大數(shù)據(jù)時代本科計算機專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實踐教學(xué)策略研究

【摘" 要】 當(dāng)前，大數(shù)據(jù)已逐漸成為各行各業(yè)不可或缺的重要資源。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為計算機科學(xué)領(lǐng)域中的一門核心基礎(chǔ)課程，在培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維、算法設(shè)計以及問題解決能力方面發(fā)揮著重要作用。文章立足本科計算機專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的重要作用，深入探討了在大數(shù)據(jù)時代背景下，如何更有效地開展這門課程的教學(xué)工作，旨在通過優(yōu)化教學(xué)策略，幫助學(xué)生形成大數(shù)據(jù)思維，進一步提升他們的實踐操作能力和問題解決能力，從而培養(yǎng)出既符合社會需求又具備實踐能力和創(chuàng)新精神的復(fù)合型人才。

【關(guān)鍵詞】 大數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);混合式教學(xué);教學(xué)評價體系

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為計算機科學(xué)領(lǐng)域的核心基礎(chǔ)課程，其重要性愈發(fā)顯著。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不僅關(guān)系到計算機內(nèi)部數(shù)據(jù)的組織、管理和存儲方式，還是算法設(shè)計和問題解決的基石。然而，在當(dāng)前的教學(xué)實踐中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程常因內(nèi)容抽象而使學(xué)生難以理解和掌握，特別是在大數(shù)據(jù)時代背景下，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已難以滿足社會對計算機專業(yè)人才的新需求。因此，探討大數(shù)據(jù)時代本科計算機專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實踐教學(xué)的策略，改革教學(xué)方法和手段，對提升學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力尤為重要。

一、本科計算機專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的作用

對本科階段的計算機專業(yè)學(xué)生而言，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程無疑是一門具有里程碑意義的必修課程，在學(xué)生的學(xué)術(shù)生涯及未來職業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用。這門課程不僅為學(xué)生打開了一扇通往計算機科學(xué)廣闊世界的窗口，提供了對該領(lǐng)域初步而全面、深入而系統(tǒng)的認識，還為他們在計算機科學(xué)與技術(shù)的浩瀚領(lǐng)域中探索前行奠定了堅實的基礎(chǔ)，成為他們職業(yè)生涯中不可或缺的知識支柱和技能基礎(chǔ)。

作為計算機專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)課程與必修科目，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的學(xué)習(xí)標志著學(xué)生正式踏入計算機專業(yè)學(xué)習(xí)的殿堂，是非常關(guān)鍵的一步。該課程內(nèi)容豐富廣泛，涵蓋了計算機科學(xué)中最為核心和基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識，如圖、數(shù)組、鏈表、遞歸、棧和隊列、排序算法、樹和森林、集合與搜索結(jié)構(gòu)、堆與優(yōu)先級隊列、索引結(jié)構(gòu)與散列結(jié)構(gòu)等。這些知識點構(gòu)成了計算機科學(xué)領(lǐng)域的基石，是后續(xù)深入學(xué)習(xí)和研究不可或缺的基礎(chǔ)。

在教學(xué)方法上，該課程采用面向?qū)ο蟮囊暯莵砩钊胩接憯?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)技術(shù)，并選用兼具面向過程和面向?qū)ο筇匦缘腃++語言作為算法的描述工具。這種教學(xué)方式不僅加深了學(xué)生對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識的理解和掌握，還鍛煉了學(xué)生的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計能力，實現(xiàn)了對學(xué)生多方面能力的訓(xùn)練和提升。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠深入理解并掌握各種重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念、應(yīng)用場景及實現(xiàn)技術(shù)，還能夠運用所學(xué)知識進行簡單的算法分析，評估算法的時間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度，從而培養(yǎng)出扎實的理論基礎(chǔ)和實踐能力。

二、大數(shù)據(jù)時代本科計算機專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實踐教學(xué)策略

（一）融入實際生活案例，增強教學(xué)內(nèi)容的應(yīng)用性

為使學(xué)生能將抽象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論與實際應(yīng)用場景緊密結(jié)合，教師應(yīng)積極引入實際生活案例。這些案例需精心挑選，確保與課程教學(xué)內(nèi)容緊密相關(guān)，并具有一定的代表性和普遍性，以充分展現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中的關(guān)鍵作用。在引入案例時，可巧妙融合大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，例如利用R語言、Python等工具進行數(shù)據(jù)分析，使學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的同時，也能觸及大數(shù)據(jù)處理的前沿技術(shù)。

