計(jì)算機(jī)教學(xué)中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的教學(xué)方法探討

武杰　黃昭馬　苗程適

摘 要 “數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”旨在講授程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型及相應(yīng)算法設(shè)計(jì)的內(nèi)容，是計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的必修課程之一。然而，由于課程本身所具有的理論性和對(duì)前修課程的依賴性，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)會(huì)因?yàn)閷?duì)課程的重要性認(rèn)識(shí)不足或一時(shí)的困難沒(méi)有解決而產(chǎn)生學(xué)習(xí)懈怠，進(jìn)而阻礙教學(xué)活動(dòng)的順利開(kāi)展。本文結(jié)合作者的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”這門課的教學(xué)方法與策略展開(kāi)討論。

關(guān)鍵詞 計(jì)算機(jī)教學(xué) 事例教學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 自主學(xué)習(xí)

Abstract The content of “Data structure and algorithm” is about the data structure and the algorithms used in the program designation. Moreover， it is one of the compulsory courses in computer and related majors. However， given the theoretical property of the course and the dependence on the prerequisite courses， some students will always depress their interests about the course for their ignorance of its importance or the difficulties unsolved in the learning process. This will strongly hinder the process of the teaching activities. In this paper， from the authors teaching experience， some teaching methods and strategies about the course are discussed.

Keywords computer teaching； case based teaching； experimental teaching； autonomous learning

0 前言

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”[1]素有計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程中的“哲學(xué)”之稱，是大學(xué)本科計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)學(xué)生的必修基礎(chǔ)課程之一。作為從程序語(yǔ)言設(shè)計(jì)向軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)進(jìn)階的銜接課程，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”即具有一定的理論性，也具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。在具體的教學(xué)過(guò)程中，一些學(xué)生會(huì)因?yàn)檎n程內(nèi)容的理論性特性而產(chǎn)生學(xué)習(xí)惰性，而一些學(xué)生會(huì)因?yàn)槠浠镜某绦蛘Z(yǔ)言學(xué)習(xí)不扎實(shí)跟不上教學(xué)進(jìn)度，另一些學(xué)生則認(rèn)為本課程內(nèi)容對(duì)于實(shí)戰(zhàn)開(kāi)發(fā)沒(méi)有幫助，降低學(xué)習(xí)的熱情。因此，如何充分利用本課程的特性，有效、合理地安排教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生積極思考克服困難，培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題求解能力是本課程教學(xué)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容之一。

1 課程教學(xué)方法與策略

1.1 抓住第一堂課，了解學(xué)生認(rèn)知，激發(fā)學(xué)生興趣

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”所講授的內(nèi)容不僅對(duì)于程序設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的理論指導(dǎo)意義，還與程序語(yǔ)言學(xué)習(xí)（如，C、C++、Java語(yǔ)言等）有著非常緊密聯(lián)系，即該課程所涉及的內(nèi)容都可以通過(guò)程序代碼進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。然而，一些學(xué)生由于對(duì)理論課程所產(chǎn)生的反感、厭煩心理，初次接觸本課程就會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的排斥心理；而另一些學(xué)生則認(rèn)為本課程內(nèi)容對(duì)于實(shí)戰(zhàn)開(kāi)發(fā)沒(méi)有幫助，降低了學(xué)習(xí)的熱情。因此，如何讓學(xué)生充分了解本課程的內(nèi)容和性質(zhì)，對(duì)本課程學(xué)習(xí)產(chǎn)生興趣，是本課程第一次上課的重要內(nèi)容之一。教師在本課程的第一堂課中，不應(yīng)急于介紹理論知識(shí)，而應(yīng)先了解學(xué)生的認(rèn)知情況，以學(xué)生所具備的認(rèn)知為基礎(chǔ)，從面向日常生活的軟件設(shè)計(jì)需求出發(fā)，通過(guò)介紹一些典型應(yīng)用軟件中所涉及到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法來(lái)講解本課程的相關(guān)內(nèi)容和實(shí)用價(jià)值，讓學(xué)生體會(huì)到本課程學(xué)習(xí)的重要性和必要性，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的興趣。[2]如，以學(xué)生一天的上課安排來(lái)類比程序設(shè)計(jì)中的函數(shù)調(diào)用過(guò)程，進(jìn)而強(qiáng)調(diào)“棧”型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)用性；以家族親戚間的相互關(guān)系類比數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)項(xiàng)之間的關(guān)系，說(shuō)明“圖”、“樹(shù)”等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性。以上的類比過(guò)程從一般日常生活到典型應(yīng)用程序功能，充分利用學(xué)生已有的認(rèn)知，幫助學(xué)生對(duì)本課程產(chǎn)生更多的感性認(rèn)識(shí)，為后續(xù)教學(xué)內(nèi)容的展開(kāi)創(chuàng)造一個(gè)良好的開(kāi)端。

