數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)

黃梅 薄志國(guó)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)依據(jù)

數(shù)據(jù)是計(jì)算機(jī)加工的基本對(duì)象，伴隨技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)可處理的數(shù)據(jù)類型越來(lái)越多。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是存在特定關(guān)系的數(shù)據(jù)元素的集合，其與算法緊密關(guān)聯(lián)，讓各種算法能夠有效地通過程序?qū)崿F(xiàn)。

本案例內(nèi)容出自教育科學(xué)出版社出版的《信息技術(shù)必修1：數(shù)據(jù)與計(jì)算》第3單元“認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)”第2節(jié)，學(xué)生第一次接觸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這是培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)現(xiàn)實(shí)問題選擇并使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能力的開始。書中通過一系列的任務(wù)逐步分析隊(duì)列、樹、圖等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，促使學(xué)生循序漸進(jìn)地了解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。通過本案例的學(xué)習(xí)，學(xué)生能對(duì)簡(jiǎn)單的問題進(jìn)行分析，選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并用Python語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，在問題解決過程中對(duì)數(shù)據(jù)抽象、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的思想與方法有初步認(rèn)識(shí)。

項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)

學(xué)生通過前面兩個(gè)單元的學(xué)習(xí)，對(duì)數(shù)據(jù)及計(jì)算有了初步的了解，知道了簡(jiǎn)單的編程計(jì)算的方法，但對(duì)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系從未進(jìn)行過深入了解，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更是未知，所以本項(xiàng)目的教學(xué)目標(biāo)設(shè)定如下：①比較已有的數(shù)據(jù)分類的知識(shí)，理解數(shù)據(jù)類型的概念及常用種類。②能夠?qū)⒂邢拗茥l件的、復(fù)雜生活情境中的關(guān)系進(jìn)行抽象，用適合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達(dá)數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系。③結(jié)合生活實(shí)際，認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在解決問題過程中的重要性，學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)并合理利用身邊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)解決實(shí)際問題。

項(xiàng)目概述及實(shí)施流程

本項(xiàng)目從解決實(shí)際問題出發(fā)，以“包裹的旅行”項(xiàng)目進(jìn)行研究，通過“購(gòu)物體驗(yàn)”“訂單管理”“物流運(yùn)輸”“智取包裹”四個(gè)環(huán)節(jié)，依次剖析數(shù)據(jù)的類型以及隊(duì)列、樹、圖等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，預(yù)設(shè)2課時(shí)完成。通過分析生活中的實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生的抽象建模能力，進(jìn)而提高其運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問題的能力。上頁(yè)圖1為項(xiàng)目探究流程圖。

項(xiàng)目教學(xué)過程

1.項(xiàng)目引入

知識(shí)技能：聯(lián)系生活，結(jié)合實(shí)際，獲取有效信息。

活動(dòng)形式：學(xué)生討論、代表發(fā)言、教師引導(dǎo)。

問題：在全國(guó)人民抗擊新冠疫情的時(shí)候，很多人的生活必備品都是通過網(wǎng)絡(luò)購(gòu)買的。老師今天要跟同學(xué)們一起探討的問題是，通過網(wǎng)絡(luò)購(gòu)買的包裹是如何來(lái)到我們身邊的？

設(shè)計(jì)意圖：疫情發(fā)生后，互聯(lián)網(wǎng)成為全社會(huì)抗擊疫情的“神助攻”，各大電商為保障抗疫前線物資供應(yīng)和居民生活物資供應(yīng)提供了重要的后勤支持。本課選用和生活息息相關(guān)的問題，以一個(gè)“包裹的旅行”來(lái)了解網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物的流程并探討網(wǎng)絡(luò)背后的秘密。

2.項(xiàng)目分析

活動(dòng)熱身：分工協(xié)作，討論項(xiàng)目完成的各個(gè)環(huán)節(jié)。每4～5位學(xué)生為一組，選出一位組長(zhǎng)，由組長(zhǎng)統(tǒng)籌整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施，并填寫相關(guān)表格。