具體而言，在講解“隊列”這一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時，教師可引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想現(xiàn)實生活中的隊列現(xiàn)象，如食堂就餐排隊、商場結(jié)賬排隊、公交乘車排隊以及銀行存取款排隊等。這些隊列現(xiàn)象不僅維護了公共場所的秩序，還確保了服務(wù)的高效運行。通過以銀行排隊存取款為例，詳細闡述隊列的算法設(shè)計，并結(jié)合生活實際，讓學(xué)生深刻理解隊列中插入和刪除操作的具體實現(xiàn)，從而提升他們分析問題和解決問題的能力。

在講解樹結(jié)構(gòu)的哈夫曼編碼時，教師可引導(dǎo)學(xué)生思考哈夫曼編碼在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用場景。在信息時代，高效準確地傳輸語音、圖片、視頻等多種信息非常重要。教師可以通過舉例對一段文字進行編碼傳送的編程實踐，深入剖析哈夫曼編碼的原理和方法，并引導(dǎo)學(xué)生對比哈夫曼編碼與二進制編碼的差異，激發(fā)他們對編解碼技術(shù)的濃厚興趣，為后續(xù)學(xué)習(xí)通信系統(tǒng)原理課程奠定堅實基礎(chǔ)。

在講解圖結(jié)構(gòu)時，教師可引導(dǎo)學(xué)生思考圖結(jié)構(gòu)在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用，如旅游導(dǎo)航等。以大學(xué)城旅游為例，讓學(xué)生規(guī)劃線路，以最短的行程路線游覽完選定的高校。通過這個問題，引入最小生成樹的概念，并采用普里姆算法和克魯斯卡爾算法進行編程實現(xiàn)，同時引導(dǎo)學(xué)生對比兩種算法的優(yōu)劣，深化對算法的理解。

在講解查找和排序時，以學(xué)生成績排序為例，引導(dǎo)學(xué)生思考如何選擇合適的排序方法，并理解不同排序方法的優(yōu)缺點。同時，引導(dǎo)學(xué)生思考如何高效地查找某位同學(xué)的成績，通過對比各種查找方法的優(yōu)劣，幫助他們掌握查找和排序技術(shù)的核心。

通過將生活場景有效融入知識點講解中，能夠激發(fā)學(xué)生主動思考的積極性。鼓勵學(xué)生結(jié)合所學(xué)所想發(fā)表自己的觀點，深化對現(xiàn)有算法的理解和應(yīng)用，實現(xiàn)新知識的遷移和創(chuàng)新。通過觀察現(xiàn)象揭示本質(zhì)，從現(xiàn)實世界理解信息世界，進一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，為他們的工程素養(yǎng)和工匠精神奠定堅實基礎(chǔ)。

（二）課內(nèi)編程實驗與課外編程競賽相輔相成

鑒于計算機工程專業(yè)對學(xué)生編程能力的高標準要求，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗課程承載著深化理論理解和強化實踐編程能力的雙重使命。為此，教研團隊在提升學(xué)生編程實驗技能方面應(yīng)進行諸多創(chuàng)新嘗試。

學(xué)?？梢詷?gòu)建在線編程實驗教學(xué)輔助平臺，該平臺基于青島大學(xué)開源的OJ系統(tǒng)進行二次開發(fā)，專為包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程在內(nèi)的實驗教學(xué)及院內(nèi)程序設(shè)計競賽而設(shè)計。平臺支持教師靈活添加、編輯實驗題目，形成持續(xù)更新與擴充的題庫，以適應(yīng)教學(xué)需求的變化。并且，每年還會對題庫進行更新與擴充，確保題庫的時效性和實用性。通過該平臺，教師可以便捷地安排實驗課程、組織數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗考試、舉辦編程競賽，并進行代碼相似度檢測。平臺能夠自動評測學(xué)生的程序代碼，不僅顯著減輕了教師的批改負擔(dān)，還能即時給予學(xué)生反饋，極大激發(fā)他們的編程熱情。

