云計算平臺下“算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”過程化實踐教學(xué)改革

楊 雄

（福州大學(xué)至誠學(xué)院，福建 350002）

“算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程是計算機學(xué)科一門理論和實踐結(jié)合非常緊密的核心課程[1]，其課程內(nèi)容與后續(xù)專業(yè)課程的關(guān)聯(lián)如圖1所示。本課程采用課堂教學(xué)與上機實踐1∶1的課時分配模式，理論教學(xué)環(huán)節(jié)注重為學(xué)生打下堅實的理論基礎(chǔ)，學(xué)生需要掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念和抽象數(shù)據(jù)的組織方法，實踐環(huán)節(jié)著眼于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，使學(xué)生能夠分析具體案例中數(shù)據(jù)元素的邏輯結(jié)構(gòu)，設(shè)計高效靈活的存儲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)基于該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的操作算法。

圖1 “算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程地位

要真正掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識并能根據(jù)解決實際應(yīng)用場景中的問題，僅僅依靠課堂聽講和課后練習(xí)是完全不夠的，還必須完成與課堂教學(xué)同步的上機實驗。學(xué)生通過實驗完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的一些典型案例，既可以更好理解、消化和掌握課堂教學(xué)內(nèi)容，又能夠運用計算思維分析和解決計算機領(lǐng)域的相關(guān)工程問題[2]。由于本課程的實踐環(huán)節(jié)是學(xué)生驗證、掌握和應(yīng)用理論知識的重要手段，也對學(xué)生后續(xù)專業(yè)知識的學(xué)習(xí)具有深遠的影響，因此對本課程實踐環(huán)節(jié)的改革研究具有非常重要的意義[3]。結(jié)合我校當(dāng)前實驗教學(xué)平臺和多年 “算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)經(jīng)驗，本文將云計算平臺應(yīng)用到“算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實踐環(huán)節(jié)中，為探索“算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實踐教學(xué)改革提供思路。

一、“算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程實踐環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀和主要問題

1.實踐教學(xué)與理論教學(xué)脫節(jié)嚴(yán)重

由于“算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程各知識點的獨立性和抽象性都比較強[4]，如果教師在教學(xué)過程中僅僅注重理論知識的講授，而忽略對學(xué)生興趣的培養(yǎng)和理論與實際應(yīng)用的結(jié)合，會導(dǎo)致學(xué)習(xí)過程枯燥，造成教學(xué)效果不理想。面對繁雜的知識點，學(xué)生在上機實踐時可能無法將相應(yīng)知識點和實際問題聯(lián)系起來構(gòu)建算法框架和編寫可執(zhí)行程序，在實驗過程中不知如何開始編寫程序，經(jīng)歷幾次實驗后可能會逐漸產(chǎn)生畏難情緒，甚至存在部分學(xué)生對該課程失去興趣[5]。

2.編程語言基礎(chǔ)薄弱，解決問題信心不足

“算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的上機實驗選用傳統(tǒng)的C語言和VC++6.0作為實驗平臺?！禖語言程序設(shè)計》作為該門課程的先修課程安排在大一上學(xué)期學(xué)習(xí)，本課程一般安排在大二上學(xué)期或大二下學(xué)期。學(xué)生對C語言中一些語法問題理解的不透徹，如：指針調(diào)用、內(nèi)存動態(tài)分配和翻譯函數(shù)、函數(shù)的指針參數(shù)傳遞等，加上課程教學(xué)中采用偽代碼或類C語言作為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的描述語言，而具體的實踐環(huán)節(jié)一般要求學(xué)生在2個學(xué)時內(nèi)能夠獨立完成完整程序的開發(fā)，包括核心代碼、頭文件和測試程序的開發(fā)和調(diào)試工作，但教材上僅提供算法的主要實現(xiàn)，并未給出完整的示例程序，導(dǎo)致對于語法基礎(chǔ)較差學(xué)生無法補全程序的其它部分。

部分學(xué)生上機前未按要求做預(yù)習(xí)準(zhǔn)備，對整個實踐環(huán)節(jié)的投入和重視不夠，在實驗過程中只有算法思路而沒有實際可運行的程序代碼，反而是把重心放在語法錯誤的調(diào)試上，而不是通過實踐來理解算法的核心思想。甚至在第一次實驗時存在一半的學(xué)生耗費大量時間熟悉開發(fā)工具，即使該開發(fā)工具已經(jīng)在C語言程序設(shè)計課程的學(xué)習(xí)中使用過。在實驗過程中，還發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生直接通過互聯(lián)網(wǎng)搜索代碼或通過手機拍照他人已完成代碼，致使學(xué)生的上機實踐變成為完成目標(biāo)的“打字練習(xí)”而已[6]。

