數據結構實驗課教學改革與實踐

摘要：為了使學生在掌握好基本實驗技能的基礎上，充分發揮其學習的主觀能動性，全面提高學生的綜合素質，本文介紹了在數據結構實驗課的教學內容、教學方法及考核體系等方面所進行的有益的教學改革探索和一些經驗與體會。

關鍵詞：實驗課教學；教學改革；數據結構

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

文章編號：1672-5913(2007)12-0053-03

數據結構課程是信息與計算科學專業的主要基礎課程之一，其實驗課的教學是整個教學環節中的一個重要子系統。但是，傳統的數據結構實驗教學是“灌輸式”的，從實驗目標、內容、步驟、注意事項，甚至程序的調試以及可能的實驗結果都面面俱到地由老師講解，然后由學生“按方抓藥”地操作。這使學生處于消極被動的地位，影響其學習主觀能動性的發揮，嚴重阻礙了學生的全面綜合素質的培養。為了能在實驗教學中充分培養學生的動手能力和創造能力，使其掌握基本的算法設計與程序設技能，提高綜合素質，我們在教學內容、教學方法及實驗考核體系等方面做了改革。

1更新教學內容：實現實驗課程與設計課程分學期開設

由于基礎實驗課程的教學重點是打基礎，主要是為將來高年級綜合性的專業實驗課或科研工作提供基本方法、基本技能和科學思維的保障。因此，教學內容必須要立足于基本技能、基本方法的講授，不能片面追求革新而動搖“雙基”教學。我們的具體調整方法是將基礎實驗內容進行優化、組合，使其具有從易到難、由基礎到綜合的獨立系統性。同以往相比，它打破了實驗課依附于一門相應的理論課的教學模式，既不受理論課教學進程的制約，而又與理論課教學相互配合。

數據結構設計課程是學生在學完C/C++語言和數據結構兩門課后，進行知識綜合訓練的一個實踐環節。其教學目的主要是培養學生的知識綜合能力、軟件開發能力和軟件的調試技術。數據結構實驗課和設計課是面向本科二年級學生開設的基礎實踐課程。但這兩門課程各具特點而教學側重點有所不同。數據結構實驗課是一種驗證型的教學模式，將課堂上所學的理論知識與計算機上機實踐相結合，通過利用高級語言環境對書本上的算法進行驗證，從而達到鞏固理論知識的目的。而數據結構設計課教學的指導思想是重視理論知識的綜合應用，強調整個過程的參與和學習，發揮學生學習的主動性，激發學生的學習興趣和創造力，培養學生的團隊精神和協作意識。根據上述特點，我們于2006年將這兩門實踐課程分別在不同的學期開設。數據結構實驗課在前，重基礎，重驗證；數據結構設計課在后，重綜合，重設計。通過適當調整實踐內容，使得前后科學合理地銜接。從實際教學情況來看，我們的改革取得了成功。通過這種獨立的連續實踐課程的學習，學生無論是在實踐基本功還是在綜合實踐能力方面都得到了明顯提高。

數據結構實驗課的傳統教學內容以驗證型實驗為主，幾乎沒有綜合型或設計型實驗。我們考慮到本學科的特色，刪除了部分落后的驗證型實驗項目，保留有價值的驗證型和技能型實驗內容，大幅度地增加新的探索型實驗內容，或將原先的驗證型實驗改為探索型實驗。例如，以前在做“Huffman樹及Huffman編碼”實驗時，從算法的理解、算法的實現過程以及可能的輸出結果等都由教師詳細講解，學生只要在計算機上編輯并調試通過就可以了。現在，我們要求學生在教師上課講解相關理論知識后，自己動手編輯、調試并出結果，尤其是選擇其中權值最小的兩個結點的簡單算法，需要學生自己編寫，同時要求學生思考有幾種不同的方法實現Huffman編碼算法。做完實驗后，還引導學生思考Huffman編碼的解碼算法應該如何設計和實現。由于學生須獨立地完成這一系列過程，不僅掌握了較復雜算法的驗證及實現方法，還體驗了算法設計的過程，了解了與Huffman編碼算法相關聯其它知識，更重要的是鍛煉了學生的動手能力，培養了他們的探索精神和創新能力，使我們的教學取得了事半功倍的效果。

