數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程實(shí)踐教學(xué)改進(jìn)探討

張小剛（塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300）

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數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程實(shí)踐教學(xué)改進(jìn)探討

張小剛
（塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300）

摘 要：“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)重要課程之一，也是理論抽象程度較高的課程，鞏固理論知識(shí)的實(shí)踐教學(xué)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的掌握和靈活運(yùn)用至關(guān)重要。論文通過分析研究，針對(duì)我校數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)中存在的重理論、輕實(shí)踐，重驗(yàn)證、輕設(shè)計(jì)的弊端，提出從實(shí)驗(yàn)設(shè)置內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)過程保證兩個(gè)方面來改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)，并結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐，具體從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)施方式、考核方法、實(shí)驗(yàn)流程等方面展開研究和探討。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；實(shí)踐教學(xué)；實(shí)踐教學(xué)改進(jìn)

引 言

實(shí)踐教學(xué)能使學(xué)生鞏固理論知識(shí)，加深理解，是對(duì)知識(shí)掌握從抽象到具體的必經(jīng)階段，是提高學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力與創(chuàng)新意識(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)提高學(xué)生綜合素質(zhì)，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力有著理論教學(xué)不可替代的特殊作用[1]。“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”是計(jì)算機(jī)專業(yè)一門重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，介于數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)硬件和軟件三者之間，涉及數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和操作實(shí)現(xiàn)、查找和排序技術(shù)，是非數(shù)值計(jì)算程序設(shè)計(jì)和編譯程序、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)系統(tǒng)及其他系統(tǒng)程序和大型應(yīng)用程序的應(yīng)用基礎(chǔ)[2]。同時(shí)也是工科、理科、醫(yī)科等學(xué)科中許多專業(yè)的必修或選修專業(yè)基礎(chǔ)課[3]。

一 實(shí)踐教學(xué)中存在的不足

2015年9月我被國家留學(xué)基金委派往渥太華大學(xué)工程學(xué)院進(jìn)行高等教育教學(xué)法研修，歷時(shí)3個(gè)月。研修過程中，我對(duì)渥大電子工程與計(jì)算機(jī)學(xué)院數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程進(jìn)行了隨堂聽課，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)我校學(xué)生綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及相關(guān)算法知識(shí)解決實(shí)際問題的能力明顯不足。通過比較、分析，我發(fā)現(xiàn)造成這種現(xiàn)象的一個(gè)重要原因是我校數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中以利用偽代碼描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為主，以編程實(shí)踐為輔，重理論、輕實(shí)踐，實(shí)踐教學(xué)不能支撐起理論教學(xué)。在有限的實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生只對(duì)理論課上老師講授的知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，自己動(dòng)手設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的實(shí)驗(yàn)很少，重驗(yàn)證、輕設(shè)計(jì)。

這種教學(xué)模式造成的后果是：第一，對(duì)理論學(xué)習(xí)內(nèi)容不能充分理解。學(xué)生實(shí)驗(yàn)的時(shí)候只是按照老師的思路被動(dòng)的完成，沒有經(jīng)過自己的充分思考，不需要自己去考慮各種可能的解決方案并找尋解決問題的方法，對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容不能充分理解，只能知其然不知其所以然。第二，解決實(shí)際問題的能力較差。各個(gè)章節(jié)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容各不相關(guān)，互相脫節(jié)，這就造成思考問題片面，對(duì)實(shí)際問題認(rèn)識(shí)不全面、不深刻，無法與實(shí)際應(yīng)用相關(guān)聯(lián)。第三，不能進(jìn)一步提高學(xué)生綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)的編程能力。由于我校數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程一般開設(shè)在大學(xué)二年級(jí)，這時(shí)學(xué)生編寫程序的時(shí)間還比較短，編寫程序的能力還比較弱，驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)很多都有源程序，不能引起學(xué)生認(rèn)真思考，不能運(yùn)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)與加強(qiáng)前導(dǎo)程序設(shè)計(jì)語言的進(jìn)一步融合。例如C語言程序設(shè)計(jì)中指針及動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配與釋放的原理與方法不能與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中線性結(jié)構(gòu)進(jìn)行融合，綜合運(yùn)用。

二 實(shí)踐教學(xué)改進(jìn)思路

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”及相關(guān)算法理論抽象程度較高，必須要配合相應(yīng)的實(shí)踐課程才能夠理解透徹和靈活運(yùn)用。在教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)掌握的困難不是在概念和算法的原理、流程，而在于將具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及相關(guān)算法的具體實(shí)現(xiàn)上。實(shí)踐教學(xué)體系中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)流程是實(shí)踐教學(xué)體系科學(xué)、合理設(shè)置的關(guān)鍵，因此我們從這兩個(gè)主要方面入手進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)。首先，我們從合理設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容入手，保證經(jīng)典和常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及相關(guān)算法的知識(shí)點(diǎn)得到訓(xùn)練；在保證實(shí)驗(yàn)題目包含基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上增加綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，解決實(shí)際問題的能力。其次，嚴(yán)格設(shè)置實(shí)驗(yàn)流程，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的考核，引導(dǎo)學(xué)生完成解決實(shí)際問題的步驟，保證實(shí)驗(yàn)效果。通過這兩個(gè)方面的訓(xùn)練，學(xué)生對(duì)一個(gè)實(shí)際中較復(fù)雜的問題，通過熟悉背景知識(shí)，小組任務(wù)分工、問題分析、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、編碼、調(diào)試等各環(huán)節(jié)的完成，使學(xué)生在實(shí)踐中理解并、應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法設(shè)計(jì)技術(shù)，提高分析、解決實(shí)際問題的能力[3]。

