虛擬化技術(shù)在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課堂設(shè)計中的應(yīng)用

程秀峰 羅小路 熊回香

摘要：為促進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)的有機(jī)融合，推動計算機(jī)類課程教學(xué)改革，文章以《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程為例，針對傳統(tǒng)課程教學(xué)中存在的不足，對該課程的授課形式、實驗內(nèi)容、考核方式等環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計與重構(gòu)，利用虛擬化技術(shù)構(gòu)建出《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》虛擬化實驗平臺，并將其應(yīng)用于實際教學(xué)實驗環(huán)節(jié)中。最后，基于該平臺的應(yīng)用效果，對該類型的遠(yuǎn)程實驗平臺為《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的教學(xué)改革帶來的積極影響進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);虛擬化技術(shù);教學(xué)改革;實踐教學(xué)

中圖分類號：G434;TP311.12-4? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1673-8454（2020）08-0090-04

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，虛擬化技術(shù)在各類教學(xué)活動中已得到廣泛應(yīng)用，各大高校紛紛改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，將虛擬化技術(shù)與課堂教學(xué)結(jié)合在一起?！稊?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》作為計算機(jī)、信息管理、電子商務(wù)等學(xué)科的基礎(chǔ)課程，在整個學(xué)科體系中處于重要位置，對學(xué)生了解計算機(jī)中的算法、邏輯起著關(guān)鍵作用。但由于某些計算機(jī)技術(shù)類課程對實驗環(huán)境要求較高、實踐部署對于學(xué)生來說難度較大，在實際教學(xué)過程中往往效果不理想。因此，如何利用虛擬化技術(shù)來對此類課程的實驗教學(xué)進(jìn)行改革，從而提升實驗教學(xué)質(zhì)量，是教師面臨和需要思考的問題。

一、概念簡介

1.《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程介紹

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》是普通高校計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的一門必修課程，主要討論現(xiàn)實世界中的數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、描述、組織及存儲的一門技術(shù)類課程。[1]它作為計算機(jī)類學(xué)科的基礎(chǔ)必修課，在整個信息類課程教學(xué)體系中處于重要位置。該課程不僅需要一定的程序設(shè)計基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)編譯程序、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以及其他系統(tǒng)程序和大型應(yīng)用程序的基礎(chǔ)。[2]該課程的教學(xué)大綱可分為數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)的運算三大板塊，其中，邏輯結(jié)構(gòu)包含線性結(jié)構(gòu)、樹、圖等內(nèi)容，存儲結(jié)構(gòu)包含順序、鏈接、索引和散列結(jié)構(gòu)等，運算包含元素的插入、刪除、查找以及排序等，這些都是重點考察的知識點。

2.虛擬化技術(shù)在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程中的應(yīng)用

虛擬化技術(shù)（Virtualization）是近年來流行的一種資源鏡像管理技術(shù)，它將計算實體資源如服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)存等予以抽象、轉(zhuǎn)換后呈現(xiàn)出來，打破了實體結(jié)構(gòu)間的不可切割的障礙。[3]同時，依托互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過構(gòu)建虛擬模型，將原本虛擬的事物具體化后進(jìn)行可視化展示。[4]利用虛擬化技術(shù)可以實現(xiàn)對計算機(jī)資源的重新組合或分區(qū)，為計算機(jī)提供多個運行環(huán)境，提高資源利用率和計算機(jī)的工作效率。[5]

目前，虛擬化技術(shù)已在許多高校的計算機(jī)類課程中推廣使用?！稊?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課堂中，教師可以利用其進(jìn)行動畫、視頻演示，也可以建立實驗設(shè)備，搭建虛擬實驗室，為學(xué)生提供一個高效便捷的實驗環(huán)境?？傊?，虛擬化技術(shù)所具備的可移植、易維護(hù)、直觀性強(qiáng)、低成本[6]等優(yōu)點，對于解決傳統(tǒng)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課堂教學(xué)中的眾多問題有很大幫助， 具有良好的應(yīng)用前景。

