數據結構與算法分析立體化教學模式探索

華 偉，張 典，姜官男，徐自勵

（1.四川大學 電子信息學院，四川 成都 610065；2.中國民航總局第二研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

數據結構與算法分析作為本科核心課程，與現代信息社會密切相關。然而，由于本課程理論性強、概念抽象, 需要較扎實的數學基礎[1]，在學習過程中，學生不容易理解，會產生畏難情緒；傳統的全程講授方式，需要學生長時間集中注意力，易導致學生課堂疲勞[2]。由于知識的連貫性強，前面的知識未掌握，后面的知識就可能聽不懂，有些學生會因此喪失學習興趣。部分學生缺乏主動思考的能力，尚未養成主動學習的習慣，有消極依賴心理，學習效率低，不能適應大學的學習進度。部分學生對數據結構與算法分析課程興趣不足，不是缺乏刻苦鉆研精神，而在于沒有找到適合的方法。如何改變這種令人困擾的現狀，提高教學質量，是本課程教學改革的難點，也是筆者進行教學探索的主要目的。

1 基于“全方位立體化”教學模式

“全方位立體化”教學模式以“小組合作”為核心，由全方位輔助教學、開放式課程考核共同組成，將學生學習興趣的提高和知識體系的構建作為突破口，改變教師和學生的角色意識，幫助學生進行自主學習，成為教學方式改革的關鍵。應改變傳統的授課模式，將教師的角色從知識的傳授者變為引導者。在有限的課堂教學時間內，要打破按照章節安排詳細介紹每個知識點的慣例，注重介紹課程內容相關的知識架構。由教師引導學生搭建知識網絡，幫助學生自主學習，要求學生從被動地接受知識，變為深入思考，找出問題，主動學習。

1.1 小組合作

為使課程充滿挑戰性、趣味性，教師給學生布置小組任務，通過挑戰自我、培養興趣的助力，使學生具有自主深度學習的動力，真正做到主動學習。

教師在課堂上搭建知識網絡，提出小組任務，設置小組協同完成和個體獨自完成相結合，涉及個人思考的問題要求每位成員獨立完成；記錄項目具體分工，鼓勵學生適度競爭，激發學生的自主學習[3]。

學生參與不同的學習小組，共同完成小組項目設計并在課堂上展示小組成果；學生為了準備課堂報告和有效參與課堂討論，課下以小組合作方式進行大量檢索、閱讀、思考；學生課堂上按照教師的要求，以小組設計報告方式展示成果，進行課堂討論；教師在學生已有工作的基礎上，按照課程安排拓展題目深度和難度，布置新的任務，讓學生繼續挖掘項目涉及的學習內容。

在循環往復的項目設計過程中，學生發現學科中的問題，進行自主學習，研究能力、口頭表達能力、團隊協作能力、獨立思考能力等都得到實質性的提高。學生與教師共同參與討論、點評的評價機制給學生帶來學習的壓力和動力。

1.2 全方位立體輔助教學

由于采用小組項目設計、討論總結的方式，必然會有大量問題無法在課堂得到圓滿解決。為了使學生適應“小組合作”教學模式，筆者采取了全方位立體教學的方式進行補充。選修本課程的學生加入本課程的課程中心網站，可以得到本課程的教學內容、教學要求、推薦書目、發布公告、教學動態等信息。教師采取的其他輔助手段有QQ群、文獻檢索集中培訓、小組討論、個別輔導、隨堂測驗、實驗等。其中，針對學習中的難點，在網站上提供輔導資料，供學生自主學習，通過QQ群及時進行輔導；對于普遍性的問題，教師在網站上公布相應解決方案；當學生要求面對面的輔導時，可以在每周固定時間預約單獨輔導。這些手段的使用獲得良好效果。

1.3 課程考核

在“小組合作”教學模式下，應改變課程考核機制，以過程考核為重點，設置小組完成任務、線上作業、課堂測試占課程考核的比例，以激發學生參與小組合作，共同完成任務的動力。

設置小組任務是對理論知識的延展，與生活實例相結合，使學生開拓思維，提升綜合能力。教師不但對小組學習結果進行評價，更要重視學生在小組學習過程中的合作意識與學習效果。教師分階段與各小組成員交流，了解進展，一方面督促學生自主學習、協作學習，另一方面及時發現學生遇到的困難，幫助解決問題。此外，“小組合作”模式建立在多角度評價體系基礎上。教師打分、學生自評、學生互評等多角度評價體系，增強了學生信心，有利于互相學習，逐步加深對課程知識的理解與掌握。

1.4 教學實例

針對小組合作授課模式，通過布置小組項目任務的形式，從學生感興趣的實際問題入手，教師把抽象的理論概念融入學生的小組項目，輔助學生進行深度學習的兩個實例，探討進行理工課程教學模式的改變以及效果，從而提高學生的興趣。在解決小組設計問題的過程中，強化學生對概念的理解，讓學生主動參與到教學活動中，提高教學效果。

1.4.1 實例一

題目：用數組（順序表）、鏈表實現學生個人基本信息的操作（要求信息包含姓名、性別、學院、班級、學號等；信息的錄入包含插入、查詢、修改、刪除等操作），現場演示程序的實現。對比順序表與鏈表來解決學生個人基本信息處理問題的優缺點。

