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

[摘 ?要]數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)核心課程，在教學(xué)過(guò)程中，如何培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的計(jì)算思維是教育者比較關(guān)注的一個(gè)問(wèn)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(jì)算思維的關(guān)系，并從案例設(shè)計(jì)、思維訓(xùn)練和教學(xué)模式改革三個(gè)方面詳細(xì)闡述了在該課程教學(xué)過(guò)程中所采取的具體措施。

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

基金項(xiàng)目：西安翻譯學(xué)院2017年教育科學(xué)改革研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：J17A04）;陜西省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2017年年度課題（項(xiàng)目編號(hào)：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(jì)算機(jī)學(xué)科知識(shí)體系中的核心，是計(jì)算機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的基礎(chǔ)課程，在整個(gè)課程體系中具有舉足輕重的地位。其理論與實(shí)踐并重，既具有抽象性，又具有動(dòng)態(tài)性[1]。多年來(lái)，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(gè)方面。

首先，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程一般開(kāi)設(shè)在第二或第三學(xué)期，學(xué)生沒(méi)有系統(tǒng)學(xué)習(xí)的背景，而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程知識(shí)點(diǎn)多且系統(tǒng)性較強(qiáng)，任何一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的可視化測(cè)試背后都需要學(xué)生有編寫(xiě)大量相關(guān)代碼的能力為支撐，這對(duì)于沒(méi)有系統(tǒng)學(xué)習(xí)背景，且先導(dǎo)課C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)掌握不熟練的學(xué)生來(lái)說(shuō)，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(dú)霸”教學(xué)舞臺(tái)，在“滿(mǎn)堂灌、一言堂”的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生機(jī)械記憶、理解課程理論知識(shí)和算法，然后將課堂所掌握的理論內(nèi)容，根據(jù)實(shí)驗(yàn)大綱的要求，參照實(shí)驗(yàn)步驟指導(dǎo)進(jìn)行上機(jī)驗(yàn)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(gè)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(huì)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(shí)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(shí)背景、去思維過(guò)程，直接明了地、平面地將知識(shí)灌輸給學(xué)生，粗暴地?cái)嚅_(kāi)了知識(shí)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(píng)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(jì)算思維

自卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)的周以真教授提出“計(jì)算思維”概念以來(lái)，國(guó)際國(guó)內(nèi)教育界就掀起了計(jì)算思維的研究熱潮[2]。計(jì)算思維作為人類(lèi)三大思維科學(xué)之一，是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及人類(lèi)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(jì)算思維能力是計(jì)算機(jī)教學(xué)的核心目標(biāo)之一一樣[5]。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)一門(mén)十分重要的核心課程，其核心內(nèi)容是抽象數(shù)據(jù)類(lèi)型、數(shù)據(jù)操作。幾乎課程的每個(gè)知識(shí)單元都對(duì)應(yīng)著一種計(jì)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(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用能力，更重要的是要提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，這也是計(jì)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(jì)算思維培養(yǎng)的重要載體，是一種重要的計(jì)算思維訓(xùn)練工具。以計(jì)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(zhuān)業(yè)能力訓(xùn)練相結(jié)合是當(dāng)前計(jì)算機(jī)教學(xué)改革的方向[6]。

基于計(jì)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(jì)算思維，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維分析問(wèn)題和解決問(wèn)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(jì)算思維為主線(xiàn)組織課程教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)過(guò)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(shí)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(jì)具有思考性的、趣味性的知識(shí)情境

以計(jì)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(duì)教師提出了更高的要求，一方面教師需要深入社會(huì)實(shí)踐，對(duì)不同專(zhuān)業(yè)背景進(jìn)行調(diào)研，熟悉并掌握計(jì)算機(jī)應(yīng)用實(shí)例。另一方面教師需要認(rèn)真學(xué)習(xí)、研究計(jì)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(shí)背后的計(jì)算思維，精心設(shè)計(jì)知識(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行任務(wù)分析、分解，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探索知識(shí)，從而使每個(gè)學(xué)生都能夠成為問(wèn)題的思考者，使整個(gè)課堂變得富有思考性、趣味性。比如，線(xiàn)性表是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中的第一個(gè)抽象數(shù)據(jù)類(lèi)型，針對(duì)這一知識(shí)點(diǎn)筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的門(mén)診掛號(hào)系統(tǒng)，將學(xué)生分為幾個(gè)小組，每個(gè)小組圍繞以下幾個(gè)方面進(jìn)行討論：系統(tǒng)的研究對(duì)象、對(duì)象具有的屬性（號(hào)碼、姓名、性別、年齡、簡(jiǎn)單癥狀描述等）、關(guān)系（以號(hào)碼為關(guān)鍵字形成線(xiàn)性表）、特點(diǎn)（除第一個(gè)和最后一個(gè)病人，每個(gè)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(guò)實(shí)踐將線(xiàn)性表的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)融入其中，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)思考問(wèn)題的習(xí)慣。