2革新教學方法：充分調動實驗過程中的學習主體

華裔科學家楊振寧先生在比較中美的教學方法時指出：中國傳統的教學方法重演繹、推理、按部就班，所以嚴謹認真，基礎扎實，但缺少創新意識；美國的教學方法重歸納、分析、滲透、綜合，是一種“體會式”的教學方法，其效果是獨立思考能力和創造能力強，易于較快地進入科學發展的前沿，但根基不扎實。如何讓兩種教學方法取長補短，充分調動學生的主觀能動性，激發學生創造性思維，這就要求我們對傳統的教學方法進行一系列的改革。我們根據數據結構實驗教學的指導思想和教學原則，考慮到培養計劃的要求，對每一次實驗課都進行精心地策劃，主要從課前預習階段、實踐體驗階段和成果交流階段等三個階段共五個方面進行改革：

2.1課前預習階段

要求學生課前充分預習，并要求學生初步了解實驗目的和原理、實驗環境的使用、操作方法和實驗步驟等。教師在講課之前或講課過程中通過提問以檢查預習的情況，經常鼓勵學生自由發言，大家共同探討實驗原理、實驗方案以及實驗技術難點等，必要時還要介紹上機環境及算法在相應數據結構中的地位和作用，包括使用的編程環境，在驗證算法過程中需要注意的問題，講解如何查找相關資料，并展示歷屆學生的實驗報告樣本等。通過課前預習，保證了學生在實驗前有了足夠的理論儲備，使學生在實驗中思路清晰，能及時發現問題，其分析問題和解決問題的能力也得到增強，也就更易于取得實驗的成功。

2.2實踐體驗階段

上機實驗的過程是實驗成敗的關鍵，我們一方面培養學生在實驗過程中養成做實驗記錄的良好習慣，另一方面引導學生在實驗過程中積極思維。實驗記錄是描述實驗過程并為實驗后提供相關感性認識的原始資料，同時也是寫好實驗報告的前提，因此要求學生在實驗中邊操作、邊思考、邊記錄。我們認為，實驗記錄絕不是實驗步驟的簡單拷貝，它應包括實驗操作過程中每一個步驟的調試分析、調試數據設定、程序運行中間結果及其算法的結果描述。另外，實驗記錄中要體現出實驗者的思維過程，即實驗者是如何理解每一個實驗步驟，其目的和原理是什么，關鍵在哪里，可否有更好的改進方法等等。當得到的實驗結果與預期不符時，要求學生深入思考，分析其產生問題的根源，是程序設計不當，還是上機環境的改變等，從而培養學生具有從事科學研究所必須的嚴肅的科學態度、嚴謹的工作作風和分析問題、解決問題的能力。學生在每次實驗結束后，要將實驗記錄交給教師檢查、簽字后才能離開實驗室。

引導學生積極思考，有效保證實驗質量。在實驗教學過程中，我們不再充當“保姆”的角色，而是放開學生的手腳，使他們能發揮出最大的主觀能動性。實驗開始前，教師充分運用多媒體教學設備，生動、詳實地向學生闡述算法的基本原理及其該算法應用前景等，激發學生探究算法設計與實現的興趣。對于實驗操作過程，只是簡單敘述，將大體的步驟和相關的注意事項粗略地寫在黑板上，供他們參考。在實驗進行過程中，教師融入到學生當中，與他們進行雙向的交流，針對學生在實驗中出現的錯誤，采用提示和設疑的方法讓他們自己動腦調試程序并糾正程序錯誤。這使學生對實驗方法以及操作過程認識深刻而記憶牢固，很快地提高了實驗操作技能，有效地培養了他們獨立思考能力。

