非計(jì)算機(jī)專業(yè)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐

摘要：本文首先明確了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性；然后詳細(xì)闡述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的思想和具體方法，并給出了具體實(shí)施辦法；最后分析總結(jié)了實(shí)施效果。教學(xué)結(jié)果表明，通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐，學(xué)員對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣、掌握程度以及綜合分析能力都有了明顯提高。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；實(shí)驗(yàn)；知識(shí)層；應(yīng)用層；綜合層

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5913(2007)12-0003-03

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”是設(shè)計(jì)和開發(fā)系統(tǒng)軟件和應(yīng)用程序的基礎(chǔ)，是一門理論性和實(shí)踐性均比較強(qiáng)的課程，課程概念多、技巧性強(qiáng)。非計(jì)算機(jī)專業(yè)開設(shè)的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課和計(jì)算機(jī)專業(yè)開設(shè)的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課相比，重要的差別之一就是授課時(shí)間和實(shí)驗(yàn)時(shí)間相對(duì)較少。為了使非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)員在課時(shí)減少的情況下，仍能系統(tǒng)地掌握“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”的基本內(nèi)容，在教學(xué)中合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)就顯得十分重要和必要。

本文通過對(duì)非計(jì)算機(jī)專業(yè)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程內(nèi)容的研究和對(duì)學(xué)員狀況的分析，對(duì)非計(jì)算機(jī)專業(yè)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)做了一些有益的探索和實(shí)踐。

1實(shí)驗(yàn)課設(shè)計(jì)的重要性

在從事“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”的教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)員們普遍感到理解授課內(nèi)容并不困難，完成習(xí)題卻困難重重，尤其是上機(jī)實(shí)驗(yàn)題，常常感到無(wú)從下手。對(duì)于學(xué)員來(lái)說(shuō)，如果不能較好地解決上機(jī)實(shí)驗(yàn)問題，就有可能在學(xué)完這門課后，不知道自己到底學(xué)了些什么，更不知道如何應(yīng)用。因此，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，如何引導(dǎo)學(xué)員循序漸進(jìn)地學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，使學(xué)員在較短的時(shí)間內(nèi)掌握課程內(nèi)容，是十分重要的。

2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路和實(shí)現(xiàn)

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本思路

教學(xué)過程中我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)員的情況千差萬(wàn)別，不同學(xué)員的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和學(xué)習(xí)能力各不相同，如果用同樣的尺度要求學(xué)員，則往往起不到良好的教學(xué)效果。為了達(dá)到因材施教的目的，在進(jìn)行“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)時(shí)，既要重視理論知識(shí)的重現(xiàn)，又要盡量聯(lián)系實(shí)際；既要考慮學(xué)員對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，又要考慮培養(yǎng)學(xué)員解決實(shí)際問題的能力；既要考慮學(xué)員總體的基礎(chǔ)，又要考慮學(xué)員個(gè)體的差異；既要考慮知識(shí)性和應(yīng)用性，又要考慮趣味性。因此，我們采用層次化設(shè)計(jì)思想，把實(shí)驗(yàn)自下而上分為知識(shí)層、應(yīng)用層和綜合層三個(gè)層次。實(shí)驗(yàn)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下(見圖1)：

知識(shí)層注重對(duì)知識(shí)的理解和掌握，應(yīng)用層重點(diǎn)在于鞏固與應(yīng)用，綜合層則關(guān)注綜合與創(chuàng)新。知識(shí)層為應(yīng)用層和綜合層的基礎(chǔ)，綜合層為知識(shí)層和應(yīng)用層的提高和深化。

對(duì)基礎(chǔ)較弱的同學(xué)給出一個(gè)最低要求，即獨(dú)立完成知識(shí)層實(shí)驗(yàn)；對(duì)大部分同學(xué)要求其能完成教學(xué)基本要求，即獨(dú)立完成應(yīng)用層實(shí)驗(yàn)；對(duì)極少數(shù)思維特別活躍的同學(xué)提出更高的要求，進(jìn)一步激發(fā)他們挑戰(zhàn)自我的意識(shí)，建議他們?cè)谕瓿蓱?yīng)用層實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，完成綜合層實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，要求基礎(chǔ)較弱的學(xué)員從知識(shí)層次做起，逐步提升自己，最終達(dá)到教學(xué)基本要求。

