基于多元融合的數據結構課程教學方法初探

張善新

(江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122)

?

基于多元融合的數據結構課程教學方法初探

張善新

(江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122)

針對國內“數據結構”課程教學過程中任務重、要求高和課時少的突出矛盾，為高效利用有限的課堂時間和課外時間，調動學生學習積極性，提高學生學習興趣和信心，提出了多元融合的數據結構課程改革方案，從教學內容、教學模式、教學手段、實踐教學和教學質量評價等多方面進行優化改革。

數據結構； 課程改革； 教學模式； 多元融合

1968年，美國著名計算機科學家，斯坦福大學高德納(Donald Ervin Knuth)教授在其所著的《計算機程序設計藝術》第一卷《基本算法》中，第一次較系統地闡述了數據的邏輯結構、存儲結構及相應的操作，這標志著數據結構體系的開創[1]。從此以后，“數據結構”正式作為計算機科學的一門獨立學位課程開始出現，尤其是20世紀70年代以后，隨著大型程序的出現，結構化程序設計成為主流，數據結構在程序設計中的作用越來越明顯。

在計算機發展早期，其主要用途是科學和工程計算。而進入20世紀80年代以后，計算機的工作重點轉向了數據處理，并且現在計算機用于數據處理的時間比例達到80%以上。因此，可以說數據處理已經成為計算機應用的主要內容。數據結構體系建立早期，由于工藝和技術的限制，計算機內存容量很小，大型程序對于數據結構的要求很高，這也促進了數據結構內容的發展。然而，隨著芯片加工工藝的快速發展，計算機不斷更新換代，內存存儲容量快速增加，使得人們在程序設計過程中對數據結構重要性的認識不斷下降。

“數據結構”是一門計算機類的基礎課程，是數據庫、操作系統等后續課程的重要理論技術基礎。數據結構主要針對非數值計算的實現，涉及非數值計算過程中數據在計算機中的表示、組織與處理。由于課程的基礎地位，數據結構課程影響到學生本科期間很多后續內容的開展和學習，無論是對于進一步學習計算機領域其他課程、參加競賽和實踐，還是對學生將來工作和深造，以及今后從事理論研究、技術開發管理等都具有重要的影響。因此，如何有效提高“數據結構”課程教與學的質量是需要我們深入研究的一個重要課題，也是我們一直以來都面臨的一個任務艱巨的挑戰，更是我們孜孜以求的實踐目標。