1.2 認(rèn)真?zhèn)湔n，優(yōu)化教學(xué)，以形象化的方式傳授知識(shí)

俗語(yǔ)有云“工欲善其事，必先利其器”。教師想要上好一門課，必須認(rèn)真?zhèn)浜妹恳还?jié)課，深入分析課程內(nèi)容的每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，理解并豐富其內(nèi)涵與外延。教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)也證明：深厚扎實(shí)的知識(shí)文化基礎(chǔ)是教師立足于三尺講臺(tái)的基本功。只有豐富深廣的知識(shí)底蘊(yùn)才能將課本知識(shí)教活，避免“照本宣科”的現(xiàn)象，才能讓學(xué)生更深刻地理解課本知識(shí)，靈活運(yùn)用所學(xué)的內(nèi)容。再者，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”本身需要學(xué)習(xí)者具備較強(qiáng)的邏輯思維能力和問(wèn)題分析能力。因此，如何以最有效、最清晰、形象化的方式將課程內(nèi)容呈現(xiàn)在學(xué)生面前，是本課程教學(xué)的關(guān)鍵之一。這里，我們結(jié)合本課程的特點(diǎn)，主要從如下三個(gè)方面展開(kāi)討論。

1.2.1 以事例為主體，以問(wèn)題為線索，逐步展開(kāi)內(nèi)容

在這個(gè)過(guò)程中，教師必須認(rèn)真仔細(xì)備課，并查閱大量的文獻(xiàn)資料，對(duì)課程內(nèi)容中所涉及的相關(guān)概念和原理進(jìn)行深入理解。同時(shí)，依據(jù)所選定的與日常生活貼近的具體事例將每一小節(jié)內(nèi)容進(jìn)行以知識(shí)點(diǎn)為單位的分解與重組，并通過(guò)一組問(wèn)題將不同內(nèi)容串接起來(lái)。[3]如：在講解線性表時(shí)，可以從線性表的特點(diǎn)、線性表的存儲(chǔ)方式、線性表的操作（如：表中元素的查找、插入、刪除）等方面對(duì)該節(jié)內(nèi)容進(jìn)行分解與整合；并以為什么要使用線性表，使用線性表有何優(yōu)缺點(diǎn)，常見(jiàn)的適用于使用線性表的情況有那些等問(wèn)題為導(dǎo)向組織本章節(jié)內(nèi)容的講解。同時(shí)，以“按學(xué)號(hào)順序點(diǎn)名”和“以姓氏首字母順序點(diǎn)名”兩個(gè)事例分別講解線性表的順序映像存儲(chǔ)和鏈?zhǔn)接诚翊鎯?chǔ)。這樣通過(guò)具體事例的對(duì)比分析，讓學(xué)生輕松地理解本節(jié)課的講授內(nèi)容，掌握不同知識(shí)點(diǎn)間的相互關(guān)系，也增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用能力，進(jìn)而提高了學(xué)習(xí)本課程的興趣。endprint

1.2.2 重視概念講解，通過(guò)對(duì)比分析，建立知識(shí)網(wǎng)絡(luò)