學生個人基本信息錄入系統是學生經常接觸以及使用的軟件，引導學生了解結合數據結構知識在這些問題中的應用，分析順序表和鏈表在不同情況下的優缺點，使學生了解數據結構知識之間的關聯性。在實現這些程序的過程中，學生掌握了順序表和鏈表的知識；應用知識的過程中，也將抽象的知識轉化成現實中的實例，加深了對知識的理解，有效地激發了學生的學習興趣。

隨著解決問題過程的深入，僅有課本上的數據結構知識還是不夠的，還必須進行編程實踐，實現數據存儲、插入、刪除、查找等操作，在實現這些操作的過程中，更加直觀地觀察到順序表和鏈表是如何完成對數據的操作。小組內的學生通過互相幫助，共同努力完成這個課題，不僅提高了學生的學習效率，更培養了學生之間團結互助的精神。

1.4.2 實例二

教師針對學生特點，設計非標準答案類型題目，改變以試題考核學生的方式。該題目從課程中選出最感興趣的一個知識點展示。

題目：結合基本知識點，以小組形式討論，理解并個性化展示，形式不限。從學生的選題情況來看，內容涵蓋了各章節的知識點，例如鏈表與順序表、BST（二叉檢索樹）、棧的應用、內排序等。學生完成的形式也豐富多彩：以小說的形式，描述了以數據結構為根基的魔幻森林，需要執行順序表和鏈表相應正確的操作在數據結構的魔幻森林里進行探險；利用棧操作實現表達式的PPT，編程實現了一個計算器；二叉樹還原方法在線教學視頻；采訪紀實，采用記者提問專家回答的方式講述順序表的優缺點以及在順序表中學生信息管理系統實現；以漫畫形式生動地展示二叉樹的遍歷方式；寫成論文的形式等。

這些作品充分展示了學生的想象力、創造力。開放式考核方式減少了學生的畏難情緒，提高了學生的興趣，培養學生靈活運用知識解決實際問題的能力，改變思維定式，激發想象力。積極查閱資料、主動思考有助于培養出基礎知識扎實，且具有獨立思考能力的優秀學生。

2 教學效果的考察

“全方位立體化”教學模式是有關教與學的樂觀主義教學模式，是一種群體教學與個別教學相結合的形式，維持了班級授課制為主體的組織教學形式；全方位立體化教學、小組學習等模式最大限度地讓每個學生參與，從學習時間重新分配，到發揮各自的優勢，給予學生更多的自由度，使學生能夠根據自己的步調調整學習節奏，做到學習向學生的回歸，體現以學生為主體的教學模式轉變。教師轉變自身角色，從教學活動的主導者轉變為學生學習的合作者，以共同學習和探討的方式參與學生的學習，使學生的學習主動性得到充分發揮。

“全方位立體化”教學模式是屬于促進學習者發生有意義學習的信息化教學模式[4]。從問卷調查結果可以看出學生每周自主進行該課程的預習時間與復習時間超過兩小時以上分別占了74%和68%，有效地促進學生自主地進行有意義的學習，見圖1。

圖1 學生每周預習及復習時間餅狀圖

3 教學反思與問卷調查

數據結構與算法分析課程的教學改革實踐，從經驗型教學走向研究型教學，需要不斷提高自身的教學水平[5]。

教學錄像可以完整地記錄教師在課堂教學中的表現，課后可以檢查內容安排是否合理，觀察和學生之間的互動，發現課堂教學過程中的問題，及時改進教學安排。例如，學生連續上兩節課，第二節課部分學生會有注意力難以集中的現象。在第二節課開始時，教師用5分鐘左右的時間進行課堂小測試，學生討論答案，互相批改，不僅鞏固知識，也有助于學生產生新的興奮點，盡快回歸到學習狀態。

教師應換位思考，從學生心理層面，站在學生的立場理解學習新知識時遇到困難的焦慮，選擇學生接受和喜歡的授課方式，解決學生問題。

通過問卷調查的統計結果表明大多數學生持支持態度。有的學生說：“同學之間形成小組互助，我認為對于這門課的學習有很大的幫助，尤其是一起做小組任務的時候，大家會一起討論，交換想法，能夠拓展我們的思維。”還有學生認為“教學方式非常新穎，有不錯的教學效果，能夠調動學生的積極性，主動學習知識，反復研讀教材，而且每節課都會復習上節課的內容，這一點我覺得很好，可以查漏補缺，加深印象。”詳情見表1。

學生反映課堂的教學方式還需要進一步改善，例如希望提高時間利用效率，鼓勵學生提問，加強討論活躍度，提高課堂討論中學生的參與度。

表1 問卷調查結果

4 結 語

四川大學為貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》，深化教育教學改革，提高人才培養質量，以培養具有深厚的人文底蘊、扎實的專業知識、強烈的創新意識、寬廣的國際視野的國家棟梁和社會精英為人才培養目標，鼓勵教師不僅要傳授知識，更要教會學生運用知識、創造知識，要引導學生發現、分析和解決問題，使學生具有扎實的專業知識基礎，掌握科學的思維方式，具備獨立思考能力、創新創業能力、協作和社會擔當能力[6]。其中，數據結構與算法分析是電子通信類重要的基礎課程，“全方位立體化”教學模式的探索，小班研討教學，充分體現了教學與科研相統一的現代高等教育思想，能夠調動學習者的主體力量和自我教育潛能[7]，激發了學生主動學習，主動思考的熱情，學生的出勤率和考試成績明顯提高，教學效果明顯改善。教學改革是一項持久而重要的任務，需要師生的共同努力。