數據結構課程的教學方法探討

楊利英

(西安電子科技大學計算機學院，陜西西安 710071)

數據結構是計算機學科一門重要的專業基礎課程，在計算機專業的課程設置中起到承上啟下的作用。數據結構課程以計算機基礎、程序設計語言、離散數學等課程為前提，又是操作系統、編譯原理、數據庫原理、軟件工程等課程的基礎。它和程序設計語言、軟件工程的聯系尤其緊密，可以形象地通過語言學習來說明三者之間的關系。程序設計語言使學生掌握基本的編程方法，相當于語言學習中的識字;數據結構使學生掌握數據組織和數據處理的方法，相當于語言學習中的作文;軟件工程使學生掌握大型軟件開發方法，相當于語言學習中的小說創作。由于該課程強調從問題中得出抽象數據類型、選擇合適的存儲結構、設計相應的操作和算法，從而在計算機上求解問題，具有較強的邏輯性和抽象性，因此學生在學習時相對吃力。如果沒有好的教學方法，往往事倍功半。

1 知識體系與教學目標

美國ACM和IEEE Computer Society針對計算學科的教學計劃(Computing Curricula 2005)指出，數據結構作為計算學科先導性、基礎性專業課程的地位未變，同時在更多學科中扮演重要角色［1］。

一般來說，數據結構的知識體系包含數據的邏輯結構、物理結構、抽象數據類型、算法與效率分析。邏輯結構是對數據元素之間的邏輯關系的描述，可以用一個數據元素的集合和定義在此集合上的若干關系來表示。邏輯結構通常有4類，分別是集合、線性結構、樹形結構、圖狀結構。物理結構是邏輯結構在計算機中的表示和實現，因此也稱作是存儲結構，有順序存儲和鏈式存儲之分。邏輯結構是數據結構的抽象，物理結構是數據結構的實現，兩者綜合起來建立了數據元素之間的結構關系。很多數據結構教材都以數據的邏輯結構為主線安排教學內容。定義數據結構只是手段，目的是進行運算，因此人們真正感興趣的是數據的邏輯結構和運算，對物理結構和運算的實現細節并不關心，抽象數據類型則為此提供了解決方案。抽象數據類型是指一個數學模型以及定義在此數學模型上的一組操作，具有數據抽象和數據封裝兩個特點。算法是對特定問題求解步驟的一種描述，是指令的有限序列。對于一個具體問題，最關心的是算法是什么，怎樣設計出最好的算法，該算法的時間空間效率、最壞情形和平均情形如何，以及算法的一般化程度。這就涉及到算法分析技術，相當多的數據結構教材都包含了一些基本的算法分析技術［2］。

結合上述知識體系，數據結構課程的教學目標可以概括為:學會分析數據對象的特征，掌握數據組織方法和計算機的表示方法，為應用設計數據選擇適當的邏輯結構、存儲結構及相應算法，初步掌握算法時間空間分析的技巧，培養良好的程序設計技能。

2 教學方法

總結數據結構課程的教學現狀發現，在教學過程中主要存在兩個問題:其一，教與學的難度都比較大，這源于數據結構強調問題的分析和抽象;其二，學生編程實踐能力亟待提高，特別是攻克問題和調試的能力。

2.1 課堂教學

課堂教學是教學活動的重中之重，其效果會影響后序所有的教學環節。為提高數據結構課程的課堂教學效果，提出以下幾點措施。

(1)加強課堂互動和基礎知識的理解。

在課堂上，為確保學生緊跟教師的授課思路，要充分進行課堂互動。講解一個知識點時，教師不要急于把未知內容連續全盤給出，而是要加強引導性的介紹，適當時候說“半句話”，讓學生接話，之后再重復強調一下。這樣一來，既能按照授課計劃完成教學任務，又能促進學生的思考。對學生而言，理解是運用和變通的前提，課堂授課本質目的就是加深理解。教師在對概念或知識點進行介紹之后，一定要給出點睛之筆，即如何理解。比如，針對遍歷二叉樹這一教學內容，首先從遍歷的概念講起，引導學生掌握概念并理解遍歷的本質就是非線性結構的線性化。

(2)啟發式教學。

啟發式教學指教師講解和學生思考有機結合的一種教學方法。教師在教學中通過合理安排講授內容和方式，舉一反三，調動學生的主觀能動性，以使學生融會貫通。比如講解棧和遞歸的時候，為加深學生理解問題的本質，可以給學生簡述小時候就聽說過的老和尚說教的故事，即“從前有座山，山上有座廟，廟里有個老和尚，老和尚對小和尚說:從前有座山……”。

(3)結合實際問題。

興趣是最好的老師，而問題是興趣的源泉，并且學生在學習時，真正關心的是所學知識如何應用到現實世界中。因此，結合實際問題進行講解，可極大提高學生的求知欲。數據結構課程有許多和現實世界相通的地方，如棧和車庫停車、死胡同;隊列和食堂、銀行等地方的順序服務;樹和人類的族譜、各種社會組織機構;圖和哥德斯堡七橋問題、傳教士野人過河問題、四色定理等。講解相關內容時，結合現實問題這一舉措有效提升了教學效果。

