理解結(jié)構(gòu)概念，認(rèn)識結(jié)構(gòu)作用

主持人

李維明，教育部普通高中信息技術(shù)課標(biāo)修訂組核心成員，正高級教師（教授）

主持人語：自2019年9月采用新課標(biāo)新教材開展教學(xué)以來，北京、天津、山東、海南、遼寧等5個(gè)省（市）大多完成了必修模塊的教學(xué)，部分省（市）還進(jìn)行了學(xué)業(yè)水平合格考試，取得了良好的成效。今年，教育部又組織專家對課標(biāo)進(jìn)行了修訂，頒布了最新版的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020修訂）》，更加明晰了學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵和內(nèi)容模塊的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了教學(xué)應(yīng)用的方向感。當(dāng)下，新課標(biāo)新教材的教學(xué)實(shí)踐已經(jīng)進(jìn)入到選擇性必修模塊教學(xué)的新階段，怎么選擇、怎么教學(xué)是必須面臨的重要問題。為配合即將到來的選擇性必修課程的教學(xué)，本期繼續(xù)進(jìn)行“普通高中信息技術(shù)新課程實(shí)施”之選擇性必修模塊的教學(xué)等系列專題的研討，以饗讀者。同時(shí)，也希望廣大信息技術(shù)教師、教研人員積極參與，獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策，共同促進(jìn)學(xué)科新課標(biāo)新課程的順利實(shí)施、健康發(fā)展。歡迎大家不吝賜稿（358211798@qq.com）。

普通高中信息技術(shù)新課標(biāo)實(shí)施之教學(xué)專題四

數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的教學(xué)——測評

在明確了數(shù)據(jù)的內(nèi)涵與外延、理解了數(shù)據(jù)的價(jià)值與作用之后，對數(shù)據(jù)間存在的某些特定的關(guān)系需要進(jìn)行必要的研究，也就是對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，以提高數(shù)據(jù)存儲效率及運(yùn)算效率。

理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)存儲、組織數(shù)據(jù)的方式，是相互之間存在一種或多種特定關(guān)系的數(shù)據(jù)元素的集合。它主要涉及數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)及運(yùn)算三個(gè)方面。

數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu);數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)是指反映數(shù)據(jù)元素之間的邏輯關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中的邏輯關(guān)系是指數(shù)據(jù)元素之間的前后間關(guān)系，而與它們在計(jì)算機(jī)中的存儲位置無關(guān)。邏輯結(jié)構(gòu)包括集合、線性結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)、圖形結(jié)構(gòu)等。

數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)存儲空間中的存放形式稱為數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)（也稱為存儲結(jié)構(gòu)）。一般來說，一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu)根據(jù)需要可以表示成多種存儲結(jié)構(gòu)，常用的存儲結(jié)構(gòu)有順序存儲、鏈?zhǔn)酱鎯?、索引存儲等?/p>

運(yùn)算：算法研究的目的是更有效地處理數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)運(yùn)算效率。數(shù)據(jù)的運(yùn)算是定義在數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)上的，但運(yùn)算的具體實(shí)現(xiàn)要在存儲結(jié)構(gòu)上進(jìn)行。運(yùn)算一般有檢索、插入、刪除、更新、排序等幾種常用運(yùn)算。

數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)是多樣的，也有不少是復(fù)雜的，選擇性必修課程不可能全面開花，而只能了解這些基本的概念及簡單的結(jié)構(gòu)，更多的內(nèi)容可以在高校學(xué)習(xí)中去了解。

認(rèn)識數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的作用

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在解決問題的過程中有著重要的作用，要設(shè)計(jì)出一個(gè)結(jié)構(gòu)好效率高的程序，必須研究數(shù)據(jù)的特性及數(shù)據(jù)間的相互關(guān)系及其對應(yīng)的存儲表示，并利用這些特性和關(guān)系設(shè)計(jì)出相應(yīng)的算法和程序，精心選擇的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)則可以帶來最優(yōu)效率的算法。

在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同，對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的方法就會不同，相應(yīng)的運(yùn)算方法也就不同。例如，要在順序存儲結(jié)構(gòu)的一組數(shù)據(jù)中插入一個(gè)新數(shù)據(jù)，操作時(shí)就需要將此插入點(diǎn)后的所有數(shù)據(jù)都往后移動一個(gè)位置，以空出一個(gè)位置來存放新數(shù)據(jù)，其操作效率低;而如果采用鏈?zhǔn)酱鎯Φ慕Y(jié)構(gòu)，則只需要把插入點(diǎn)之前的地址指向新數(shù)據(jù)，把新數(shù)據(jù)的地址指向原插入點(diǎn)之后的數(shù)據(jù)即可，其操作極為簡便，效率明顯提高。形象地說，順序存儲結(jié)構(gòu)就像銀行里的排隊(duì)辦事，人們一個(gè)挨著一個(gè)地在窗口排隊(duì)，“夾塞”就會影響整個(gè)隊(duì)列;而鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)就像銀行里的叫號辦事，人們?nèi)×颂柹⒆诓煌奈恢?，工作人員依次叫號，被叫到號才去窗口辦理，這樣既保證了辦事的秩序，又免去了站立排隊(duì)的辛苦，因而被廣泛采用。