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

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》對理論和實踐的要求都比較高，許多高校在課程設(shè)計時將其拆分成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論與算法實現(xiàn)兩個部分進(jìn)行教學(xué)。理論部分主要由教師講解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)概念與原理，當(dāng)學(xué)生掌握一定理論知識以后，再安排學(xué)生上機(jī)操作實現(xiàn)算法。然而，由于上機(jī)條件的不一致性，在實際教學(xué)中還存在著以下幾個問題：

1.課程難度大，內(nèi)容抽象

課程的目的在于培養(yǎng)學(xué)生抽象思維能力，理解算法程序，為后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)，使其在實際工作中也能夠熟練操作系統(tǒng)。[7]課程要求學(xué)生在理解數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)以及基本運算的基礎(chǔ)上建立算法，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理，[8]然而該學(xué)科涉及到的知識點都十分抽象，并且算法難度較大，學(xué)生難以理解。

2.學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，學(xué)習(xí)積極性不高

課程一般開設(shè)在大學(xué)的第三學(xué)期，是以C語言程序設(shè)計的學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)。但程序語言課程開設(shè)時間較早，此時學(xué)生尚未形成完整的知識體系，又因為C語言概念復(fù)雜、規(guī)則繁多[9]，學(xué)生難以及時消化。并且，除程序語言類課程的學(xué)習(xí)外，該學(xué)科還要求學(xué)生掌握計算機(jī)原理、離散數(shù)學(xué)等相關(guān)知識。[10]加之其他課程的同時學(xué)習(xí)，為學(xué)生帶來負(fù)擔(dān)過重的困擾，在后期實踐時容易產(chǎn)生畏難情緒，失去學(xué)習(xí)興趣。

3.理論與實踐脫節(jié)

在實際課堂教學(xué)中，由于受到教學(xué)場地等條件的限制，很難實現(xiàn)理論教學(xué)到實踐教學(xué)的快速轉(zhuǎn)換，學(xué)生掌握的理論知識不能及時應(yīng)用到實踐上，很快就會遺忘，學(xué)習(xí)效果會大打折扣。

4.實驗內(nèi)容過于傳統(tǒng)，缺乏科學(xué)的考核機(jī)制

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗大多圍繞教材中提供的例子來展開，學(xué)生只需照搬書中代碼就可以完成任務(wù)，當(dāng)遇到稍有難度的問題時有些學(xué)生還會選擇逃避思考，抄襲他人答案來應(yīng)付教師布置的任務(wù)。久而久之，不僅學(xué)生的能力得不到提升，還會對教師了解學(xué)生學(xué)習(xí)的真實情況以及教學(xué)評定造成干擾。

5.授課形式不合理，教師與學(xué)生之間缺少有效溝通

傳統(tǒng)課堂上，大部分時間都是教師在講解知識，學(xué)生被動地接受[11]，即使是遇到疑難點時多數(shù)學(xué)生也不愿主動提問，逐漸就形成了一種“滿堂灌”的被動式教學(xué)。師生之間沒有交流，學(xué)生缺少解決問題的途徑，也就無法進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)。

三、虛擬實驗平臺設(shè)計方案

本研究以《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程為應(yīng)用背景，以解決傳統(tǒng)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課堂教學(xué)中的問題為目的，參考現(xiàn)有的一些研究成果，結(jié)合實際需求對系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計。

1.功能模塊設(shè)計（見圖1）

（1）管理員模塊

管理員的工作是對系統(tǒng)后臺進(jìn)行維護(hù)，協(xié)助教師展開實驗，因此管理員界面與其他用戶界面功能不同。在實驗課開始前，管理員需要向教師了解實驗班級的學(xué)生信息，然后通過管理頁面為上機(jī)的學(xué)生分配賬號和密碼，并在與教師溝通后為實驗設(shè)置合理的分值。實驗過程中，管理員需要解決出現(xiàn)的系統(tǒng)故障，以保證實驗順利進(jìn)行。

