以實(shí)驗(yàn)教學(xué)深化理論教學(xué)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)新模式

王樹鋒　曹寶香

摘要：分析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中存在的問題及其原因，提出一種以實(shí)驗(yàn)教學(xué)深化理論教學(xué)的新的教學(xué)模式，闡述這種教學(xué)模式的內(nèi)涵、特點(diǎn)和實(shí)施過程，介紹模式的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革；教學(xué)模式；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

0、引言

編程能力是軟件工程專業(yè)中最重要的專業(yè)技能，也是評(píng)價(jià)學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)水平的首要指標(biāo)。這種能力的培養(yǎng)必須通過對(duì)程序設(shè)計(jì)語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法分析與設(shè)計(jì)等課程的學(xué)習(xí)，與課程對(duì)應(yīng)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)練習(xí)以及針對(duì)具體工程問題的實(shí)訓(xùn)幾個(gè)環(huán)節(jié)，按層次遞進(jìn)式地進(jìn)行。在這種能力培養(yǎng)過程中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)處于核心地位，通過培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)良好風(fēng)格的算法，提高解決具體問題的能力，為計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件的研制打下堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。通過對(duì)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”教學(xué)中存在問題及產(chǎn)生原因的分析，筆者提出了以“實(shí)驗(yàn)教學(xué)”深化“理論教學(xué)”的新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)模式，強(qiáng)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本知識(shí)和基本技能的培養(yǎng)，以期實(shí)現(xiàn)軟件工程專業(yè)規(guī)范中提出的“加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐和動(dòng)手能力的培養(yǎng)”這一目標(biāo)㈣。

1、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)中存在的問題及原因分析

1.1 存在的問題

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)包括教和學(xué)兩方面。從教的角度看，課程理論性強(qiáng)，講起來枯燥，學(xué)起來困難，如算法實(shí)現(xiàn)受制于對(duì)程序設(shè)計(jì)語言的掌握，往往很難給出一個(gè)直觀的結(jié)論。從學(xué)的角度看，該課程是專業(yè)基礎(chǔ)課，是軟件開發(fā)和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是考研的科目之一，學(xué)生從態(tài)度上十分重視。然而在學(xué)習(xí)過程中，由于課程與離散數(shù)學(xué)、程序設(shè)計(jì)語言的掌握程度密切相關(guān)，本身邏輯性強(qiáng)，學(xué)生往往一次沒弄懂，接下來就比較惘然，課程結(jié)束了也不知道學(xué)了什么，更不會(huì)利用學(xué)過的知識(shí)去解決具體問題。

1.2 產(chǎn)生的原因

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程邏輯性強(qiáng)，但教師授課時(shí)不能將離散數(shù)學(xué)和程序設(shè)計(jì)語言課程中的內(nèi)容以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程本身的知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來，不能對(duì)共性問題進(jìn)行提煉歸納，使知識(shí)點(diǎn)系統(tǒng)化。

邏輯性強(qiáng)的算法很抽象，即使采用類語言描述，算法執(zhí)行的結(jié)果也不能直觀地表示出來。教師在講授高級(jí)語言時(shí)更強(qiáng)調(diào)掌握語言的基本知識(shí)，很少關(guān)注培養(yǎng)編制程序解決具體問題的能力。受課時(shí)的限制，教師無法在課堂上用高級(jí)語言實(shí)現(xiàn)所有算法的傳授。有限的幾次課內(nèi)實(shí)驗(yàn)也往往由于學(xué)生編程能力的欠缺，不能順利完成，使學(xué)生完全失去對(duì)課程的興趣和學(xué)習(xí)的信心。

受到上機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)間以及學(xué)生偏弱的編程能力的限制，上機(jī)實(shí)驗(yàn)就只能練習(xí)規(guī)模小、針對(duì)基本原理的小程序，當(dāng)面對(duì)具體復(fù)雜的綜合性問題時(shí)，學(xué)生不知道如何合理地運(yùn)用所學(xué)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)解決問題。

顯然，課程的教學(xué)一方面要加強(qiáng)理論指導(dǎo)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的邏輯和抽象思維能力；另一方面要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)操練，進(jìn)一步訓(xùn)練學(xué)生使用程序設(shè)計(jì)語言的能力，通過課程中典型算法的實(shí)現(xiàn)，提高學(xué)生使用指針、復(fù)雜數(shù)據(jù)描述和處理問題的能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)既是對(duì)學(xué)生理論學(xué)習(xí)的檢驗(yàn)，也是對(duì)學(xué)生綜合能力的鑒定，因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是深化理論教學(xué)的關(guān)鍵。

