遙感科學與技術專業數據結構教學改革探索*

◆張唯　王曉醉

遙感科學與技術專業數據結構教學改革探索*

◆張唯王曉醉

數據結構是遙感科學與技術專業的一門重要基礎課程，針對當前教學中出現的知識結構零散，學生學習熱情低的現象，結合多年的教學實踐經驗，以專業應用為目的，從能力本位型教學方法、應用型實踐設計和綜合性考核評價機制三個方面，對現有遙感科學與技術專業的數據結構課程教學進行調整。通過對2012和2013級學生的調查回訪發現，重組后的教學模塊和實驗方案能夠有效調動學生的主觀能動性，編程能力的提高能夠在后續的考核中得到充分體現，取得良好的教學效果。

能力本位教育；應用型實踐；數據結構

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.16.095

1　引言

當代大學教育已經從“知識教育”逐漸向“能力培養”轉變，美國工程院更是將分析、實踐、創造力等一系列能力等作為面向2020年的工程師必須具備的關鍵特征［1-2］。但不同的專業有著不同的應用特征［3-4］，同一專業內，根據后續社會角色的不同，應用能力培養的程度也不一樣。遙感科學是在地球科學與傳統物理學、現代高科技基礎上發展起來的一門新興交叉學科［5］，在遙感的機理研究和數據處理上涉及的數據結構知識較為零散，學生學習的熱情不高。在當前能力本位教育［6-11］的大環境下，為培養迎合市場需求的畢業生，有必要對遙感專業的數據結構教學進行改革。

2　遙感專業數據結構教學面臨的問題

數據結構課程通常是作為專業基礎課程為大學本科一至二年級學生開設，但此時很多專業課程還未完全展開，大部分學生對專業的認識非常粗淺，更無法意識到數據機構本身在后期專業學習中的應用價值。因此，目前的教學工作中存在的問題很多。

首先，學生普遍認為編程不是主要的專業應用，很多遙感的相關分析可以通過軟件操作和參數的配置來實現，不需要底層的代碼的開發，因而對編程類的課程缺乏必要的認同，學習的積極性減退。

其次，很多學生缺乏計算機思維的鍛煉。計算機類課程必須通過一定的實踐來獲取知識積累。學生如果在前期的C++類基礎課程中缺乏必要的實踐練習，在數據結構課程中必然會出現眼高手低的現象——能夠理解算法的邏輯結構，卻無法靈活使用算法和數據結構來解決實際應用問題。

最后，抄襲現象在數據結構課程中表現得尤為突出。由于很多教科書都配有相應的示例代碼，而基礎的數據結構內容，其代碼的變換空間相對較小，因此，學生按照常規的思路進行思考，最后得到的程序也較為一致，尤其是一些簡單的模塊，教師無法準確判定代碼的原創性。

因此，對于遙感專業數據結構課程的教學，首先要幫助學生明確數據結構課程在整個遙感專業學習中的重要性，然后通過有效的實踐環節設置，幫助學生建立基本的計算思維模式，進而提升學習的興趣。

3　遙感專業數據結構教學探索

數據結構知識點模塊化重組數據結構的知識點很多，涉及結構和算法兩大類，但在遙感專業后續的應用中，需要了解的知識點其實非常有限。因此，可以針對遙感專業的應用，對數據結構課程進行模塊化重組，圖1展示了數據結構課程的主要知識點。

由圖1可知，數據結構中涉及線性、樹型和圖三類主要的結構，以及相應的排序和搜索算法。從遙感應用的角度而言，線性是用得最多的結構，數組是遙感影像存儲的本質，而排序搜索等算法則是后續影像分析的基礎。在教學方式的設計上，不應該照搬標準的教學課件，而應該穿插合理的應用實例。以數組的教學而言，傳統的授課在介紹特殊矩陣時，給出的通常是從數學定義上的矩陣信息。但采用單波段的影像進行展示，會比單純的矩陣教學給人的印象更深刻，學生的專業意識也會在無形中增強。如圖2所示，從遙感影像中截取部分區域，將其像元信息以二維數組的形式展示，既可以幫助學生提前了解遙感的主要數據存儲方式，也鞏固了學生對于數組結構的認識。

圖2　數組形式存儲的遙感影像數據

圖3　學生完成的校園導航界面

遙感應用型數據結構實踐設計由于數據結構教學的學生大多沒有接觸遙感的專業知識，對專業的認知度比較低，也無法進行較為深入的專業應用。因此，數據結構課程的實驗教學，只能從簡單的數據存儲和基本運算入手，再輔以相應的實驗工具和手段，在提高學生興趣的前提下，逐步滲透相關專業知識。

1）實驗手段的改進。目前市面上數據結構相關書籍都配有相應的示例代碼，但由于缺乏必要的步驟指導，很多示例代碼往往淪為學生抄襲的幫兇。因此，對實驗工具的改善，教師應首先對課本示例代碼進行規范化和標準化，根據實習需要的環境配置，錄制相關程序的編寫視頻，確保學生能夠根據教程指導，實現代碼編寫的全過程，并得到合理的運行結果。規范化后的示例代碼，不適合再用于實踐的考核。但由于數據結構教學的基本內容相對固定，部分代碼具有很強的重用性。因此，在進行實踐教學設計時，需要在示例代碼的基礎上，要求學生進行相應的改造工作，或者通過對多個示例模塊的重組，來實現新功能的編碼。

