數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程設(shè)計教學(xué)模式的探討

李治軍　廖明宏　張　巖

摘要本文首先對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程設(shè)計的教學(xué)模式進(jìn)行了分析，然后在此基礎(chǔ)上提出了一種以問題驅(qū)動為核心的教學(xué)模式，并就該模式中的各個環(huán)節(jié)和核心特點給出詳細(xì)的設(shè)計和分析。

關(guān)鍵詞課程設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)模式問題驅(qū)動

1 引言

課程設(shè)計是課堂理論教學(xué)的延伸和補(bǔ)充。作為一門獨立的課程，它應(yīng)該完成如下基本目標(biāo)：應(yīng)能夠完成理論與實踐的結(jié)合，應(yīng)能夠鍛煉學(xué)生的設(shè)計創(chuàng)新能力、分析和解決問題的能力。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)以及相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，同時它也是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程體系中的核心課程之一，它在計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的課程體系，特別是軟件系列課程體系中處于承上啟下、聯(lián)系左右的中心地位。大量的實踐表明，是否學(xué)好數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程對于能否學(xué)好計算機(jī)本科課程有著相當(dāng)重要的作用，同時也對后續(xù)的工作和研究有著深遠(yuǎn)的影響。

現(xiàn)今，各大學(xué)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程和教材的內(nèi)容都主要集中在“基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的闡述和分析、基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用、典型基本算法的適當(dāng)滲透”這三個方面。其中，前兩部分是重點，并占據(jù)了較多的篇幅，而這些內(nèi)容的教與學(xué)離不開大量的實踐，所以在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程教學(xué)中經(jīng)常會有大量的課程實驗作為輔助。

通過進(jìn)一步的深入分析可以看出，上述基本知識的學(xué)習(xí)并不是最終目標(biāo)，而是為到達(dá)最終目標(biāo)打下的基礎(chǔ)。顯然，從計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的知識體系可以看出：如圖1所示，學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法更深層次的目標(biāo)是能夠針對實際問題來選擇、擴(kuò)展甚至是設(shè)計全新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后設(shè)計相應(yīng)的存儲結(jié)構(gòu)并加以實現(xiàn)，從而最終完成問題的求解?？梢钥闯?，這一過程是一個融會貫通的過程，是不能通過課程實驗完成的，也不可能在課堂教學(xué)中就可以建立完整意識的，所以在課程之后需要進(jìn)行課程設(shè)計。

為此，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程設(shè)計應(yīng)能達(dá)到如下基本目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本知識來分析問題、解決問題的綜合能力；幫助學(xué)生建立計算機(jī)問題求解的全局意識，主要是通過認(rèn)識數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在問題求解中的地位來完成全局認(rèn)識的建立（這一全局認(rèn)識如圖1所示）；訓(xùn)練學(xué)生從系統(tǒng)的、規(guī)范的觀點來進(jìn)行計算機(jī)問題的分析、設(shè)計、編碼、測試等。

上面分析得出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的課程設(shè)計目標(biāo)是符合一般的課程設(shè)計規(guī)律的。但數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程具有自身的、明顯區(qū)別于其他課程的地方，再結(jié)合計算機(jī)專業(yè)的特點，就決定了還需要分析并建立適合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程設(shè)計特點的教學(xué)模式。所以本文在第2節(jié)就數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程設(shè)計和其他課程的課程設(shè)計進(jìn)行了對比分析，在第3節(jié)提出了一種基于問題驅(qū)動的教學(xué)模式，并就其中的關(guān)鍵部分給出了詳細(xì)的描述。

2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計的特點分析

任何事物都是一般性和特殊性的統(tǒng)一，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程設(shè)計也是一樣的。和許多其他課程的課程設(shè)計一樣，它有著課程設(shè)計的共性，也有自身的特性。經(jīng)過和其他課程的課程設(shè)計的對比，作者認(rèn)為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的課程設(shè)計主要具有如下特殊性。

2.1不具有明顯的整體性

這是由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程本身的特點決定的。由于該課程的核心內(nèi)容主要集中于對各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識上，雖然各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間總是存在許多內(nèi)在的聯(lián)系，但總的來說還是自成體系、較為獨立的。

就這一點而言，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程就和其他許多課程存在不同，也就使得數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程設(shè)計具有相應(yīng)的特點。比如計算機(jī)組成原理的課程設(shè)計，可以通過做一個完整的、簡化的計算機(jī)硬件系統(tǒng)（包括的簡化的存儲器、控制器、運算器等部件）來完成課程內(nèi)容的全面訓(xùn)練，并讓學(xué)生建立對計算機(jī)組成的整體認(rèn)識。機(jī)械原理的課程設(shè)計可以是一個簡單的機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計，完成對機(jī)械原理各部分內(nèi)容的綜合訓(xùn)練。而對于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的課程設(shè)計來說，幾乎不可能構(gòu)造一個題目把所有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都包含進(jìn)去。實際上這樣做是毫無意義的，因為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身就是不斷擴(kuò)展的，在學(xué)習(xí)、掌握基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上能夠?qū)χR加以擴(kuò)展并靈活運用才是真正重要的。