對于實驗指導(dǎo)老師來講，每次實踐課的2學(xué)時都需要花費大部分時間用于幫助學(xué)生調(diào)試解決與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身無關(guān)的語法錯誤。每學(xué)期能夠在實驗課指定限時內(nèi)獨立完成代碼編寫的學(xué)生大約只有15%，而其他學(xué)生則無法順利完成，更達不到加強對理論知識理解的目標(biāo)。對于學(xué)生而言，無法在集體上機過程中充分利用教師的指導(dǎo)時間，造成集體上機甚至不如課后自行完成實驗氛圍的現(xiàn)象，在心理上很容易產(chǎn)生惰性和消極態(tài)度，這也是存在實驗程序和報告抄襲現(xiàn)象的原因之一。而部分態(tài)度認(rèn)真的學(xué)生，在課后繼續(xù)實驗，但是因為不能和任課教師實時互動，導(dǎo)致遇到困難無法及時解決。

這些存在的問題不僅對學(xué)生自主編程的積極性造成很大的影響，無法理解算法的精髓，體會不到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)用價值，背離了實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的初衷。

綜合分析上述問題，在“算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的實踐過程中，如何減輕學(xué)生對編程語法問題的恐懼，將更多的精力集中在核心代碼的獨立編寫和測試，提高實踐環(huán)節(jié)效率，順序完成實驗報告達成實驗?zāi)繕?biāo)，是目前本課程實踐環(huán)節(jié)改革所面臨最大困難。

二、云計算實驗教學(xué)平臺

1.云計算實驗教學(xué)平臺的優(yōu)點

隨著《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》和“互聯(lián)網(wǎng)+”計劃的提出，教育信息化受到前所未有的重視。云計算技術(shù)作為一種新型的虛擬化、高擴展性的計算模型，為高校的信息化建設(shè)和教育改革提供了思路。目前，很大部分高校依然采用每臺物理機單獨使用資源的計算機實驗室建設(shè)模式，各種教學(xué)軟件和編譯軟件都安裝在同一臺物理機上，同一軟件版本的更新升級維護和不同軟件在同一運行環(huán)境中的潛在沖突和軟件臃腫造成單臺物理機性能的下降，導(dǎo)致軟硬件采購成本高、設(shè)備管理維護投入高等問題。通過云計算技術(shù)構(gòu)建的計算機實驗教學(xué)平臺[7]，使用戶能夠通過互聯(lián)網(wǎng)根據(jù)自身需要獲得所需的軟硬件資源，不僅降低了實驗室軟硬件的采購和維護成本，提高了資源利用率，而且也為學(xué)校的實踐教學(xué)模式的改革提供支持?；谠朴嬎慵夹g(shù)構(gòu)建的計算機實驗教學(xué)平臺架構(gòu)如圖2所示，它與傳統(tǒng)獨享資源的模式相比，有如下優(yōu)點。

圖2 基于云計算技術(shù)構(gòu)建的實驗教學(xué)平臺架構(gòu)

一是教師可以隨時隨地通過PC機和瀏覽器登錄云實驗平臺，開展教學(xué)實踐；學(xué)生上機實踐時進可直接通過云終端快速登錄已經(jīng)配置實驗環(huán)境的虛擬機。

二是云平臺利用虛擬化技術(shù)可以為不同的課程創(chuàng)建和部署不同的操作系統(tǒng)鏡像，提高資源利用率，不再需要為特定專業(yè)或領(lǐng)域設(shè)立單獨的專業(yè)實驗室。

三是當(dāng)實驗環(huán)境需要更新或升級軟件時，只需對資源池中的系統(tǒng)模板鏡像操作即可，不再需要為客戶端單獨安裝所需的實驗環(huán)境，其維護工作也幾乎為零，降低了客戶端的維護和管理成本，有效減少了實驗室管理和維護的工作量。

