基于項(xiàng)目的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革方案設(shè)計(jì)

張靖

摘 ?要：該文介紹了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的特點(diǎn)及其在信息技術(shù)相關(guān)專業(yè)課程體系中的地位，分析了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)方式的優(yōu)勢(shì)與不足，通過研究企業(yè)項(xiàng)目環(huán)境對(duì)專業(yè)知識(shí)與技能學(xué)習(xí)的促進(jìn)因素提出了一種基于項(xiàng)目的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革方案。該方案適用于面向培養(yǎng)應(yīng)用型工程人才的相關(guān)院校，針對(duì)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)、個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)能力等諸方面工程能力進(jìn)行構(gòu)建。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ?教學(xué)改革 ?項(xiàng)目 ?程序設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP311.13-4;G642 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）07（a）-0113-03

計(jì)算機(jī)編程是信息技術(shù)（IT）相關(guān)專業(yè)所必須注重培養(yǎng)的專業(yè)基礎(chǔ)技能。計(jì)算機(jī)編程課程體系通常包含程序語言、面向?qū)ο缶幊蹋∣OP）以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等課程，培養(yǎng)目標(biāo)主要是使學(xué)生初步具備編程技能并形成計(jì)算思維。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是該課系中的高階課程，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)問題進(jìn)行分析建模、算法設(shè)計(jì)和編程實(shí)現(xiàn)的能力。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容具有高度的邏輯性和抽象性。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際上是依據(jù)問題的描述而為其建立的模型，表現(xiàn)為該問題所限定的數(shù)據(jù)元素集合以及集合中數(shù)據(jù)元素之間的關(guān)系，如線性表、棧、隊(duì)列、樹和圖等。這些結(jié)構(gòu)從邏輯上雖然不難理解其含義，但要在計(jì)算機(jī)一維線性排列的存儲(chǔ)單元中表示它們，繼而實(shí)現(xiàn)一定的處理算法則是非常抽象的領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)方式以教師的課堂講解為主導(dǎo)。在教學(xué)中，通常直接引入某數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的邏輯定義，介紹幾種物理表示方法以及相關(guān)操作的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而分析算法復(fù)雜度、比較各物理實(shí)現(xiàn)之間的優(yōu)劣。上機(jī)往往僅限于編程驗(yàn)證課上介紹的內(nèi)容，題目與實(shí)際工程項(xiàng)目聯(lián)系較少。課程考核以期末筆試為主，上機(jī)為輔。此種教學(xué)方式的優(yōu)勢(shì)在于知識(shí)體系的講解全面而深入。學(xué)習(xí)習(xí)慣良好、學(xué)習(xí)基礎(chǔ)深厚、擅長邏輯思維的學(xué)生能較好地適應(yīng)此種方式。但在高等教育普及化的背景下，特別是在培養(yǎng)面向工程的應(yīng)用型人才的相關(guān)院校，這樣的教學(xué)方式面臨挑戰(zhàn)，不能有效地傳授知識(shí)和技能。

在對(duì)學(xué)生進(jìn)行的走訪調(diào)查中，學(xué)生對(duì)于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程普遍缺少興趣，少量學(xué)生依靠自覺性和苦讀勉強(qiáng)可以跟上。其原因，首先是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)雖然由實(shí)踐中總結(jié)提煉出來并成為體系，但是對(duì)于毫無實(shí)際軟件設(shè)計(jì)和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生來說往往不能理解其必要性，不能將該門課程與其專業(yè)能力的構(gòu)建以及將來的就業(yè)相關(guān)聯(lián)。其次，由于課程內(nèi)容抽象性并與實(shí)際工程項(xiàng)目聯(lián)系較少，學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)與其在基礎(chǔ)教育階段學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、物理等科目的體驗(yàn)相似，而學(xué)生在這一階段恰好積累了較多的挫敗感和抵觸心理。這種狀態(tài)不利于學(xué)生產(chǎn)生興趣。最后，學(xué)生本身自覺性欠缺，基礎(chǔ)不牢，學(xué)習(xí)能力不強(qiáng)，特別是對(duì)于抽象內(nèi)容和不可見過程的思辨能力較低也阻礙其接受學(xué)科知識(shí)并內(nèi)化為個(gè)人能力。那么是否存在有效的教授數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的方法？

