面向應用的數據結構課程教學改革與實踐

莊鎖法 陳興梅

（安徽科技學院，安徽 鳳陽 233100）

0 引言

應用型人才的培養目標是知識、能力、素質和諧發展的高素質人才，是介于傳統學科型人才與職業技能型人才的“中間型人才”，要求既有本科人才的學科教育特征，又有應用人才的職業教育特性，著重培養學生解決實際問題的能力應該是專業的主要特性也是最需要加強的部分[1]，數據結構是計算機科學與技術專業的一門專業基礎課程，在計算機科學與技術的課程體系中起著承上啟下的作用。其教學目的是使學生學會分析計算機所加工處理的數據的數據結構特性，為軟件開發過程中涉及的數據選擇適當的邏輯結構、存儲結構及相應的算法，并初步掌握算法的時間效率分析和空間效率分析的技術。

學好數據結構對于提高學生的理論認知水平和實踐能力有著極為重要的作用。學生學習數據結構的最終目的是為了獲得求解問題的能力。對于現實世界中的問題，學生應該能從中抽象出一個適當的數學模型，該數學模型在計算機內部用相應的數據結構來表示，然后設計一個解此數學模型的算法，再進行編程調試，最后獲得問題的解答?，F在，各個高校數據結構教材的主要內容集中在 “基本數據結構的定義和分析、基本數據結構的應用”這兩個方面，而我們教學的目的不僅是讓學生了解數據結構的理論知識，更重要的是培養學生解決實際問題的能力，所以我們認為應用型本科數據結構的教學要以培養學生的實踐能力為核心，重點提高分析設計能力和編程能力，這樣才能搞好數據結構課程的教學，為學生后續課程的學習及實踐打下良好的基礎。

1）數據結構課程自身特點

（1）本課程高度抽象，需要數理邏輯、圖論、集合論和代數系統的基礎；

（2）內容豐富，學習量大?！皵祿Y構”的研究不僅涉及到計算機硬件（編譯理論、存儲設備和存取方法）的研究范圍，而且與計算機軟件的研究有著更密切的關系，無論是編譯系統還是操作系統，都涉及到數據元素在存儲器中的分配問題，在研究信息檢索時也必須考慮如何組織數據，以便查找和存取數據元素更為方便和高效率；

（3）需要運用許多前驅課程沒有涉及到的知識，在解答問題時也因此困難重重；

（4）隱含在各部分的技術和方法豐富。

2）數據結構教學現狀

長期從事數據結構教學和對學生學習情況的調查發現，現在數據結構教學中存在如下一些問題。

（1）學生難理解?！稊祿Y構》課程是培養學生邏輯思維能力、抽象思維能力，鍛煉學生分析問題、解決問題能力的課程，由于抽象程度比較高，學生難以聯系實際，因此對課程的理解有較大的難度。例如，在課堂上，我們經常提到定義節點或記錄，需要說明用戶類型，一般用elemtype表示，但學生好長一段時間不能很好理解這一表示。

（2）學生難實現。在《數據結構》課程包含了大量的算法，目前大部分的數據結構教材都是采用C語言進行算法描述，而且主要使用的是C語言里的指針、函數和結構體這些知識。但在教學中發現這些C語言內容恰恰是學生掌握情況最不理想的部分。雖然大多數學生能讀懂算法，明白算法思想，但自己編寫程序實現時卻很困難，從某種意義上說，學生只停留在驗證上，從而學生對這門課的學習興趣和學習目的性更加迷茫。

（3）應用困難。一般教師在教學中都會向學生說明數據結構課程更加注重應用，但在教學過程中往往很難甚至沒有具體的應用，學生反映教材中內容學懂了，但仍然無法應用到實際問題中。一方面，不知如何選擇數據結構；另一方面，不清楚如何優化算法，學生的學習積極性受到了一定的影響。

（4）教學模式單一。目前，“數據結構”課程在在教學手段上采用多媒體課件教學或者傳統的黑板加粉筆的教學方式，這種方法雖然清晰、方便，但由于本課程涉及大量的概念、抽象數據類型以及算法，理論性強又較為抽象，特別是算法的描述無法在課堂上一一詳細介紹，算法的執行過程很難在課堂上充分演示，使學生難以想象數據之間的復雜關系。即使學生在課堂上聽懂了，課后也可能無法及時上機實踐，由此導致教師講授的知識多于學生吸引的知識，長此以往學生便失去了學習的熱情。

1 數據結構課程教學方法改革

針對數據結構教學中經常出現的問題，提出根據不同內容采用不同教學方法，形成一門課程多種教學方法并舉的綜合教學方法改革。

1.1 課堂教學化抽象為具體

數據結構課程涉及數理邏輯、圖論、集合論和代數系統的基礎，內容高度抽象，涉及很多概念和技術。為了幫助學生理解化，降低學習難度，化抽象為具體，采用圖示法幫助理解基本概念，制作動畫演示幫助理解算法過程。例如在講解單鏈表中的頭插入法建立鏈表算法[2]時，先分析掃描字符串局部插入核心步驟，兩步操作，第一步：將原鏈表的第一個節點成為新生成的節點后繼，語句為s-＞next=head-＞next;第二步：新生成的節點成為第一個節點，語句為head-＞next=s;然后用幻燈片做圖形動畫演示，每一個操作步驟對應的圖示過程如圖1所示。

