大數(shù)據(jù)背景下的數(shù)據(jù)結構教學改革

張一倩

（濟南職業(yè)學院，山東 濟南 250000）

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)+等技術的興起與快速發(fā)展，信息數(shù)據(jù)量正呈指數(shù)增長。大數(shù)據(jù)時代已悄然開啟，使得大數(shù)據(jù)方向的人才需求也日益倍增。作為計算機相關專業(yè)核心基礎課程的《數(shù)據(jù)結構》，也面臨著改革與挑戰(zhàn)。課程組以我院“3+2職業(yè)院校與本科高校對口貫通分段培養(yǎng)計算機信息管理專業(yè)人才培養(yǎng)方案”為依托，圍繞“3+2信管”（簡稱）人才培養(yǎng)的具體要求，制訂了配套的教學內(nèi)容、教學方法、課程標準、考核標準等，在大數(shù)據(jù)時代背景下進行了一系列教學改革，主要體現(xiàn)在教學內(nèi)容的改革、教學方法的改進和考核方法的改變上。

1 精選應用案例，改革教學內(nèi)容

數(shù)據(jù)結構課程以基本數(shù)據(jù)結構和算法設計策略為知識單元，系統(tǒng)地介紹了數(shù)據(jù)結構的知識與應用、計算機算法的設計與分析方法，主要內(nèi)容包括線性表、樹、圖等典型結構以及算法設計策略。課程培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)抽象能力、對大量數(shù)據(jù)的表示和組織能力，能利用典型的思路方法在數(shù)據(jù)抽象概念上描述算法并編寫出結構清楚、正確易讀的應用程序。在教學實踐中，采取了以下措施對教學內(nèi)容和教學方法進行了改革。

首先，由實例引導理論，學以致用，幫助學生將理論與實踐結合起來。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)結構課程中，直接介紹基本數(shù)據(jù)結構和常用算法的設計，重點突出；但內(nèi)容較為抽象，難以激發(fā)學生的學習興趣。在內(nèi)容選取上，針對3+2信管專業(yè)特色和年輕學生的特點，在介紹相關概念和術語時，通過具體的應用實例引入。采取用實例引導理論、理論推導方法、方法指導實踐案例的教學設計，激發(fā)學生的學習興趣，提高了教學效果。

例如，講解“數(shù)據(jù)”概念時，穿插“google”一詞的由來，提出“大數(shù)據(jù)時代海量數(shù)據(jù)如何存儲”的問題，通過分析大數(shù)據(jù)的“容量大、種類多、速度快、數(shù)據(jù)復雜性高”等特點，引出海量數(shù)據(jù)存儲的要求和實現(xiàn)方法。進而在講解經(jīng)典算法后，給出了算法分析的思路。課堂教學中，也要重視這一點。在教學過程中應該有意識地通過講解或討論的形式，讓學生習慣于這種算的比較和分析，并在此基礎上提出自己新的想法。

同時，注意以前沿話題為引導，促進基礎內(nèi)容的教學。例如，時間復雜度分析是數(shù)據(jù)結構課程的難點之一，學生在理解漸近時間復雜度時遇到困難。此時可以聯(lián)系“深藍”與AlphaGo的話題。深藍是分析國際象棋的超級電腦，1997年首次擊敗了國際象棋頂尖高手。AlphaGo是一款人工智能圍棋軟件，2017年前后多次戰(zhàn)勝圍棋世界冠軍。在AlphaGo與深藍之間的時間里，大數(shù)據(jù)和計算機的運算能力幾乎呈現(xiàn)指數(shù)式提升，但是為何相差二十年的時間呢？從國際象棋提升到圍棋，最重要的差異是什么？在前沿問題引導的基礎上，向學生順勢提出算法復雜度數(shù)量級的概念，強化學生對多項式級、指數(shù)級等難點的理解。

其次，“3+2職業(yè)院校與本科高校對口貫通分段培養(yǎng)”屬于應用型本科，與研究性本科的差異在于注重實踐，注重數(shù)據(jù)分析在實際問題中的合理運用。鑒于課程一開始就提出算法效率及分析，而大數(shù)據(jù)背景下許多技術創(chuàng)新和成果都依賴于高效的算法，可見算法效率的重要性。在授課過程中，注重將大數(shù)據(jù)思維融入數(shù)據(jù)結構的實踐教學中，通過一系列“算法在通訊、醫(yī)藥、物流、交通等領域提供基礎”的實例，培養(yǎng)學生的算法思想與計算思維。例如，人類基因組圖譜解碼的實現(xiàn)與新算法的發(fā)明分不開，新算法將計算速度提高了幾個數(shù)量級。又如，在教學中滲透“算法組織數(shù)據(jù)，實現(xiàn)有效搜索”的案例，使學生認識到，大數(shù)據(jù)背景下沒有聰明的搜索算法，就會迷失在互聯(lián)網(wǎng)海量的數(shù)據(jù)叢林中。