2.云計算實驗教學(xué)平臺的實踐過程

在準(zhǔn)備階段，教師通過復(fù)制系統(tǒng)基礎(chǔ)鏡像的方式快速創(chuàng)建虛擬機鏡像模板，根據(jù)實際需要配置虛擬機的硬件參數(shù)，充分合理利用設(shè)備資源，在虛擬機模板系統(tǒng)中安裝實驗開發(fā)環(huán)境VC++6.0和實驗報告撰寫工具所需要的輔助軟件，并根據(jù)實驗指導(dǎo)書創(chuàng)建對應(yīng)的項目目錄和項目工程文件，每個項目工程的初始內(nèi)容必須包含頭文件、含有大量注釋的需要實現(xiàn)的核心代碼文件和含有測試代碼的main函數(shù)主文件。教師還可以根據(jù)實驗需要，在對應(yīng)的項目工程文件中提供與該實驗相關(guān)聯(lián)的教學(xué)課件和實踐操作微課視頻文件等，供學(xué)生在遇到問題時指導(dǎo)學(xué)生分析和解決問題。

在課內(nèi)實施階段，教師上課時選擇學(xué)生實驗的虛擬機鏡像，學(xué)生通過云終端可以快速遠程連接至已創(chuàng)建好的操作系統(tǒng)鏡像，根據(jù)當(dāng)次實驗要求打開指定項目工程，在項目文件內(nèi)完成核心代碼的編寫工作。若遇到突出情況，學(xué)生也可以快速還原開發(fā)環(huán)境至初始狀態(tài)。在教師端通過云教室軟件可以方便的管理所有終端，統(tǒng)一查看學(xué)生所登錄虛擬機系統(tǒng)中的操作鏡像，實時獲取學(xué)生的實驗進度，如圖3所示。

圖3 云教室教師端管理軟件

如學(xué)生遇到問題無法解決，可通過云教室軟件“舉手”或留言，教師端可以及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生“舉手”或留言，在軟件中點擊學(xué)生機鏡像圖標(biāo)可快速登錄該學(xué)生的虛擬機幫助學(xué)生分析、定位和解決問題。遠程協(xié)助模式分成觀察和控制，可根據(jù)不同實際場景來選擇使用。

學(xué)生在上機實踐環(huán)節(jié)過程中無需花費時間在與核心代碼無關(guān)的工作上，如環(huán)境配置、頭文件編寫和引用，而是專注于核心代碼的編寫和調(diào)試，極大提升了實踐環(huán)節(jié)的效率，能夠快速達成實驗?zāi)繕?biāo)。教師在實驗過程中也可以方便快捷獲悉學(xué)生的實際完成情況，并可通過禁網(wǎng)或禁USB等手段，在一定程度上可以杜絕簡單代碼拷貝的現(xiàn)象。

在驗收階段，云教室系統(tǒng)在服務(wù)器上提供了作業(yè)存儲空間，學(xué)生在虛擬機完成代碼編寫和實驗報告撰寫工作后，通過云教室軟件方便將代碼和報告上傳至該空間，教師通過檢查作業(yè)空間中的學(xué)生代碼和實驗報告給出實驗成績，并釋放虛擬機資源。

三、“算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實踐教學(xué)應(yīng)用案例

以課程實踐環(huán)節(jié)中的典型實驗 “實現(xiàn)單鏈表的各種基本運算的算法”為例，該實驗要求學(xué)生在掌握線性表的鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使用C語言實現(xiàn)單鏈表的各種基本操作。該實驗作為鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)相關(guān)的首個實驗，對學(xué)生的邏輯思維和C語言中指針的運用都有較高的要求，學(xué)生尚無法順利完成整個代碼文件的編寫，甚至出現(xiàn)一部分學(xué)生因無法完成實驗而出現(xiàn)退縮現(xiàn)象。因此該實驗側(cè)重于要求學(xué)生能夠在掌握理論知識的前提下參考課本已給出的偽代碼來實現(xiàn)單鏈表的各個基本操作，并以給定的測試數(shù)據(jù)和已經(jīng)編寫好的主函數(shù)來驗證其操作實現(xiàn)是否正確。

在準(zhǔn)備階段，教師在虛擬機模板中新建項目工程文件以及準(zhǔn)備好含有框架的代碼文件，包括相關(guān)宏定義、結(jié)構(gòu)體定義、單鏈表的各個基礎(chǔ)操作的函數(shù)頭定義和主函數(shù)實現(xiàn)代碼，但要求學(xué)生實現(xiàn)函數(shù)主體代碼的編寫和測試。代碼模板如圖4所示。

