支架式教學法在數據結構課程中的實踐研究

王卓 陳愛

摘要：本文通過研究基于建構主義學習理論的支架式教學模式，提出了《數據結構與算法》課程支架設計原則，以及數據結構課程中各種支架的構建方法。通過教學實踐檢驗，得出支架式教學模式的實施有效地促進了學生主動的完成知識建構，取得了較好的教學效果。

關鍵詞：數據結構；支架；教學

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）48-0184-03

支架式教學是建構主義的一種教學模式。學習者在支架的支持、引導和協助下進行學習，教師是學生學習活動的指導者和幫助者，而非傳統教學模式下的知識傳授者。本文在數據結構課程中進行支架式教學的探索與實踐，幫助學生形成對知識的主動探索式學習，以提高解決實際問題的能力，使學生即使在課程結束后，也仍然有能力和興趣繼續自我拓展學習。力求改革后的數據結構課程教學具有科學性、創新性、先進性和開放性，更注重學生綜合訓練和能力培養，符合應用工程型人才的培養要求。

一、支架式教學

在“支架式教學”模式下，學習者在教師的引導下掌握、建構和內化所學的知識技能，從而使他們達到更高的認知水平。在傳統的教學模式中，教師是學習的管理者，而在支架式教學模式中，教師通過支架的幫助，讓學習者自己逐步掌握管理學習的任務，直至達到學習目標。在“支架式教學”實施的過程中，先由教師提供可能的工具，將學生帶入一定的“問題情境”中，然后由教師為學生確立學習目標，借以引發情境的各種可能性，進而不斷的探索實驗。在開放的學習目標下，起初教師決定學習者探索的總方向，并在探索過程中，不斷給以啟發、引導和演示，或者提供問題解決的模型，不斷增加學生獨自面對問題的實踐嘗試的部分。最后，學生要脫離教師，逐步由自己去決定探索的方向和問題以及選擇探索的方式方法，不同的學生可能會探索出不同的方向和不同的問題。

組成支架式教學的主要環節部分：（1）搭建支架。根據一定的學習主題，按“最鄰近發展區”的要求將概念框架搭建起來。（2）引入問題情境。設立一定的問題情境，將學生引入其中。（3）獨立探索。學生獨立探索前，首先由教師演示或介紹概念，然后讓學生自己設計探索方式并實踐；在探索過程中教師適時提示，剛開始的提示、解釋比較具體和詳細，隨著學生能力的增加逐漸減少輔助，越來越多的增加學習者獨立探索的部分。（4）協作學習。學生分小組開展組內討論學習。在討論的過程中可以使原來相互矛盾的多種意見、分歧嚴重的復雜局面逐漸變得明朗、一致起來，總結集體討論的結果，使得學生們達到對當前所學概念比較全面、正確的理解，最終完成對所學知識的意義建構。（5）效果評價。對學習效果的評價內容主要包括：個人自主學習的能力；個人在小組協作學習時所做出的貢獻；個人對所學知識的意義建構的完成情況。評價內容包括學生個人的自我評價和學習小組對個人的學習評價。

二、《數據結構與算法》課程支架設計原則

支架式教學法是基于最近發展區的個性化教學方式，它發生在有效的交互過程中，教學中設計的支架具有一定的特征，其通常具有可調節性、暫時性和漸消性的特點；同時兼顧數據結構課程內容其自身的特點，我們確定了數據結構課程支架的設計原則，在教學中充分發揮其輔助支持作用，盡可能的減少學習障礙，實現學生的獨立自主學習，幫助其完成學習任務，并進入新的最近發展區。課程支架具體的設計原則如下。

1.基于最近發展區。根據維果斯基的最近發展區理論，學生的能力水平有兩種：第一種是學生當前能力，即當下獨自解決任務的能力；第二種是可能的發展水平，即通過教學所獲得的潛力。最近發展區就是介于這兩者之間的差距。在設計教學支架之前，教師應充分分析當前學生的最近發展區，勢必在學習者的最近發展區之內設里，這樣才能充分發揮支架的作用。教師為學生提供帶有一定難度的教學內容，充分調動學生的積極性、主動性，激發學生學習潛能，提高其跨越最近發展區達到下一發展階段的水平，同樣在此基礎之上進行下一個發展區的發展。在數據結構課程的支架教學設計中，要充分考慮“最近發展區”這一重要因素，重視教學支架的搭建過程與方法。

2.引導性。支架不是直接提供學習成果給學習者或是替代其完成教學過程，而是輔助學習者的學習過程。在數據結構教學過程中采用了提出問題—分析問題—解決問題的教學模式，在支架等相關資源的輔助下，引導著學生的學習活動。

3.協作性。協作學習是支架式教學的重要環節之一，它不只是給學習者提供惰性的事實和信息，而是讓學習者參與到學習活動中來，促進他們深度參與學習活動，進行探索與實踐，在活動中進行有意義的學習。例如，講解二叉樹的非遞歸遍歷算法，學生已經學習了二叉樹與棧的概念，并掌握了其基本操作原理，在此基礎上，讓兩個同學合作講解算法，一個講解算法，另一個跟隨講解分步驟畫出動態執行過程。這樣可以加深全班對教學內容的理解和印象，達到較好的教學效果。

4.臨時性、漸消性。支架式教學方法的目標是促進學習者的自我規范，使學習者成為自律的、獨立的學習者和問題解決者。教師在教學初始階段根據學生現有的水平、教學內容和教學目標來確定支架的類型并搭建支架，隨著教學過程中學生水平的不斷提高，支架的層次也不斷的提升，支架的總量也逐步減少，直到最終學習者能夠獨立完成任務。

