融合情境式教學的數據結構與算法課程探索與實踐

摘 要 數據結構與算法是計算機科學與工程領域的核心課程，但因課程內容的抽象性和復雜性，學生在學習過程中存在理解困難和興趣流失問題，導致其難以有效地達成計算機人才培養(yǎng)目標。文章通過分析情境式教學的理論基礎及當前教學現狀，研究圍繞哈夫曼樹這樣一個知識點構建與現實世界緊密相關的學習情境，設計基于情境的教學實施方案，并在實際教學中應用和評估效果。研究發(fā)現，情境式教學既能提高理論與實踐的結合度，激發(fā)學生的學習動機與學習興趣，又能增強學生的國家觀念和歷史使命感。

關鍵詞 情境式教學；數據結構與算法；哈夫曼樹與哈夫曼編碼；人才培養(yǎng)

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.20.041

Exploration and Practice of Data Structures and Algorithms

Course Integrated with Situational Teaching

——A Case Study of Huffman Trees and Huffman Coding

PENG Yue

（Nanjing Tech University， College of Computer and Information Engineering

（College of Artificial Intelligence）， Nanjing， Jiangsu 211800）

Abstract Data Structures and Algorithms is a core course in the field of Computer Science and Engineering. However， due to the abstractness and complexity of the course， students find it difficult to understand and lose interest during the learning process， making it challenging to achieve the goal of cultivating computer talents. Through analyzing the theoretical foundation of situational teaching and the current teaching status， this study constructs learning situations around the knowledge point of Huffman Trees. A set of situational-based teaching implementation plans was designed and applied in actual teaching， along with an effectiveness evaluation. The research finds that situational teaching not only improves the integration of theory and practice， and stimulates students' learning motivation and interest， but also effectively enhances students' national consciousness and sense of historical mission.

Keywords situational teaching; Data Structures and Algorithms; Huffman Trees and Huffman Coding; talent cultivation

隨著信息技術的飛速發(fā)展，計算機科學與技術專業(yè)也日益受到關注。數據結構與算法[1]作為計算機科學與技術專業(yè)的核心課程之一，其教學效果直接影響到學生邏輯思維能力和問題解決能力的培養(yǎng)。然而，因該課程的抽象性和復雜性，學生在學習過程中往往感到難以理解和興趣缺失，成為當前教學改革中的一個重要挑戰(zhàn)。情境式教學[2]作為一種有效的教學方法，通過構建具有現實意義的學習情境，激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的參與度和學習效率[3]。本研究旨在探索情境式教學在課程教學中的應用，特別是如何通過情境式教學方法來提升學生對數據結構與算法中哈夫曼樹這一知識點的理解和興趣。本文通過分析情境式教學的理論基礎和當前數據結構與算法教學的現狀，設計了基于上述情境的教學實施方案，并在實際教學中開展應用和評估。通過對教學實施前后學生學習興趣、學習效果的對比分析，旨在驗證情境式教學在該課程中的有效性，并為今后的教學改革提供參考和借鑒。

1 數據結構與算法課程的挑戰(zhàn)

數據結構與算法是計算機科學與工程領域的一門核心課程，它不僅是理解計算機程序設計的基礎，而且對于解決實際問題、提高程序運行效率和資源利用率具有重要意義，對于培養(yǎng)學生的邏輯思維能力、編程能力和解決問題的能力也具有重要作用。然而，在教學過程中，教師面臨著如下挑戰(zhàn)。

1.1 理論與實踐脫節(jié)

該課程內容豐富，理論性強，學生在學習時往往難以將抽象的理論知識與實際應用聯系起來。這種脫節(jié)導致學生在掌握了大量理論概念后，仍感到在面對實際軟件開發(fā)任務時無從下手。課程往往過分強調算法的理論推導和數據結構的抽象模型，而忽略了這些知識在軟件工程中的實踐應用，比如為何要設計或采用某種數據結構，如何選擇合適的數據結構或者特定算法以優(yōu)化性能等。學生往往知其然而不知其所以然，空有理論基礎卻并不能靈活解決實際問題。

1.2 學習動機不足

由于課程的抽象性和難度，部分學生對于深入學習缺乏足夠的興趣和動力，核心原因源于學生對課程內容的實用性和相關性缺乏直觀感受。這門課程通常涉及大量的理論知識和抽象概念，如果教學方式單一、缺乏創(chuàng)新，很容易讓學生感到枯燥乏味，從而降低學習興趣。此外，當學生無法清晰地看到所學知識與實際應用之間的聯系時，他們可能會質疑知識的價值，進一步減弱學習動機。

