué)計(jì)算教育振興的途徑”計(jì)劃， 以及更為具體的以“計(jì)算思維為核心的課程改革”。

計(jì)算思維的重要作用同樣引起了國內(nèi)學(xué)者和計(jì)算機(jī)教育專家的關(guān)注，國防科技大學(xué)的朱亞宗教授站在人文歷史的基礎(chǔ)之上，將計(jì)算思維歸類為三大科學(xué)思維（實(shí)驗(yàn)思維、理論思維、計(jì)算思維）之一。[2] 2010年，“九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程研討會”上，發(fā)布了《九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》，確定了以計(jì)算思維為核心的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革。隨后，一些計(jì)算機(jī)教育者開始在“計(jì)算機(jī)導(dǎo)論”、“程序設(shè)計(jì)”、“離散數(shù)學(xué)”等課程的教學(xué)中廣泛探討計(jì)算思維的應(yīng)用和實(shí)踐。

2 《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)中存在的問題

2.1先導(dǎo)課程的基礎(chǔ)不夠扎實(shí)

《C/C++語言程序設(shè)計(jì)》、《離散數(shù)學(xué)》等課程是《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》學(xué)習(xí)的先導(dǎo)課程，對程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的掌握程度會直接影響學(xué)生對《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》理論知識的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐訓(xùn)練。目前計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃中通常會把《C/C++語言程序設(shè)計(jì)》安排在大學(xué)第一學(xué)期，與《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程開設(shè)距離1-2個(gè)學(xué)期，這造成了學(xué)生在學(xué)習(xí)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》時(shí)對《C/C++語言程序設(shè)計(jì)》的前導(dǎo)知識已經(jīng)淡忘模糊，指針、結(jié)構(gòu)體問題甚至?xí)霈F(xiàn)知識空白；同時(shí)，《C/C++語言程序設(shè)計(jì)》也是實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，前期學(xué)習(xí)往往實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練不足，學(xué)生動手能力普遍較差，這些情況對《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的實(shí)踐教學(xué)帶來很大困難。

2.2課程知識理論性抽象性強(qiáng)

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程主要討論現(xiàn)實(shí)世界中數(shù)據(jù)的各種邏輯結(jié)構(gòu)，在計(jì)算機(jī)中的存儲結(jié)構(gòu)以及進(jìn)行各種非數(shù)值運(yùn)算的算法。目的是使學(xué)生掌握數(shù)據(jù)組織、存儲和處理的常用方法以及算法設(shè)計(jì)的基本方法。《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》是許多后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)，課程本身涉及的概念多、內(nèi)容廣，理論性抽象性比較強(qiáng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)理解上普遍存在一定的困難。

2.3課程實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱

實(shí)踐是《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的重要環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)開發(fā)復(fù)雜高效程序的技能是課程的教學(xué)要求之一。具體內(nèi)容包括：掌握數(shù)據(jù)組織、存儲和處理的常用方法；對經(jīng)典算法進(jìn)行編碼調(diào)試；具備編寫較大型程序的能力。實(shí)際教學(xué)中，課時(shí)不足尤其是實(shí)驗(yàn)課時(shí)不足，造成了課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)較為薄弱，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)后往往反映：“課堂內(nèi)容能夠掌握，但上機(jī)編程時(shí)困難重重?zé)o從下手”。

3 計(jì)算思維與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

周以真教授將計(jì)算思維的特征總結(jié)為：概念化，不是程序化；根本的，不是刻板的技能；是人的，不是計(jì)算機(jī)的思維方式；是數(shù)學(xué)和工程思維的互補(bǔ)與融合；是思想，不是人造物；面向所有人，所有地方。[3]同時(shí)，周教授也闡述了幾種具體的計(jì)算思維方法：通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真，把困難的問題闡釋成知道問題怎樣解決；利用遞歸思維、并行處理，把代碼譯成數(shù)據(jù)，又把數(shù)據(jù)譯成代碼；利用抽象和分解來控制龐雜的任務(wù)或巨大復(fù)雜系統(tǒng)；基于關(guān)注分離的方法（SoC 方法）；按照預(yù)防、保護(hù)及通過冗余、容錯、糾錯的方式，從最壞情況進(jìn)行系統(tǒng)的恢復(fù)；利用啟發(fā)式推理尋求解答；利用海量數(shù)據(jù)來加快計(jì)算等。這些闡述不僅擴(kuò)散了計(jì)算思維的原理，也為我們提供了將來的發(fā)展和培養(yǎng)方向。

在國內(nèi)，桂林電子科技大學(xué)董榮勝教授以“思想與方法”替代“基礎(chǔ)概念”更改了周以真教授的定義。董教授指出，“計(jì)算思維”是從學(xué)科思維層面直接討論學(xué)科的根本問題與學(xué)科的思維方式，而“計(jì)算機(jī)方法論”則是從方法論的角度討論學(xué)科的根本問題和學(xué)科形態(tài)，二者的研究互補(bǔ)性很強(qiáng)，相互促進(jìn)。

計(jì)算思維的核心之一是“抽象”，要求在多個(gè)層次上抽象進(jìn)行思維，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)問題求解，這個(gè)過程具體到一門課程，最適合的內(nèi)容就是“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法描述”?！稊?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》是計(jì)算機(jī)專業(yè)非常重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，主要研究數(shù)據(jù)之間的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)和對數(shù)據(jù)的各種基本操作。在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》的學(xué)習(xí)中，我們經(jīng)歷這樣一種過程：應(yīng)用數(shù)據(jù)抽象，建立數(shù)據(jù)對象模型；應(yīng)用問題抽象，建立問題的數(shù)學(xué)模型；應(yīng)用計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)問題求解的算法。這與計(jì)算思維的本質(zhì)特征“抽象”和“自動化”是相契合的，所以在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程中貫穿計(jì)算思維的思想，構(gòu)建一個(gè)基于計(jì)算思維的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)體系是可行的，也符合董榮勝教授提出的計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)方法論相互補(bǔ)充相互促進(jìn)。[4]

