面向計算思維的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)實踐探索

[摘 ?要]數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計算機相關(guān)專業(yè)的一門核心課程，在教學(xué)過程中，如何培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的計算思維是教育者比較關(guān)注的一個問題。本文分析了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)現(xiàn)狀，討論了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與計算思維的關(guān)系，并從案例設(shè)計、思維訓(xùn)練和教學(xué)模式改革三個方面詳細(xì)闡述了在該課程教學(xué)過程中所采取的具體措施。

[關(guān)鍵詞]計算思維 ?數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ?訓(xùn)練 混合式教學(xué)

基金項目：西安翻譯學(xué)院2017年教育科學(xué)改革研究項目（項目編號：J17A04）;陜西省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2017年年度課題（項目編號：SGH17H478）。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計算機學(xué)科知識體系中的核心，是計算機相關(guān)專業(yè)的一門重要的基礎(chǔ)課程，在整個課程體系中具有舉足輕重的地位。其理論與實踐并重，既具有抽象性，又具有動態(tài)性[1]。多年來，學(xué)生普遍反映該課程學(xué)習(xí)難度大。究其原因，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

首先，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程一般開設(shè)在第二或第三學(xué)期，學(xué)生沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)的背景，而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程知識點多且系統(tǒng)性較強，任何一個知識點的可視化測試背后都需要學(xué)生有編寫大量相關(guān)代碼的能力為支撐，這對于沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)背景，且先導(dǎo)課C語言程序設(shè)計掌握不熟練的學(xué)生來說，課程學(xué)習(xí)難度較大，容易使其產(chǎn)生畏難情緒，進(jìn)而喪失學(xué)習(xí)的興趣和自信心。

其次，以“教師為中心”的傳統(tǒng)課堂由教師“獨霸”教學(xué)舞臺，在“滿堂灌、一言堂”的教學(xué)過程中，學(xué)生機械記憶、理解課程理論知識和算法，然后將課堂所掌握的理論內(nèi)容，根據(jù)實驗大綱的要求，參照實驗步驟指導(dǎo)進(jìn)行上機驗證，這種大眾式的、標(biāo)準(zhǔn)化的教學(xué)模式忽略了學(xué)生的個體差異，導(dǎo)致有的學(xué)生“吃不飽”，有的學(xué)生“不夠吃”。久而久之，學(xué)生就會喪失學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的積極性。

再次，受課時限制，當(dāng)下大多數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)像壓縮餅干一樣去知識背景、去思維過程，直接明了地、平面地將知識灌輸給學(xué)生，粗暴地斷開了知識所指向的特定環(huán)境，讓學(xué)生很容易就陷入了淺層學(xué)習(xí)的泥潭，難以進(jìn)行深刻的、批評性的、創(chuàng)造性的思考，很多學(xué)生不知道學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的用處，極易造成學(xué)習(xí)的盲目性。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與計算思維

自卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)的周以真教授提出“計算思維”概念以來，國際國內(nèi)教育界就掀起了計算思維的研究熱潮[2]。計算思維作為人類三大思維科學(xué)之一，是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計及人類行為理解[3]，是信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)[4]。如同提升學(xué)生的計算思維能力是計算機教學(xué)的核心目標(biāo)之一一樣[5]。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計算機相關(guān)專業(yè)一門十分重要的核心課程，其核心內(nèi)容是抽象數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)操作。幾乎課程的每個知識單元都對應(yīng)著一種計算思維方法。課程教學(xué)的目標(biāo)不僅是要培養(yǎng)學(xué)生計算機基礎(chǔ)知識的應(yīng)用能力，更重要的是要提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，這也是計算思維的終極目標(biāo)。因此，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)是計算思維培養(yǎng)的重要載體，是一種重要的計算思維訓(xùn)練工具。以計算思維為導(dǎo)向進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革，將學(xué)生思維培養(yǎng)與專業(yè)能力訓(xùn)練相結(jié)合是當(dāng)前計算機教學(xué)改革的方向[6]。

