普通高校“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實驗教學(xué)問題與對策

摘要：本文針對三本院校實際情況，通過對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)的分析，發(fā)現(xiàn)實驗教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題并提出解決問題的相應(yīng)對策。在解決對策的論述中著重討論了實驗教學(xué)環(huán)境的設(shè)計，為開發(fā)新的實驗軟件在需求上進行了探討。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；實驗；教學(xué)；問題；對策

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-5913(2007)10-0026-03

1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗的重要性

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”是計算機專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程與核心課程 [1， 2]，內(nèi)容包括數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)以及運算。不論是存儲結(jié)構(gòu)的設(shè)計，還是運算的算法設(shè)計，都必須考慮存儲空間的開銷和運行時間的效率。因此，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程不僅講授數(shù)據(jù)信息在計算機中的組織結(jié)構(gòu)和表示方法，同時也訓(xùn)練高效地解決復(fù)雜問題程序設(shè)計的能力[3]。

專家指出，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容定位在以下兩個方面：基本數(shù)據(jù)的描述與組織，基本數(shù)據(jù)處理方法的算法設(shè)計。這兩個方面最終都要通過計算機語言來實現(xiàn)。目前在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)過程中大多采用C語言或者C++語言作為描述語言[4]。經(jīng)過理論學(xué)習(xí)，學(xué)生在實驗課上借助C語言或C++語言編譯器編寫程序來描述并組織數(shù)據(jù)或者實現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法。實驗著眼于原理與應(yīng)用的結(jié)合點，使學(xué)生學(xué)會如何把書本上和課堂上學(xué)到的知識用于解決實際問題。有了理論課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，再通過實驗課程的練習(xí)，可使學(xué)生深化理解教學(xué)內(nèi)容，掌握經(jīng)典算法的精髓并將它們運用到程序設(shè)計的實踐過程中。

要達到這樣的實驗教學(xué)目的，就要借助一門程序設(shè)計語言，通過編寫程序來達到訓(xùn)練的目的。而編寫程序過程中，上機實驗對程序進行調(diào)試是必不可少的。但是在實際教學(xué)過程，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的實驗教學(xué)效果并不盡人意。

2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)存在的問題

獨立學(xué)院與一本二本院校相比，學(xué)生知識層次低，而且大都沒有系統(tǒng)地養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣。加上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程本身具有一定的復(fù)雜性和抽象性，在理論教學(xué)中學(xué)生對理論知識理解較困難，在實踐教學(xué)中學(xué)生的實驗動手能力相對薄弱。目前在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗課程教學(xué)環(huán)節(jié)中多使用IDE環(huán)境，程序編譯器相對比較復(fù)雜，如Boland C++ Builder，Microsoft Visual C++等。學(xué)生在程序設(shè)計課程中雖然有可能使用過這些編譯環(huán)境，但是復(fù)雜的編輯、鏈接和編譯過程仍然使學(xué)生在實驗課堂上難以將注意力放在算法分析和實現(xiàn)上。這些編譯器在執(zhí)行程序時，除了對程序語法本身進行提示外，對算法的運行過程沒有任何提示或解釋，學(xué)生只能通過編譯器調(diào)試工具或程序執(zhí)行結(jié)果的正確與否來判斷算法實現(xiàn)是否正確。有的即便程序正確通過，但是學(xué)生仍然無法察覺算法上的不當(dāng)。

另外，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的核心是算法設(shè)計，不能等同于程序設(shè)計。算法是局部的，而程序設(shè)計是全局的。程序設(shè)計能力包括算法設(shè)計能力、全局組織能力和實際動手能力。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)強調(diào)的是基本數(shù)據(jù)組織與基本處理方法，應(yīng)該注重基本算法設(shè)計能力的培養(yǎng)，用這些基本內(nèi)容構(gòu)成程序設(shè)計的核心。對于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗課程本身而言，很多實驗都是基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的運用，學(xué)生也只希望編寫一兩個函數(shù)或者語句片段來實現(xiàn)算法。但是在普通的編譯環(huán)境中要實現(xiàn)一個算法，就不得不把一個完整的程序編寫出來，涉及了很多程序設(shè)計方面的知識。學(xué)生課堂時間有限，在課堂上完成實驗往往時間緊張，而且這還是在程序設(shè)計非常熟練的情況下。這樣就造成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗課上學(xué)生不能集中注意力來對算法進行分析和研究，而只著眼于怎么把程序調(diào)通，偏離了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)的方向，很難達到實驗教學(xué)的目的。