（2）教師模塊

教師不僅要負(fù)責(zé)講解理論知識、設(shè)計實驗內(nèi)容、為學(xué)生演示系統(tǒng)，還要領(lǐng)導(dǎo)學(xué)生參與實驗、在實驗過程中為學(xué)生解答疑惑，對實驗結(jié)果進(jìn)行打分。在實驗結(jié)束后，系統(tǒng)要向教師反饋學(xué)生的實驗行為數(shù)據(jù)，并對結(jié)果進(jìn)行分析，方便教師了解整體水平，找出表現(xiàn)突出的學(xué)生，為后續(xù)教學(xué)提供幫助。

（3）學(xué)生模塊

學(xué)生登錄系統(tǒng)前，應(yīng)使用管理員發(fā)放的賬號進(jìn)行身份認(rèn)證。進(jìn)入系統(tǒng)后，學(xué)生可以查看相關(guān)的課程介紹，然后根據(jù)教師的任務(wù)選擇相應(yīng)實驗，創(chuàng)建文件。在實驗過程中，系統(tǒng)應(yīng)為學(xué)生提供詳細(xì)的實驗步驟，并且支持學(xué)生查看提示信息、自動插入代碼、清除代碼、運行程序等操作。實驗結(jié)束后，學(xué)生可以自行查看實驗成績。

2.實驗內(nèi)容設(shè)計

該平臺中涉及的實驗遵循從易到難、循序漸進(jìn)的規(guī)律，[12]在實驗初期，先設(shè)置一些簡單的實驗，讓學(xué)生有一個適應(yīng)的過程，隨著教學(xué)進(jìn)度的深入，再慢慢提升實驗難度。采取這種方法有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在不同的學(xué)習(xí)階段都能夠順利完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)。結(jié)合難度逐漸提升的想法，實驗內(nèi)容上選取《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程中的單鏈表、棧、隊列、串、查找、排序等重要知識點，根據(jù)課時安排設(shè)計十六組實驗，表1所示為部分實驗列表。

3.考核方法制定

傳統(tǒng)的實驗考核標(biāo)準(zhǔn)僅僅局限于實驗是否成功，而忽視實驗過程，一味追求結(jié)果會導(dǎo)致最終評定過于片面，缺乏說服力。為方便學(xué)生進(jìn)行實驗，也是為教師評定提供依據(jù)，本系統(tǒng)設(shè)計“自動插入代碼”和“查看提示”兩種功能。當(dāng)學(xué)生在實驗過程中遇到答案不確定或者無法獨立完成代碼的情況時，可以通過查看提示繼續(xù)實驗，這樣做既能適當(dāng)減少實驗的難度，保證學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)完成實驗，同時也可以減少教師的工作量。而且為保證實驗難度，兩種幫助的使用次數(shù)均有一定限制。

實驗結(jié)束時，“自動插入代碼”和“查看提示”的剩余次數(shù)就能很好地反映出學(xué)生的學(xué)習(xí)情況：剩余次數(shù)多說明學(xué)生能夠獨立完成實驗，知識掌握程度更高，學(xué)習(xí)能力更強(qiáng)，反之，則說明學(xué)生還缺乏獨立思考的能力，表現(xiàn)不夠優(yōu)異。再結(jié)合“實驗成功與否”以及“完成實驗的總時長”兩個指標(biāo)，就能夠較為客觀地評價學(xué)生學(xué)習(xí)的真實情況。

四、系統(tǒng)的實現(xiàn)與實踐

1.系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用簡單的B/S架構(gòu)，利用HTML、CSS、Java等語言進(jìn)行開發(fā)，整個實驗平臺分為數(shù)據(jù)庫、后臺服務(wù)器以及應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)。其中，應(yīng)用層采用HTML語言呈現(xiàn)實驗及相關(guān)內(nèi)容，CSS用于內(nèi)容的排版，AJAX實現(xiàn)頁面的更新，JS則用于支持界面交互等操作。實驗界面截圖如圖2。