圖4 實驗二的代碼模板

同時，教師設(shè)計上機任務(wù)步驟，將各個基本運算的實現(xiàn)以任務(wù)步驟的形式分解。以單鏈表的插入操作為例，將插入操作的代碼實現(xiàn)分解為三個關(guān)鍵步驟：查找第i-1個結(jié)點、生成一個新結(jié)點和將新結(jié)點插入到鏈表中，在任務(wù)中也給出函數(shù)體的輔助代碼和注釋用于提示學(xué)生，但隱藏了函數(shù)體的核心代碼，其設(shè)計界面如圖5所示。代碼隱藏范圍及是否隱藏代碼可根據(jù)不同的實驗獨立設(shè)置。

圖5 教師端任務(wù)設(shè)計界面

學(xué)生在上機時首先通過瀏覽器連接虛擬機后，在虛擬機操作系統(tǒng)中可快速打開實驗二的工程文件，接著按照分解后的實驗步驟針對性得完成代碼編寫。如果某實驗任務(wù)設(shè)置了代碼隱藏，那在在學(xué)生端的瀏覽器窗口中其函數(shù)體的關(guān)鍵代碼以*號的方式隱藏，如圖6所示。通過這種方式能夠讓學(xué)生在實驗過程中將精力集中于該實驗相關(guān)代碼的編寫和測試上，在初始時通過閱讀代碼模板和編寫核心代碼能夠讓學(xué)生對于該課程上機環(huán)節(jié)所要完成的內(nèi)容有了初步的認(rèn)識，從而具備按照給定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成簡單程序的能力，建立起獨立完成實驗的信心。隨著教學(xué)的深入和實驗難度的加大，以實際提示的方式替代固定的實驗步驟，從而鍛煉學(xué)生運用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來解決實際問題的能力，在大大提升上機實驗效率的同時，循序漸進提高學(xué)生的編碼能力，達到了該課程實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)目標(biāo)。

將云教室的解決方案引入到“算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程實踐環(huán)節(jié)，在一定程度上可以緩解或解決目前所存在的一些問題，也取得了一些良好的效果。

第一，學(xué)生在機房的實踐環(huán)節(jié)中可以集中精力于與本課程相關(guān)的代碼編寫上，提升了在實驗課指定限時內(nèi)獨立完成代碼的學(xué)生比例至70%左右。隨著實驗的不斷深入，學(xué)生對各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識的理解水平不斷提高，通過知識的不斷整合提升解決問題的能力、培養(yǎng)創(chuàng)新思維和提高實驗自主性，最終達到了通過實驗環(huán)節(jié)加強對本課程理論知識理解的目標(biāo)。

圖6 學(xué)生端上機實踐界面

第二，為每位學(xué)生在服務(wù)器創(chuàng)建獨立的虛擬實驗空間，一定程度上避免了由于物理機故障造成實驗中斷和代碼數(shù)據(jù)的丟失。若出現(xiàn)局部斷電或斷網(wǎng)的情況，待故障恢復(fù)后學(xué)生只需要通過云終端連接至虛擬機就可以快速繼續(xù)完成之前的實驗，有效減少了實驗室管理和維護的工作量。因為學(xué)生的實驗過程是在各自的虛擬機操作系統(tǒng)中開展的，所以各自的實驗操作是相互獨立、互不干擾。

第三，教師在實踐環(huán)節(jié)過程中不僅能夠?qū)⒏嗟木性谥笇?dǎo)學(xué)生與課程相關(guān)的核心代碼的開發(fā)和問題解決上，還能夠?qū)崟r掌握學(xué)生的實驗進度，加大對實驗過程的監(jiān)控力度，提升實踐環(huán)節(jié)的參與度，在達到提升教學(xué)質(zhì)量目標(biāo)的同時也在一定程度上減少了實驗代碼和實驗報告抄襲現(xiàn)象的發(fā)生。

四、結(jié)論

在教育信息技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，云計算技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對“算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實踐環(huán)節(jié)存在的問題，提出將云計算技術(shù)的云教室解決方案應(yīng)用 到實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，使學(xué)生能夠在實踐過程中集中精力分析和解決核心問題，在獲得成就感的同時逐步提升代碼編寫能力，通過實踐教學(xué)達到鞏固和加強學(xué)生對理論知識的理解和掌握的目的。