工作坊+任務驅動的數據結構與算法課程教學改革及實踐探索

劉喜勛　姜慶偉　戚　娜　夏東盛

工作坊+任務驅動的數據結構與算法課程教學改革及實踐探索

劉喜勛姜慶偉戚娜夏東盛

為了解決傳統教學過程中面臨的一系列問題，本文通過把工作坊+任務驅動教學模式引入數據結構與算法課程教學改革，通過陜西工業職業技術學院軟件技術專業三年的教學實踐，形成了“一個項目貫穿、兩重身份交替”的運行機制，實現了知識傳授、學生實踐能力和創新能力培養。

工作坊+任務驅動 數據結構與算法 改革與實踐

數據結構與算法課程是計算機專業課程改革和資源建設核心課程之一。在該課程中介紹的各類數據的邏輯結構、存儲方式及相關的算法是程序設計的基礎。［1］在教學過程中，如何培養學生的數據抽象、設計算法和開發軟件的能力？如何培養學生在學習這門課程之后，應用數據結構的相關知識，解決軟件工程的相關問題？如何培養學生創新能力？為了讓這些問題得到解決，我們把工作坊+任務驅動教學模式引入數據結構與算法教學實踐中。

工作坊+任務驅動概述

1.工作坊定義

工作坊（workshop）一詞，最早出現在教育與心理學的研究領域之中。上世紀60年代美國的勞倫斯·哈普林（Lawence Harplin）成功地將工作坊的理念引用到都市建設計劃討論之中，使不同立場、不同階層、不同族群的人們，可以在一起思考、共同探討、相互交流。在討論都市建設計劃或是社區環境議題時，成為一種鼓勵大家參與、實現創新以及找出解決問題對策的有效方法。［2］

2.任務驅動

任務驅動即任務驅動教學法的簡稱。任務驅動教學法是一種建立在建構主義學習理論基礎上的教學方法，［3］適用于高職教育中，學生通過實際操作才能掌握的知識和技能，對計算機類專業，學習軟件開發所需知識和技能尤其適用。任務驅動教學法強調學生的學習活動與具體任務或問題相結合，讓學生帶著真實的任務去學習，以探索解決問題的方法，［4］即學生在完成任務的過程中，明確學習目標，教師在引導學生完成任務中，傳授知識。老師教的知識和實際問題結合越緊密，學生的學習興趣越高，傳授的知識更容易被接受。

3.數據結構與算法課程工作坊+任務驅動教學模式的特點

數據結構與算法課程工作坊+任務驅動教學模式，是以工作坊的輕松氛圍，任務驅動教學模式完成教學和學習任務的。通過活動、討論、互動、短講等多種方式，共同探討某個主題，完成理論知識儲備，圍繞任務展開教學。鼓勵學生從不同的角度去考慮和解決問題。［5］數據結構工作坊+任務驅動教學模式形成了“一個項目貫穿、兩重身份交替”的運行機制，目前在高職教學中，工作坊+任務驅動教學模式已成為越來越流行的一種教學模式。

數據結構與算法教學面臨的問題

數據結構與算法課程，在我院經過三十年的教學方法積淀，通過主講教師的說課環節，學生能夠充分認識到數據結構與算法課程的重要性。經過老師的認真備課，做好教學設計，課堂認真授課，學生如果能夠認真聽講，課后復習，學生就能夠掌握課程的相關理論，聽懂常用算法。但是遇到上機實現和實際項目就會出問題。

1.理論性強，知識點多

數據結構與算法涉及線性表、樹、圖等復雜的數據結構，在算法實現和時空分析時，必須掌握至少一門程序設計語言，具備一定的高等數學、離散數學、概率論的理論基礎，但是，在現行的高職課程體系中，由于學制的原因，有些課程沒有開設，有些課程課時數少。這就導致學生雖然認識了數據結構非常重要，但在學習該課程時，因知識積累不夠，會覺得內容抽象，理解起來比較困難，學起來也比較吃力，嚴重影響到學生的學習熱情和學習效果。