1.3 與思政教育結合難度大

本課程主要關注技術和理論知識的傳授，而思政教育則側重于價值觀的培養(yǎng)和思想道德教育。兩者內容的顯著差異和目標的不同導致教師在教學實踐中難以找到一個自然而有效的結合點，最終往往會形成思政教育缺失的情況，或者為了思政而思政的生硬的教育模式[4]。

2 引入情境式教學的必要性

2.1 情境式教學的理論基礎

情境式教育是一種以學習者為中心的教學方法，其核心理念是在真實或模擬的情境中進行教學，以增強學習內容的相關性和實用性。這種教學方法的理論基礎主要來源于認知心理學和構建主義學習理論，強調知識和技能的學習應當在具體的語境中進行，以促進學生對知識的深入理解和應用能力的提升。情境式教育的優(yōu)勢在于它能夠激發(fā)學生的學習興趣，通過提供與現實生活緊密聯系的學習情境，使學生在解決實際問題的過程中主動探索和學習，從而實現知識與實踐的有效結合。此外，情境式教育也使得抽象的思政理論知識變得具體化、生動化，從而增強學生的學習興趣和參與度，通過促進學生在特定情境下的情感體驗和價值判斷，有助于加強思想道德建設和價值觀引導，培養(yǎng)學生的社會責任感和歷史使命感。

數據結構與算法作為計算機科學的核心內容，其抽象性和邏輯性要求學生不僅要理解理論，還要能將理論應用于實踐。情境式教學通過創(chuàng)設與學生未來職業(yè)生涯或日常生活相關的實際情境，使學生在解決問題的過程中應用所學的知識，這種“學以致用”的過程有助于學生深化對理論知識的理解和掌握。同時，在課程中開展情境式教學還符合認知負荷理論的觀點，即通過減少不必要的認知負荷，讓學生將注意力集中于關鍵概念的學習上。在課程學習中，通過將復雜的概念和算法應用于具體的情境，可減少學生對抽象概念理解的難度，使其更容易集中精力理解和掌握核心知識點。

2.2 結合情境式教學開展教學活動的優(yōu)勢

結合情境式教學開展教學活動，可有效應對當前課程教學中面臨的挑戰(zhàn)：①提高理論與實踐的結合度。通過設計與真實世界相關的情境任務，讓學生在解決具體問題的過程中運用理論知識，強化理論與實踐的聯系。②激發(fā)學習興趣和動機。情境式教學通過引入有趣的情境背景和任務，增強學生學習的趣味性和參與度，從而提高學生的學習動機。③適應不同學生的學習需求。情境式教學強調個性化學習和合作學習，通過小組合作解決情境任務，充分考慮不同學生的背景和能力，促進學生間的互助和學習。

綜上所述，結合情境式教學開展數據結構與算法的教學活動，不僅可以有效解決課程當前面臨的挑戰(zhàn)，還能提升學生的學習效果和綜合能力，為學生未來職業(yè)生涯的發(fā)展打下堅實的基礎。

3 數據結構與算法課程情境構建

3.1 情境設計的原則與目標

情境設計是情境式教學的核心環(huán)節(jié)，其目的是通過模擬真實的或具有實際意義的情境，激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的參與度和學習效率。在設計情境時，應遵循以下幾個原則：真實性、相關性、挑戰(zhàn)性和趣味性。真實性原則要求情境設計需要貼近學生的生活實際或專業(yè)實踐，以增強學生的學習動機；相關性原則強調情境與學習內容的緊密聯系，確保學習活動的目標明確；挑戰(zhàn)性原則鼓勵教師設計具有一定難度的任務，促進學生主動探索以解決問題；趣味性原則是指通過有趣的情境設計吸引學生的注意力，提高其學習積極性。

本研究選取了數據結構與算法課程中的哈夫曼樹與哈夫曼編碼這一知識點，基于上述理念開展情境式教學，使學生理解并掌握最短帶權路徑和的概念、哈夫曼樹的構建過程以及哈夫曼編碼的原理和應用。通過結合具體情境可以讓學生更加深刻地理解信息編碼與數據壓縮的本質思路，從而自發(fā)地設計和構造哈夫曼樹來完成情境中信息編碼與傳遞的要求。

3.2 情境背景的構建

哈夫曼樹是數據結構與算法中的一種經典數據結構應用，它是根據字符出現的頻率或概率構建的一棵二叉樹，以實現最優(yōu)的編碼方案。哈夫曼編碼是一種基于哈夫曼樹的編碼算法，通過構建哈夫曼樹，每個字符可以被編碼為一串不等長的二進制碼，其中頻率高的字符使用較短的編碼，頻率低的字符使用較長的編碼，從而實現數據的有效壓縮。哈夫曼編碼的原理和應用在信息論和編碼理論中占有重要地位，是數據結構與算法中的重要知識點之一，也是計算機專業(yè)學生必須掌握的基礎知識之一。