(4)圖示教學法。

數據結構中有大量算法，如果單純借助黑板，講課效率可想而知。在課堂授課中，教師要把黑板板書和多媒體教學有機結合［3］。通過黑板板書強調教學策略和方法，師生之間建立良好的互動機制;通過多媒體教學使課堂更為生動，動態呈現算法的執行過程。圖示教學法是講解算法流程的一種有效方法，在數據結構的課堂授課中有不可替代的作用［4］。如采用圖示教學法講解二叉樹的遍歷操作，增強學生對算法的理解。以圖1(a)中擁有7個結點的二叉樹為例，演示中序遍歷算法的操作過程。從圖1(b)到圖1(h)，每步操作實現對一個結點的訪問，輸出當前已訪問結點的序列，最后完成整棵二叉樹的遍歷。

圖1 中序遍歷算法圖示詳解

2.2 上機練習

學習數據結構，必須經過大量的實踐，在實踐中體會構造性思維方法，掌握數據組織與程序設計的技術。安排了24學時共6次的上機實驗，每次4學時，實驗內容則是針對課程中重要的6部分內容:線性表、棧和隊列、樹和二叉樹、圖、查找、內部排序。在上機實驗的實際操作中，發現學生編程水平差別較大，有能力問題，也有其他原因。如部分學生經濟條件不好，沒有自己的計算機，上機需要到公共機房，因此在一定程度上影響了能力的發展。鑒于學生的掌握程度不同，在實驗過程中必須遵守多樣性發展的原則，針對不同學生，相同的實驗內容給出不同的題目，提出不同要求，使得每位學生都在自己的基礎上有提高。

2.3 作業與課下輔導

人是社會中的個體，需要在某種認可中成長，教師通過在作業評價和課下輔導中給學生以認可，建立起相應的激勵機制，通過肯定、鼓勵和贊賞提高學習熱情和積極性。

(1)對作業嚴格要求。在寫作業的同時，讓學生在作業本上也寫上不抄作業的承諾，類似于“誠信說明書”，一定程度上可以杜絕作業抄寫現象。對每次作業完成情況都進行通報，當然對完成情況好的同學點名表揚，而對完成不好的同學只說明情況，并不具體到名字。同時，總結本次作業中出現的典型問題，有針對性的講解，最后給出參考答案或者標準答案。

(2)確保課下輔導時間和效率。每講一個知識單元后，都專門安排輔導老師和輔導時間，保證每位同學都能及時解決學習中疑惑。輔導時間畢竟有限，師生之間還可以通過電子郵件或者建立公共的網絡交流平臺及時溝通，如專門的QQ群。學生既可以當面找老師，也可以隨時通過網絡和老師聯系，還可以展開全班大討論。

2.4 考核方式

課程考核是教學活動中督促和激勵學生學習的重要一環，也是教學效果的評價手段。為了全面評價學生，對考核方式進行了改革，期末考核采用“1+2+3+4”方式。平時作業占10%，督促學生及時復習鞏固所學知識;實驗上機占20%，邊學邊做，提高學生的編程能力;期末機試占30%，評測學生的實際動手能力和解決問題的能力;期末筆試占40%，全面了解和評價學生對課程的理解和掌握。課程組設計實現了網上在線機試系統XDOJ用于期末的機試。學生在線設計代碼，并在規定時間內提交，系統即時給出判決，教師則對系統判決為錯誤的程序進行核查，以區分真正的錯誤和系統的誤判，比如僅僅是格式輸出上的不一致。XDOJ系統有三類用戶，即管理員、教師用戶、學生用戶，管理員具有超級權限，負責整個系統的維護和機試題目的輸入，教師用戶進行在線判決，學生用戶則只能查看設定好的題目并在線解答。該系統也可用于平時上機實驗。

3 結束語

數據結構是計算機學科體系的一門核心課程，因其較強的抽象性，一直被學生認為是難學的課程之一。本文針對數據結構課程，進行了教學方法上的探討，以期為本課程的教學提供借鑒。

［1］ RUSSELL S，JAMES H C，GORDON D，et al.Computing curricula 2005:the overview report［R/OL］.(2005 －11－30)［2010－09－25］http://www.acm.org/education/curricula.html.

［2］ 嚴蔚敏，吳偉民.數據結構:C語言版［M］.北京:清華大學出版社，2003.

［3］ 葉雙，吳清江，緱錦，等.提高“數據結構”課程教學效果的方法初探［J］.計算機教育，2009(21):90－92.

［4］ 沙宗堯，邊馥苓.圖示教學法在數據結構與算法教學中的應用［J］.計算機教育，2009(18):80－82.