1.2 采用任務驅動教學，激發學生的學習熱情

任務驅動教學是教師根據課堂教學目標和教學內容的需要，通過設置具體任務或案例，引導學生積極參與分析、討論、協作等活動，讓學生在具體的完成任務情景時積極思考、主動探索，以提高教與學的質量和效果，培養學生認識問題，分析問題和解決問題等綜合能力的一種教學方法[3]。任務驅動法一般分四個步驟[4]：①設置情景、創建任務。②分析任務、提出方案。③搜集素材，完成任務。④評估總結。作者所教授的數據結構時，為便于學生更好地理解和掌握線性表順序存儲、排序算法、查找算法等概念，熟練得掌握插入排序、二分查找等基礎算法，首先安排任務“學生成績管理系統”。然后將問題分解為有輸入學生成績、按學生成績排序、根據學號或姓名查找學生成績、和基本信息統計等任務，第三步要求學生用課堂上學過的算法來解決每一個模塊，最后一個一個模塊去點評，指出存在的問題和優化的方法，這樣逐步推進，使學生有一種從了解、熟悉到深入理解、掌握、運用的漸進過程。

1.3 引入案例教學法，培養學生的應用意識

案例教學法是一種開放式、互動式的教學方式，需要教師根據理論教學內容事先精心策劃和準備案例，指導學生提前閱讀，并組織學生開展討論案例，形成反復的互動與交流。將知識融入案例之中，重視實踐，可以大大激發學生的學習興趣，培養學生分析問題和解決問題的能力，從而達到提高該課程的教學效果案例分析法，一般在教學過程中分三步[4]，①首先抽象出數據的邏輯結構。②確定數據的存儲結構。③算法設計。本文作者在教學中，教材是李春葆編寫的《數據結構教程》[2]，根據不同內容設置不同案例，例如，對于線性表，選用案例學生信息管理系統，對于棧，選用停車場管理系統；對于隊列，選用醫院病人就診管理系統；對于樹結構，采用計算機中文件管理模型；對于圖采用實際交通圖等。經過努力，在案例和問題的驅動下，教師的引導下，學生主動去分析問題和解決問題，就產生了學習該課程的興趣，很自然地就掌握了該課程的內容。

2 加強實驗教學，提高學生動手能力

數據結構不僅具有較強的理論性，同時也具有較強的可應用性和實踐性。因此，一定要重視教學實踐。長期以來，課程組重視實踐教學，致力于理論基礎和實踐教學的完美結合，形成了保證基礎實驗，強化設計實驗，推動綜合實驗多層次的實踐教學體系[6]。基礎實驗是將理論課上講的抽象數據類型上機編程實現，在實現的過程中，深刻理解抽象數據類型和類之間的關系、算法設計和程序實現之間的關系、問題描述和成員函數之間的關系，課程組根據數據結構課程大綱要求，每章編制以驗證為主的基礎性實驗，目的是幫助學生理解理論課上學習的內容，同時也訓練了學生的編程；設計實驗是在基礎實驗的基礎上，給出面向實際應用的實踐題目，由學生自己設計數據結構、定義類、實現類，從而解決該實際問題，這樣將幾個知識點連接起來，自己設計解決一個小的問題，課程組根據大綱和教材設計了如表達式分析與計算、迷宮、停車場管理問題、醫院病人就診、約瑟夫環問題、高速公路建設問題、教學計劃編排等問題，要求學生利用課后時間，可以集體討論解決，也可以一個學生獨立完成，提高了學生分析問題和解決問題能力；綜合實驗是給出面向實際應用的稍大一些的實踐題目，課程組設置了學生信息管理系統、圖書管理系統、集合運算、車票管理系統等綜合實驗題目，每一個題目都要求學生按照需求分析、概要設計、詳細設計、測試分析、效率分析步驟解決，在實驗課組織學生分別演示程序，分組討論，教師根據存在的問題進行點評.其目的是培養學生的程序設計、程序調試和程序分析能力，最大限度避免程序抄襲現象。通過設置綜合實驗題目、實驗目的和要求，提高學生的綜合程序設計。

3 結束語

分析了數據結構課程自身特點，通過對傳統教學中存在的幾個問題的改進，理論課采用抽象變具體、案例教學法和任務驅動法，激發了學生學習數據結構的學習興趣，提高了學生的學習主動性，強化了程序設計的理念，增強了學生分析問題和解決問題能力，數據結構在應用型本科的核心地位更加明顯，課程教學效果得到了一定的改善，今后我們將進一步優化教學內容，改進教學方法，以培養應用型、創新型人才為宗旨，為培養出合格的計算機專業人才打下夯實基礎。

［1］錢國英,徐立清,應雄.高等教育轉型與應用型本科人才培養[M].浙江大學出版社,2007,11:74-75.

［2］李春葆.數據結構教程[M].4版.清華大學出版社,2013,1.

［3］何克抗.建構主義學習環境下的教學設計[M].北京師范大學出版社,1998.

［4］曹春萍,陳平.問題驅動法在“數據結構”教學中的應用探討[J].中國電力教育,2014(23):78-79.

［5］宗瑜.案例教學法與《數據結構》教學改革[J].皖西學院學報,2009,25(2):30-31.

［6］秦玉平.數據結構課程實踐教學改革與實踐[J].渤海大學學報:自然科學版,2013(12):398-400.