1 ?企業(yè)項(xiàng)目環(huán)境分析

培養(yǎng)應(yīng)用型工程人才的目標(biāo)是使學(xué)生在畢業(yè)時(shí)能夠參與并適應(yīng)本專業(yè)工程領(lǐng)域內(nèi)的工作崗位。可以將目光轉(zhuǎn)移到企業(yè)開發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行研究。

在企業(yè)開發(fā)團(tuán)隊(duì)場(chǎng)景下，實(shí)習(xí)生或畢業(yè)生通常能夠在較短的時(shí)間內(nèi)掌握工作所需要的基本的專業(yè)知識(shí)和技能。這里面固然有學(xué)生已經(jīng)經(jīng)歷了3～4年較為完整的專業(yè)課程培養(yǎng)的原因，但是企業(yè)團(tuán)隊(duì)為新人提供的環(huán)境也起到了不可忽視的作用。當(dāng)新人加入團(tuán)隊(duì)，同樣要經(jīng)歷一個(gè)學(xué)習(xí)的過程。他往往面對(duì)一個(gè)正在進(jìn)行的項(xiàng)目并導(dǎo)向真正實(shí)用的產(chǎn)品。這產(chǎn)品或者已經(jīng)上線運(yùn)行，處于迭代更新的狀態(tài)，或者將要交付用戶投入實(shí)用。在這個(gè)項(xiàng)目中，新人被指派的任務(wù)通常是項(xiàng)目中極小的一個(gè)單元，其內(nèi)容單一而具體。新人既可以集中精力研究這個(gè)局部問題，又必須從全局上搞清楚自己承擔(dān)的任務(wù)在整個(gè)項(xiàng)目中的位置和作用。新人針對(duì)自己任務(wù)的所做的工作既可以是功能的實(shí)現(xiàn)也可以是對(duì)以往錯(cuò)誤的修正。這些工作通?？梢粤⒓床⑷腠?xiàng)目主體進(jìn)行運(yùn)行，新人可以立即看到自己工作所產(chǎn)生的成果。在較為正規(guī)的企業(yè)，通常會(huì)指派老員工來指導(dǎo)新人;新人在工作中也可以與團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行交流和咨詢。最后，學(xué)生一旦成為企業(yè)員工，即處于企業(yè)的考核壓力之下。在這種情況下，新人往往能將壓力轉(zhuǎn)化為動(dòng)力，主動(dòng)地鉆研思考并利用各種資源完成工作任務(wù)。

通過分析企業(yè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的狀況，可以將其中有利于新人學(xué)習(xí)并提高專業(yè)知識(shí)和技術(shù)水平的因素做以下歸納。

（1）通過考核使新人投入學(xué)習(xí)、工作的態(tài)度更加端正和主動(dòng)。

（2）基于實(shí)際項(xiàng)目、解決實(shí)際問題使學(xué)習(xí)目的明確，工作成果帶來正向的激勵(lì)。

（3）工作任務(wù)具體化、細(xì)節(jié)化使學(xué)習(xí)起步難度較低。

（4）有老員工提供指導(dǎo)和幫助。

（5）團(tuán)隊(duì)具有良好的討論和交流氛圍。

以此為參考，結(jié)合低年級(jí)本科生課程教學(xué)的實(shí)際情況，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程進(jìn)行基于項(xiàng)目的教學(xué)體系設(shè)計(jì)。

2 ?教學(xué)體系設(shè)計(jì)