三 實(shí)踐教學(xué)改進(jìn)措施

（一）合理設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)可以分為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)要求每個(gè)學(xué)生在教師指導(dǎo)下獨(dú)立完成，主要驗(yàn)證課堂理論教學(xué)所授內(nèi)容，以加深理解。教師全程參與指導(dǎo)，即從算法基本思想到算法實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)(包括編程技巧、程序調(diào)試與測試等)都要參與指導(dǎo)。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)要求每位同學(xué)獨(dú)立完成，但在算法設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，教師可以給出提示。

驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)的目的是使學(xué)生掌握基礎(chǔ)的常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用法，強(qiáng)化對(duì)各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身構(gòu)造的理解，同時(shí)在使用的過程中進(jìn)一步鞏固加強(qiáng)程序設(shè)計(jì)語言的應(yīng)用。但基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)在設(shè)置上不宜過多，應(yīng)把握典型性的特點(diǎn)，應(yīng)能夠集中體現(xiàn)某個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本特征，而且要難度適中，要使多數(shù)學(xué)生經(jīng)過努力可以實(shí)現(xiàn)，應(yīng)包括的典型算法如下表1。

表1.驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)應(yīng)包含典型算法

設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的目的是訓(xùn)練學(xué)生針對(duì)實(shí)際問題，提煉出運(yùn)算模型，綜合運(yùn)用學(xué)過的知識(shí)，選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并設(shè)計(jì)合理的算法求解問題。與驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)相比，設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)最大的優(yōu)勢就是要求能夠訓(xùn)練學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用，這一點(diǎn)恰好可以彌補(bǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)的不足。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)可采用基于問題本身的任務(wù)驅(qū)動(dòng)式方法，訓(xùn)練學(xué)生獲取新知識(shí)以及分析、解決實(shí)際問題的能力。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)典型題目：電子通信薄構(gòu)造問題，要求實(shí)現(xiàn)聯(lián)系人信息的添加、刪除、修改、查找和排序功能；利用哈夫曼算法對(duì)文本文件進(jìn)行壓縮和解壓縮，顯示壓縮比、壓縮時(shí)間、解壓時(shí)間與對(duì)應(yīng)的加密壓縮編碼表問題；設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)站點(diǎn)及公交線路信息，實(shí)現(xiàn)公交所經(jīng)站點(diǎn)和站點(diǎn)所經(jīng)公交以及對(duì)給定公交站點(diǎn)間換乘方案的查詢問題的公交查詢系統(tǒng)問題；帶優(yōu)先級(jí)的計(jì)算器問題，要求從終端以字符序列形式輸入四則混合運(yùn)算表達(dá)式，程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)運(yùn)算數(shù)、運(yùn)算符及優(yōu)先關(guān)系的識(shí)別和表達(dá)式的計(jì)算；代碼相似度檢測問題，要求查閱資料了解代碼相似度檢測的典型解決方法，設(shè)計(jì)以串的模式匹配為基礎(chǔ)的檢測程序；內(nèi)部排序算法效率比較平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等[4]。

（二）合理設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

在合理設(shè)置了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，還需要合理設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)置是實(shí)驗(yàn)效果的重要保證，對(duì)單純的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是比較容易設(shè)定的，只需介紹一些實(shí)驗(yàn)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)中需要注意的問題，同時(shí)給出進(jìn)行驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)的步驟。學(xué)生在按部就班演示和理解源代碼的基礎(chǔ)上，就可以完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的問題需求分析、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)部分，從而加深對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的理解，提高算法理解和算法設(shè)計(jì)能力[6]。

設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)是模擬實(shí)際工程中軟件設(shè)計(jì)的綜合性實(shí)驗(yàn)，它的目的是培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)獨(dú)立解決實(shí)際問題和團(tuán)隊(duì)合作的能力，要求學(xué)生能夠根據(jù)實(shí)際問題合理分工，分析出輸入、輸出，選擇合適的某個(gè)或某些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織需要處理的數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)出正確的、高效的算法。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)則必須要注意兩點(diǎn)，一是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，二是實(shí)驗(yàn)步驟。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中要注意的是實(shí)驗(yàn)的綜合性和背景知識(shí)，如果實(shí)驗(yàn)包含多個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的知識(shí)點(diǎn)，綜合性較強(qiáng)，則一般難度較大。如果題目涉及到的知識(shí)背景比較豐富，也會(huì)加大學(xué)生理解和設(shè)計(jì)問題的難度[3]。

