內外兼修

　　摘要：通過分析數據結構課程的特點，提出在保證課堂教學質量的前提下，充分利用課內實驗和課外實踐環節來鞏固課堂知識，實現知識向能力的轉化，最終實現改善教學效果的新思路。
　　關鍵詞：課程主線；情景式教學；科學素養；數據結構
　　
　　數據結構是計算機學科的核心課程，是計算機專業后續課程的基礎，主要用于處理非數值計算問題。學習數據結構就是要讓學生掌握數據在計算機中的表示、組織和相應結構上的算法設計，以便學生在軟件開發的過程中能選擇適當的邏輯結構、存儲結構，高效的設計算法，并初步掌握算法的時間和空間分析技術。
　　然而，由于課程內容繁多、理論抽象、邏輯性強、難以理解，幾乎所有的算法都沒有源程序實現，這給學生理解帶來了很大的難度。因此，學生上課聽不懂、上機實踐動手能力差、課程難教難學的現象普遍存在。
　　結合多年教學，筆者總結出以下幾點經驗，希望這些經驗能有助于學生學好數據結構、提高分析和解決問題的能力。
　　
　　1　采取多種手段改善課堂教學效果
　　
　　1.1　緊扣課程主線，把握知識要點
　　數據結構課程內容比較繁雜，但總體來說主要介紹線性結構和非線性結構這兩大基本結構類型，線性結構部分包括線性表，棧和隊列，串，數組和廣義表，非線性結構包括樹和圖。
　　在線性結構中，線性表是最基本、最簡單的一種結構，屬于課程最基礎的內容，如果學生掌握了它的存儲結構及其基本操作，其他線性結構的教學就不難了，因此，在教學過程中加強對線性表部分的講解十分重要，應將其作為課程教學的主線。其他的線性結構都是在線性表這個基本結構的基礎上作某些限制后的特殊線性結構，如棧和隊列是對插入、刪除操作做限定的線性表，串是對線性表的數據對象做限定的線性表，廣義表是元素的值可分解為原子或列表的線性表。
　　非線性結構的典型代表是樹和圖，主要涉及存儲結構、基本操作及其在實際中的應用，在這些存儲結構下，樹和圖的各種操作幾乎都是以遍歷為基礎的，因此，對于非線性結構，以結構的遍歷為主線進行展開是合適的。例如，二叉樹是樹這一部分的重點，因為樹和森林的各種操作可以轉換為二叉樹來實現，而二叉樹的各種操作都是以遍歷為前提的，因此，掌握了二叉樹的遍歷，也就掌握了樹及森林的遍歷，從而達到快速掌握其他相關操作的目的。對于圖，雖然算法較多，相對難于理解，但通過分析這些算法，我們發現其本質都是在圖的遍歷基礎上加以一定的約束來實現的，因此，掌握了圖的遍歷，對圖的其他各算法的理解就簡單了。
　　查找和排序是對上述兩大基本結構的應用，主要側重于算法思想的介紹，在后續課程(如算法設計與分析)中會有更深入的介紹，因此，可以不作為本課程的重點。
　　
　　1.2　采用情景式教學方法，使抽象的內容生動化，具體化
　　情境式教學方法是一種充分利用形象創設典型場景、激起學生學習情緒，把認知活動和情感活動結合起來的教學模式。在教學中，學生經常反映聽不懂，算法理解有困難，獨立解決問題時無從下手，其主要原因在于很多課程知識比較抽象，常規教學方法不利于學生理解和應用。為了使抽象內容變得生動具體，學生易于理解和掌握，在教學中，我們應盡量采用情境式教學方法。引入的問題可以從學生生活中熟悉的情景、實物、實事入手，這樣學生容易接受，并能自然而然地進入學習求知狀態。用降低思維門檻、激發學生興趣、增強學習趣味性的方式引導學生思考，激發學生的探索欲望，并為問題的解決提供動力。
　　在講解某種數據結構前，教師可以設置問題情景，提出一個與其相關的案例問題，使學生帶著疑問和思考進行學習。例如在講解堆棧時，我們可以拿現實生活中的洗碗來類比，碗摞在一起就是一種線性關系，洗的過程就是入棧出棧操作，隨著碗的疊放和取出，最上面碗的位置在動態變化，因此，需設置一個top指針。同時，你不能一直取下去，因此，還要設置一個bottom指針，這一比喻使學生對堆棧的存儲結構和邏輯結構有了較具體的認識。又如，我們可以利用“在座位上插入一個新同學”的問題來讓學生理解“線性表的插入”、利用“排隊買票”來理解“隊列”等。借助此類形象的實例，我們可以集中體現教學內容，學生從中也可以推導出結論且更易于理解和記憶。
