引入計(jì)算思維的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)改革研究

高賢強(qiáng)，化希耀，陳立平

（塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院，阿拉爾 843300）

引入計(jì)算思維的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)改革研究

高賢強(qiáng)，化希耀，陳立平

（塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院，阿拉爾 843300）

以計(jì)算思維的定義、特征和《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程在教學(xué)過(guò)程中存在的主要問(wèn)題為切入點(diǎn)，把計(jì)算思維應(yīng)用于《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)，從計(jì)算思維有助于重組程序的實(shí)現(xiàn)、《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》中的算法思維隸屬于計(jì)算思維、計(jì)算思維有助于《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程靈活性的實(shí)現(xiàn)以及計(jì)算思維能夠培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣四個(gè)方面進(jìn)行分析，對(duì)引入計(jì)算思維的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)改革予以研究。

計(jì)算思維；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；教學(xué)改革

0 引言

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程是計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)類課程的基礎(chǔ)，是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)編譯程序、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)及其他系統(tǒng)程序和大型應(yīng)用程序的重要基礎(chǔ)，也是計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心課程[1]。該課程不僅是計(jì)算機(jī)軟件編程課程中的重要分支，對(duì)于我國(guó)培養(yǎng)高水平的程序設(shè)計(jì)和開發(fā)人員也是不可或缺的。計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[2]。近年來(lái)，計(jì)算思維受到越來(lái)越多的重視，如何在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)中引入計(jì)算思維是一個(gè)值得思考的問(wèn)題。

1 計(jì)算思維的內(nèi)涵

1.1 計(jì)算思維的定義

有關(guān)計(jì)算思維的定義是隨著計(jì)算方式的變化而不斷變化的，計(jì)算思維并不是現(xiàn)代新生事物，從古至今，計(jì)算思維一直存在，從算盤到計(jì)算器，再到現(xiàn)代廣為普及的計(jì)算機(jī)，計(jì)算思維的內(nèi)容在變化的同時(shí)，其內(nèi)涵也在不斷豐富。目前來(lái)看，被大家廣為認(rèn)可的計(jì)算思維定義是：運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)以及對(duì)人類行為進(jìn)行科學(xué)的揭示等一系列隸屬于思維世界的活動(dòng)[3]。

1.2 計(jì)算思維的特征

計(jì)算思維可以分為幾種不同的思維方式，主要有抽象、遞歸與保護(hù)、糾錯(cuò)與冗余、恢復(fù)。通過(guò)啟發(fā)推理的方式，對(duì)情況不確定的事物進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)與思考，其具有根本技能性、概念性、工程思維的外延性、人性化、范圍全面性五個(gè)方面的主要特征[4]。

2 《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程存在的主要問(wèn)題

2.1 課程內(nèi)容較為抽象復(fù)雜

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》中的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容包括線性結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)、圖狀結(jié)構(gòu)，其教材內(nèi)容主要為描述性知識(shí)，對(duì)抽象事物進(jìn)行概念性的描述必然使得其缺乏生動(dòng)，不容易被學(xué)生學(xué)習(xí)與掌握。

2.2 先導(dǎo)課程不夠扎實(shí)

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的學(xué)習(xí)必須有一定的先導(dǎo)課程做基礎(chǔ)，例如《算法分析與設(shè)計(jì)》課程以及《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》課程，學(xué)生先導(dǎo)課程的知識(shí)掌握程度直接影響到《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》的學(xué)習(xí)能力，在高校實(shí)際的教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)校對(duì)于《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》課程的重視程度并不高，在兩者課程的設(shè)置上，一般都是間隔一個(gè)學(xué)期到兩個(gè)學(xué)期，由于《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》課程內(nèi)容本身就屬于抽象理論內(nèi)容，需要的實(shí)踐性較強(qiáng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》時(shí)，其《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》的基礎(chǔ)知識(shí)已經(jīng)淡忘，對(duì)于其中相關(guān)的變量、控制語(yǔ)句以及數(shù)據(jù)類型等知識(shí)基本已經(jīng)消失殆盡，所以在進(jìn)行算法編程時(shí)會(huì)遇到很多的困難，難以將《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》中的基本算法、基本存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的C源代碼，這就使得《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)的課堂效果很不理想。