1 “數據結構”課程教學方法研究現狀

鑒于數據結構的重要性，目前在課程教學過程中提出了很多教學方法。邱勁等從教學實踐出發，針對“數據結構”課程教學中存在的問題,提出了“合理組織教學內容，改革傳統教學模式，優化教學手段,加強工程實踐,建立科學評價機制”的“數據結構”課程教學改革與實踐研究方案[2]。李治軍在對教學模式進行分析的基礎上，提出了一種以問題驅動為核心的教學模式[3]。唐劍梅對課程的教學模式進行了研究和探討，從課程整體安排、教學環節組織、實訓報告規范化以及課程考核方式等方面提出了可行性較強的具體措施[4]。楊峰等將微課與翻轉課堂結合應用到“數據結構”課程教學過程中，為課堂教學帶來了新的思路[5]。吳一塵等在分析現行教學模式下“數據結構”課程的教學現狀基礎上，探討了翻轉課堂在課程中的應用前景，以“最小生成樹”教學內容為例，研究了翻轉課堂教學的可行性[6]。曹妍等為實現計算機相關專業的人才培養目標，在對課程教學中存在的實際問題進行分析基礎上，提出了一種淡化細節注重算法思想和實踐環節的啟發式創新型教學模式[7]。趙慶聰提出在云計算教學平臺基礎上，引入翻轉課堂教學實驗模式，設計了實驗教學過程，實踐表明，這種方法對“教”與“學”都起到促進作用[8]。楊玉軍和楊夷梅針對傳統“數據結構”課程教學的弊端，結合自己多年計算機程序設計競賽培訓經驗和教學實踐，論述了《數據結構》課程教學中融入計算機程序設計競賽思想的重要性,并且就程序設計競賽思想全方位融入到“數據結構”教學的各個環節中的具體方法進行了探索，為“數據結構”課程的教學改革提供有益參考[9]。劉小晶等從分析“數據結構”課程教學現狀和翻轉課堂的概念入手，探究如何在高校“數據結構”課堂教學中有效實施翻轉課堂的教學模式，提出了具體實施方案，明確了教學活動過程中各要素的流程控制，最后就實施方案應用中擬解決的關鍵問題進行了分析[10]。張燕則借助微信公眾平臺輔助高校數據結構教學研究[11]。張紹武等對“數據結構”教學模式進行探索，研究了基于慕課平臺的翻轉課堂的教學理論及教學實踐，力求使學生通過課程學習，能夠了解掌握數據的邏輯結構、存儲結構及算法設計與分析的基本思想，從而為各種計算領域的學習和研究打下基礎[12]。盡管這些方法取得一些成績，然而由于“數據結構”這門課程的特殊性，目前在教學過程中仍存在著一些問題：(1)應用平臺的問題。一方面學生在學習過程中，對于數據結構學習之后的應用對象缺乏直觀認識，容易造成理論脫離實際的困境。另一方面現在計算機內存很大，CPU運算速度也很快，學生很難體會到數據結構的作用與優勢；(2)先修課程掌握不足。“C語言程序設計”是數據結構主要前導課程之一，學生在學習過程中由于受課時和實驗條件的限制，實踐較少，造成C語言知識掌握和熟練程度普遍不足，學生感覺數據結構課程理論知識能夠聽懂，但是不知道從何處入手實現算法，感到“數據結構”難以掌握，從而喪失學習興趣和信心，直接影響到課程教學過程。(3)課時量少。數據結構知識點豐富，內容繁多，現在的課時難以支撐一些新的教學模式的開展，主要的教學方式還是以課堂教師授課為主，學生很難參與進來。如何將不同教學模式進行合理運用安排，以及引導學生課外時間對數據結構知識應用顯得尤為重要。

針對“數據結構”教學過程中出現的上述問題，本文以江南大學物聯網工程學院“數據結構”課程為依托，按照培養學生發現問題、分析問題以及解決問題的原則，以能力為中心，以學生為主體，從教學內容、教學方法、教學實踐以及質量評價等方面展開“數據結構”課程教學改革與實踐研究，提出一種新的多元融合的教學方法。

2 基于多元融合的課程教學與實踐改革

2.1 教學內容組織與改革

“數據結構”課程是以非數值計算的程序設計問題為研究對象的一門學科，課程涉及眾多內容。從邏輯結構角度來說，涉及基本數據結構(線性表、棧、隊列、串、數組和廣義表)、復雜數據結構(樹、圖和動態存儲管理)以及數據結構的應用(查找和內部排序)。從存儲結構角度來說，涉及線性存儲和鏈式存儲兩種主要存儲方式，但是對于每種不同的數據結構，存儲方式上又有差別。更為復雜的是，對于每一種數據結構，都有包括創建、銷毀、插入、刪除、以及遍歷等在內的大量不同操作。“數據結構”課程教學內容的有效選擇和組織是首先要解決的一個重要問題。

對課程內容進行合理的選擇和組織，以計算思維為導向，遵循抓重點、破難點、釋疑點、造亮點的原則，統籌兼顧，優化教學內容，突出重點難點，精準發力，科學實施。做到重點、難點、疑點和亮點的精準選擇，重點難點精講細講、易懂的內容充分發揮學生的主觀能動性，重點內容(概念、算法和思想等)做到講細講透，加強與已有知識的聯系與區別，對于抽象內容，不易掌握的算法思想等難點，要化抽象為具體。