所以在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的課程設(shè)計中，應(yīng)強(qiáng)調(diào)問題求解能力的培養(yǎng)，而不像其他課程的課程設(shè)計那樣來強(qiáng)調(diào)綜合設(shè)計能力。

2.2課程內(nèi)容具有很強(qiáng)的可伸縮性

從發(fā)展?fàn)顩r來看，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的發(fā)展是極其迅速的，不斷地有新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和新的算法出現(xiàn)，而且針對不同的問題，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法可以做出非常靈活的調(diào)整。在這一點上它和許多其他課程不同，比如操作系統(tǒng)中可能會不斷出現(xiàn)各種各樣的調(diào)度算法，但都集中在進(jìn)程管理中，并總歸結(jié)于資源管理這一基本框架下，只要馮·諾伊曼體系結(jié)構(gòu)不變，操作系統(tǒng)的資源管理框架就不會改變。而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就不同，如就樹結(jié)構(gòu)而言，二元樹雖然在概念上較為規(guī)整，但在實際問題中，大多都采用樹結(jié)構(gòu)的變形，如B樹以及其他新型變形等，似乎兩者都可成為教學(xué)的重點。

正是因為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的可收縮性，培養(yǎng)針對問題的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計能力才是最重要的。

2.3具有極其廣泛的滲透性

計算機(jī)問題領(lǐng)域包括許多其他行業(yè)的問題，如經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域問題，只要涉及到對數(shù)據(jù)的組織與處理，都能或多或少地找到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的用武之地，所以培養(yǎng)依托數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成各類問題求解的“嗅覺”是十分必要的。

總的來說，基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的特點，建立起與之相匹配的課程設(shè)計教學(xué)模式，這樣才能更好地完成教學(xué)。

3基于問題驅(qū)動的課程設(shè)計教學(xué)模式

在以上分析基礎(chǔ)上，如圖2所示，本文提出一種基于問題驅(qū)動的課程設(shè)計教學(xué)模式。

3.1問題來源

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程設(shè)計的問題來源（即教學(xué)內(nèi)容）主要包括：基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在解決實際問題中的應(yīng)用；基本的算法策略在解決實際問題的應(yīng)用；新興數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)問題；新興算法的相關(guān)問題及實踐；經(jīng)典問題的經(jīng)典算法；典型系統(tǒng)的計算機(jī)模擬；需自行設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法來解決的實際問題。

3.2問題描述

在問題的描述上，側(cè)重于用半自然語言進(jìn)行描述。完全的形式化描述將減少問題分析能力的培養(yǎng)力度，完全的自然語言描述有包含太少的啟發(fā)信息。

一般來說，要求問題的描述必須能夠清晰地說明問題的含義和目標(biāo)，并就采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)亟o出啟發(fā)，其中，也可以設(shè)計一些題目故意將問題的目標(biāo)隱去，加強(qiáng)對學(xué)生問題定義能力的培養(yǎng)。

3.3問題求解的迭代性

問題求解是不能夠一蹴而就的，一開始設(shè)計（選取）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法往往存在這樣或那樣的問題，建立逐步求精、多次迭代的問題求解思維是必要的。

為此，我們需要在學(xué)生的課程設(shè)計過程中，鼓勵學(xué)生對其解決方案進(jìn)行理論分析和實驗分析，鼓勵學(xué)生大膽提出優(yōu)化方案，鼓勵其積極主動的創(chuàng)新意識。

3.4結(jié)論形成

最終的結(jié)論（體現(xiàn)為課程設(shè)計報告）應(yīng)以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述為核心，并集中體現(xiàn)如何針對問題來完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化。

其中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述應(yīng)以抽象數(shù)據(jù)型(ADT)為基本手段，并在抽象數(shù)據(jù)型的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生深刻理解和掌握數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、特點、基本操作和存儲結(jié)構(gòu)的特點、實現(xiàn)和優(yōu)化，并引導(dǎo)學(xué)生在實際應(yīng)用中有意識地去為實際問題選擇恰當(dāng)?shù)拇鎯Ρ硎尽?/p>

結(jié)果分析應(yīng)采用理論分析和實驗分析并重的方式，應(yīng)適當(dāng)加大實驗分析的力度，使得學(xué)生能在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上形成總結(jié)并產(chǎn)生啟發(fā)，最終能形成問題求解過程的全局意識。

3.5結(jié)果考核

鼓勵學(xué)生選擇需要設(shè)計新型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（至少需要對已有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作出修正）的題目，而不僅僅是實現(xiàn)一個定義明確的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；鼓勵優(yōu)化方案的提出、分析和驗證；鼓勵學(xué)生擴(kuò)展知識體系，并建立問題求解的修養(yǎng)；鼓勵創(chuàng)新意識和主動學(xué)習(xí)意識的培養(yǎng)。

4 結(jié)束語

針對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程設(shè)計的一般性和特殊性分析，本文在提出該課程設(shè)計的基本要求后，更提出了適合于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程設(shè)計的“以問題求解為核心”的教學(xué)模式。近年來，經(jīng)過對計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生的多次實踐，可以看出，這一模式可以取得很好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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