2.經典算法多，實際案例少

數據結構與算法課程中，涉及將近100個經典算法，雖然熟練掌握這些算法，對于廣大同學將來的職業生涯至關重要，但是由于課程中實際應用案例少，產生數據結構用不到的錯覺，導致老師上課講得津津有味，學生聽得昏昏欲睡，上課聽算法，上機驗證算法，進而導致學生降低對該課程的重視，以至于失去學習的積極性。

3.喜歡靜聽，不愿動手

數據結構與算法課程，經過老師認真備課，精心準備，借助現代化教學手段，使學生喜歡數據結構與算法這門課程，但是，學生只喜歡靜聽，不愿動手或難動手。因為現行教材中沒有現成的源程序，要上機實現，需要完成數據類型的定義、規劃接口（參數傳遞）、將類C或其他偽碼描述的算法在特定編譯環境編程實現。由于課程內容的相關性和實驗內容的相互依賴，如果因個體的原因，使前面安排的實驗沒有按時完成，則容易造成后續實訓無法完成。

4.只傳輸知識，不培養技能

在傳統數據結構與算法課程教學過程中，把課程當作純理論課上，多數教師采用課堂講授+上機驗證的教學方式，即教師在課堂唱獨角戲、學生被動不參與，雖然在短時間內灌輸了大量的知識，但是無法完成實踐能力和創新能力培養。學生學習完課程，只是完成知識的簡單記憶，不能達到對各類算法的靈活應用和創新，這樣的教學方法，學生學習沒有積極性、主動性，更難培養學生的創造性，使學生失去成為高素質創新人才的良機。

工作坊+任務驅動教學模式

1.任務的設計

工作坊+任務驅動教學模式的特點之一就是圍繞工作任務展開教學。因此任務的設計是關鍵，目標：不僅使學生掌握知識，而且可以充分調動學生的創造性思維；來源：任務可以來源于企業的實際項目，也可以由有經驗的老師完成設計；要求：需要把課程內容巧妙地隱藏在每個項目中，通過完成項目，掌握課程內容。根據課程教學計劃，任務提前布置給學生，學生可以查閱資料，做好完成項目需要的準備工作，鼓勵學生從不同的角度去考慮和解決問題。可采用一個項目組一個綜合案例，如：學生信息管理系統、圖書信息管理系統、校園導航系統等。

2.教學過程

教學過程貫穿于整個項目開發流程，項目一般設計過程包括項目的總體結構設計和模塊設計、編程和調試、程序聯調和測試等一系列操作。項目實施的每一個環節，都是教學環節，因項目來源不同、教學目標不同、涉及的內容不同，在實施過程中會有不同的議題發生，老師需要隨機應變，變更操作的方法。但是，基本的方式和步驟是不變的，有以下五個環節。

（1）項目資訊的分享

因為，任務提前布置給學生，學生通過網絡、圖書館查閱資料，已獲得了一些有關項目的資訊。所以，工作坊第一個實施的步驟，就是項目組成員圍坐在一起，以一種輕松的氛圍，共同分享每個個體掌握的基本資訊。因個體的差別，資訊獲取的能力和途徑會有差異，通過這樣分享的過程，讓項目組成員能夠在平等的立場下共同討論某一議題、交換意見、發表自己的思考成果，從而達到在短時間掌握基礎知識的目的。在此過程中，指導教師一定要參與，合理補充項目組成員需要掌握但未掌握的資訊。如：學生信息管理系統、圖書信息管理系統，首先分析討論它們的共性，確認學生信息表、圖書信息表的邏輯結構是線性表。為了研究這種數據結構中元素間的關系，我們可以忽略記錄中的具體內容，而只將它看作結構中的一個元素。一般情況下，一個線性表是由n個元素組成的有限序列，可記作：