在線編程實驗教學(xué)輔助平臺的引入，使數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗的學(xué)習(xí)不再受限于課堂之內(nèi)。課前，教師可將學(xué)習(xí)資源上傳至平臺，供學(xué)生預(yù)習(xí)。學(xué)生可以隨時隨地登錄平臺，下載電子資源，閱讀實驗題目，并提前進行思考。這種24小時開放的學(xué)習(xí)模式為學(xué)生提供了充足的自學(xué)與實踐時間，有效打破了傳統(tǒng)教學(xué)中時間與空間的限制，使得教學(xué)方式和手段更加靈活多樣。

同時，學(xué)?？蒲袌F隊可以建設(shè)一套全面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗題庫，題庫覆蓋鏈表、棧、隊列、字符串匹配、樹、圖、排序算法等核心知識點。從驗證性實驗到應(yīng)用性實驗，再到綜合性實驗，題庫層次分明，能夠逐步鍛煉學(xué)生的獨立思考能力。在日常的實驗課程中，教師可從題庫中選取題目作為練習(xí)和作業(yè)，讓學(xué)生在編程實踐中深化對知識的理解，并提升編程技能。

（三）應(yīng)用混合式教學(xué)法，優(yōu)化教學(xué)效果

為突破傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)的局限，研究組探索實施了“線上預(yù)習(xí)—線下研討—線上鞏固”的三階段混合式教學(xué)模式。在課程啟動前深入調(diào)研并修訂了教學(xué)大綱與內(nèi)容，提煉了先修課程的精髓，通過回顧與復(fù)習(xí)強化了學(xué)生的先修知識基礎(chǔ)。同時，銜接了本課程的前沿動態(tài)，鞏固了學(xué)生的編程語言技能，并著重教授了抽象數(shù)據(jù)類型的表述與實現(xiàn)方法，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)奠定了堅實基礎(chǔ)。此模式圍繞“強化先修基礎(chǔ)—融合課程前沿—明確后續(xù)應(yīng)用”的邏輯線索，重構(gòu)了課程內(nèi)容，精心設(shè)計與錄制了線上理論與實操教學(xué)視頻，從而構(gòu)建了一個完整的課程體系知識框架。

首先，是課前教師籌備階段。高效的課前預(yù)習(xí)與引導(dǎo)是提升學(xué)生學(xué)習(xí)效能的核心策略。課前，教師需將教學(xué)PPT、視頻資料上傳至“頭歌”平臺，并布置預(yù)習(xí)任務(wù)。同時，設(shè)計啟發(fā)性問題，激發(fā)學(xué)生主動思考，使他們在進入課堂學(xué)習(xí)前已對內(nèi)容有所準備。此外，鼓勵學(xué)生利用思維導(dǎo)圖工具，對預(yù)習(xí)中的重難點進行結(jié)構(gòu)化整理，構(gòu)建個性化的知識框架，以此培養(yǎng)他們的自主學(xué)習(xí)能力。

其次，是課中教師引導(dǎo)階段。課堂教學(xué)摒棄了傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)，轉(zhuǎn)而采用了“學(xué)生主體”的教學(xué)模式。具體而言，通過引入實際應(yīng)用案例，組織分組討論，激發(fā)了學(xué)生的批判性思維與團隊協(xié)作能力。鼓勵學(xué)生提出問題，并在小組合作中尋求解答，最后通過小組匯報與分享，進一步提升了學(xué)生的課堂參與度與積極性，實現(xiàn)了從被動接受到主動探索的轉(zhuǎn)變，同時鍛煉了他們的思辨、合作與問題解決能力。

最后，是課后教師總結(jié)與反饋階段。課后，教師利用“頭歌”平臺發(fā)布作業(yè)與實踐任務(wù)，并進行在線批改，既減輕了紙質(zhì)作業(yè)的負擔(dān)，又避免了作業(yè)丟失的風(fēng)險。學(xué)生無須安裝額外編譯軟件，即可在平臺上完成從理論到實踐的轉(zhuǎn)換，運用所學(xué)知識解決實際問題。教師還可借助平臺的統(tǒng)計功能，精準分析學(xué)生的作業(yè)錯誤與實驗掌握情況，及時發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)短板，并給予個性化指導(dǎo)。據(jù)此，教師可以靈活調(diào)整教學(xué)策略，以期更有效地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。