2.2知識(shí)層實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

知識(shí)層實(shí)驗(yàn)以理解和掌握基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念及其基本操作為目的，內(nèi)容為“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”最主要和最重要的知識(shí)點(diǎn)，包括順序表、鏈表、棧、隊(duì)列、串、二叉樹、圖、查找、排序等內(nèi)容。在知識(shí)層中，為每個(gè)知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)員在各章節(jié)內(nèi)容結(jié)束后，完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。知識(shí)層實(shí)驗(yàn)與課堂知識(shí)的講授相輔相成，是強(qiáng)化學(xué)員理解和掌握知識(shí)的一種訓(xùn)練手段。從知識(shí)點(diǎn)出發(fā)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)以學(xué)員掌握理論知識(shí)為主，能夠鞏固和加深學(xué)員對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和應(yīng)用。知識(shí)層實(shí)驗(yàn)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，與授課內(nèi)容聯(lián)系直接，學(xué)員容易完成。

例如在講授了順序表后，我們安排了一個(gè)關(guān)于順序表的實(shí)驗(yàn)，它的目的是鞏固和加深學(xué)員對(duì)順序表的存儲(chǔ)以及插入、修改、刪除等算法的理解和實(shí)現(xiàn)。

2.3應(yīng)用層實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

應(yīng)用層實(shí)驗(yàn)以鞏固和應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本知識(shí)為目的，是實(shí)驗(yàn)整體結(jié)構(gòu)的中間層，起著承上啟下的作用。應(yīng)用層實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐的結(jié)合，讓學(xué)員體會(huì)到“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”不是抽象的理論，而是一門與實(shí)踐緊密聯(lián)系、非常有趣味的課程，從而激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣。

應(yīng)用層實(shí)驗(yàn)以社會(huì)生活中具體問題為背景，由學(xué)員獨(dú)立分析和選擇具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法來(lái)解決問題，主要考慮培養(yǎng)學(xué)員解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)考慮實(shí)驗(yàn)的趣味性。

如：約瑟夫(Joseph)問題是一個(gè)實(shí)際問題，也是一個(gè)一題多解的問題；既可以利用循環(huán)隊(duì)列求解，也可以利用循環(huán)鏈表求解，還可以利用靜態(tài)鏈表求解。通過對(duì)同一問題尋找不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法來(lái)求解，開闊學(xué)員的思路，培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)造性思維，同時(shí)通過比較不同的算法，發(fā)現(xiàn)算法的適用范圍，培養(yǎng)學(xué)員靈活運(yùn)用多種方法解決實(shí)際問題的能力。

2.4綜合層實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

應(yīng)用層實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)主要考慮單個(gè)知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用，綜合層實(shí)驗(yàn)則考慮多個(gè)知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用，知識(shí)覆蓋面廣。

綜合層實(shí)驗(yàn)以綜合和創(chuàng)新為目的，是實(shí)驗(yàn)整體結(jié)構(gòu)的最高層，是對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)的升華，是學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的真正目的。綜合層實(shí)驗(yàn)需要學(xué)員針對(duì)較為復(fù)雜的問題，選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，甚至改造基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)算法。因此，通過綜合層實(shí)驗(yàn)，學(xué)員才能真正掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的精髓，在靈活創(chuàng)新的應(yīng)用中體會(huì)到“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法=程序”這一重要思想。

例如，利用表達(dá)式計(jì)算實(shí)驗(yàn)完成撲克牌的24點(diǎn)游戲。24點(diǎn)游戲中，表達(dá)式的錄入、合法性判斷與計(jì)算以及運(yùn)算符優(yōu)先級(jí)的判斷等涉及字符串的處理、順序表的存儲(chǔ)、棧的應(yīng)用、圖的應(yīng)用以及HASH表技術(shù)等多知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用。

