MOOC 背景下《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的案例教學(xué)設(shè)計

楊春花

（齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院），濟南250353）

0 引言

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》是計算機專業(yè)中的一門核心的專業(yè)基礎(chǔ)課，研究非數(shù)值計算中計算機的操作對象以及它們之間關(guān)系和操作的學(xué)科[1]。在計算機專業(yè)課程設(shè)置中，該課程起著承上啟下的作用，其教學(xué)效果直接影響到編譯程序、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等后續(xù)課程。

然而在實際授課過程中，由于課程知識點多、內(nèi)容抽象，學(xué)生普遍感覺枯燥，久而久之就失去了學(xué)習(xí)興趣。為了克服此問題，許多教育工作者在該課程的授課過程中引入案例化教學(xué)方法[2-7]，目的是借助于形象生動的實際案例，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和解決此問題的興趣，進而提高教學(xué)的學(xué)習(xí)效果。

但是，傳統(tǒng)的以課堂教學(xué)為主的授課方式將課堂上有限的時間主要用于基本知識點和概念理論的講述，因此在應(yīng)用案例教學(xué)的過程中普遍存在的問題是只能應(yīng)用少量簡單的案例，作為導(dǎo)入理論課程教學(xué)的手段，而很難真正將案例教學(xué)貫穿于整堂課程中。近年來MOOC（Massive Open Online Course，大規(guī)模開放式在線課程）等現(xiàn)代化教育手段的興起，使得傳統(tǒng)的授課方式的改革成為可能。通過MOOC，學(xué)生可以在課下通過自主學(xué)習(xí)的方式學(xué)習(xí)基本知識點，而傳統(tǒng)的課堂時間則可以用來實施更合理的教學(xué)方式。因此，MOOC 背景下的線下授課為實施案例教學(xué)創(chuàng)造了條件。

案例是一種先進的教學(xué)方法，非常適合于理論與實踐結(jié)合緊密的課程?！稊?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程采取案例教學(xué)可以帶來如下好處：

（1）讓學(xué)生理解理論提出的背景。傳統(tǒng)的授課方式多采取填鴨式教學(xué)，學(xué)生不知道所學(xué)知識的背景。通過案例教學(xué)，可以使學(xué)生了解知識為何而來。

（2）讓學(xué)生理解如何將理論知識應(yīng)用于現(xiàn)實問題的解決?？斩吹睦碚撌谡n，只能使學(xué)生學(xué)會一堆概念，而不知道這些知識如何應(yīng)用。在以后的工作中碰到問題，也不知道采取何種方式解決。

（3）培養(yǎng)學(xué)生對問題進行抽象分析和實踐的能力。案例化的教學(xué)首先需要對現(xiàn)實問題進行抽象分析，然后采取合理的方式對其實現(xiàn)。學(xué)生在這樣的教學(xué)環(huán)境中進行熏陶和訓(xùn)練，其抽象能力和實踐能力勢必得到提高。

但是案例教學(xué)要取得好的效果，案例的設(shè)計非常關(guān)鍵。案例需要被仔細設(shè)計，使其即滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，又不至于讓學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒；同時還能在一節(jié)課或兩節(jié)課的時間教學(xué)完成，符合教學(xué)的時間要求。

在參考了大量教材、論文的基礎(chǔ)上，并結(jié)合長期教學(xué)過程中總結(jié)的學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和接受能力，設(shè)計了一套案例集，用于本?！稊?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的后續(xù)教學(xué)改革。

此案例集包含基本案例和綜合案例。每章配備至少一個案例，通過該案例，引出該章知識點的背景、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計、相關(guān)算法的設(shè)計，從而使得學(xué)生通過該實例理解該結(jié)構(gòu)或算法的應(yīng)用背景、知識的應(yīng)用場景。除此之外，課程還配備了一些綜合實例，這些實例能體現(xiàn)知識點的融合，從而能夠使學(xué)生體會知識的綜合運用、提高抽象思維能力。

1 課程的知識體系

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的知識體系一般分為兩大模塊：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊和查找排序模塊。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊介紹每種類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義、存儲和基本操作的實現(xiàn)。查找和排序模塊則討論各種常用的查找和排序算法。

如表1 所示，《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程知識點的組織一般分為七章，前五章討論基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，后兩章討論查找和排序。第一章線性表介紹順序表、鏈表及其查找、插入和刪除等操作的實現(xiàn)，第二章棧和隊列介紹棧和隊列的順序存儲和鏈式存儲、插入和刪除等操作的實現(xiàn)以及棧和隊列的應(yīng)用，第三章串數(shù)組和廣義表介紹串的定義、存儲、模式匹配算法、數(shù)組的存儲和廣義表的概念，第四章樹和二叉樹介紹樹和二叉樹的定義和存儲、二叉樹的性質(zhì)、二叉樹的遍歷和線索化、樹的遍歷、赫夫曼樹和赫夫曼編碼等，第五章圖介紹圖的鄰接矩陣和鄰接表存儲、圖的遍歷、最小生成樹、拓撲排序、關(guān)鍵路徑、最短路徑等算法，第六章查找介紹順序查找、折半查找、二叉排序樹的定義、查找、插入和刪除、哈希表的構(gòu)造和查找等，第七章介紹直接插入排序、shell 排序、起泡排序、快速排序、簡單選擇排序、堆排序和基數(shù)排序等。