概念作為知識(shí)的基石，是知識(shí)構(gòu)成的重要組成要素。因此，教師在講解每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)著重將基本的概念講解清楚、講透徹。學(xué)生只有清楚地理解了基本的概念，才能以概念為基石對(duì)相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行理解與消化。對(duì)于“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”課程來(lái)說(shuō)，它的基本概念相對(duì)比較抽象，學(xué)生只有正確理解了相應(yīng)的基本概念，才能在具體實(shí)踐中選擇正確的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。同時(shí)，在某一知識(shí)點(diǎn)的講解過(guò)程中，教師不應(yīng)只著眼于當(dāng)堂內(nèi)容的介紹，而應(yīng)及時(shí)回顧之前所講的與本節(jié)課內(nèi)容相關(guān)的知識(shí)，強(qiáng)調(diào)已學(xué)內(nèi)容與本節(jié)內(nèi)容之間的異同點(diǎn)，使學(xué)生理解本課程不同知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)性，從而構(gòu)建起自己對(duì)本課程內(nèi)容的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。如：在講解完“圖”型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)時(shí)，及時(shí)回顧之前所講的“樹(shù)”型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特性，并對(duì)比分析“樹(shù)”與“圖”、“森林”與“圖”之間在元素間邏輯關(guān)系描述、元素間關(guān)系的方向性、元素間關(guān)系的傳遞性等方面的異同點(diǎn)，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。此外，教師通過(guò)不斷地知識(shí)回顧與對(duì)比分析，可以不斷強(qiáng)化學(xué)生自己所搭建的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，加深學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解記憶程度，從而降低學(xué)生學(xué)期末的復(fù)習(xí)強(qiáng)度。

1.2.3 重視過(guò)程演示，通過(guò)調(diào)試分析，培養(yǎng)工程思維

算法設(shè)計(jì)作為“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”這門課程的另一重要組成部分，是特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在具體應(yīng)用中體現(xiàn)其實(shí)際價(jià)值的手段。因此，在課堂上進(jìn)行一定的算法演示有益于學(xué)生對(duì)當(dāng)堂所學(xué)知識(shí)的深入理解，培養(yǎng)其工程化的思維能力。此外，由于課本通常以偽代碼方式展示具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義及其相應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)，與具體的可運(yùn)行代碼之間還有一定的距離，并不能直接鍵入到編譯文件中直接編譯運(yùn)行。這就需要教師適當(dāng)?shù)卦谡n堂上進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)、調(diào)試及運(yùn)行。這一演示過(guò)程對(duì)于程序語(yǔ)言基礎(chǔ)學(xué)習(xí)不牢靠的學(xué)生具有很大的促進(jìn)作用。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生不僅可以回顧與程序語(yǔ)言相關(guān)的知識(shí)，了解教師所使用的編譯平臺(tái)的性能，也可以從代碼的單步調(diào)試分析中深入理解所采用的相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的原理，并獲得一些算法編寫(xiě)與調(diào)試等方面的技巧。如：在講解“?！毙蛿?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，可以通過(guò)實(shí)時(shí)的“?！眱?nèi)元素的打印輸出來(lái)了解“?！毙蛿?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法操作的原理。

1.3 把握課間十分鐘，強(qiáng)化師生互動(dòng)，構(gòu)建和諧課堂

課間的十分鐘作為課堂教學(xué)的間隔，其目的是為了讓緊張的教學(xué)氛圍得到緩解，讓大家的精力得到適當(dāng)?shù)男拚詼?zhǔn)備下一堂課的教學(xué)。在這段時(shí)間里，學(xué)生的心態(tài)變得放松，師生之間、學(xué)生與學(xué)生之間的交流脫離了課堂教學(xué)的單向信息傳遞方式，可以更好地各抒己見(jiàn)，討論問(wèn)題。對(duì)于思維反應(yīng)偏慢的同學(xué)，此時(shí)可以將自己心中尚未解決的疑惑與教師面對(duì)面地進(jìn)行交流。因此，利用課間十分鐘（特別是連續(xù)上課間的休息時(shí)間），教師走下講臺(tái)參與到學(xué)生的交流討論中，對(duì)于本課程的教學(xué)具有重要的意義。同時(shí)，充分利用課間時(shí)間與學(xué)生交流，教師可以更好地了解學(xué)生的疑惑，及時(shí)調(diào)整自己的授課計(jì)劃及方式。同時(shí)，學(xué)生也可以利用這個(gè)機(jī)會(huì)更好地闡述自己的疑問(wèn)和觀點(diǎn)，進(jìn)而促進(jìn)本課程教學(xué)的順利開(kāi)展，營(yíng)造和諧的課堂教學(xué)氛圍和師生關(guān)系。