　　
　　1.3　充分利用現代教學手段，改善教學效果
　　數據結構課程內容多，大部分都很抽象，用傳統的方法來講解該課程非常枯燥，為了改善這種狀況，我們可以借助現代教學手段，除了把教學內容做成多媒體課件外，還可以把適合動畫演示的內容，通過多媒體技術直觀地展示出來。
　　HANOI問題是程序設計中的經典遞歸問題，掌握算法的執行過程，對深入理解和靈活運用遞歸有重要意義。該算法用高級語言描述只有幾行語句，但由于遞歸算法中有兩次遞歸調用，程序執行過程復雜，學生很難理解。在實際教學中，為了把這個過程講明白，教師可以利用Flash設計一個動畫，形象地描述運作過程和堆棧的變化狀態，從而幫助學生理解遞歸調用及遞歸過程，加深其對知識的理解。類似的問題還有很多，如串的模式匹配、二叉樹的遍歷、圖的遍歷等都可以借助動畫演示來加深理解，改善教學效果。
　　另外，隨著校園網絡的發展，利用網絡課堂輔助教學對改善教學效果十分有益。借助網絡課堂的發布功能，我們可以把電子教案、多媒體課件、參考資料、課后習題等各種課程資源提供給學生，學生可以在課后慢慢消化課堂上沒有消化的知識；網絡課堂的論壇和答疑系統為學生和老師提供了一個交流平臺，學生可以隨時向同學或老師提問，任課老師也可以與學生充分交流，及時掌握學生的學習動態，調整教學方法。
　　
　　2　通過實驗鞏固課內知識
　　
　　2.1　實驗環節的重要性
　　首先，數據結構課程有別于其他專業課程，它主要討論數據在計算機內的邏輯結構、存儲結構及相關操作的算法，并在理論上有所抽象和提煉，因此課程高度抽象。而抽象的知識往往是難于為人理解的，學生經過課堂教學，只是對這些知識有了一種感性認識，離深刻理解還有較大差距，在實驗中，學生通過把這些抽象知識直接轉化為熟知的程序代碼，經過調試和運行，得到能真正看得見的運行結果，這無疑加深了學生對知識的理解，實現了知識從感性認識到理性認識的轉化。
　　其次，在課堂教學中，盡管我們一再強調以學生為主體，但起主導作用的仍是老師，教學仍采用老師講學生聽的基本模式，學生總是被動地接受知識，缺乏自己動手的過程，而實驗環節正好彌補了這個缺陷，因此，課程實驗對幫助學生鞏固和加深對課程內容的理解至關重要。
　　
　　2.2　實驗內容的科學性
　　科學合理的實驗內容設計對實驗效果和促進學生對知識的掌握和理解起至關重要的作用。在平常的教學實踐中，實驗內容的設計往往是對課堂教學內容的簡單驗證，學生只會依葫蘆畫瓢，知其然而不知其所以然，不能充分理解和掌握所學內容，實驗達不到其應有的作用。另外，實驗內容互不相關、相百脫節，缺乏系統性和延續性，當遇到類似的、需要知識綜合的問題時，學生缺乏從全局的角度分析和解決問題的能力，這不利于學生知識應用能力的培養。
　　為了改變這種狀況，我們在實驗項目的設置上作了相應調整。首先，在實驗類型上我們把實驗項目分為3大類，即驗證型、綜合型、設計型。驗證型實驗以驗證教材介紹的算法為主，實驗指導書提供了這些算法的詳細案例代碼，學生可以先從讀懂代碼來體會數據結構的精髓，加深對基礎知識的理解。綜合型實驗注重相關知識的融合，通過設計合理的實驗內容強化知識間的聯系，鍛煉學生的綜合實踐能力。設計型實驗的目標是讓學生利用所學課程知識去解決具體問題，訓練學生靈活運用所學知識進行復雜程序設計的技能，提高學生面對實際問題選擇合適數據結構和算法進行程序設計的能力。其次，在實驗內容的設計上，為了確保實驗效果，促進學生對理論知識的理解和應用，在內容的選擇上必須兼顧廣度、深度和梯度。廣度即實驗內容應該涵蓋課程的所有知識點；深度即對實驗題目進行精心設計，而不是簡單的照搬教材上的實例，最好選擇一些帶有趣味性的現實問題；梯度即實驗題目有難有易，既有對基礎知識進行鞏固的較簡單問題，也有相對較難的讓學生有所提高的隱蔽性問題，避免學生出現“眼高于低”的情況，切實改善實驗效果。
　　
　　2.3　實驗過程的規范性
　　盡管科學合理的實驗項目設計是實驗教學的基礎，但作為教學主體，學生的主觀能動性在整個教學過程中是至關重要的，因為只有學生的積極參與才能讓我們的教學工作落到實處。為了達到這個目標，我們必須及時掌握學生的學習動態、了解學生對知識的掌握程度，而這些信息只能借助規范的實驗過程來獲取。