3對策

3.1合理組織實驗教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，在遵循教育部高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會對于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)提出的基本要求前提下，通過對計算機專業(yè)課程體系和教學(xué)目標(biāo)的深入了解，對計算機應(yīng)用需求和能力培養(yǎng)的研究，來合理組織理論教學(xué)和實驗教學(xué)內(nèi)容，編寫合適的實驗教學(xué)大綱。在實驗教學(xué)大綱中，突出算法思想的重要性，強化經(jīng)典算法，注重啟發(fā)和思想訓(xùn)練，為學(xué)生留下思維創(chuàng)新的余地。

3.2設(shè)計實驗教學(xué)軟件

通過對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗課程中存在的問題進行分析，我們發(fā)現(xiàn)，要在有限的實驗課時間內(nèi)收到良好的效果，關(guān)鍵是要有一套專門針對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗的軟件環(huán)境。有了專門的實驗環(huán)境，可以使學(xué)生在實驗課上越過程序設(shè)計的細枝末節(jié)。對于一些在特別數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)的算法，學(xué)生不必花費時間自定義存儲結(jié)構(gòu)，可由教師預(yù)先定義好，而學(xué)生只要編程實現(xiàn)實驗任務(wù)要求的算法就可以了。這樣就節(jié)約了學(xué)生上機實驗的時間，能將注意力集中在算法的討論、實現(xiàn)以及應(yīng)用上，可大大提高實驗教學(xué)的效率。另外，在專門軟件環(huán)境下對數(shù)據(jù)存儲狀態(tài)的實時提示下，程序?qū)?shù)據(jù)的操作一目了然，便于學(xué)生對算法的分析以及算法對數(shù)據(jù)操作過程的理解，使實驗效果大大增強。

以C/C++語言版數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)為例，據(jù)了解，目前國內(nèi)高校數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的實驗大都是依賴現(xiàn)有的商業(yè)程序設(shè)計軟件，如Turbo C，Microsoft Visual C++等。2006年4月在北京舉行的“全國高校計算機課程研修班”上，清華大學(xué)的嚴(yán)蔚敏等教授和專家向全國參會高校教師介紹了兩套專門用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)的軟件系統(tǒng)。一套是基于B/S模式的“清華大學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法練習(xí)系統(tǒng)”，另一套是基于計算過程可視化交互集成環(huán)境的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編程作業(yè)系統(tǒng)Anyview C”。其中“清華大學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法練習(xí)系統(tǒng)”提供學(xué)生、教師和管理員三種角色的操作。教師用戶將需要由學(xué)生完成的算法練習(xí)題分解成題目部分和學(xué)生填寫部分存入后臺數(shù)據(jù)庫。學(xué)生填寫部分往往是算法實現(xiàn)的關(guān)鍵代碼。學(xué)生用戶使用瀏覽器打開題目，完成程序的編輯并提交。程序的編譯、鏈接和執(zhí)行都在服務(wù)器端完成。在程序執(zhí)行過程中還能根據(jù)算法執(zhí)行過程在學(xué)生用戶端給出執(zhí)行過程提示。這樣，學(xué)生在做數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法練習(xí)時就不必在意編譯環(huán)境的具體使用而把注意力集中在算法實現(xiàn)上。另外，對于運用在特殊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的算法，學(xué)生也就不必花費時間去定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)而由教師用戶事先把用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義好，使實驗有的放矢。“Anyview C”系統(tǒng)則是基于C/S模式。客戶端軟件把程序編輯器、編譯器和調(diào)試器集成在一起，供學(xué)生利用C語言進行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗練習(xí)，并配有算法執(zhí)行過程的動畫演示。該系統(tǒng)可供教師對學(xué)生的練習(xí)作業(yè)進行管理、批閱，有很好的教師管理功能。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜功能強大，在功能使用上可以說是同類軟件的典范。

“他山之石，可以攻玉”。目前這兩套軟件還在推廣試用階段，而且都是基于C語言描述，以這兩套軟件為藍本，綜合兩套軟件系統(tǒng)的優(yōu)點并結(jié)合自己院校的實際情況設(shè)計一套適用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)軟件，對于增強實驗教學(xué)效果有著立竿見影的功效。新的軟件系統(tǒng)可以以流行的程序設(shè)計語言C++或者Java為算法描述語言，基于瘦客戶的B/S模式構(gòu)建。這樣利于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的廣泛開展，并和現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺結(jié)合，利用成熟的服務(wù)器技術(shù)以及多媒體和流媒體技術(shù)，構(gòu)建具有良好交互性和趣味性的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，操作簡單，教師用戶對學(xué)生用戶和學(xué)生練習(xí)作業(yè)有完善的管理和控制功能，能靈活更新和共享軟件系統(tǒng)中的題目，有利于教學(xué)內(nèi)容的更新和交流。