1.4 重視上機(jī)實(shí)踐，培養(yǎng)求解思維，提高自主意識(shí)

作為“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”課程教學(xué)的另一個(gè)重要組成部分——上機(jī)操作，是學(xué)生運(yùn)用課堂所學(xué)知識(shí)解決課后問(wèn)題的具體實(shí)踐過(guò)程。[4]在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生需要通過(guò)分析問(wèn)題，依據(jù)問(wèn)題特性及所學(xué)知識(shí)選擇并設(shè)計(jì)特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，進(jìn)而完成問(wèn)題的求解。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生會(huì)遇到程序設(shè)計(jì)、代碼編寫(xiě)、程序編譯調(diào)試等各方面的問(wèn)題。而這些問(wèn)題通常會(huì)引起學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行再思考。 [5]因此，如何有效把握學(xué)生求解問(wèn)題的心態(tài)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)內(nèi)容的理解是本環(huán)節(jié)要解決的問(wèn)題之一。在這個(gè)過(guò)程中，教師應(yīng)當(dāng)把握好學(xué)生問(wèn)題求解的渴求，誘導(dǎo)學(xué)生將問(wèn)題分解，并采用循序漸進(jìn)的方式引導(dǎo)學(xué)生回顧課堂所學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題求解思維。同時(shí)，由于采用不同策略（如，順序映像存儲(chǔ)和鏈?zhǔn)接诚翊鎯?chǔ)兩種不同的存儲(chǔ)方式），問(wèn)題求解時(shí)所采用的具體算法是不同的。因此，教師不僅在授課時(shí)應(yīng)從多個(gè)角度對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，在上機(jī)操作時(shí)也應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生嘗試采用不同思路的方法實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的求解，進(jìn)而鍛煉學(xué)生的自主思考能力，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握程度，增強(qiáng)自身學(xué)好本課程的信心。此外，通常在本課程開(kāi)設(shè)時(shí)，多數(shù)學(xué)生的代碼編寫(xiě)量很少，并沒(méi)有養(yǎng)成良好的代碼編寫(xiě)習(xí)慣。因此，在上機(jī)實(shí)踐過(guò)程中，教師應(yīng)對(duì)學(xué)生的編寫(xiě)規(guī)范進(jìn)行強(qiáng)調(diào)，讓學(xué)生樹(shù)立良好的、具有較好可讀性代碼書(shū)寫(xiě)風(fēng)格。

2 結(jié)束語(yǔ)

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的必修課程，不僅具有很強(qiáng)的理論性，也是一門實(shí)踐應(yīng)用性的課程。因此，在本課程的教學(xué)過(guò)程時(shí)，教師應(yīng)注重基本概念的理解，以與具體事例相結(jié)合的程序操作講解為基礎(chǔ)，層層分析，以問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生的思維，強(qiáng)化不同概念之間的關(guān)系，幫助學(xué)生構(gòu)建本課程體系的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。此外，教師也要注重教學(xué)內(nèi)容的實(shí)踐環(huán)節(jié)，加強(qiáng)上機(jī)演示調(diào)試操作，對(duì)于上機(jī)操作中的問(wèn)題采用引導(dǎo)方式讓學(xué)生自主強(qiáng)化相關(guān)知識(shí)的理解與認(rèn)識(shí)。

*通訊作者：程適

參考文獻(xiàn)

[1] 嚴(yán)蔚敏，吳偉民.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（C語(yǔ)言版）[M].清華大學(xué)出版社，2007.

[2] 楊新斌，童玲，黃曉娟.對(duì)高職高專《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)的探索[J].今日科苑，2009（14）.

[3][5] 陳倩，歐陽(yáng)驥，胡傳福.問(wèn)題主導(dǎo)，質(zhì)疑驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法教學(xué)模式探索[J].東莞理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（20）.

[4] 趙小蕾，許喜斌.《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》教學(xué)方法改革探討[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2014（17）.endprint