（1）知識(shí)和技能體系。

前文已論述分析了面向應(yīng)用的工程類院校的培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生的實(shí)際情況。以此為前提，一方面對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的知識(shí)體系進(jìn)行修訂，量體裁衣，以打好基礎(chǔ)、培養(yǎng)興趣為導(dǎo)向，精簡內(nèi)容并降低難度。例如，針對(duì)線性表知識(shí)單元，只引入基本的順序表和單鏈表，簡要介紹雙向鏈表和循環(huán)鏈表，而不再深入要求。

另一方面，在降低理論知識(shí)難度的基礎(chǔ)上增加實(shí)踐環(huán)節(jié)課時(shí)數(shù)，與理論課程課時(shí)數(shù)達(dá)到1∶1的配置。如培養(yǎng)方案規(guī)定課時(shí)數(shù)為64，按16個(gè)教學(xué)周計(jì)算，每周4個(gè)課時(shí)，其中2課時(shí)用作知識(shí)點(diǎn)講解，另外2課時(shí)用作學(xué)生上機(jī)實(shí)踐。

（2）教學(xué)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置。

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)在多媒體教室進(jìn)行。教師在講臺(tái)上利用黑板和投影進(jìn)行講解和演示，學(xué)生則聽講和記錄筆記。這樣的教學(xué)通常持續(xù)2個(gè)學(xué)時(shí)。學(xué)生上機(jī)則到專門的機(jī)房進(jìn)行。由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的抽象性，大部分學(xué)生通常難以全程集中注意力。

新的方案將理論教學(xué)與上機(jī)實(shí)驗(yàn)合并，統(tǒng)一安排在機(jī)房進(jìn)行。機(jī)房所有機(jī)位均面向教師機(jī)和投影屏幕。教師機(jī)可以通過機(jī)房教學(xué)系統(tǒng)控制全體學(xué)生機(jī)，能夠進(jìn)行切屏、下發(fā)文件、提交作業(yè)等操作。教師的授課過程在理論講解、動(dòng)畫演示、程序演示等環(huán)節(jié)之間切換，具體在“授課方法”小節(jié)中闡述。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程實(shí)驗(yàn)環(huán)境往往注重結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)和算法的驗(yàn)證，多基于命令行用戶界面展開。命令行用戶界面是一種較早出現(xiàn)的交互技術(shù)，目前主要用于專業(yè)開發(fā)和工作領(lǐng)域。一方面，對(duì)于作為初學(xué)者的學(xué)生來說這種交互形式并不友好。另一方面，新世紀(jì)前后出生的大學(xué)生對(duì)于命令行用戶界面比較陌生，他們對(duì)目前普及使用的圖形用戶界面（GUI）更加熟悉。因此，要為課程配置能夠編寫并運(yùn)行基于圖形用戶界面應(yīng)用程序的開發(fā)環(huán)境。以基于微軟Windows系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)為例，假設(shè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程基于C/C++語言，則可以為其安裝配置Visual Studio集成開發(fā)環(huán)境。該環(huán)境提供一定的圖形用戶界面程序開發(fā)支持。Qt是另一種可供選擇的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架。它支持Windows、Linux、macOS等主流操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序的跨平臺(tái)開發(fā)，使用上也比Visual Studio更加便利。

（3）授課方法。

授課圍繞知識(shí)點(diǎn)展開。

首先是基于問題的講解。首先結(jié)合實(shí)際應(yīng)用提出一個(gè)待解決的問題，然后從該問題出發(fā)進(jìn)行推理演繹，從問題描述中提煉其內(nèi)部的數(shù)據(jù)元素，分析數(shù)據(jù)元素之間的關(guān)系，從而導(dǎo)出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這樣就可以建立知識(shí)點(diǎn)與常識(shí)之間的邏輯聯(lián)系，使學(xué)生切實(shí)體會(huì)到學(xué)習(xí)當(dāng)前知識(shí)點(diǎn)的合理性。