此章節(jié)選取了抗戰(zhàn)時期解放軍通信兵在戰(zhàn)場上及時有效地傳遞作戰(zhàn)信息的場景。在這一背景下，高效地傳遞戰(zhàn)場信息成為勝利的關鍵，戰(zhàn)場中通信環(huán)境艱難惡劣，戰(zhàn)機稍縱即逝，需第一時間傳遞有效的戰(zhàn)況，為了確保信息的安全傳輸并盡量減少被敵方截獲的風險，通信兵需采用一種高效的加密方式，從而引出了哈夫曼樹和哈夫曼編碼的概念。為了讓學生更好地理解哈夫曼樹在情報加密和數據壓縮中的應用，教師構建了一個虛擬的戰(zhàn)報傳遞任務，學生需要利用哈夫曼樹的原理來設計高效的戰(zhàn)報加密和傳輸方案。

3.3 情境活動的設計

3.3.1 引入情境

教師通過視頻、圖片、文獻等多媒體材料，向學生介紹抗戰(zhàn)時期的歷史背景和解放軍通信兵是如何在艱苦的環(huán)境中發(fā)揮“千里眼順風耳”的作用。通過這種情感化的引入，交代了任務的背景，激發(fā)了學生的興趣和好奇心，同時也增強了學生的國家觀念和歷史使命感，并且為后續(xù)的知識點學習奠定了基礎。

3.3.2 問題提出

教師提出問題：如何在通訊環(huán)境惡劣、通信成本很高的前提下，有效且高效地傳遞信息。引導學生思考不同加密形式下信息平均長度的區(qū)別，自然而然地引出最短帶權路徑和的概念和哈夫曼樹的必要性。通過這一步驟，學生被推動去深入探索和理解哈夫曼樹的構建原理和應用價值，從被動學習轉為主動學習和思考，并更深入理解任何一種數據結構與算法的提出都是為了解決某一類實際問題。

3.3.3 學生探索

分組讓學生通過查閱資料、小組討論等方式，探索哈夫曼樹的構建過程和原理。教師不是直接傳授知識，而是為學生的自我探索提供指導。通過小組合作，學生在相互討論和資料交流中學習和理解復雜的數據結構和算法概念。教師的指導幫助學生將抽象的數據結構、算法概念與具體的實戰(zhàn)通信任務聯系起來，讓他們在學習中主動尋找解決問題的策略和方法。

3.3.4 實踐應用

教師設計一個模擬的戰(zhàn)報加密與傳遞活動，讓學生自行設計編碼加密方式，在相同的情報文本上與哈夫曼編碼進行對比，以評估加密效率。通過這種模擬實踐，讓學生親身體驗到哈夫曼樹在信息安全傳輸中的應用價值。

3.3.5 反思討論

活動結束后，組織學生進行反思討論[5]，討論哈夫曼樹作為一種經典的數據結構在現代信息技術中的應用，如數據壓縮、通信系統等。教師通過引導學生回顧并反思整個情境活動，幫助學生總結學習經驗，加深理解，提出疑問，從而鞏固學生在數據結構與算法方面的知識和技能。同時，反思討論也使學生能夠更好地理解情境中的團隊精神和創(chuàng)造性思維，為未來的學術和職業(yè)生涯打下堅實的基礎。

4 結語

本研究通過深入探索情境式教學法在數據結構與算法課程教學中的應用，設計和構建具體教學情境，有效地激發(fā)了學生的學習興趣，促進學生更加深入地理解知識點，同時更加自然地融合了思政背景，在情境中潤物細無聲地為學生開展愛黨愛國思政教育。研究不僅驗證了該教學方法的有效性，而且還為教學實踐提供了具體的實踐嘗試，從而進一步優(yōu)化教學方法，提高教學質量，為學生的全面發(fā)展奠定了堅實的基礎。

參考文獻

[1] 嚴蔚敏，李冬梅，吳偉民.數據結構（C語言版）[J].計算機教育，2012（12）：62-62.

[2] Gardner G，Harrelson G L.Situational teaching：Meeting the needs of evolving learners[J].International Journal of Athletic Therapy and Training，2002，7（5）：18-22.

[3] 莫寶慶.情景式教學對培養(yǎng)學生知識應用能力的促進作用[J].醫(yī)學教育探索，2007，6（6）：494-495.

[4] 高德毅，宗愛東.從思政課程到課程思政：從戰(zhàn)略高度構建高校思想政治教育課程體系[J].中國高等教育，2017（1）：43-46.

[5] 陳家剛，鮑同梅.國外高校教學反饋：手段、特點及對我國高校的啟示[J].現代教育科學：高教研究，2008（6）：153-155.