基于計算思維能力培養(yǎng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)

如何在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，培養(yǎng)學(xué)生運用計算思維分析問題和解決問題的能力，就需要教師從宏觀角度重新審視教學(xué)目標(biāo)，以計算思維為主線組織課程教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)過程中改變教學(xué)環(huán)節(jié)，加大學(xué)生思維訓(xùn)練力度，順應(yīng)時代變遷，利用先進(jìn)的信息技術(shù)深化教學(xué)模式改革。

1.設(shè)計具有思考性的、趣味性的知識情境

以計算思維為導(dǎo)向進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)，需要教師為學(xué)生創(chuàng)造富有思考性的課堂環(huán)境。這就對教師提出了更高的要求，一方面教師需要深入社會實踐，對不同專業(yè)背景進(jìn)行調(diào)研，熟悉并掌握計算機應(yīng)用實例。另一方面教師需要認(rèn)真學(xué)習(xí)、研究計算思維和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容，提煉并展現(xiàn)知識背后的計算思維，精心設(shè)計知識情境，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實際情況進(jìn)行任務(wù)分析、分解，引導(dǎo)學(xué)生主動探索知識，從而使每個學(xué)生都能夠成為問題的思考者，使整個課堂變得富有思考性、趣味性。比如，線性表是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中的第一個抽象數(shù)據(jù)類型，針對這一知識點筆者設(shè)計了一個簡單的門診掛號系統(tǒng)，將學(xué)生分為幾個小組，每個小組圍繞以下幾個方面進(jìn)行討論：系統(tǒng)的研究對象、對象具有的屬性（號碼、姓名、性別、年齡、簡單癥狀描述等）、關(guān)系（以號碼為關(guān)鍵字形成線性表）、特點（除第一個和最后一個病人，每個病人都只有唯一的直接前驅(qū)和唯一的直接后繼）、可能的操作（插入、刪除）等內(nèi)容。通過實踐將線性表的相關(guān)知識點融入其中，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識的興趣，培養(yǎng)學(xué)生主動思考問題的習(xí)慣。

2.提高課堂實效，強化計算思維訓(xùn)練

思維隨著知識的貫通而形成，能力隨著思維的訓(xùn)練而提高。要想提升學(xué)生的計算思維能力，只具有思考性的知識情境還不夠，還需要進(jìn)行有效的計算思維訓(xùn)練。因此，筆者認(rèn)為應(yīng)該從多樣性的角度強化學(xué)生思維訓(xùn)練。多樣性包括知識情境的多樣性和算法的多樣性，知識情境的多樣性除了教師要精心設(shè)計知識情境外，強調(diào)的是學(xué)生要認(rèn)真觀察，發(fā)現(xiàn)生活中的類似案例，不斷進(jìn)行計算思維自主訓(xùn)練，算法的多樣性則強調(diào)對同一問題進(jìn)行多角度求解。例如，在進(jìn)行單鏈表的創(chuàng)建時，如果每次輸入的數(shù)據(jù)結(jié)點是有序的，則可以按照先來先入的原則建立單鏈表，即每次都在鏈表的尾部插入結(jié)點，這種單鏈表的建立方式稱為“尾插法”。根據(jù)結(jié)點插入位置的不同，讓學(xué)生從單鏈表的頭部插入結(jié)點，所不同的是形成的單鏈表是逆序的，即線性表中第一個元素位于單鏈表的最后一個結(jié)點中，最后一個元素位于單鏈表的第一個結(jié)點中，可以讓學(xué)生在單鏈表的頭部或尾部插入結(jié)點，還可以在鏈表中間插入結(jié)點。只是為了保證數(shù)據(jù)元素的有序性，需要在單鏈表中先找到元素的適當(dāng)位置，然后進(jìn)行元素的插入。因此，要啟發(fā)學(xué)生多角度思考問題，對同一問題采用不同方法進(jìn)行解決。除此之外，還要鼓勵學(xué)生改進(jìn)別人的算法，培養(yǎng)學(xué)生計算思維的多樣性和重構(gòu)性。