2.2 教學模式改革

數據結構中很重要的一部分就是算法，由于算法比較抽象，對于學生的想象能力要求很高。因此，現代教學模式在課堂中的引入顯得尤為重要。如啟發式教學模式、范例教學模式以及翻轉課堂教學模式等的引入。在教學過程中，加強實際生活中案例的應用，例如在講圖中單源最小路徑求解的Dijkstra算法的過程中，筆者以學生放假回家為情景，通過啟發學生規劃回家路線這一案例，將書上抽象的符號具體化。在講圖中最小生成樹概念的時候，以不同城市之間架設通信線路為例，鼓勵學生到講臺上講述自己實現這一過程的思路，通過將翻轉課堂模式嵌入到課堂教學中，將學生的表述內容進行抽象總結，引導學生理解Prim算法和Kruskal算法的思想，增加課堂上師生之間的互動。此外，在教學過程中，注重內容之間的連續性與繼承性，建立完整的知識體系，對不同類型數據結構之間的區別與聯系進行分析。

與此同時，加強老師與學生之間的互動，充分調動學生課下學習的興趣，通過即時通信工具，如微信平臺的使用，加強學生與教師之間的交流，對學生學習中存在的困難做到及時溝通與處理。

2.3 教學手段改革

多媒體技術的出現，使得教學手段更加豐富。充分利用多媒體技術，將抽象概念用動畫形式進行展示，使抽象概念直觀化，在強化教學效果的同時也便于學生對于概念的理解。特別是對于算法過程的講解中，通過動畫效果，展示算法執行過程，學生可以通過動畫演示，動態了解數據變化過程，理解算法執行情況。

在使用多媒體教學的同時，也應該注重對板書的應用。此外，由于數據結構的內容需要用C語言進行實現，可以借助多媒體，通過結合Visual Studio等開發工具的調試過程，展示程序運行過程中算法執行過程，變量變化情況等。

此外，鼓勵學生通過包括慕課、網絡公開課等多種形式的多媒體網絡課件實現自學和復習的過程，并與課堂教學結合起來，形成多維立體的學習環境。

2.4 開展多元實踐教學模式

數據結構課程學習的目標是將理論與應用進行有機結合，而如何引導學生在實際中應用數據結構知識是課程改革的重點。通過實踐教學，使學生明白數據結構的本質、作用、優勢和應用領域，同時引導學生學會針對具體問題進行分析，選擇合適的數據結構類型，從而解決問題，實現對學生分析能力和解決問題能力的培養。

目前，數據結構課程的實驗內容很多，針對每種不同的數據結構都有相應的實驗任務，學生的上機實驗也很多。但是，這些實驗的內容多是驗證性實驗，缺乏培養學生解決實際問題能力的內容。因此，需要對數據結構課程的實踐教學環節進行多方面優化與改進：

(1)實驗內容的優化：教學實驗內容題目設計要更加合理，以實際應用課題為出發點設計上機實驗內容，同時還要加強知識運用方面的內容。

(2)工程課題實踐的改革：以單片機為應用平臺，通過在單片機上實現數據結構，提出以單片機系統為應用平臺，通過在單片機系統上編寫數據結構中鏈表、順序表、棧、隊列、樹和圖的程序，實現查找以及排序等功能，增加學生的學習興趣，在工程實踐過程中使學生掌握數據結構知識。

(3)學科競賽思路的引入：將計算機程序設計競賽試題的解決方案和“數據結構”課程教學進行融合，通過向學生講述計算機程序設計競賽的重要性，增加學生興趣，并且將程序設計競賽思想全方位融入課程的實踐教學中。

2.5 優化教學質量評價體系

優化學生學習效果的評價體系，可以有助于提高學生的主動性，增加學習的樂趣，提高學習的效率，如何建立多元評價體系是一個需要進行優化的課題：

(1)考核方式的多元化。上課表現、實驗表現、課后作業以及期末考試等多元考核方式綜合運用。課后作業形式實現多元化，設計包括選擇題、計算題和編程題等不同類型題目的綜合形式。實驗成績的考核也從實驗報告成績一種方式轉化成上機表現和實驗報告成績加權的方式進行。