2、教學(xué)模式設(shè)計(jì)

理論教學(xué)讓學(xué)生掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的基本理論和基本原理，這是課程教學(xué)的最終目的，因此理論教學(xué)不能忽視。教師在精心講解的同時(shí)，也要強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)，將基本理論中的知識(shí)點(diǎn)細(xì)化為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通過精心設(shè)計(jì)多層次的實(shí)驗(yàn)，鞏固和強(qiáng)化理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的過程管理可以強(qiáng)化理論教學(xué)的效果。我們按照軟件開發(fā)的工程化思想，綜合應(yīng)用基本知識(shí)，針對(duì)具體問題開發(fā)應(yīng)用軟件。教學(xué)模式的設(shè)計(jì)包含下面3個(gè)環(huán)節(jié)。

2.1 以教材章節(jié)中的一個(gè)或幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)可以在線性表、堆棧、隊(duì)列、二叉樹、圖、查找、排序等章節(jié)中分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。教師在設(shè)計(jì)時(shí)要明確每個(gè)實(shí)驗(yàn)強(qiáng)化的基本知識(shí)點(diǎn)，選擇難度適中的典型算法進(jìn)行訓(xùn)練，讓實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋課程的主要知識(shí)點(diǎn)。學(xué)生用規(guī)范的軟件開發(fā)方法和程序設(shè)計(jì)語言實(shí)現(xiàn)算法，既加深了學(xué)生對(duì)算法的理解，又提高了他們的編程能力。

加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)過程的管理。實(shí)驗(yàn)前，要求學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)涉及的基本知識(shí)點(diǎn)，編寫好程序。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，學(xué)生要集中精力進(jìn)行程序的調(diào)試和修改，提高語言的使用能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生要寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，重點(diǎn)寫出調(diào)試過程，成功和失敗的經(jīng)歷，寫好實(shí)驗(yàn)總結(jié)，提高軟件文檔的寫作能力。

2.2 以教材中相關(guān)的某幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

設(shè)計(jì)需要用幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)解決的、有一定具體含義和應(yīng)用背景的綜合性題目，要求學(xué)生以小組為單位合作完成。這些綜合性題目設(shè)計(jì)的基本要求是運(yùn)用書本中學(xué)到的幾種算法解決一個(gè)實(shí)際問題，要求學(xué)生分析問題、組織數(shù)據(jù)、提出解決方案。

在實(shí)驗(yàn)過程中，首先，按照軟件工程化的思路進(jìn)行問題規(guī)劃、任務(wù)分工、團(tuán)隊(duì)協(xié)作，具體實(shí)驗(yàn)步驟包括：?jiǎn)栴}分析、任務(wù)分解、數(shù)據(jù)類型描述、系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、編碼、調(diào)試和實(shí)習(xí)報(bào)告編寫。其次，題目的設(shè)計(jì)采用招標(biāo)的形式，可以讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)題目，征集解決方案；也可以從多種解決方案中選擇優(yōu)秀的方案進(jìn)行實(shí)施。第三，指導(dǎo)教師要充分參與到學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程中，通過論壇等形式收集學(xué)生的反饋信息，及時(shí)了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況、題目的完成情況以及學(xué)生的意見。

2.3 增加激勵(lì)措施，改革成績?cè)u(píng)價(jià)機(jī)制

加大實(shí)驗(yàn)課程成績?cè)诳偝煽冎械谋壤o予實(shí)驗(yàn)課程優(yōu)秀的學(xué)生參加競(jìng)賽和參與教師科研的優(yōu)先權(quán)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。

3、教學(xué)模式實(shí)施

我們?cè)O(shè)計(jì)了一組課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和訓(xùn)練的題目，涵蓋了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的主要知識(shí)點(diǎn)。在實(shí)施這種教學(xué)模式的過程中，我們采用了嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)過程管理，經(jīng)過兩年的實(shí)踐，教學(xué)效果良好。學(xué)生不僅掌握了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)和程序設(shè)計(jì)的基本技能，而且鍛煉了解決問題的能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，在機(jī)器人競(jìng)賽和軟件外包服務(wù)編程大賽中取得很好的成績。具體實(shí)施過程包括下面的幾個(gè)環(huán)節(jié)。