其次是動(dòng)畫演示。前文已經(jīng)指出，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)具有高度的邏輯性和抽象性。由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建以及算法的執(zhí)行完全在計(jì)算機(jī)內(nèi)部完成，因此這個(gè)過程是不能直接感知的。需要借助額外的手段使數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法可視化，從而能夠直觀體會(huì)數(shù)據(jù)元素的內(nèi)部構(gòu)造、排列關(guān)系以及處理流程。動(dòng)畫可以從較為淺顯直觀的層面演示基于當(dāng)前數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的算法，如棧的入棧、出棧操作，二叉樹的先序遍歷以及快速排序算法等。精心設(shè)計(jì)的動(dòng)畫通過適當(dāng)?shù)纳蚀钆?、合理的運(yùn)動(dòng)路徑等引導(dǎo)學(xué)生集中注意力并具有一定的趣味性，幫助學(xué)生快速輕松地理解知識(shí)。

動(dòng)畫雖然生動(dòng)，但是難以精確地反映程序執(zhí)行當(dāng)中指令跳轉(zhuǎn)、變量賦值等具體細(xì)節(jié)。而對(duì)于編程學(xué)習(xí)而言，理解代碼邏輯、追蹤程序數(shù)據(jù)流恰好是學(xué)習(xí)重點(diǎn)。這一點(diǎn)可以通過集成開發(fā)環(huán)境提供的單步執(zhí)行功能來實(shí)現(xiàn)。以Visual Studio為例，可在程序代碼中的特定位置設(shè)置斷點(diǎn)（break point），然后以調(diào)試（debug）模式執(zhí)行程序，則當(dāng)指令執(zhí)行到斷點(diǎn)所在行時(shí)即中止執(zhí)行。隨后即可通過功能鍵操縱程序逐行單步執(zhí)行;同時(shí)，程序每執(zhí)行一行，程序相關(guān)的各變量的賦值都會(huì)在調(diào)試界面中列出。借助此項(xiàng)功能，能夠使學(xué)生對(duì)程序的數(shù)據(jù)組織、處理步驟一窺究竟。

課程講解完成之后布置隨堂作業(yè)。作業(yè)可以是書面題目，也可以是驗(yàn)證性的編程題。作業(yè)帶有單元測(cè)試的性質(zhì)。在學(xué)期末安排對(duì)課程整體的閉卷考試以檢測(cè)理論知識(shí)學(xué)習(xí)成果。

（4）項(xiàng)目設(shè)置。

以前文所分析的企業(yè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)場(chǎng)景為參考，為教學(xué)引入兩個(gè)層次的項(xiàng)目，包括單元項(xiàng)目和課程項(xiàng)目。

單元項(xiàng)目面向知識(shí)單元。由教師提供一個(gè)項(xiàng)目選題以及項(xiàng)目代碼框架。代碼框架是可執(zhí)行的圖形用戶界面應(yīng)用程序，但是將與單元主題知識(shí)相關(guān)的環(huán)節(jié)留待學(xué)生實(shí)現(xiàn)。學(xué)生在完成了課堂學(xué)習(xí)之后，根據(jù)該單元的知識(shí)內(nèi)容對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。例如，針對(duì)“?！眴卧?，教師提供一個(gè)計(jì)算器應(yīng)用程序的框架，然后核心部分關(guān)于計(jì)算表達(dá)式的輸入和結(jié)果計(jì)算部分則留給學(xué)生參考棧結(jié)構(gòu)相關(guān)的特性來設(shè)計(jì)和編寫程序。在這樣的單元項(xiàng)目中，學(xué)生不必考慮除去核心功能之外的其它要素（如用戶界面設(shè)計(jì)），只專注于知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的部分;而同時(shí)，一旦實(shí)現(xiàn)了這部分功能便能得到一個(gè)完成的計(jì)算器應(yīng)用程序產(chǎn)品。在單元項(xiàng)目中，學(xué)生除去完成。

