“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程實驗教學(xué)的研究與探索

呂雅麗

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程是高等院校理工科專業(yè)的一門必修課程，其實驗教學(xué)環(huán)節(jié)不僅幫助學(xué)生理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念和基礎(chǔ)算法，而且培養(yǎng)學(xué)生良好的算法編寫技能，鍛煉學(xué)生通過編程解決實際問題的能力。本文針對“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的問題，將整個實驗教學(xué)分成基礎(chǔ)篇、提高篇、專項篇等三個階段，設(shè)計和實現(xiàn)了與實例緊密結(jié)合的分層次的實驗教學(xué)模式。這一教學(xué)模式由易到難、由單一到綜合，逐步培養(yǎng)學(xué)生的算法編寫能力，在教學(xué)過程中也取得了良好的效果。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)實例“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程是高等院校理工科專業(yè)的一門必修課程，是計算機科學(xué)領(lǐng)域中的一門重要基礎(chǔ)課。該課程主要介紹如何利用算法實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)在計算機中的存儲和處理，其重點學(xué)習(xí)內(nèi)容包括：順序表、鏈表、棧和隊列、數(shù)組、樹與森林、圖、查找、排序等。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生深透地理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念和基礎(chǔ)算法，培養(yǎng)學(xué)生良好的程序設(shè)計技能，鍛煉學(xué)生通過編程解決實際問題的能力。為后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)，為從事計算機科學(xué)領(lǐng)域的研究和開發(fā)打下理論和實驗的基礎(chǔ)。

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”的課程實驗不僅幫助學(xué)生理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念和基礎(chǔ)算法，而且培養(yǎng)學(xué)生良好的算法技能，鍛煉學(xué)生通過編程解決實際問題的能力。

一、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實驗教學(xué)中存在的問題

在大多數(shù)院校，按照教學(xué)大綱和實驗大綱安排，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程一般在大學(xué)期間的第三學(xué)期或者第四學(xué)期開設(shè)，并且前期已開設(shè)一門程序設(shè)計基礎(chǔ)課程。其總教學(xué)學(xué)時72學(xué)時，其中理論教學(xué)54學(xué)時，實驗教學(xué)18學(xué)時。目前，在實驗教學(xué)的整個過程中存在以下幾個問題。

1.學(xué)生對實驗教學(xué)重視程度不夠。“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的理論知識多是用偽代碼寫的，學(xué)生往往側(cè)重于算法的理解，忽略了算法的實現(xiàn)。教材中的算法往往是偽代碼或者是程序段，學(xué)生要想將算法實現(xiàn)，就需要把偽代碼或者程序段放到帶有數(shù)據(jù)的實例中，用正確的、可執(zhí)行的程序?qū)崿F(xiàn)，然后調(diào)試運行，查看算法結(jié)果。而這一過程，一方面，比較復(fù)雜；另一方面，不是“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的重點，所以往往會被老師和學(xué)生忽略。但是這一過程恰恰是幫助學(xué)生透徹理解算法，幫助學(xué)生把算法與實際應(yīng)用結(jié)合。

2.實驗項目設(shè)置關(guān)聯(lián)性。每一個實驗項目對應(yīng)一定的理論知識，實驗項目之間不相關(guān)，學(xué)生做完做不完都不會影響下次實驗，導(dǎo)致很多學(xué)生對一些實驗不夠重視，主動性不高。有一些學(xué)生在個別實驗項目沒有做完的情況下，沒有主動的在課下完成，在下次實驗課上也沒有主動積極的補做，時間久了，越積越多，最終導(dǎo)致這門課程學(xué)得不好，也必然影響后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。

3.實驗項目內(nèi)容設(shè)置缺乏與實例的結(jié)合。實驗不僅僅是理論知識鞏固，更是知識總結(jié)和能力的提高。實驗內(nèi)容的設(shè)置不能僅僅考慮理論知識體現(xiàn)，更應(yīng)考慮如何讓學(xué)生在理解理論的同時和實際應(yīng)用相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生把理論應(yīng)用于實際的主動性。目前，大多數(shù)學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度是被動的，不愿意去多想，不愿意去擴展。教師在設(shè)計實驗項目時要引導(dǎo)他們?nèi)ヂ?lián)系實際，去擴展內(nèi)容。這樣持續(xù)下去，學(xué)生才會在掌握理論知識的同時，和實際應(yīng)用相結(jié)合，掌握算法的精髓。

針對以上存在的問題，在“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實驗教學(xué)中我們設(shè)計了與實例緊密結(jié)合的分層次的實驗教學(xué)模式。這一教學(xué)模式由易到難、由單一到綜合，逐步培養(yǎng)學(xué)生的算法編寫能力。我們將整個實驗教學(xué)分成基礎(chǔ)篇、提高篇、專項篇等三個階段，每個階段完成一定的知識目標和理論目標。

二、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實驗教學(xué)模式

多數(shù)高校的教學(xué)計劃中，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的實驗教學(xué)是18學(xué)時，我們將18學(xué)時分為9個實驗項目，分別為：順序表的操作、單鏈表的操作、棧的操作、隊列的操作、數(shù)組的操作、二叉樹的操作、圖的操作、查找操作、排序操作。不同實驗項目結(jié)合不同的實例，劃分到不同的層次，具體實施如下。