3設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施

為了配合實(shí)驗(yàn)的有效實(shí)施，需要加強(qiáng)對(duì)上機(jī)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)和管理。

3.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

麻雀雖小，五臟俱全，即便是一個(gè)小小的實(shí)驗(yàn)，也應(yīng)要求學(xué)員按照軟件工程的思想進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。良好的開端是成功的一半，第一次實(shí)驗(yàn)前，給學(xué)員簡(jiǎn)單介紹軟件工程的思想并按照軟件工程的思想簡(jiǎn)短分析第一次實(shí)驗(yàn)，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)中做好及時(shí)輔導(dǎo)，指導(dǎo)學(xué)員盡量利用DEBUG的各種功能，提高調(diào)試效率。驗(yàn)收時(shí)，要求每個(gè)學(xué)員首先介紹設(shè)計(jì)思路，再對(duì)照源程序講解，最后運(yùn)行程序，得出結(jié)果，以檢查學(xué)員對(duì)知識(shí)的掌握程度，同時(shí)避免了抄襲現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)報(bào)告除須包括需求分析、總體設(shè)計(jì)、界面設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和測(cè)試用例等內(nèi)容外，還須包括調(diào)試過程中遇到的問題、解決問題的方法以及經(jīng)驗(yàn)體會(huì)，并附上源程序代碼。

這樣的過程雖然繁瑣，學(xué)員一開始不太習(xí)慣，卻能使學(xué)員受益匪淺。例如，有的學(xué)員在體會(huì)中談到，第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面花費(fèi)了很多時(shí)間，但第二次實(shí)驗(yàn)時(shí)，很快就完成了人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)。還有的學(xué)員談到，通過對(duì)軟件工程思想的了解，意識(shí)到改錯(cuò)不如防錯(cuò)，目的不明、思路不清、結(jié)構(gòu)不好的程序可能根本無(wú)法調(diào)試。

3.4實(shí)驗(yàn)講評(píng)

及時(shí)總結(jié)實(shí)驗(yàn)情況，演示較好的設(shè)計(jì)，展示較好的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，指出優(yōu)點(diǎn)和不足，提出改進(jìn)意見，使學(xué)員在下一次實(shí)驗(yàn)中避免發(fā)生類似的不足。

例如，第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)，有的學(xué)員不知如何進(jìn)行測(cè)試，程序調(diào)試通過后，簡(jiǎn)單地用幾個(gè)數(shù)據(jù)運(yùn)行一下就滿意了；有的學(xué)員不知如何設(shè)計(jì)友善的界面。實(shí)驗(yàn)講評(píng)后，學(xué)員深受啟發(fā)，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)步很大。

3.5課外指導(dǎo)

在計(jì)算機(jī)較為普及的今天，很多學(xué)員都擁有自己的計(jì)算機(jī)，他們非常希望多練習(xí)，卻苦于找不到合適的實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)后，可根據(jù)課程進(jìn)度，安排相應(yīng)內(nèi)容的課外實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)員根據(jù)自己的實(shí)際情況，有選擇地上機(jī)實(shí)驗(yàn)，獲得更多的實(shí)踐體會(huì)。

4分析與結(jié)論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，我們?cè)谧詣?dòng)化與仿真專業(yè)的兩期學(xué)員中進(jìn)行了試點(diǎn)，例如，將“利用棧進(jìn)行表達(dá)式計(jì)算”的上機(jī)實(shí)驗(yàn)劃分成這樣三個(gè)層次：知識(shí)層的要求是，根據(jù)授課內(nèi)容，建立空棧，進(jìn)行入棧、出棧和讀棧頂元素算法的實(shí)現(xiàn)；應(yīng)用層的要求是，輸入一個(gè)表達(dá)式，可以進(jìn)行帶括號(hào)的四則運(yùn)算；綜合層的要求是，利用表達(dá)式計(jì)算，設(shè)計(jì)完成24點(diǎn)游戲軟件。我們發(fā)現(xiàn)，通過這些實(shí)驗(yàn)，學(xué)員對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣、掌握程度以及對(duì)問題的綜合分析能力與以前相比都有了明顯的提高。

參考文獻(xiàn)

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