　　為了規范實驗過程，我們在實驗教學過程中要堅持做到有計劃、有指導、有報告、有總結，隨時掌握學生動態，根據實際情況調整實施過程，兼顧整體進度和個體差異，盡量做到因材施教。首先，我們把實驗劃分為課內實驗和課程設計兩大部分，課內實驗主要涉及驗證型和綜合型實驗，設計型實驗體現為課程設計，課內實驗部分在任課教師的指導下由學生在實驗課內完成，課程設計在課程組教師的集體指導下由學生在課后完成。
　　為了規范管理，實驗開設前由任課教師制定詳細的實驗計劃，對每個實驗項目確定基本目標和要獲得的具體結果，指導后期的實驗過程；為了保證實驗質量，嚴格控制課內實驗師生比，保證每一位學生都能得到及時的指導；要求學生每次實驗必須隨堂提交實驗報告，任課教師通過批改實驗報告了解學生對相關知識的掌握程度，及時調整教學策略：新課教學完成后，我們給學生兩周時間完成課程設計，根據學生動手能力不同對學生進行分組，為每組分配不同的題目，要求學生獨立完成前期的問題分析、算法設計、數據結構設計以及后期的編碼和文檔編寫，而且要做到分上明確，這樣既可以讓他們學會交流與協作，又可以提高動手能力差的學生的學習興趣，為學生將來走上工作崗位打下堅實的基礎。
　　
　　3　課外學習強化所學知識
　　
　　傳統教學以章節為主講授課程知識，講授過程缺乏連貫性和系統性，教師往往是向學生抽象地介紹一些常用的數據結構，這些數據結構在哪些方面或哪些領域如何應用卻沒有涉及，這導致了理論與實踐嚴重脫節，因此，學生對“數據結構”潛在的應用價值缺乏深刻的認識。為了改變這種狀況，我們通過設置一些課外學習環節來引導學生把課內知識轉化為應用能力。
　　
　　3.1　借助ACM程序設計大賽平臺培養學生創新能力
　　ACM國際大學生程序設計競賽作為一項世界性的競賽活動，在信息技術界具有超凡的影響力，許多賽題是實際工程應用中所遇到的問題，解決這些問題需要應用數據結構的基本知識，這有利于學生提高分析問題和解決問題的能力，全面提升編程能力。通用在線測評系統既可以作為學生程序設計競賽的平臺，也可以用于數據結構的實驗教學。借助平臺的開放性，將精心設計的基礎實驗和算法設計實驗題改編為適合于在線測評系統的題目，學生可以以個人或團隊的形式在任何可以訪問該平臺的地方隨時完成問題的分析與求解，這樣，學生提交的不再是簡單的實驗報告，而是具體任務的程序實現。通過分析代碼，教師還可以發現問題，及時掌握學生對課堂知識的理解和掌握程度。同時，學生也能相互查看各自的實驗完成情況，在無形中形成了一種相互競爭的狀態，它可以激發學生繼續努力，逐漸形成積極向上的自主學習氛圍。
　　
　　3.2　鼓勵學生積極參與各種科研項目培養學生的科學素養
　　高校是創新型人才培養的搖籃，學生能參與各種科研項目，數據結構課程介紹的結構和算法還有改進和優化的余地。學生思維活躍，但由于缺乏正確的引導，很多有價值的想法都被埋沒了，在教師的正確指導下，如果學生能夠針對某個問題展開系統的研究，他們就可以實現對已掌握知識的鞏固，又可以實現對知識運用能力的考查，同時，這種正確的指導還可以幫助學生拓展知識面、獲取新知識、提高認知水平。
　　學校每年都資助大量學生科研項目，用于培養學生的科學探索精神和發散性思維，培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。任課老師可以有計劃、有目的的組織學生申報與課程知識相關的科研項目，這樣既可以提高學生的學習興趣，引導學生關注最新的科研成果，又可以讓學生將所學的知識深入貫徹到具體研究領域，從而達到理論聯系實際，學以致用，深刻領悟數據結構精髓的目的。
　　
　　4　結語
　　
　　作為計算機專業的核心課程，在數據結構的教學過程中，我們一定要把握課程的特殊性，在保證理論教學質量的前提下，充分重視實踐教學環節，通過扎實的課內實驗和豐富的課外實踐實現學生知識向能力的轉化，從而達到改善教學效果的基本目標。
　　
　　
　　(編輯：郭小