設(shè)計(jì)意圖：分組協(xié)作，組織討論實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物的流程，提前對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的過程有個(gè)概括的認(rèn)識(shí)。

教學(xué)建議：這部分內(nèi)容可以提前以課前導(dǎo)學(xué)單的形式發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生提前思考有所準(zhǔn)備，然后課上通過數(shù)字化工具在線上交流完成。

3.項(xiàng)目實(shí)施

環(huán)節(jié)一：購(gòu)物體驗(yàn)——認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)類型

知識(shí)技能：數(shù)據(jù)類型的概念;通過分析實(shí)際案例中各種類型的數(shù)據(jù)，掌握常用的數(shù)據(jù)類型及其特點(diǎn)。

活動(dòng)1：購(gòu)物體驗(yàn)。此部分內(nèi)容可以提前讓學(xué)生在家里和家長(zhǎng)一起體驗(yàn)網(wǎng)上購(gòu)物的過程，然后在活動(dòng)熱身時(shí)和大家一起討論分享。

活動(dòng)2：閱讀材料并且填寫表格。①自主閱讀相關(guān)知識(shí)第57頁(yè)部分材料，根據(jù)需要有選擇地閱讀教師提供的自主學(xué)習(xí)材料。②思考：訂單中有哪些數(shù)據(jù)？有什么特點(diǎn)？③填寫表1。

設(shè)計(jì)意圖：瀏覽購(gòu)物訂單中的數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行知識(shí)遷移，分析各種數(shù)據(jù)類型的特點(diǎn)，并且能夠根據(jù)實(shí)際的需要為數(shù)據(jù)抽象出適合的數(shù)據(jù)類型。

環(huán)節(jié)二：訂單管理——初識(shí)線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之隊(duì)列

知識(shí)技能：隊(duì)列結(jié)構(gòu)的概念及特點(diǎn)。

活動(dòng)3：訂單管理功能分析。①小組討論賣家對(duì)清單有幾種操作？②生活中，賣家是怎樣合理安排發(fā)貨的？（引出FIFO先進(jìn)先出——隊(duì)列的特性）③完成隊(duì)列資料的學(xué)習(xí)，對(duì)應(yīng)清單操作與隊(duì)列命令，填寫相關(guān)表格。

活動(dòng)4：訂單管理的編程實(shí)現(xiàn)。閱讀教師提供的半成品程序，同時(shí)完善部分代碼。

設(shè)計(jì)意圖：通過對(duì)訂單如何排單、發(fā)貨等實(shí)際問題的思考，得出規(guī)律，所有訂單排列在一起，像是一群人在排隊(duì)，先下單的先安排發(fā)貨。讓學(xué)生自己總結(jié)出線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)隊(duì)列的特點(diǎn)，用Python程序?qū)崿F(xiàn)自己的想法，體驗(yàn)自動(dòng)化訂單管理的便利性。考慮到并不是所有學(xué)生的認(rèn)知水平都一樣，所以對(duì)于編程有困難的學(xué)生，可以借助流程圖的形式加深理解，實(shí)現(xiàn)分層教學(xué)。

環(huán)節(jié)三：物流運(yùn)輸——認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之樹

知識(shí)技能：理解非線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)樹的基本概念及應(yīng)用。

活動(dòng)5：分析包裹運(yùn)輸路線。①小組討論包裹發(fā)貨后的運(yùn)輸形式和路線？②根據(jù)下頁(yè)表2提供的物流詳情，用最簡(jiǎn)單易懂的方法畫出A、B快遞運(yùn)輸路線？③閱讀自主學(xué)習(xí)材料，總結(jié)樹結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及生活中的應(yīng)用。