1.基礎(chǔ)篇。“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實驗教學(xué)的初級階段屬于基礎(chǔ)篇的內(nèi)容，是對教材的理論知識點的簡單實現(xiàn)。實驗項目中順序表的操作、單鏈表的操作、棧的操作、隊列的操作等屬于基礎(chǔ)篇的實驗，這一階段的實驗實例相對簡單，重點在于讓學(xué)生掌握基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型。這一階段的順序表實驗和單鏈表實驗用的實例是學(xué)生成績管理系統(tǒng)，這里對學(xué)生的信息只存儲學(xué)號和姓名，成績信息可以存儲一門到三門課程的成績。這樣數(shù)據(jù)比較簡單，著重讓學(xué)生掌握線性表的順序存儲和鏈式存儲。對于棧的操作采用的是火車車廂重排問題的案例，這里要求學(xué)生也要通過順序和鏈式兩種存儲方式實現(xiàn)。對于隊列操作的實驗采用的實例是銀行排隊叫號系統(tǒng)。在銀行排隊叫號系統(tǒng)這一實例中要求學(xué)生不能僅僅使用一個隊列，一次簡單的先進先出操作實現(xiàn)，需要學(xué)生考慮到一個排號隊列，多個叫號隊列的情況，讓學(xué)生有所思考，從而實現(xiàn)對隊列操作的深入理解。

2.提高篇。通過基礎(chǔ)篇實驗的學(xué)習(xí)，學(xué)生對線性表、棧、隊列等基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有了深刻的認識，對順序存儲結(jié)構(gòu)和鏈式存儲結(jié)構(gòu)的使用有了一定的基礎(chǔ)。接下來要學(xué)習(xí)的是較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：數(shù)組、樹和圖。數(shù)組的操作、二叉樹的操作、圖的操作等實驗就是提高篇要完成的實驗內(nèi)容。這一階段接觸的是復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但核心還是運用基礎(chǔ)篇學(xué)習(xí)的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實例的選擇也會較為復(fù)雜。數(shù)組操作的實驗選擇的實例是超市物品購買數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。這個實例中要處理的數(shù)據(jù)不是簡單的數(shù)組，其需要的數(shù)組較大，但存儲的數(shù)據(jù)較少，這就是典型的系數(shù)矩陣。在現(xiàn)實生活中這類數(shù)據(jù)經(jīng)常遇到，對這類數(shù)據(jù)的存儲和操作就要通過數(shù)組操作的實驗進行學(xué)習(xí)和掌握。樹操作通過二叉樹實現(xiàn)的，所以樹這一章節(jié)的實驗設(shè)置的是二叉樹的操作，結(jié)合的實例是磁盤文件的記錄系統(tǒng)，著重是運用線索二叉樹的知識。圖操作的實驗用的實例是高速公路交通網(wǎng)這一經(jīng)典案例。這一實例不僅運用了圖的遍歷操作，還用了最短路徑等經(jīng)典算法。通過這些提高篇的實驗項目學(xué)生對復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有所掌握，也對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜應(yīng)用有所了解。

3.專項篇。對于大多數(shù)數(shù)據(jù)的處理都會用到兩種典型的操作：查找和排序。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的后期都會講到這兩項內(nèi)容，同樣也會有兩項專門的實驗來對應(yīng)。查找操作和排序操作采用的實例分別是奧運會獎牌的排行榜的查詢和排名，著重讓學(xué)生掌握不同的查找方法和排序方法。需要學(xué)生熟記一些經(jīng)典的查找算法和排序算法，會對不同的算法比較優(yōu)劣，同時也對時間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度有所了解。

基礎(chǔ)篇、提高篇、專項篇這三個實驗階段，由易到難，相輔相承，讓學(xué)生逐步掌握不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義和使用，進而培養(yǎng)學(xué)生的算法編寫能力。具體在實施過程中根據(jù)學(xué)生的實際接受情況和掌握情況對具體實驗內(nèi)容進行增減。

三、實驗效果

我們在2012級學(xué)生的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)中開始探索這一實驗教學(xué)模式，在2013級學(xué)生的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)中進一步完善，效果很好。學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性明顯提高，學(xué)習(xí)效果也有了明顯的提高。

經(jīng)過一系列的實驗教學(xué)實踐，我們針對“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程，探索出了由基礎(chǔ)篇、提高篇、專項篇這個三個階段組成的與實例緊密結(jié)合的實驗教學(xué)模式。這一教學(xué)模式由易到難，逐步培養(yǎng)學(xué)生的算法編寫能力。今后，我們將繼續(xù)結(jié)合教學(xué)實際進一步完善實驗教學(xué)文件、豐富“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程實驗內(nèi)容和課程設(shè)計的內(nèi)容，從而提升“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)效果。

參考文獻：

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[3]孫愛東，楊秋妹，肖媚燕.多層次的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實驗教學(xué)模式探討[J].教學(xué)改革與研究，2009.