2.提高課堂實(shí)效，強(qiáng)化計(jì)算思維訓(xùn)練

思維隨著知識(shí)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(jì)算思維能力，只具有思考性的知識(shí)情境還不夠，還需要進(jìn)行有效的計(jì)算思維訓(xùn)練。因此，筆者認(rèn)為應(yīng)該從多樣性的角度強(qiáng)化學(xué)生思維訓(xùn)練。多樣性包括知識(shí)情境的多樣性和算法的多樣性，知識(shí)情境的多樣性除了教師要精心設(shè)計(jì)知識(shí)情境外，強(qiáng)調(diào)的是學(xué)生要認(rèn)真觀察，發(fā)現(xiàn)生活中的類(lèi)似案例，不斷進(jìn)行計(jì)算思維自主訓(xùn)練，算法的多樣性則強(qiáng)調(diào)對(duì)同一問(wèn)題進(jìn)行多角度求解。例如，在進(jìn)行單鏈表的創(chuàng)建時(shí)，如果每次輸入的數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)是有序的，則可以按照先來(lái)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(diǎn)，這種單鏈表的建立方式稱(chēng)為“尾插法”。根據(jù)結(jié)點(diǎn)插入位置的不同，讓學(xué)生從單鏈表的頭部插入結(jié)點(diǎn)，所不同的是形成的單鏈表是逆序的，即線(xiàn)性表中第一個(gè)元素位于單鏈表的最后一個(gè)結(jié)點(diǎn)中，最后一個(gè)元素位于單鏈表的第一個(gè)結(jié)點(diǎn)中，可以讓學(xué)生在單鏈表的頭部或尾部插入結(jié)點(diǎn)，還可以在鏈表中間插入結(jié)點(diǎn)。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(wèn)題，對(duì)同一問(wèn)題采用不同方法進(jìn)行解決。除此之外，還要鼓勵(lì)學(xué)生改進(jìn)別人的算法，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的多樣性和重構(gòu)性。

3.開(kāi)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(dòng)下，將傳統(tǒng)的面對(duì)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(jì)和教學(xué)活動(dòng)，開(kāi)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(lái)課堂教學(xué)改革的主流方向[7-8]。自2014年來(lái)，筆者及研究團(tuán)隊(duì)一直致力于開(kāi)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(tái)，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(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，并取得了一定的成績(jī)。實(shí)踐結(jié)果表明，開(kāi)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(shí)傳授，又能滿(mǎn)足學(xué)生的個(gè)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(duì)問(wèn)題進(jìn)行多角度、重構(gòu)性思考。短小精煉的微課實(shí)現(xiàn)了零存整取的“碎片化”教學(xué)效果，能夠有效擴(kuò)充學(xué)生的學(xué)習(xí)空間與時(shí)間，有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的記憶、理解、消化和吸收。

結(jié) ?語(yǔ)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)基礎(chǔ)課，同時(shí)也是進(jìn)行計(jì)算思維訓(xùn)練的重要工具之一。如何以計(jì)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(jì)、思維訓(xùn)練、混合教學(xué)三個(gè)方面進(jìn)行了探索。當(dāng)然，計(jì)算思維能力的培養(yǎng)不是一朝一夕的，僅通過(guò)一兩門(mén)課程的教學(xué)是不能完成的。因此，計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)教師應(yīng)從計(jì)算思維層面看待所授課程，注重培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維訓(xùn)練的意識(shí)和行為，提高學(xué)生自主解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)：

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

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

作者單位：西安翻譯學(xué)院 ?陜西西安