本虛擬實驗平臺主體框架如圖3所示。后臺服務(wù)器采用Tomcat服務(wù)器和Docker鏡像，用于處理前臺發(fā)出的請求以及虛擬環(huán)境的部署。當(dāng)后臺服務(wù)器接收到前端發(fā)送的請求時，就會連接Docker控制程序，啟動Docker，然后調(diào)用g++ 編譯器運行相關(guān)程序，并返回運行結(jié)果。不同于傳統(tǒng)的虛擬化技術(shù)，Docker是一種通過封裝軟件運行環(huán)境，以達(dá)到創(chuàng)建、發(fā)布和運行應(yīng)用目的的虛擬化平臺，它具有“一次封裝、到處運行”的優(yōu)點。[13]選擇該技術(shù)作為實驗平臺的技術(shù)支撐，在一定程度上可以簡化系統(tǒng)配置，降低系統(tǒng)開發(fā)的難度。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫則采用現(xiàn)在最為流行的MYSQL，主要用來存放實驗數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的反饋。

2.應(yīng)用案例

實驗平臺首次應(yīng)用以第一組實驗“單鏈表中增加刪除節(jié)點”為例，實驗過程分為準(zhǔn)備、實驗、總結(jié)三個階段。在整個實驗過程中教師與管理員、學(xué)生都有密切交流，角色分工和主要流程如圖4。

準(zhǔn)備階段，教師講解相關(guān)理論知識，并提供實驗平臺鏈接。隨后，系統(tǒng)管理員向?qū)W生分發(fā)賬戶與密碼，學(xué)生登錄該平臺。實驗前教師告知實驗中的注意事項，并布置實驗任務(wù)，組織學(xué)生討論，然后開始實驗。

實驗階段，學(xué)生根據(jù)要求補充完善兩個程序文件，實現(xiàn)在一個鏈表中的指定位置插入一個節(jié)點，并以可視化的方法將插入前、后的效果展示出來。教師在實驗過程中對學(xué)生遇到的問題進(jìn)行解答。

總結(jié)階段，教師通過平臺查看學(xué)生的實驗行為數(shù)據(jù)，展示得分情況，評選出表現(xiàn)優(yōu)異的學(xué)生，對其進(jìn)行獎勵，并安排學(xué)生進(jìn)行經(jīng)驗交流。

五、系統(tǒng)評價與討論

實驗結(jié)束后，組織學(xué)生進(jìn)行滿意度調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示：大部分學(xué)生認(rèn)為該平臺使用流暢，實驗設(shè)置合理，基本滿足《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》實驗課程的教學(xué)要求，研究成果獲到了用戶的一致認(rèn)可。為方便今后研究者在該領(lǐng)域繼續(xù)深入，我們對此次實驗平臺的開發(fā)與實踐經(jīng)驗進(jìn)行總結(jié)，思考其對該課程教學(xué)改革帶來的積極影響。

1.平臺提供免費的學(xué)習(xí)機(jī)會，鼓勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)

教師提供《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的理論知識、教學(xué)視頻、課件、實驗源代碼等學(xué)習(xí)資料，當(dāng)學(xué)生在課上不能當(dāng)堂消化教師講解的知識點時，課后可以自行查找相關(guān)資料繼續(xù)學(xué)習(xí)，以彌補基礎(chǔ)知識的不足。同時，虛擬實驗環(huán)境不受時間地點限制的特點，使學(xué)生可以隨時隨地登錄實驗平臺，通過多次練習(xí)不斷強(qiáng)化記憶。

2.教學(xué)模式發(fā)生轉(zhuǎn)變，師生交流的機(jī)會增多，學(xué)生思考和動手能力得到鍛煉

在實驗課堂上，教學(xué)重心從教師轉(zhuǎn)向?qū)W生，由學(xué)生來完成實驗、提出疑惑和解決方案，教師只是發(fā)揮引導(dǎo)的作用，在學(xué)生遇到困惑時予以適當(dāng)?shù)膸椭?。這對培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、解決問題的能力有很大幫助。