再次，考慮到3+2信管專業(yè)在本科段的學習，適當選擇和后續(xù)課程有密切關聯(lián)的知識點進行精講，為“知識點連成知識網(wǎng)”打好基礎。例如，《運籌學》是3+2信管專業(yè)本科段的核心課程，“圖與網(wǎng)絡分析”、“網(wǎng)絡評審計劃”等單元設計到的知識點與數(shù)據(jù)結構課程有交叉并進一步拓展。在授課中講“圖”的概念、存儲、基本算法思想后，可以聯(lián)系運籌學中的知識點展望后續(xù)內(nèi)容，提供相關資料，提高學生的興趣，提供必要的能力儲備。又如，課程中介紹“數(shù)據(jù)”概念時，在原有內(nèi)容的基礎上簡介大數(shù)據(jù)時代的數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)挖掘等熱點詞匯，既深化了理解，又拓展了視野，為進一步的智能數(shù)據(jù)分析打好基礎。最后，考慮到數(shù)據(jù)結構是一門進階性課程，概念抽象，難度較大。而隨著大數(shù)據(jù)的發(fā)展，Python語言的地位正在逐步提高，其相對簡單的代碼編寫，成為眾多大數(shù)據(jù)工程師的選擇。在課堂上使用C語言描述數(shù)據(jù)結構后，建議學有余力的學生對比學習Python作為描述語言的版本，相輔相成。

2 問題驅動知識點，改進教學方法

在大數(shù)據(jù)時代背景下，課程組對數(shù)據(jù)結構課程進行了重新審視，提出了若干教學方法的改進舉措。

首先，在內(nèi)容組織上，實施問題驅動教學法，按照“提出實際問題→設計算法解決問題→分析算法效率”的路線授課，將“傳遞-接受”的傳統(tǒng)模式轉變?yōu)橐越鉀Q問題、完成任務為主的互動模式。課堂上教師通過設立問題情境，引導學生啟發(fā)式思維，通過對某領域研究現(xiàn)狀和研究熱點的探討培養(yǎng)新時代的信管大數(shù)據(jù)方向的應用型人才。

第二，課程將傳統(tǒng)教學手段與多媒體教學結合起來，引入多種教學手段，將抽象的概念和過程通過動畫演示出來。同時使用“超星學習通”等信息化教學平臺，豐富課程資源，實現(xiàn)線上線下同步授課，實現(xiàn)上傳錄播視頻、課后回放復習等多種授課方式，實現(xiàn)師生的良性互動，對學生課余自學起到了促進、指導作用。

第三，圍繞“3+2信管”人才培養(yǎng)的具體要求，著重培養(yǎng)學生的動手能力。圍繞數(shù)據(jù)結構的各單元知識點，在單元實訓作業(yè)的基礎上，設計若干大型綜合性練習實例。通過相關背景知識的回顧、題目解析與實現(xiàn)要點分析、測試方法分析等環(huán)節(jié)，為學生完成綜合性的數(shù)據(jù)結構實訓提供參考。練習題目取材于實際應用場景，例如，在“查找”單元中，要求學生完成“搜索算法的比較”這一題目。現(xiàn)實中大家都通過搜索引擎瀏覽web，用關鍵字查詢包含所需信息的網(wǎng)頁，并收到可能與查詢相關的頁面列表。利用優(yōu)秀的算法，現(xiàn)在的搜索引擎可以在極短的時間內(nèi)從數(shù)億網(wǎng)頁中匹配用戶查詢。學生設計程序對搜索算法進行比較時，雖然在測試數(shù)據(jù)的規(guī)模方面有一定的局限，但通過了解相關知識也學習到：在大規(guī)模實驗環(huán)境中，通常在搜索前，根據(jù)條件降低搜索規(guī)模；根據(jù)問題的約束條件進行剪枝；利用搜索過程中的中間解，避免重復計算這幾種優(yōu)化思想提高算法效率。

3 順應疫情，利用網(wǎng)絡化教學平臺改變考核方式

首先，利用“學習通”平臺，實現(xiàn)教學考核過程化。將平時作業(yè)、上機實驗、期中考試和期末考試等多個階段的考核過程相結合，實現(xiàn)了覆蓋整個學期的過程化考核。

第二，在各階段的考核中，采用隨堂討論、課后客觀題檢測知識點、提交實驗報告等多樣化的考核題型，綜合考察學生在各個階段的理解、掌握和綜合、應用的能力，實現(xiàn)了對學生“知識-能力-素質”等方面的多樣化考核。

第三、教學中對各種數(shù)據(jù)結構和算法的學習和掌握，最終應以編程和實際應用為目的。在考核過程中，充分利用上機實驗等資源，引入電子化的考核技術，提高學生的編程能力，避免以往“只會答題，不會編程”的弊端。

第四，智能化發(fā)掘考核結果。采用傳統(tǒng)方式批閱考核試卷，不僅效率低下，更難以從全局把握學生的學習效果，無法發(fā)現(xiàn)教學中的不足。利用“學習通”平臺的考核系統(tǒng)對學生的考核結果采用網(wǎng)絡化匯集統(tǒng)計，不僅可以針對每個學生指出其不足，提出補習建議，還能夠通過數(shù)據(jù)挖掘，發(fā)現(xiàn)具有共同性的問題，幫助教師改進教學方法。

新的考核方式把科學的教育思想和教育模式變?yōu)榫唧w的教學計劃、可操作的教學目標和實踐活動，體現(xiàn)了以學生為中心的教學思想，凸顯了以實際操作為目標的教學理念。同時，過程考核和技能考核也起到了“督學”和“督教”雙重作用。

4 結束語

總之，新的改革舉措把科學的教育思想和教育模式變?yōu)榫唧w的教學計劃、可操作的教學目標和實踐活動，體現(xiàn)了以學生為中心的教學思想，凸顯了以實際操作為目標的教學理念。在大數(shù)據(jù)的背景下，教師應順應時代發(fā)展，對自身提出更高的要求，結合專業(yè)方向與數(shù)據(jù)結構課程特點，提高涉及大數(shù)據(jù)的頻率，并落實到每個教學環(huán)節(jié)，在未來的教學活動中不斷完善課程建設。