2 基本案例及教學(xué)實施方案

2.1 基本案例

表2 列出了基本案例集，其中每一行對應(yīng)了數(shù)據(jù)課程的一章，第1 列是該案例對應(yīng)的基本知識點，第2列對應(yīng)了在基本知識點上的引申，引申的知識點用于引出案例且可以用在案例的講解上，第3 列是基本案例，第4 列是引申案例。

表1 《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的知識體系

表2 基本案例

2.2 基本案例的教學(xué)實施

每章配置至少一個基本案例，其教學(xué)采取如下步驟實施：

（1）對基本知識點進行講解

教師通過回顧本章知識，對該案例涉及到的基本知識點進行講授，基本知識點主要涉及到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述和基本操作的實現(xiàn)。

（2）引申知識點的實現(xiàn)-引導(dǎo)式方法

在基本知識點的實現(xiàn)基礎(chǔ)上，對基本操作進行擴展，實現(xiàn)引申的知識點。該步驟采取引導(dǎo)式方法授課，即與學(xué)生互動，引導(dǎo)學(xué)生實現(xiàn)引申知識點。

（3）案例的導(dǎo)入和實現(xiàn)-引導(dǎo)+框架+學(xué)生分組討論

基于引申知識點的實現(xiàn)，引入案例，說明案例的要求。引導(dǎo)學(xué)生對案例的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作進行抽象設(shè)計，得到一個實現(xiàn)框架，最后讓學(xué)生討論來實現(xiàn)框架。

（4）案例的講解-有的放矢教學(xué)

隨機抽取學(xué)生分組，檢查他們的設(shè)計及實現(xiàn)中存在的普遍問題進行分析。

（5）案例的引申及類比案例的引出-教師引導(dǎo)+學(xué)生業(yè)余實現(xiàn)（開放式）

對基本案例的實現(xiàn)進行總結(jié)，并類比引出引申案例，引導(dǎo)學(xué)生思考其如何實現(xiàn)，并在課下時間實現(xiàn)。

以第一章的基本案例“有序表的合并”為例，該案例涉及的基本知識點包括表的順序存儲和鏈式存儲、表的查找、插入和刪除等基本操作。引申的知識點是有序表的插入，該知識點可以通過組合表查找和表插入兩個操作來實現(xiàn)，同時該算法實現(xiàn)又可以用到基本案例的實現(xiàn)中。然后是基本案例的實現(xiàn)，因為有序表的合并可以在有序表插入的基礎(chǔ)上實現(xiàn)，因此可以引導(dǎo)學(xué)生建立有序表并對有序表的插入進行改造來實現(xiàn)。最后，與此案例相類似的案例有約瑟夫環(huán)、多項式運算等，可以讓學(xué)生思考如何采用類似的分析和設(shè)計方法對這些案例進行實現(xiàn)。

3 綜合案例

基本案例涉及的知識點相對單一，因此需要設(shè)置一定的綜合案例，使學(xué)生理解知識的綜合運用。

綜合案例的選擇首先需要體現(xiàn)知識點之間的融合，即需要涉及到多個相互關(guān)聯(lián)的知識點。其次需要控制其規(guī)模和難度，規(guī)模不易過大，難度要適中，這樣才能使學(xué)生既有對其進行實現(xiàn)的信心，又能體會到學(xué)以致用的效果。

綜合案例的講授方法采取“教師引導(dǎo)+學(xué)生分組討論+確定實現(xiàn)框架+課下實現(xiàn)”的方法，即通過教師引導(dǎo)確定該案例涉及的知識點，然后由學(xué)生分組討論可能的實現(xiàn)方案，繼而總結(jié)這些實現(xiàn)方案確定可行的實現(xiàn)框架，最后留下具體的實現(xiàn)給真正感興趣的學(xué)生課下實現(xiàn)。

受限于固定的授課學(xué)時，綜合性案例不易過多。選取了四個綜合案例，如表3 所示。

表3 綜合案例

表達式求值及形式轉(zhuǎn)換，涉及到棧、二叉樹的創(chuàng)建、遍歷、字符串截取及轉(zhuǎn)數(shù)值等知識點。通過該實例，不僅可以使學(xué)生體會到不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的相通性，也為后續(xù)編譯原理課程的學(xué)習(xí)打下一定基礎(chǔ)。

哈夫曼編碼譯碼涉及到正則二叉樹的存儲（靜態(tài)鏈表）、生成及遍歷等知識點，使學(xué)生可以體會到靜態(tài)鏈表的用途、基于哈夫曼的加密解密實現(xiàn)等。

基于索引的學(xué)生成績管理系統(tǒng)涉及到數(shù)據(jù)元素及索引的外部存儲和內(nèi)部存儲、基于索引的數(shù)據(jù)元素的插入刪除（包括索引的插入刪除和數(shù)據(jù)元素的插入刪除），索引可以是順序索引，也可以是樹索引。通過該實例，不僅可以使學(xué)生體會到數(shù)據(jù)的外部存儲和內(nèi)部存儲之間的關(guān)系，而相關(guān)的索引知識還可以為后續(xù)數(shù)據(jù)庫原理課程的學(xué)習(xí)打下一定基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

本文針對MOOC 背景下案例法教學(xué)實施的問題，設(shè)計了一套案例集。該案例集包含基本案例和綜合案例，基本案例用于每章的教學(xué)，綜合案例用于綜合性訓(xùn)練。該案例集中的不少案例已在筆者多年的教學(xué)實踐中進行了實施。在后續(xù)基于MOOC 的課程教學(xué)改革中，該案例集及教學(xué)方法將被實施到本校的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)中。