（1）用戶體驗層：該層面向用戶展示服務事項，通過流程服務中心的模式，將所有的用戶體驗整合起來，從而實現真正的“一站式”服務效果。

2）專業知識的滲透。針對學生專業認知度高的特點，結合遙感的專業特色設計實習內容，會有助于提升學生的學習興趣。哈弗曼樹是數據結構課程在樹型結構中重點介紹的內容。傳統哈夫曼樹教學時，大多采用文本信息的壓縮作為主要的數據源。考慮到海量遙感數據同樣需要壓縮存儲，可以將數據量較大的單波段遙感影像作為原始數據，要求學生采用通用的編程工具，在讀取影像數據的基礎上，對影像數據的像元值進行統計。然后根據像元的統計結果，建立相應的哈夫曼樹。同時，將哈夫曼樹的編碼信息存入遙感影像數據中，通過比較壓縮前后的影像數據大小，加深對哈弗曼編碼的印象。

此外，選擇一些辨識度高的趣味游戲，抽取其中某些環節，簡化后融入實習內容，也可能收到較好的效果。如采用AOV網絡來實現游戲情節的策劃，基于地圖導航的路徑分析實驗等，都是較能激發學生興趣的實習案例。如圖3所示為學生完成的結合遙感圖像顯示和圖的最短路徑分析功能的校園導航系統界面。通過遙感影像的顯示，幫助學生熟悉數組結構，通過導航規劃鞏固最短路徑算法的學習。

3）實習指導的加強。目前的數據結構實踐教學以學生編程為主，鑒于有些學生對課程設計題目無從下手的情況，可以適當增加一些編程的操作教學學時，幫助學生搭建相應的框架，或輔導學生進行必要的算法設計。同時，統一的教學也可以避免重復工作，對學生中出現的一些相同的問題，教師可以集中歸納后統一解答，也節省了教學的時間。對于編程實踐的指導，應盡量采用小班教學，確保學生的問題能夠得到及時解答。從以往的教學經驗來看，很多學生都是由于有問題沒處解答，逐漸積累后對編程失去興趣的。因此，在實踐課程教學中，教師應該摒棄過去等學生來問的傳統，主動詢問學生的實習進度，必要時甚至可以將學生的提問次數與實習成績適當掛鉤。

圖4　2012級和2013級學生的課程考試情況

圖5　2012和2013級遙感專業學生數據結構實習考核情況

數據結構綜合考評機制經過多個班次的教學實踐發現，傳統的數據機構實踐學習中，半數以上學生能夠在規定時間內完成實習的基本要求，但僅有1成左右的學生對實習指導書中的提高要求部分進行嘗試。同時在實習過程中，學生呈現較為明顯的兩級分化：小部分學生與教師的交流充分，開發進展很快；但大部分學生很少問教師問題，而習慣于在同學內部交流，或者干脆不交流，導致教師無法準確掌握學生的進度。因此，雖然通過課程和實習的學習，學生的編程能力有不同程度的提升，但提升的幅度與學生的主動性呈正比。個別學生能夠通過實習得到明顯的提升，但班級整體的提升效果并不明顯。因此，數據結構課程教學的考核，應該將學生的主動性、與教師的交流程度以及在學習過程中的創新性納入考核范疇，督促學生多實踐、多交流，才能實現真正的提高。

4　教學實踐效果

遵照上述教學改革的策略，在2013級學生的數據結構課程教學中，對模塊化教學方式、應用型實踐設計方法以及綜合性考核評價機制三個方面進行適度調整，對比2012級和2013級學生的課程考試情況（如圖4所示）可以發現，優秀和良好的比率有了明顯的上升，而不及格率有了大幅度的下降。這說明采用面向專業應用的模塊化教學方法后，學生的學習效果有了較為明顯的增強。

2012級和2013級學生的課程實習情況對比（如圖5所示）也可以說明，改革后的教學方法基本上杜絕了實習中的不及格情況，學生都能夠動手完成相關的實習內容，對課堂知識的鞏固和實踐水平的提高有較大的幫助。

5　結語

數據結構知識體系相對基礎，對于非計算機專業的學生而言，只有學以致用，適應社會角色需求，才能成功吸引他們的注意力。因此，數據結構教學應該向模塊化、專業化方向進行更加深入的改革，進而適應社會發展的需要。

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Exploration of Module Teaching of Data Structure for Remote Sensing Science Department

//ZHANG Wei， WANG Xiaozui

Data structure is an important basic course in Remote Sensing Science and Technology Department. According to the years of teaching experiences， this paper studied the modular teaching method of data structure course， the design ideas of practices for application， and the comprehensive evaluation mechanisms for this discipline.

competence-based education； practices for application；data structure

G642.0

B

1671-489X（2016）16-0095-03

*遙感科學與技術專業綜合試點改革（G1320311616）。

作者：張唯，中國地質大學（武漢）信息工程學院副教授，研究方向為地理信息系統教育（430074）；王曉醉，通訊作者，武漢大學科學技術發展研究院編輯，研究方向為地理信息系統（430072）。