設(shè)計(jì)意圖：通過觀察表2中兩個(gè)物流詳情，總結(jié)出包裹運(yùn)輸?shù)穆肪€，通過分析抽象出其邏輯關(guān)系，在腦海中建立樹結(jié)構(gòu)的模型。先體驗(yàn)，再由教師引導(dǎo)總結(jié)擴(kuò)展，有助于學(xué)生思維能力的提升。

環(huán)節(jié)四：智取包裹——認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

知識(shí)技能：理解非線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖的基本概念及應(yīng)用。

活動(dòng)6：規(guī)劃取包裹最快路線。①根據(jù)教師提供的相關(guān)視頻，討論：快遞最后一公里問題？②根據(jù)圖2給出的信息，規(guī)劃取包裹的最快路線。③設(shè)計(jì)算法解決問題，并在教材第63頁(yè)的方框中描述你的算法。

設(shè)計(jì)意圖：通過對(duì)取包裹路線的分析，抽象出點(diǎn)、線、面的關(guān)系，并建立圖的模型。根據(jù)活動(dòng)中“規(guī)劃取快遞最快路線”這個(gè)任務(wù)，進(jìn)一步鍛煉學(xué)生抽象建模的能力，有意導(dǎo)向?qū)W生將復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化的思維方式，使其在設(shè)計(jì)算法時(shí)能夠?qū)D的問題簡(jiǎn)化成樹的問題，從而算出最快路線。提醒學(xué)生在生活中有很多事情也可以做規(guī)劃，從而將現(xiàn)實(shí)中的復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化處理。這部分也是促進(jìn)算法思維能力提升的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。

活動(dòng)7：程序體驗(yàn)。運(yùn)行教材第64頁(yè)求解最短用時(shí)參考程序（略）。

設(shè)計(jì)意圖：圖結(jié)構(gòu)的知識(shí)相對(duì)抽象，學(xué)生不容易理解，容易喪失學(xué)習(xí)興趣。適當(dāng)給學(xué)生體驗(yàn)程序的機(jī)會(huì)，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步探索知識(shí)的興趣。

4.項(xiàng)目展示

設(shè)計(jì)意圖：一個(gè)完整的項(xiàng)目教學(xué)最重要的環(huán)節(jié)就是給學(xué)生提供展示的平臺(tái)。學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施的過程中會(huì)遇到很多疑問，也會(huì)有很多收獲，在一次次思想的碰撞中，學(xué)生的項(xiàng)目反復(fù)迭代，才能越做越好。

5.項(xiàng)目總結(jié)與拓展

設(shè)計(jì)意圖：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這個(gè)概念并不是在計(jì)算機(jī)誕生之初就有，它是伴隨著程序設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，旨在彌合計(jì)算機(jī)硬件的簡(jiǎn)單性和程序應(yīng)用的復(fù)雜性之間的鴻溝，逐步形成和發(fā)展起來(lái)的。通過總結(jié)和拓展活動(dòng)能讓學(xué)生意識(shí)到，通過采用不同的數(shù)據(jù)組織方式可以提高計(jì)算的效率，而且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在生活中無(wú)處不在。

設(shè)計(jì)后感

每次精心設(shè)計(jì)一節(jié)課，都會(huì)對(duì)課標(biāo)有新的領(lǐng)悟，對(duì)教材有新的認(rèn)識(shí)。第3單元認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)這部分內(nèi)容比較抽象，特別是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，學(xué)生從來(lái)沒有接觸過，要在兩三個(gè)課時(shí)內(nèi)讓學(xué)生理解，很有難度。本節(jié)課融合了書中給出的實(shí)例，整合成“包裹的旅行”這個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，希望學(xué)生在整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施過程中，能理解項(xiàng)目設(shè)計(jì)背后的關(guān)于數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的秘密。

教學(xué)設(shè)計(jì)從最初的想法，到最后的定型，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過程，在一次次磨礪中主線逐漸清晰，設(shè)計(jì)的過程也是一次項(xiàng)目實(shí)施的過程，只有不斷的迭代，才能找到最優(yōu)解，形成相對(duì)完善的設(shè)計(jì)。