2.3 課程實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的教學(xué)要求之一就是學(xué)生能夠具有復(fù)雜程序的設(shè)計(jì)技能，實(shí)踐對(duì)于《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程環(huán)節(jié)的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于理論知識(shí)的傳授。對(duì)于涉及到的具體問(wèn)題，此課程的學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)是要求學(xué)生能夠使用相應(yīng)的算法以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)獨(dú)立解決一定程度的問(wèn)題。這就要求課程中的實(shí)踐課時(shí)必須有所保障，完成上機(jī)實(shí)驗(yàn)就是必須的過(guò)程。目前眾多高校開設(shè)的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的上機(jī)時(shí)間較少，正常來(lái)講，學(xué)生需要每周6個(gè)課時(shí)的上機(jī)時(shí)間，但是在實(shí)際中，大多學(xué)生的上機(jī)時(shí)間只有不到2個(gè)課時(shí)，課時(shí)上的缺失使得學(xué)生的實(shí)踐環(huán)節(jié)較為薄弱，學(xué)生的實(shí)踐能力沒(méi)有得到很好的鍛煉，《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程也就大大失去了其真實(shí)的作用，成為了只能紙上談兵的一門課程[5]。

3 計(jì)算思維應(yīng)用于《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)的分析

3.1 計(jì)算思維有助于重組程序的實(shí)現(xiàn)

在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程中，對(duì)于同一個(gè)問(wèn)題通常需要采用不同的方法來(lái)完成相應(yīng)的算法，在對(duì)這些算法進(jìn)行思維選擇的時(shí)候，需要較好的計(jì)算思維能力。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分解是有多種可能結(jié)果的，分解的方法和結(jié)果因?yàn)橛?jì)算思維的不同其表現(xiàn)也會(huì)有所不同，分解的過(guò)程希望每一個(gè)被分解的模塊都能夠進(jìn)行重新組合，而如何能夠使得被分解的模塊得到最大可能的重組，計(jì)算思維是決定性的因素，在對(duì)算法進(jìn)行設(shè)計(jì)或者優(yōu)化的過(guò)程中，需要利用到遞歸、并發(fā)、抽象與分解以及啟發(fā)式推理等計(jì)算思維方法[6]。

3.2 《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》中的算法思維隸屬于計(jì)算思維

在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程中，當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)未知問(wèn)題時(shí)，首先需要能夠從問(wèn)題中抽象出數(shù)據(jù)對(duì)象，進(jìn)而分析數(shù)據(jù)對(duì)象中各個(gè)元素之間的相互關(guān)系，例如邏輯關(guān)系等，隨后確定這種相互關(guān)系用怎樣的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)才能夠得以實(shí)現(xiàn)。整個(gè)問(wèn)題的求解過(guò)程，可以看成是建立模型的過(guò)程，抽象建模。計(jì)算思維的計(jì)算能力相較于《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程中的算法來(lái)說(shuō)，可能更加的寬泛，因此《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》中計(jì)算思維的運(yùn)用是計(jì)算思維中的一小部分[7]。

3.3 計(jì)算思維有助于《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課堂靈活性的實(shí)現(xiàn)

計(jì)算思維具有概念化的特點(diǎn)，《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》中程序化程度較大，程序化的教學(xué)其靈活性必然較低，在使用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行解決具體問(wèn)題時(shí)，將算法思想編寫成能夠解決問(wèn)題的程序是可行的方法，在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》中運(yùn)用概念化的計(jì)算思維，有助于《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》靈活性的提高。