5.趣味性。數據結構課程內容算法部分較枯燥，教師要給予學生支持性的反應，肯定學生的能力，減少其挫敗感和危機感。在支架式教學中教師要激活和保持學生的興趣、注意力，使教學內容看起來較簡單、有趣，讓學生能夠體驗到成功，獲得成就感。

6.多樣性。支架的形式是多種多樣的，具體包括范例、問題、圖表和工具等形式。

范例支架，它是一種學習成果，是符合學習目標要求的，它是在特定的學習主題中包含了其中最重要的探索步驟或最典型的成果形式。范例展示的方法可以防止教學過程中過多的冗長和模糊不清的闡述，幫助學生更輕松的理解教學內容。問題支架，是教師在教學過程中最常使用的支架類型，根據“最近發展區”的理論，教師設計的問題支架要盡可能的貼近學生的知識水平與能力水平；圖表支架，包括多種類型的圖形和表格，圖表是一種采用可視化的形式對信息進行描述和說明，它更適合學習者的高級思維活動，比如解釋、分析、綜合和評價等；工具支架，它主要是在以學為主的教學活動環節中，為保證教學過程的順利實施，所提供的認知、會話、協作、展示平臺等相關工具。在數據結構課程中，我們通過動畫和相應的教具來輔助演示算法的執行過程，反映其中數據結構的變化以及內存的演變過程。

三、數據結構課程支架的構建

我們重視支架的搭建過程，就是希望通過我們的教學，能夠適時地喚醒學生頭腦中已經具有的相關知識和經驗，讓這些必要的相關知識經驗突顯出來，使學生意識到所學習過的、所掌握的知識經驗的重要性，以及其與即將構建的新知識之間具有的重要聯系，從而為學生學習掌握新知識做準備。所以支架的作用就是引導學習者在未知的知識空間逐步攀升，不斷的由原來的知識水平向更高的水平發展，幫助學習者順利穿越“最近發展區”，以獲得更進一步的發展。

1.范例。它是在特定的學習主題中包含了其中最重要的探索步驟或最典型的成果形式。范例展示的方法可以防止教學過程中過多的冗長和模糊不清的闡述，幫助學生更輕松的理解教學內容。范例并不局限于電子文檔等有形實體，也可以是操作的技巧和過程。優秀的范例可以在技術方面和主題上引導、協助學生的學習。教師在教學中展示這種非實體的范例時，可以將操作步驟與語言說明結合起來，在重要的部分和步驟重點強調。

教學案例1：二叉樹遍歷遞歸實現向非遞歸實現的轉化。二叉樹遍歷操作的遞歸實現程序思路清晰，結構簡單，易于理解，但其執行效率較低。為了提高程序的執行效率，可以考慮采用非遞歸方式來實現二叉樹的遍歷算法。教師首先講解先序遍歷的非遞歸實現，重點講解利用棧記錄回溯點的方法，之后讓學生用同樣的方法，模仿實現中序和后序遍歷的非遞歸實現，其中在后序遍歷實現時，教師提示學生需要解決根兩次入棧的問題。

2.問題。問題是教師在教學過程中最常使用的支架類型，教師要具備能夠在教學過程中自然的、及時的提供此類支架的能力。同時教師要能夠預見到學生可能遇到的問題和困難，設計對應的、適當的問題支架。

教學案例2：一顆完全二叉樹上有1001個節點，求其葉子結點的個數為多少？a.完全二叉樹的定義、特征是什么？b.該二叉樹包括的結點類型有哪些？是否具有度為1的結點？c.二叉樹的性質4的內容是什么？d.二叉樹的性質3的內容是什么？

教學案例3：編寫函數實現返回給定的二叉樹在中序遍歷下的最后一個結點。a.二叉樹中序遍歷的過程是什么？b.最后遍歷的結點的位置是否有特定的位置？c.根據二叉樹鏈表的結構如何找到這個特定的結點？

同學們根據上述的分析可以分步驟編程實現函數，并完善程序，調試運行后得出結果，進一步驗證代碼的正確性。

3.圖表。圖表是采用可視化的形式對信息進行描述和說明，它更適合學習者的高級思維活動。數據結構教學內容抽象，算法過程復雜，單純的文字描述枯燥且不易理解，而在教學中使用大量的圖表形式，可以更直觀的體現教學內容。

4.動畫。一些算法在對數據處理過程時邏輯性強、復雜度高，較難用語言和板書表達清晰。比如，樹形結構的算法，在實際中大量使用了遞歸函數，雖然遞歸函數形式簡潔，但具體執行過程解釋起來較煩瑣，因而可在課件中直觀展示算法運行過程中數據結構抽象的改變過程以及內存數據的改變狀態，這對學生深入理解教材內容、掌握基本的數據結構及相應算法的實現有很好的幫助。

四、結語

該教學方案在實施過程中，重點難點的教學內容課堂理解率平均提高了16.7%，課堂的教學氣氛和交流互動更加熱烈，學生基本能獨立完成實驗任務，極大地提高了自信心和成就感。學生通過該課程的學習，在算法設計、編程實現和解決實際應用問題方面的能力均有不同程度的提高。支架式教學模式以建構主義理論為基礎，通過教師搭建的系列教學支架，促使學生主動參與到課堂教學中。教師是課題的組織者，利用適時組織學生獨立探索、協作學習等手段完成對知識的意義建構，訓練和提高了學生的自學能力。改革后的數據結構課程教學具有科學性、創新性、先進性和開放性，更注重學生綜合訓練和能力培養，符合應用工程型人才的培養要求。

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