數據結構實驗課中有很多驗證型的實驗內容是不可刪除的。對此，我們著手進行一些設計，使其達到良好的教學效果。例如，在做順序表的基本運算上機實驗時，數據的輸入輸出操作步驟很重要，在不同的位置編寫輸入輸出代碼，會直接影響程序的可讀性與正確性。于是我們在實驗指導書中給出了多種輸入輸出方法，而最好的方法則要求學生在實際操作中通過不斷摸索總結得出。又如，在做循環隊列的基本運算上機實驗時，學生通過課前預習和教師講解，得知循環隊列用順序結構存儲，并且采用留空閑單元的方法處理邊界條件問題。但這種算法在實現時受到初始化空間大小的限制，而且會導致操作預留空間而使隊列越界的情況，因而，我們引導學生是否可以從改變隊列的存儲結構和邊界條件處理方法著手解決問題。很多學生通過認真思考，查閱相關資料，提出了很多不同的解決方法，分析了改進循環隊列算法的可行性。通過這種啟發式、研討式的教學方法，真正把驗證性實驗變成了探究性實驗，充分調動了學生的學習積極性，激發了學生的思維。

2.3成果交流階段

一方面要求學生完成高質量的實驗報告，另一方面引導學生廣泛閱讀，開闊視野。實驗報告是對整個實驗過程的總結，要求學生能從實驗的方法、原理、操作步驟、實驗的數據和結果等方面進行分析，掌握其中的基本實驗方法。過去，學生寫實驗報告時，大段地摘抄實驗指導書上的實驗原理和實驗步驟，再附上實驗數據或結果便完成了。這種機械式的實驗報告對于培養學生的能力幾乎沒有絲毫的幫助，也不利于教師對學生學習情況的掌握，無法公平地評定學生的成績，往往是文字抄得多，字跡整潔就可得高分。如今我們要求實驗報告必須包含三部分內容：第一，經任課教師簽字的原始實驗記錄(可以重新整理，但原件必須附上)；第二，實驗中的異常情況分析、實驗方法的重新設計或改進、實驗總結等；第三，完成實驗指導書上的思考題，完成課外閱讀任務。這樣做，強調了對實驗過程和結果的討論，有利于培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。另外，由于考評體系的改變，使學生不再盲目追求實驗結果的準確性，轉為追求解決問題的方法和過程，實驗過程中關鍵步驟的原理及操作技術成了大家探討的中心話題。

我們在數據結構實驗教學中，除了傳授基本方法和基本技能的同時，還注重積極引導學生了解新方法、新技術，拓寬知識面，激發他們的學習興趣和熱情。例如，我們在介紹內存空間分配問題時，要求學生課外查閱有關“微機原理”方面的知識；在講解排序算法時，引導學生課后收集并整理各種排序方法，進行綜合比較等等。學生在查閱相關資料后，需要寫一段200~300字的小結，作為實驗報告的一部分交給教師查閱。為了不給學生帶來更多的負擔，我們只要求他們對相關知識有大致的了解，不必詳細論述和探討，但學生對此還是表現出了極大的熱情。

3完善考核體系：體現實驗考核的規范性

關于實驗成績的考核，由于過去過分依賴實驗報告的優劣，導致學生不注重實驗過程，片面追求實驗結果的正確性、實驗報告的篇幅和整潔程度，嚴重制約了對學生綜合素質的培養。因此，必須大力革新傳統的考核體制，使考核在學生創新能力的培養過程中能夠發揮積極的導向功能。考核內容不僅包括屬于知識記憶性的內容，還要包括能力內容和實踐內容；考核方式應從有利于教學目標的達成、有利于調動師生參與、有利于課程管理的目的出發，采取教師評分與學生的自評、互評相結合，對實驗報告的評分與對學生的口頭報告、實驗表現和結果展示的評分相結合，定性與定量考核相結合等綜合考核的多種形式。通過各種有效的考核形式，指導和幫助學生在平時的實驗過程中培養擴散思維、求異思維、逆向思維等創新思維能力，促使學生開放性個性及創新精神的養成。

在數據結構實驗課教學中，我們主要綜合考慮學生的實驗態度、基本方法和技能的掌握程度，考核學生在實驗過程中獨立思考的能力和發現問題、分析問題、解決問題的能力等，從多方面評定實驗成績。各項所占比例如下：

改革后的實驗課考核方法，既調動了學生學習的積極性，提高了他們對實驗課的重視程度，又保證了成績評定的客觀性和公正性，提高了實驗教學的質量。

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作者簡介：龔紅仿(1968-)，男，碩士，副教授，主要從事計算機教學與研究工作。

基金項目：長沙理工大學教改項目資助(編號：JG0630)。