4 結(jié)合計(jì)算思維訓(xùn)練的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)改革實(shí)例

在實(shí)際教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)，大多計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生在完成了一門或若干門課程的學(xué)習(xí)后獲得的是零散的概念，對學(xué)科知識難以做到系統(tǒng)的理解，甚至直到畢業(yè)仍無法建立起利用計(jì)算機(jī)求解問題的思路。針對這個(gè)問題我們曾對部分大三、大四年級學(xué)生做過調(diào)查，在問到“影響你專業(yè)課學(xué)習(xí)的主要原因是什么”時(shí)，82.5%的學(xué)生選擇了“自己對計(jì)算機(jī)學(xué)科的核心問題，學(xué)科涉及的數(shù)學(xué)方法、系統(tǒng)方法的認(rèn)識和掌握”，其他學(xué)生選擇了“自己的動手能力”。計(jì)算思維的提出正是要求我們在教學(xué)中重視學(xué)科所蘊(yùn)含的思想和方法，為計(jì)算機(jī)專業(yè)課的教學(xué)改革提供了思路。

4.1圍繞計(jì)算思維的教學(xué)理念，修訂教學(xué)計(jì)劃

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)專業(yè)理論性和實(shí)踐性并重的專業(yè)基礎(chǔ)課，教學(xué)計(jì)劃中包含了理論體系和實(shí)踐體系兩部分。理論課程體系要注意用新的理論、技術(shù)更新核心知識單元和知識點(diǎn)，體現(xiàn)計(jì)算思維的思想和方法。如：二叉樹的遍歷操作中的遞歸思想，排序算法中的抽象和分解思想等。在教學(xué)模式方面也要滲透計(jì)算思維，具體到授課中，一要注重講解知識的背景，以問題貫穿教學(xué)過程，通過問題將理論知識和應(yīng)用聯(lián)系起來；二要突出思維培養(yǎng)，通過引導(dǎo)學(xué)生探討知識產(chǎn)生的過程，特別是知識的關(guān)聯(lián)，領(lǐng)會創(chuàng)新的途徑和本質(zhì)。

4.2重視課程間內(nèi)容的銜接，建設(shè)實(shí)踐課程群

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的順利學(xué)習(xí)需要建立在對C/C++高級語言已熟悉掌握的基礎(chǔ)上，從以往的教學(xué)中我們也發(fā)現(xiàn)學(xué)生在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)踐上遇到的問題相當(dāng)一部分是來自高級語言的語法和程序設(shè)計(jì)。同時(shí)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》也是《操作系統(tǒng)》、《面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)》等課程的先修課，在這些課中會涉及許多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識的實(shí)際應(yīng)用。針對這種情況，我們采用“16+2”的教學(xué)周期設(shè)置，在1-4學(xué)期分別為《C語言程序設(shè)計(jì)》、《C++程序設(shè)計(jì)》、《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》、《操作系統(tǒng)》安排16周的課程學(xué)習(xí)，對應(yīng)每學(xué)期的最后各安排2周時(shí)實(shí)踐課程，分別為《C編程實(shí)踐》、《C++編程實(shí)踐》、《算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編程實(shí)踐》、《操作系統(tǒng)編程實(shí)踐》。實(shí)踐課程群的建設(shè)以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和訓(xùn)練動手能力為目標(biāo)，使學(xué)生主動建立起利用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決問題的自覺性和思路。

4.3加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，提高計(jì)算思維能力

實(shí)踐教學(xué)體系是《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)計(jì)劃的一部分，實(shí)現(xiàn)對學(xué)生開發(fā)復(fù)雜、高效程序技能的培養(yǎng)。針對計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，課題組提出基于實(shí)踐課程群的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)機(jī)制，以采用“N+1”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)完成單門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)?！癗”是指教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的需要，設(shè)計(jì)N個(gè)課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生掌握單元知識點(diǎn)，此類實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證型、基礎(chǔ)型。 “1”是指，群內(nèi)每門課程都要為學(xué)生安排一次綜合型課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，2周，8-16個(gè)學(xué)時(shí)。課程設(shè)計(jì)采用應(yīng)用類和創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)考察學(xué)生對整門課程的學(xué)習(xí)掌握，對學(xué)科知識的融會貫通，強(qiáng)調(diào)對學(xué)生進(jìn)行抽象與自動化的訓(xùn)練，使學(xué)生形成問題求解的思路，從研究過程中強(qiáng)化計(jì)算思維訓(xùn)練。

計(jì)算思維是問題求解的過程性思維，包括發(fā)現(xiàn)問題、確定問題和求解問題。[5]采用獨(dú)立的實(shí)踐課程設(shè)置，一方面使學(xué)生對實(shí)踐課程重視，在學(xué)習(xí)方法、實(shí)驗(yàn)方法上得到系統(tǒng)、完整的技能訓(xùn)練；另一方面可以提高實(shí)踐環(huán)節(jié)的地位和作用，以足夠的課時(shí)保證實(shí)踐教學(xué)效果。

5 結(jié)束語

計(jì)算思維，是當(dāng)前計(jì)算機(jī)教育需要重點(diǎn)研究的課題，作為計(jì)算機(jī)教育者有責(zé)任站在思維科學(xué)的角度培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。這個(gè)任務(wù)不是一門課程可以解決的，需要逐步在計(jì)算機(jī)專業(yè)的各門課程中滲透“計(jì)算思維”。

參考文獻(xiàn)：

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