（四）構(gòu)建實踐教學(xué)評價體系，保障教學(xué)質(zhì)量

實踐教學(xué)評價體系旨在全面評估學(xué)生在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)過程中的實踐能力和理論應(yīng)用水平，同時確保教學(xué)內(nèi)容與大數(shù)據(jù)技術(shù)的緊密結(jié)合。該評價體系應(yīng)涵蓋理論知識掌握和實踐能力應(yīng)用兩個方面，以確保學(xué)生在掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本原理的同時，能夠熟練運用這些原理解決實際問題。評價體系的具體內(nèi)容包含以下幾個方面：

一是課堂表現(xiàn)評價。這主要包括學(xué)生在課堂上的參與度，如提問、討論和回答問題的情況，以及他們對大數(shù)據(jù)技術(shù)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中應(yīng)用的理解和討論。

二是實驗報告評價。這主要集中在實驗內(nèi)容的完成度和準確性上，如線性表、棧、隊列、樹、圖等基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)和應(yīng)用。同時，還包括實驗報告中大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的運用情況，如使用Python進行數(shù)據(jù)分析、使用R語言進行數(shù)據(jù)挖掘等;以及實驗報告的邏輯性和規(guī)范性，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義、算法的實現(xiàn)步驟和結(jié)果分析等。

三是項目作業(yè)評價。這主要包括項目選題的創(chuàng)新性和實用性，鼓勵學(xué)生結(jié)合大數(shù)據(jù)背景進行項目設(shè)計;項目實現(xiàn)的完整性和正確性，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇、算法的設(shè)計和實現(xiàn)等;以及項目報告的撰寫質(zhì)量，包括項目背景、需求分析、設(shè)計方案、實現(xiàn)過程和結(jié)果分析等。

四是團隊合作評價。這主要包括學(xué)生在團隊中的貢獻度，如任務(wù)分配、協(xié)作精神和溝通能力等;以及團隊項目的整體完成度和創(chuàng)新性，鼓勵團隊運用大數(shù)據(jù)技術(shù)進行項目優(yōu)化和創(chuàng)新。

例如，在“基于大數(shù)據(jù)的社交網(wǎng)絡(luò)好友推薦系統(tǒng)”的項目中，要求學(xué)生運用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)一個好友推薦系統(tǒng)。評價體系可以包括以下幾個方面：在課堂表現(xiàn)方面，討論好友推薦算法的基本原理和大數(shù)據(jù)技術(shù)在推薦系統(tǒng)中的應(yīng)用;在實驗報告方面，實現(xiàn)基于圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的社交網(wǎng)絡(luò)模型，并使用Python進行數(shù)據(jù)分析，提取用戶特征和行為模式;在項目作業(yè)方面，設(shè)計并實現(xiàn)好友推薦算法，包括用戶相似度計算、好友推薦列表生成等，并使用大數(shù)據(jù)工具進行數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析;在團隊合作方面，則是分工合作，共同完成項目設(shè)計和實現(xiàn)，并進行項目展示和答辯。

三、結(jié)語

高等院校應(yīng)緊緊圍繞教育部對當(dāng)前人才培養(yǎng)的新要求開展專業(yè)教育教學(xué)改革。在大數(shù)據(jù)背景下，傳統(tǒng)的計算機專業(yè)實驗教學(xué)模式已無法適應(yīng)人才培養(yǎng)要求，亟須進行實驗教學(xué)模式的探索與改革。本文提出了增加實際生活案例、課內(nèi)編程實驗與課外編程競賽相結(jié)合、引入混合式教學(xué)模式、構(gòu)建實踐教學(xué)評價體系等教學(xué)策略，注重學(xué)生平時的學(xué)習(xí)過程，通過采用大數(shù)據(jù)手段有效提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、專業(yè)技能以及創(chuàng)新實踐能力，還提升了實驗教學(xué)質(zhì)量，為后續(xù)專業(yè)課程的工程實踐奠定了基礎(chǔ)。

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