3.3編寫實驗指導(dǎo)書

在實驗教學(xué)中，一本良好的實驗指導(dǎo)教材也是必不可少的。根據(jù)理論教學(xué)和實驗教學(xué)要求，結(jié)合實驗教學(xué)軟件，編寫出的實驗指導(dǎo)書要形象生動、通俗易懂。在每個實驗中，可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容安排使用實驗教學(xué)軟件中相關(guān)的題目，并對實現(xiàn)步驟給出提示。對于教學(xué)內(nèi)容中的重點和難點還可以在實驗指導(dǎo)書中結(jié)合實驗進一步解析和拓展，使學(xué)生能對所學(xué)內(nèi)容深入理解和掌握，做到舉一反三并能靈活運用到實際程序設(shè)計和開發(fā)中。

不可否認的是，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)中使用專門的實驗環(huán)境在一定程度上會制約學(xué)生對程序設(shè)計的宏觀把握。學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)最終還是為程序設(shè)計提供服務(wù)，而程序設(shè)計能力源于實踐，是實踐的積累。作為彌補，可以在實驗指導(dǎo)書的第二部分安排基于項目的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程實踐。這部分內(nèi)容脫離具體實驗環(huán)境，從項目出發(fā)，由學(xué)生親自設(shè)計一些經(jīng)典問題的完整程序，比如基于環(huán)型鏈表設(shè)計的猴子點兵游戲、約瑟夫環(huán)問題，基于堆棧設(shè)計的漢諾塔游戲、九連環(huán)游戲、迷宮探路游戲、停車場問題，基于圖結(jié)構(gòu)設(shè)計的尋寶游戲，基于樹結(jié)構(gòu)設(shè)計的電報編碼軟件等等。這些程序設(shè)計實踐項目可由學(xué)生在課下自行完成，也可在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程結(jié)束后集中組織學(xué)生完成。通過這些項目可使學(xué)生深刻理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在程序設(shè)計中的實際用途，也使學(xué)生體會到思想的重要性，從而掌握算法思想，自己設(shè)計算法，獲得更開闊的思維空間。

4效果

為了推進實踐教學(xué)改革，結(jié)合我校實際情況，我們進行了長期的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)研究和探索。本著發(fā)現(xiàn)問題、研究對策的原則，在加強實驗教學(xué)管理的同時針對以上問題，按照相應(yīng)的對策進行實施，取得了較好的效果，并且通過興趣小組等活動培養(yǎng)了一批優(yōu)秀學(xué)生，取得了一些顯著成果。我校計算機專業(yè)學(xué)生在全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽中，5年來獲得全國一等獎7項，全國二等獎4項，在大學(xué)生ACM程序設(shè)計競賽浙江賽區(qū)中獲得過銀獎，在浙江省級大學(xué)生多媒體作品設(shè)計競賽中連續(xù)幾年獲得一等獎多項。其中，曹丹等同學(xué)的作品“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)系統(tǒng)（C++）”獲2004年第三屆“浙江省大學(xué)生多媒體作品設(shè)計競賽”一等獎。在課程組老師的指導(dǎo)下，相關(guān)學(xué)生在學(xué)院和系報上發(fā)表了多篇習(xí)作。

5結(jié)束語

對于計算機學(xué)科來說，實驗是教學(xué)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。抓好實驗教學(xué)，加強實驗教學(xué)效果，大力推進實踐教學(xué)改革刻不容緩。可以相信，只要切實地抓好數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)的幾個措施，通過教師和學(xué)生的共同努力，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)改革的步伐將進一步加快，實驗教學(xué)的質(zhì)量將得以更大的提高。

參考文獻

[1] 教育部高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會. 高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告暨專業(yè)規(guī)范（試行）[M]. 高等教育出版社，2006，(9)：112-113.

[2] 嚴(yán)蔚敏，吳偉民. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（C語言版）[M]. 清華大學(xué)出版社，1997.

[3] 楊秀金. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——使用C++語言[M]. 科學(xué)出版社，2004.

[4] 汪沁，楊秀金. “數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”教學(xué)改革與研究[J]. 湖北師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2004，(24)：93-97.

[5] http://algorithm.diy.myrice.com/index.html

收稿時間：2007-1-26

作者簡介：楊慶，男，浙江萬里學(xué)院計算機與信息學(xué)院。

E-mail：yangqing@zwu.edu.cn