3.4 計(jì)算思維能夠培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

對(duì)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》的學(xué)習(xí)，最主要的是學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在教學(xué)過(guò)程中，要想學(xué)生能夠?qū)χR(shí)理解得更深刻，必須要求的主觀條件是學(xué)生對(duì)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)興趣，但是作為一門理論性較強(qiáng)的課程，要想讓學(xué)生對(duì)其產(chǎn)生興趣不是一件容易的事，如何激發(fā)學(xué)生的求知欲，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性是需要探討的問(wèn)題，計(jì)算思維能夠?qū)⒄n程內(nèi)容簡(jiǎn)約化，課堂內(nèi)容的簡(jiǎn)約化將直接提升學(xué)生在進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)的成就感，從而逐漸培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4 結(jié)合計(jì)算思維的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)改革實(shí)例

4.1 遞歸方法的在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》中的應(yīng)用

遞歸方法指的是將代碼譯成數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)譯成代碼的過(guò)程。將其放在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》中指的是對(duì)一個(gè)函數(shù)在定義時(shí)出現(xiàn)的直接調(diào)用或者間接調(diào)用的過(guò)程。二叉樹的遍歷是二叉樹中最重要的運(yùn)算之一，也是進(jìn)行其他樹狀結(jié)構(gòu)運(yùn)算的基礎(chǔ)。二叉樹遍歷是指沿著某條搜索線路，依次對(duì)每個(gè)結(jié)點(diǎn)做一次訪問(wèn)，訪問(wèn)的結(jié)點(diǎn)所做的操作主要依賴于具體的應(yīng)用。由于二叉樹定義的本身就包含著遞歸概念，因此將遞歸方法運(yùn)用在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》中是理所當(dāng)然的事情，遞歸算法對(duì)二叉樹的遍歷有前序遍歷、中序遍歷、后序遍歷。以中序遍歷為例，首先可以按照計(jì)算思維中的分解方法來(lái)將整個(gè)遍歷的問(wèn)題劃分為若干個(gè)簡(jiǎn)單的子問(wèn)題，將中序遍歷分解為中序訪問(wèn)左子樹、右子樹、根結(jié)點(diǎn)三個(gè)子問(wèn)題，然后對(duì)左子樹、右子樹再進(jìn)行分解，一直這樣分解下去，直到不能再分解為止，也就是子樹為空為止。在分解的過(guò)程中，算法總是根據(jù)同樣的理論進(jìn)行分解，不斷按照同樣的邏輯順序進(jìn)行訪問(wèn)，導(dǎo)致這些較小的問(wèn)題不斷被反復(fù)提及，從而形成了使用遞歸方法求解。

4.2 抽象與分解方法在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》中的應(yīng)用

在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》中含有很多種排序算法，如插入排序、冒泡排序、選擇排序、快速排序等算法，這些算法在傳統(tǒng)的教學(xué)中屬于較為重要的難點(diǎn)知識(shí)，學(xué)生對(duì)其掌握能力普遍較差，主要是因?yàn)閷W(xué)生對(duì)各種排序算法沒(méi)有形成良好的計(jì)算意識(shí)，通過(guò)計(jì)算思維，可以將抽象與分解的方法運(yùn)用到算法的學(xué)習(xí)中，即將一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題分解成若干個(gè)簡(jiǎn)單的子問(wèn)題來(lái)處理與解決。

4.3 計(jì)算思維在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)模式及內(nèi)容中的應(yīng)用