實(shí)驗(yàn)步驟一般可以劃分為5個(gè)階段，具體包括“提出問題－提出設(shè)計(jì)要求－任務(wù)實(shí)現(xiàn)并提示－測試、運(yùn)行與展示－分析、探討、修改”5個(gè)部分。

第一階段：提出問題。這部分教師給出問題背景，把本實(shí)驗(yàn)題目背景知識(shí)連同主要知識(shí)點(diǎn)提取出來，并融入到每個(gè)具體的任務(wù)中，教師一般只給任務(wù)書而不提供指導(dǎo)書。班級(jí)同學(xué)根據(jù)興趣分成任務(wù)小組，以3-5人為一個(gè)分組，適當(dāng)調(diào)整優(yōu)勢互補(bǔ)，分工合作，所有工作都以任務(wù)為中心來展開。這一部分要注意“任務(wù)”的明確性和可操作性。

第二階段：提出設(shè)計(jì)要求。教師提出任務(wù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)功能上需求，給出算法實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)輸入或輸出上的要求，學(xué)生通過分析分給自己的任務(wù)，了解任務(wù)的背景知識(shí)，所需知識(shí)點(diǎn)，規(guī)劃解決任務(wù)的方案和步驟等。每一個(gè)任務(wù)小組要根據(jù)自己的研究任務(wù)制定研究方案，并將任務(wù)分配到個(gè)人，并做好研究準(zhǔn)備工作。在此階段教師以指導(dǎo)教師的身份出現(xiàn)，通過巡回指導(dǎo)觀察學(xué)生操作情況。

第三階段：任務(wù)實(shí)現(xiàn)并給出提示。將整個(gè)小組的大任務(wù)根據(jù)人數(shù)分成多個(gè)小任務(wù)，并將具體任務(wù)模塊化，小組內(nèi)部對(duì)每個(gè)任務(wù)進(jìn)行分析、研究、討論，進(jìn)行概括和總結(jié)，從中得出小組內(nèi)部的結(jié)論，提出組內(nèi)設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)個(gè)人興趣來挑選完成。在完成過程中同學(xué)之間可以合作，學(xué)生完成這些任務(wù)的同時(shí)，無形中提高了他們的動(dòng)手能力和合作精神。

第四階段：測試、運(yùn)行及展示。學(xué)生在展示過程中應(yīng)給出各種具體情況的測試案例。包括項(xiàng)目的準(zhǔn)備、項(xiàng)目實(shí)施過程中遇到和解決的各種疑難問題、自己所負(fù)責(zé)模塊的運(yùn)行效果等等。展示方式可以是小論文、多媒體演示、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、程序運(yùn)行模塊等，但應(yīng)該包括任務(wù)內(nèi)容（做什么），算法說明（怎么做）等。

第五階段：分析、探討、修改。展示完成后，教師和別的小組的同學(xué)根據(jù)展示進(jìn)行分析、討論，給出評(píng)判和建議，學(xué)生根據(jù)評(píng)判和建議進(jìn)行修改。這一部分除了對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行分析外，還要求學(xué)生不局限于題目要求使用的算法，探討更多解決問題的途徑，或者提出自己的見解，給出可能的改進(jìn)算法建議。學(xué)生通過這一階段工作可以了解自己及別的小組的任務(wù)完成情況，對(duì)比、分析，得到啟迪，提高自己分析和解決問題的能力[7]。

結(jié) 語

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實(shí)踐教學(xué)是該課程教學(xué)的重要組成部分，作者通過在渥太華大學(xué)工程學(xué)院跟班聽課，發(fā)現(xiàn)與國外對(duì)比國內(nèi)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)有所欠缺，尤其是實(shí)踐設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)偏少，導(dǎo)致學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法并解決實(shí)際問題能力較差。特此分析后，針對(duì)國內(nèi)我校數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)踐課程教學(xué)中存在的重驗(yàn)證、輕設(shè)計(jì)，導(dǎo)致學(xué)生綜合運(yùn)用能力較差的實(shí)際問題，結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐，提出從實(shí)驗(yàn)設(shè)置內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)過程保證兩個(gè)方面來加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，并具體從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)施方式、考核方法、實(shí)驗(yàn)流程等方面展開研究和探討。該工作對(duì)國內(nèi)轉(zhuǎn)變以教師為主的灌輸式教學(xué)法到以學(xué)生為主的自主性、創(chuàng)新性學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變具有一定幫助。

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（責(zé)任編校：張京華）

中圖分類號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-2219（2016）04-0134-02

收稿日期：2015－12－23

基金項(xiàng)目：國家留學(xué)基金委2015（第5期）高等教育教學(xué)法出國研修項(xiàng)目（工程類）。

作者簡介：張小剛（1976－），男，塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院副教授，博士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)挖掘。