1）強(qiáng)化理論教學(xué)。

筆者結(jié)合教學(xué)體會(huì)，編制了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)補(bǔ)充講義，內(nèi)容包括c語言的高級(jí)技巧（指針的使用和函數(shù)的設(shè)計(jì)）、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中典型算法和算法設(shè)計(jì)方法（分治法、遞歸、優(yōu)化算法、線性規(guī)劃等）幾個(gè)方面；給出了典型的練習(xí)題目和詳細(xì)的答案；另外，對(duì)考研大綱進(jìn)行了解析，提出了復(fù)習(xí)的方法和措施。這些內(nèi)容的梳理讓同學(xué)對(duì)整個(gè)課程的基本知識(shí)點(diǎn)有了更清晰的了解。

2）重視基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，采用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課堂教學(xué)同步進(jìn)行的方式，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)該知識(shí)點(diǎn)后，在實(shí)驗(yàn)課中完成對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通過這樣的訓(xùn)練，強(qiáng)化對(duì)基本知識(shí)點(diǎn)的掌握。基礎(chǔ)能力實(shí)驗(yàn)及知識(shí)點(diǎn)對(duì)照見表1。

3）設(shè)計(jì)綜合性實(shí)訓(xùn)。

首先通過對(duì)大型程序的分析，學(xué)生了解和掌握基于軟件工程的大型程序開發(fā)的模型和方法，了解團(tuán)隊(duì)合作的意義和步驟，了解軟件文檔寫作的基本步驟和規(guī)范。我們從多個(gè)征集的實(shí)訓(xùn)題目中挑選了有代表性的訓(xùn)練題目，見表2。

根據(jù)是否給出詳細(xì)的設(shè)計(jì)和解決方案，將這些題目分為不同等級(jí)，便于學(xué)生的合作和成績的評(píng)定。

（1）等級(jí)1提供詳細(xì)的系統(tǒng)分析過程和算法流程，提供程序設(shè)計(jì)的框架，訓(xùn)練學(xué)生綜合應(yīng)用基本知識(shí)的能力。學(xué)生1人一組，獨(dú)立完成，分?jǐn)?shù)從60分起評(píng)。

（2）等級(jí)2提供初步的系統(tǒng)分析過程和算法的基本過程描述，要求學(xué)生自己設(shè)計(jì)算法，訓(xùn)練學(xué)生項(xiàng)目開發(fā)的能力。學(xué)生1～2人一組，合作完成，分?jǐn)?shù)從75分起評(píng)。

（3）等級(jí)3要求學(xué)生自己查閱相關(guān)資料，寫出詳細(xì)的系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)算法，2～3人一組，訓(xùn)練學(xué)生利用軟件工程的思路，獨(dú)立設(shè)計(jì)開發(fā)應(yīng)用軟件的能力。分?jǐn)?shù)從85分起評(píng)。

4）改革成績?cè)u(píng)定辦法。

期末考試成績中理論成績占總成績的30%，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)占30%、綜合實(shí)訓(xùn)占40%。學(xué)生以團(tuán)隊(duì)形式，獨(dú)立提出問題，經(jīng)過合作完成任務(wù)的給予加分。選拔成績優(yōu)秀的學(xué)生參加各類程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽，吸收在課題研究中表現(xiàn)突出的學(xué)生到學(xué)院各類橫向或縱向課題的研究梯隊(duì)中，開展初步的科學(xué)研究。

4、結(jié)語

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程是培養(yǎng)學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力的基礎(chǔ)學(xué)科，理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)。課程的學(xué)習(xí)需要理論教學(xué)的結(jié)果來指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程，更需要實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程來強(qiáng)化理論教學(xué)的效果。這種以實(shí)驗(yàn)教學(xué)深化理論教學(xué)的教學(xué)新模式，將理論教學(xué)中的知識(shí)點(diǎn)分解到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中，通過系統(tǒng)、科學(xué)地安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)，鞏固和強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)理論問題的理解和掌握；利用實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直觀性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手解決實(shí)際問題的能力，實(shí)現(xiàn)了“加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐和動(dòng)手能力的培養(yǎng)”的軟件工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)。endprint