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的教學(xué)內(nèi)容繁多，在以往的課堂中，教師以講授理論知識(shí)為主，學(xué)生在課堂中獨(dú)立思考的機(jī)會(huì)較少，由于學(xué)科知識(shí)內(nèi)容缺乏生動(dòng)且較為枯燥，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情普遍不高，計(jì)算思維可以很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，將計(jì)算思維滲透到《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》的教學(xué)中，使得學(xué)生能夠運(yùn)用計(jì)算思維解決《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》中的問(wèn)題，使得問(wèn)題能夠得到最大化的解決，通過(guò)計(jì)算思維的運(yùn)用，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理的優(yōu)化，在優(yōu)化的同時(shí)，需要注意不同類型數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式、基本算法實(shí)際應(yīng)用，訓(xùn)練學(xué)生的計(jì)算思維能力。在教學(xué)模式方面，通過(guò)滲透計(jì)算思維，啟發(fā)式、參與式的教學(xué)新模式更加容易展開與實(shí)施，從而促進(jìn)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課堂中學(xué)生的積極性。

5 結(jié)語(yǔ)

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》在計(jì)算機(jī)專業(yè)中占有重要的地位，由于該課程算法多、概念多、知識(shí)點(diǎn)多，理論性較強(qiáng)，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)具有一定的難度。計(jì)算思維目前已經(jīng)成為一種通識(shí)教育，被廣大教育學(xué)者研究。由于計(jì)算機(jī)學(xué)科在培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維方面具有獨(dú)特的優(yōu)越條件，計(jì)算思維在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》中的應(yīng)用不僅可以提高學(xué)生的專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用水平，還能夠提升學(xué)生的整體的思維素養(yǎng)，進(jìn)一步提高了學(xué)生解決問(wèn)題的能力，對(duì)于我國(guó)的人才培養(yǎng)大有裨益。

[1] 高賢強(qiáng),化希耀.《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)模式探索與研究[J].中國(guó)電力教育，2014（11）：110～111

[2] 計(jì)算思維.百度百科.http://baike.baidu.com/link?url=8dxaFUoPyRYPkcYqou583Q2ZpHr8a9vjO8qPc6x5zZ7amou7h9H_25Ai32VfF-cei5M7zhzL5W2ldCQF96nk4Z_.

[3] 劉昕，石樂(lè)義，亓雪冬.面向計(jì)算思維的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革[J].計(jì)算機(jī)教育，2013（16）:35～38

[4] 牟琴.基于計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)與學(xué)習(xí)的模式研究與實(shí)踐[D].成都:四川師范大學(xué)，2012

[5] 鄧銳.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)的表象訓(xùn)練研究[D].長(zhǎng)沙:湖南師范大學(xué)，2012

[6] 金萍，宗瑜.《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)改革初探[J].皖西學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，02（05）：42～44

[7] 周玉林，賴鑫生.《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教改中的問(wèn)題研究與探討[J].上饒師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，03(01):84～88

Research on the Teaching Reformation of Data Structure Course with Computational Thinking

GAO Xian-qiang，HUA Xi-yao，CHEN Li-ping
（College of Information Engineering,Tarim University，Alaer 843300）

Introduces the definition and features of computational thinking,lists themain problems that exist in the teaching process of Data Structure course.Analyses four aspects how computational thinking is leaded into the Data Structure course.The computational thinking helps achieve the reorganization proceedings,the algorithm thinking is part of the calculation thinking,computational thinking can achieve the flexibility and computational thinking curriculum to cultivate students'interest in the Data Structure course.Researches on the teaching reformation with computational thinking in the Data Structure course.

Computational Thinking;Data Structure;Teaching Reformation

1007-1423（2015）07-0016-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.07.005

高賢強(qiáng)（1978-），男，山東成武人，研究生，講師，從事領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用方面的教學(xué)與科研工作

化希耀（1982-），男，甘肅景泰人，研究生，講師，從事領(lǐng)域計(jì)算機(jī)圖形圖像方面的工作

2015-01-29

2015-02-15

塔里木大學(xué)高教課題項(xiàng)目（No.TDGJ1334）、塔里木大學(xué)高教課題項(xiàng)目（No.TDGJ1309）

陳立平（1976-），男，新疆阿拉爾人，博士，副教授，從事領(lǐng)域?yàn)檗r(nóng)業(yè)信息化與計(jì)算機(jī)圖形圖像方面的工作