(2)理論成績和實踐成績相結合，增加學生實踐成績的比例。以小組的形式，共同完成綜合大作業任務，通過小組自評、互評和教師評價加權的方式進行效果評價。

3 結語

數據結構是計算機類專業的基礎課，同時也是眾多相關專業的重要選修課程。數據結構課程的學習對于培養學生的思維抽象能力，問題分析和解決能力具有重要的作用。數據結構在計算機類課程中具有重要的基礎作用。筆者針對課程理論性強，抽象、難以掌握，而且學生對學習數據結構之后的用途不了解，導致對課程重要性認識不足、學習興趣不高的問題，提出了多元融合的課程改革方案，讓學生更加深入地理解數據結構在程序設計中的重要性，更加有效地掌握課程內容。通過改革與建設，將課程建設成為一門充滿創新精神，理論聯系實際，具有現代計算機專業特色的一門課程。

[1] 蔚敏，吳偉民．數據結構[M]．3版．北京：清華大學出版社，2007．

[2] 邱勁,王平,徐展.數據結構課程教學改革與實踐探索[J].西南師范大學學報(自然科學版), 2013，38(1)：139-142.

[3] 李治軍, 廖明宏, 張巖. 數據結構與算法課程設計教學模式的探討[J]. 計算機教育, 2006(2):54-56.

[4] 唐劍梅, 譚平. 數據結構與算法設計實訓課程教學研究[J]. 軟件導刊, 2016, 15(1):193-194.

[5] 楊峰, 李建奇, 王文虎. 基于微課的翻轉課堂教學模式研究：以數據結構課程為例[J]. 教育教學論壇, 2016(3):8-9.

[6] 吳一塵, 張亮, 趙文進. 翻轉課堂在數據結構課程中的應用[J]. 計算機教育, 2016(2):55-57.

[7] 曹妍, 陳燕, 盈艷,等. 數據結構課程創新性教學模式研究[J]. 教育教學論壇, 2016(4):125-126.

[8] 趙慶聰. 基于翻轉課堂的數據結構課程實驗教學模式研究[J]. 大學教育, 2016(2):9-10.

[9] 楊玉軍, 楊夷梅. 計算機程序設計競賽思想融入“數據結構”課程教學的探索與實踐[J]. 科教文匯, 2016(4):50-52.

[10] 劉小晶, 鐘琦, 張劍平. 翻轉課堂模式在“數據結構”課程教學中的應用研究[J]. 中國電化教育, 2014(8):105-110.

[11] 張燕. 微信公眾平臺輔助高校數據結構教學研究[J]. 課程教育研究, 2016(2):247-248.

[12] 張紹武, 林曉惠, 李丹. 基于慕課課程的研究生“數據結構與算法”翻轉課堂教學模式探索[J]. 福建電腦, 2015(7):44-45.

責任編輯 俞 林

Teaching method of “Data Structure” based on multi-integration mode

ZHANGShanxin

(School of Internet of Things Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

In order to solve the contradiction problems with heavy tasks, high requirements and less time during the teaching process of data structure course, a novel curriculum reform program about the course is proposed based on multi-integration mode to efficiently use limited classroom time and extra-curricular time, arouse the enthusiasm of students, as well as promote the interest and confidence of students in learning data structure. In this paper, the optimization and reform of teaching content, mode, methods, practice and quality evaluation system are presented.

Data Structure; curriculum reform; teaching mode; multi-integration

2016-04-26

項目來源：中央高校基本科研基金項目(JUSRP115A27)

張善新(1987— )，男，山東臨沂人，講師，博士，研究方向：模式識別與人工智能。

10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2016.06.011

G 642.0

A

1671-7880(2016)06-0039-04