3.設(shè)立嚴(yán)格考核機(jī)制，對實驗進(jìn)行全程監(jiān)控，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

與傳統(tǒng)考核方式相比，利用實驗平臺記錄學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行打分，能夠讓學(xué)生更直觀地了解自己的學(xué)習(xí)狀況，明白自身能力與目標(biāo)之間的差距，在今后學(xué)習(xí)過程中就會更有針對性，學(xué)習(xí)興趣也會有所提高。通過數(shù)據(jù)反饋還能讓教師及時了解班級整體的學(xué)習(xí)情況，辨別出表現(xiàn)突出的學(xué)生。

4.突破了經(jīng)濟(jì)條件的限制，使理論與實踐、“做”與“學(xué)”相互融合成為現(xiàn)實

虛擬化技術(shù)的應(yīng)用，為無法負(fù)擔(dān)實驗室高額的開發(fā)和維護(hù)費用提供了一條可行路徑，在虛擬實驗環(huán)境中，學(xué)生依然可以體驗系統(tǒng)操作、界面轉(zhuǎn)換、用戶交互等功能，有效解決了傳統(tǒng)課程教學(xué)中理論和實踐脫節(jié)的問題，促進(jìn)了“做”與“學(xué)”的融合。

六、總結(jié)

從本次教學(xué)實踐的結(jié)果來看，利用虛擬化技術(shù)的確有助于解決《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)中的一些問題，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉邏輯思維和動手能力，實現(xiàn)培養(yǎng)復(fù)合型應(yīng)用型人才[14]的目標(biāo)。但是通過此次實踐，也暴露出該平臺的一些不足，例如實驗時長的設(shè)計不夠人性化、無法同時容納大規(guī)模數(shù)量的用戶、實驗驗證環(huán)節(jié)過于死板等，今后針對這些問題還需繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計，逐步完善平臺建設(shè)，以期促進(jìn)虛擬化技術(shù)與課堂教學(xué)的深度融合，進(jìn)一步推動《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)改革。

參考文獻(xiàn)：

[1]Gregory Goth.Turning data into knowledge[J]. Communications on the ACM，2010，53（11）：13-15.

[2]嚴(yán)蔚敏，李冬梅，吳偉民.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（C語言版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012：4.

[3]劉霞，祝艷茹，郝麗麗.虛擬技術(shù)在高校計算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用探討[J].南方農(nóng)機(jī)，2018，49（21）：139+144.

[4]郭香柏.虛擬技術(shù)在計算機(jī)組裝與維護(hù)中的應(yīng)用[J].計算機(jī)產(chǎn)品與流通，2019（10）：13.

[5]余孝奎，吳金堂.探究計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全教學(xué)中虛擬技術(shù)的應(yīng)用[J].教育信息化論壇，2019（7）：78-79.

[6]劉世榮.虛擬技術(shù)在高職計算機(jī)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].中外企業(yè)家，2019（28）：131-132.

[7]張銘，許卓群，楊冬青等.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的知識體系和教學(xué)實踐[J].計算機(jī)教育，2004（Z1）：89-91.

[8]紀(jì)穎，周欣，劉彥君.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)改革探討[J].黑龍江教育學(xué)院學(xué)報，2010，29（5）：55-56.

[9]石曼銀.基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革[J].寧德師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，25（3）：327-329.

[10]葛云生.《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)改革與探索[J].高教論壇，2010（1）：75-77.

[11]劉波.“算法設(shè)計與分析”教學(xué)探討[J].高等理科教育，2007（4）：78-80.

[12]郭天嬌.《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》實驗課程教學(xué)改革的研究與探討[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2019，18（17）：178-179.

[13]金琦.初識DOCKER容器技術(shù)[J].中國信息技術(shù)教育，2019（Z3）：105-109.

[14]牛秋月，唐國良.應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)下《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)方法探討[J].現(xiàn)代計算機(jī)（專業(yè)版），2017（28）：38-40.

（編輯：魯利瑞）