L=（a0，a1，…an-1）

其中，每個ai都是線性表L的數據元素。數據元素可以是不同的數據類型。例如：整型、實型、字符、結構體（記錄）等，但同一線性表中的元素必須具有相同的數據類型。

（2）項目組方案設計

第二階段在小組范圍內每個成員發表自己的意見和看法，提出自己的問題，共同研究方案，在未形成共識前，老師適當點撥，確定解決方案。如：學生信息管理系統、圖書信息管理系統設計時，學生提出在該程序中涉及哪些數據？這些數據應該以何種方式存儲到計算機中？對于線性表應采取什么存儲方式等問題。討論之后形成共識，線性表一般有順序存儲結構與鏈式存儲結構兩種存儲方式，按順序存儲結構建立起來的線性表稱為順序表，按鏈式存儲結構建立起來的線性表稱為線性鏈表。

（3）系統概要設計

第三階段就是項目各小組之間交流。比第二階段的范圍更大，層次更高，發表之前各小組共同討論出來的成果。在老師的指導下，通過和其他小組互相交流，各小組闡述自己的立場觀點。通過這次溝通協調的機會，共同得出最終的解決方案，為下一階段奠定基礎。

（4）詳細設計，實施編碼，系統測試

詳細設計，實施編碼，系統測試，是整個過程最重要的內容。根據小組討論的結果，每個小組完成了統一的概要設計。軟件系統的詳細設計要求每個學生獨立完成。在詳細設計中，主要用結構化程序設計方法，用圖形工具業務流圖、程序流程圖、PAD圖、NS流程圖，描述實現具體模塊所涉及到的主要算法、數據結構、調用關系。一定要引導學生，使詳細設計應當足夠詳細，對整個系統各個層次中的每一個程序（每個模塊或子程序）的細節都要涉及到，應當保證軟件能夠完成所有需求，達到能夠根據詳細設計報告方便地進行編碼和測試。在進入軟件編碼階段，根據《軟件系統詳細設計報告》中對數據結構、算法分析和模塊實現等方面的設計要求，選用自己熟悉的C語言，實施編碼工作，實現各模塊的具體功能，從而實現目標系統的功能。還需要進行接口定義、用戶界面設計等方面的工作。系統測試，即鑒定系統的正確性、完整性、安全性和質量的過程。要求在規定的條件下對程序進行操作，以發現程序錯誤，衡量軟件質量，如：計算精度是否滿足要求？用戶使用是否方便？實際輸出與預期輸出是否一致？

（5）項目驗收，實習總結

最后的項目驗收，要求學生按照時間節點，提供完整的資料，如在學生信息管理系統完成后，要求每個項目組上繳完成完整系統代碼、《學生信息管理系統用戶安裝手冊》《學生信息管理系統用戶使用指南》、學生信息管理系統需求報告、學生信息管理系統設計報告、學生信息管理系統測試報告、學生信息管理系統項目設計總結等資料。通過撰寫項目設計總結，學生可以把整個項目實施過程中，如討論、編制程序、調試程序等每個環節中出現的問題、具體解決途徑和辦法、心得和感悟進行認真總結并記錄到項目設計總結中，完成職業生涯的積累。

結論

通過多年教學實踐，工作坊+任務驅動的數據結構與算法課程教學改革在我院成果已顯現。近三年，學生在工作坊完成企業項目20余項、科技創新項目30余項，在全國、全省職業院校大學生技能競賽中獲得國家級獎項60余項。通過課改，調動了學生積極性、主動性。通過完成企業項目，較好地培養了學生的責任感、自信心、職業品格。實踐證明，工作坊+任務驅動的數據結構與算法教學模式，對培養實踐能力和創新能力非常有效。

［1］劉喜勛：《基于多態和模板的數據結構算法設計》，《陜西科技大學學報》2004年第4期，第108-110頁。

［2］左靖、董冰峰：《工作坊》，新星出版社，2010，4。

［3］余文森、吳剛平、劉良華：《解讀教與學的意義》，華東師范大學出版社，2005。

［4］李霞林：《任務驅動式教學法在Access數據庫教學中的應用》，《計算機教育》2006年第11期，第30-32頁。

［5］崔學榮、李娟、吳春雷：《數據結構與算法課程教學現狀分析》，《課程教育研究》2015年第1期，第150-151頁。

作者單位：陜西工業職業技術學院陜西咸陽