3.開展混合式教學(xué)，深化教學(xué)模式改革

在信息技術(shù)的推動下，將傳統(tǒng)的面對面講授式課堂與基于“碎片”化管理的微課相結(jié)合，重構(gòu)教學(xué)設(shè)計和教學(xué)活動，開展混合式教學(xué)能夠提高課堂效率，提升教學(xué)效果。目前，混合式已成為自“互聯(lián)網(wǎng)+教育”以來課堂教學(xué)改革的主流方向[7-8]。自2014年來，筆者及研究團(tuán)隊一直致力于開展混合式教學(xué)研究[9]，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中，錄制微課，制作數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程微信公眾教學(xué)平臺，基于微信朋友圈構(gòu)建學(xué)習(xí)共同體，把傳統(tǒng)課堂與翻轉(zhuǎn)課堂、“微課”相結(jié)合，按照課前、課中、課后分階段開展教學(xué)活動，并取得了一定的成績。實踐結(jié)果表明，開展混合式教學(xué)既能保留傳統(tǒng)教學(xué)附著于教師的隱性知識傳授，又能滿足學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)。適當(dāng)利用翻轉(zhuǎn)課堂能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，能夠引導(dǎo)學(xué)生對問題進(jìn)行多角度、重構(gòu)性思考。短小精煉的微課實現(xiàn)了零存整取的“碎片化”教學(xué)效果，能夠有效擴充學(xué)生的學(xué)習(xí)空間與時間，有利于學(xué)生對知識的記憶、理解、消化和吸收。

結(jié) ?語

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計算機專業(yè)的一門基礎(chǔ)課，同時也是進(jìn)行計算思維訓(xùn)練的重要工具之一。如何以計算思維為導(dǎo)向進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)，本文分別從案例設(shè)計、思維訓(xùn)練、混合教學(xué)三個方面進(jìn)行了探索。當(dāng)然，計算思維能力的培養(yǎng)不是一朝一夕的，僅通過一兩門課程的教學(xué)是不能完成的。因此，計算機專業(yè)教師應(yīng)從計算思維層面看待所授課程，注重培養(yǎng)學(xué)生計算思維訓(xùn)練的意識和行為，提高學(xué)生自主解決實際問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]邱勁、王平、徐展：《〈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)〉課程教學(xué)改革與實踐探索》，《西南師范大學(xué)學(xué)報》（自然科學(xué)版）2013年第1期。

[2]范文翔、張一春、李藝：《國內(nèi)外計算思維研究與發(fā)展綜述》，《遠(yuǎn)程教育雜志》2018年第2期，第3-15頁。

[3]李艷坤、高鐵剛：《基于思維視角的計算思維綜合解讀》，《現(xiàn)代教育技術(shù)》2017年第1期，第68-73頁。

[4]張立國、王國華：《計算思維：信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的核心議題》，《電化教育研究》2018年第5期，第115-121頁。

[5]龔靜、侯長林、張新婷：《計算思維能力發(fā)展模型與教學(xué)程序研究》，《現(xiàn)代教育技術(shù)》2018年第4期，第48-54頁。

[6]司明、厙向陽、李占力、李洪安：《突出計算思維訓(xùn)練的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)實踐》，《實驗室研究與探索》2018年第5期，第195-201頁。

[7]李逢慶、韓曉玲：《混合式教學(xué)質(zhì)量評價體系的構(gòu)建與實踐》，《中國電化教育》2017年第11期，第108-113頁。

[8]李逢慶：《混合式教學(xué)的理論基礎(chǔ)與教學(xué)設(shè)計》，《現(xiàn)代教育技術(shù)》2016年第9期，第18-24頁。

[9]孫亞紅：《基于微信平臺的〈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)〉課程教學(xué)實踐探索》，《微型電腦應(yīng)用》2018年第4期，第10-12頁。

作者單位：西安翻譯學(xué)院 ?陜西西安