課程項(xiàng)目面向整個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程。教師提供若干個(gè)不同選題但不提供程序框架。學(xué)生團(tuán)隊(duì)根據(jù)選題自主進(jìn)行項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的選擇。課程項(xiàng)目可以從課程初期即確定選題，隨著課程的深入進(jìn)行設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化。例如某課程項(xiàng)目要求實(shí)現(xiàn)一個(gè)可查詢的通訊錄程序，在課程前期學(xué)習(xí)了線性表之后即可基于順序表和順序查找來實(shí)現(xiàn)，到了課程后期完成了折半查找及二叉排序樹等內(nèi)容的學(xué)習(xí)后又可以對(duì)算法實(shí)現(xiàn)進(jìn)行升級(jí)，完成軟件性能的優(yōu)化。

無論是單元項(xiàng)目還是課程項(xiàng)目，都要求學(xué)生結(jié)成2～3人的團(tuán)隊(duì)以協(xié)同工作。團(tuán)隊(duì)成員輪流扮演組長、編碼、測(cè)試或文檔撰寫等角色。相關(guān)的考核也分別針對(duì)團(tuán)隊(duì)和個(gè)人兩個(gè)層面進(jìn)行。

（5）評(píng)價(jià)體系。

傳統(tǒng)的課程考查方式是在學(xué)期末舉行閉卷期末考試，并且期末考試成績?cè)诳傇u(píng)成績中占據(jù)主要部分。其余考勤、平時(shí)作業(yè)等環(huán)節(jié)也計(jì)入總評(píng)。在這種方式下，延遲到最后的考核使得在漫長的學(xué)期跨度中缺少對(duì)學(xué)生階段性學(xué)習(xí)成果的監(jiān)控。

在新的考核方案中，將期末考試成績降低比例到40%以下而增加平時(shí)考核的比重。其中，平時(shí)考核涉及紀(jì)律、作業(yè)、單元項(xiàng)目及課程項(xiàng)目。各項(xiàng)可以按如下的比重安排：

①紀(jì)律：包含出勤和課堂紀(jì)律。該項(xiàng)只扣分不加分，直至取消課程考試資格。

②作業(yè)：考查作業(yè)上交情況和正確情況，占比20%。

③項(xiàng)目：考查項(xiàng)目總體完成質(zhì)量及成員各自貢獻(xiàn)量（互評(píng)），其中單元項(xiàng)目總體占比20%，由歷次單元項(xiàng)目考評(píng)成績綜合計(jì)算;課程項(xiàng)目也占比20%，在學(xué)期末進(jìn)行驗(yàn)收。

通過實(shí)行多維度、迭代式的考核評(píng)價(jià)，使最終成績能夠反映學(xué)生在該課程中掌握專業(yè)知識(shí)技能、培養(yǎng)個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)成員協(xié)同工作等各方面的學(xué)習(xí)成果。常態(tài)化的考查評(píng)估也督促學(xué)生在平時(shí)付出更多時(shí)間和精力來完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

3 ?結(jié)語

該文提出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)體系設(shè)計(jì)適應(yīng)于面向培養(yǎng)應(yīng)用型工程人才的信息技術(shù)類專業(yè)。相比于傳統(tǒng)的教學(xué)方式，該方案從項(xiàng)目出發(fā)，將課程知識(shí)代入到工程項(xiàng)目場(chǎng)景中，以幫助學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，提升學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，在項(xiàng)目場(chǎng)景下，學(xué)生有更多的機(jī)會(huì)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)并參與到團(tuán)隊(duì)協(xié)作、自主創(chuàng)意和設(shè)計(jì)等工程環(huán)節(jié)。另外，相比傳統(tǒng)教學(xué)方式，該課程方案要求降低難度、精簡知識(shí)結(jié)構(gòu)，所教授的知識(shí)在廣度和深度上都有一定程度的降低。該方案還對(duì)教師自身的專業(yè)應(yīng)用技能和工程能力有較高的要求。

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