在信息系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇更是一個(gè)基本的設(shè)計(jì)考慮因素。特別是大型的復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)，其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的困難程度和系統(tǒng)構(gòu)造的質(zhì)量都嚴(yán)重地依賴于是否選擇了最優(yōu)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。由此可見，無論是簡單生活事務(wù)的應(yīng)用，還是復(fù)雜信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇都是必須考慮的重要因素，其作用不可小覷。

教學(xué)建議

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的教學(xué)應(yīng)當(dāng)注意兩點(diǎn)，即適度、得法。適度就是要求在教學(xué)中對概念的要求深淺適度，對操作的要求要難易適度;得法就是根據(jù)不同的教學(xué)需求，采用適合的教學(xué)方法。

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020修訂）》（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）中涉及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)概念的要求既有“理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念”這樣的總要求，又有“理解數(shù)組、鏈表等基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念”“理解包括字符串、隊(duì)列、棧在內(nèi)的線性表的概念”“了解二叉樹的概念”等涉及某類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的具體要求。在教學(xué)時(shí)，要從基本的、典型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)入手，通過剖析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)例，由簡到繁，從個(gè)別到一般，從具體的應(yīng)用到抽象的歸納，逐步理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念，認(rèn)識數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的重要作用。

由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)涉及面廣、形式多樣，教學(xué)時(shí)對其操作應(yīng)用的要求不能過高，建議嚴(yán)格按照《標(biāo)準(zhǔn)》要求的程度展開教學(xué)，以免徒增難度。例如，對于“數(shù)組”“鏈表”這些基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，《標(biāo)準(zhǔn)》要求“能編程實(shí)現(xiàn)其相關(guān)操作”，而對于“二叉樹”這樣的抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，《標(biāo)準(zhǔn)》則只要求“了解”基本操作方法。所以，教學(xué)時(shí)一定要注意區(qū)別對待、分別要求，以便明確地表述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法間的關(guān)系，更好地完成教學(xué)任務(wù)，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

教學(xué)的方法多種多樣，如何才能“得法”，其實(shí)也不難：為了便于教學(xué)，《標(biāo)準(zhǔn)》在每個(gè)模塊“內(nèi)容要求”之后，都給出了明確的“教學(xué)提示”，本模塊就給出了“算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是問題求解中相輔相成、不可分割的兩個(gè)方面。在本模塊教學(xué)中，可以通過設(shè)計(jì)范例，引導(dǎo)學(xué)生理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、抽象數(shù)據(jù)類型等基本概念”這樣的提示，依據(jù)這些提示開展教學(xué)，就可“得法”。

《標(biāo)準(zhǔn)》中提到的“設(shè)計(jì)范例”，其字面意思非常明確，就是指能在教學(xué)中起到示范作用的有關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)操作的實(shí)例，這樣的實(shí)例在教科書中比比皆是，教學(xué)時(shí)一定要充分利用。其利用的關(guān)鍵不在于范例本身求解的結(jié)果，而在于引導(dǎo)學(xué)生去理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念。也就是說，教學(xué)的過程，也就是引導(dǎo)的過程是非常關(guān)鍵的，一定要精心設(shè)計(jì)，認(rèn)真落實(shí)。

同時(shí)，《標(biāo)準(zhǔn)》還提示：“在學(xué)習(xí)數(shù)組、鏈表以及線性表內(nèi)容時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生參與基于真實(shí)問題的項(xiàng)目學(xué)習(xí)，經(jīng)歷建立數(shù)據(jù)模型、抽象數(shù)據(jù)、選擇數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法實(shí)現(xiàn)、上機(jī)調(diào)試、問題解決的全過程?！边@里提到了“基于真實(shí)問題的項(xiàng)目學(xué)習(xí)”，什么是“真實(shí)問題”？各版本的教材都有自己的表達(dá)，但歸結(jié)起來無非就是兩類：一類是學(xué)校學(xué)生成績管理;另一類是商場銷售數(shù)據(jù)管理。所以，如何將項(xiàng)目活動設(shè)計(jì)得生動而又利于學(xué)習(xí)，這是教學(xué)首先需要考慮的問題。更為重要的是，要讓學(xué)生經(jīng)歷“建立數(shù)據(jù)模型”“抽象數(shù)據(jù)”“選擇數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”“算法實(shí)現(xiàn)”“上機(jī)調(diào)試”“問題解決”的全過程，就必須把項(xiàng)目活動設(shè)計(jì)得可以驅(qū)動各個(gè)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在“經(jīng)歷”之中探索用計(jì)算機(jī)解決問題的途徑，掌握用計(jì)算機(jī)解決問題的方法，提高用計(jì)算機(jī)解決問題的關(guān)鍵能力，逐步形成用計(jì)算機(jī)解決問題的思維方式，提升學(xué)科核心素養(yǎng)。這樣才能使項(xiàng)目學(xué)習(xí)真正具有活動的價(jià)值、教學(xué)的意義，這才可以稱之為“得法”。

正如《標(biāo)準(zhǔn)》指出的那樣，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是信息技術(shù)學(xué)科的核心內(nèi)容之一，對培養(yǎng)學(xué)生的信息意識與計(jì)算思維、深入理解并掌握信息技術(shù)學(xué)科知識與實(shí)踐方法、形成學(xué)科核心素養(yǎng)，具有非常重要的作用”。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的教學(xué)意義如此重大，作用非同小可，在實(shí)施過程中各位教師一定要認(rèn)真對待，絕不可等閑視之。