基于項目的數據結構課程教學改革方案設計

張靖

摘 ?要：該文介紹了數據結構課程的特點及其在信息技術相關專業課程體系中的地位，分析了傳統數據結構課程教學方式的優勢與不足，通過研究企業項目環境對專業知識與技能學習的促進因素提出了一種基于項目的數據結構課程教學改革方案。該方案適用于面向培養應用型工程人才的相關院校，針對學生的專業知識、個人能力、團隊能力等諸方面工程能力進行構建。

關鍵詞：數據結構 ?教學改革 ?項目 ?程序設計

中圖分類號：TP311.13-4;G642 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）07（a）-0113-03

計算機編程是信息技術（IT）相關專業所必須注重培養的專業基礎技能。計算機編程課程體系通常包含程序語言、面向對象編程（OOP）以及數據結構等課程，培養目標主要是使學生初步具備編程技能并形成計算思維。數據結構是該課系中的高階課程，培養學生對問題進行分析建模、算法設計和編程實現的能力。

數據結構課程內容具有高度的邏輯性和抽象性。數據結構實際上是依據問題的描述而為其建立的模型，表現為該問題所限定的數據元素集合以及集合中數據元素之間的關系，如線性表、棧、隊列、樹和圖等。這些結構從邏輯上雖然不難理解其含義，但要在計算機一維線性排列的存儲單元中表示它們，繼而實現一定的處理算法則是非常抽象的領域。

傳統的數據結構課程教學方式以教師的課堂講解為主導。在教學中，通常直接引入某數據結構的邏輯定義，介紹幾種物理表示方法以及相關操作的實現，進而分析算法復雜度、比較各物理實現之間的優劣。上機往往僅限于編程驗證課上介紹的內容，題目與實際工程項目聯系較少。課程考核以期末筆試為主，上機為輔。此種教學方式的優勢在于知識體系的講解全面而深入。學習習慣良好、學習基礎深厚、擅長邏輯思維的學生能較好地適應此種方式。但在高等教育普及化的背景下，特別是在培養面向工程的應用型人才的相關院校，這樣的教學方式面臨挑戰，不能有效地傳授知識和技能。

在對學生進行的走訪調查中，學生對于數據結構課程普遍缺少興趣，少量學生依靠自覺性和苦讀勉強可以跟上。其原因，首先是數據結構知識雖然由實踐中總結提煉出來并成為體系，但是對于毫無實際軟件設計和開發經驗的學生來說往往不能理解其必要性，不能將該門課程與其專業能力的構建以及將來的就業相關聯。其次，由于課程內容抽象性并與實際工程項目聯系較少，學生的學習體驗與其在基礎教育階段學習數學、物理等科目的體驗相似，而學生在這一階段恰好積累了較多的挫敗感和抵觸心理。這種狀態不利于學生產生興趣。最后，學生本身自覺性欠缺，基礎不牢，學習能力不強，特別是對于抽象內容和不可見過程的思辨能力較低也阻礙其接受學科知識并內化為個人能力。那么是否存在有效的教授數據結構課程的方法？

1 ?企業項目環境分析

培養應用型工程人才的目標是使學生在畢業時能夠參與并適應本專業工程領域內的工作崗位。可以將目光轉移到企業開發團隊進行研究。

在企業開發團隊場景下，實習生或畢業生通常能夠在較短的時間內掌握工作所需要的基本的專業知識和技能。這里面固然有學生已經經歷了3～4年較為完整的專業課程培養的原因，但是企業團隊為新人提供的環境也起到了不可忽視的作用。當新人加入團隊，同樣要經歷一個學習的過程。他往往面對一個正在進行的項目并導向真正實用的產品。這產品或者已經上線運行，處于迭代更新的狀態，或者將要交付用戶投入實用。在這個項目中，新人被指派的任務通常是項目中極小的一個單元，其內容單一而具體。新人既可以集中精力研究這個局部問題，又必須從全局上搞清楚自己承擔的任務在整個項目中的位置和作用。新人針對自己任務的所做的工作既可以是功能的實現也可以是對以往錯誤的修正。這些工作通常可以立即并入項目主體進行運行，新人可以立即看到自己工作所產生的成果。在較為正規的企業，通常會指派老員工來指導新人;新人在工作中也可以與團隊成員進行交流和咨詢。最后，學生一旦成為企業員工，即處于企業的考核壓力之下。在這種情況下，新人往往能將壓力轉化為動力，主動地鉆研思考并利用各種資源完成工作任務。

通過分析企業項目團隊的狀況，可以將其中有利于新人學習并提高專業知識和技術水平的因素做以下歸納。

（1）通過考核使新人投入學習、工作的態度更加端正和主動。

（2）基于實際項目、解決實際問題使學習目的明確，工作成果帶來正向的激勵。

（3）工作任務具體化、細節化使學習起步難度較低。

（4）有老員工提供指導和幫助。

（5）團隊具有良好的討論和交流氛圍。

以此為參考，結合低年級本科生課程教學的實際情況，對數據結構課程進行基于項目的教學體系設計。

2 ?教學體系設計

（1）知識和技能體系。

前文已論述分析了面向應用的工程類院校的培養目標和學生的實際情況。以此為前提，一方面對數據結構課程的知識體系進行修訂，量體裁衣，以打好基礎、培養興趣為導向，精簡內容并降低難度。例如，針對線性表知識單元，只引入基本的順序表和單鏈表，簡要介紹雙向鏈表和循環鏈表，而不再深入要求。

另一方面，在降低理論知識難度的基礎上增加實踐環節課時數，與理論課程課時數達到1∶1的配置。如培養方案規定課時數為64，按16個教學周計算，每周4個課時，其中2課時用作知識點講解，另外2課時用作學生上機實踐。

（2）教學和實驗環境配置。

傳統的課堂教學在多媒體教室進行。教師在講臺上利用黑板和投影進行講解和演示，學生則聽講和記錄筆記。這樣的教學通常持續2個學時。學生上機則到專門的機房進行。由于數據結構課程的抽象性，大部分學生通常難以全程集中注意力。

新的方案將理論教學與上機實驗合并，統一安排在機房進行。機房所有機位均面向教師機和投影屏幕。教師機可以通過機房教學系統控制全體學生機，能夠進行切屏、下發文件、提交作業等操作。教師的授課過程在理論講解、動畫演示、程序演示等環節之間切換，具體在“授課方法”小節中闡述。

傳統的數據結構課程實驗環境往往注重結構的實現和算法的驗證，多基于命令行用戶界面展開。命令行用戶界面是一種較早出現的交互技術，目前主要用于專業開發和工作領域。一方面，對于作為初學者的學生來說這種交互形式并不友好。另一方面，新世紀前后出生的大學生對于命令行用戶界面比較陌生，他們對目前普及使用的圖形用戶界面（GUI）更加熟悉。因此，要為課程配置能夠編寫并運行基于圖形用戶界面應用程序的開發環境。以基于微軟Windows系統的計算機為例，假設數據結構課程基于C/C++語言，則可以為其安裝配置Visual Studio集成開發環境。該環境提供一定的圖形用戶界面程序開發支持。Qt是另一種可供選擇的C++圖形用戶界面應用程序開發框架。它支持Windows、Linux、macOS等主流操作系統，實現了應用程序的跨平臺開發，使用上也比Visual Studio更加便利。

（3）授課方法。

授課圍繞知識點展開。

首先是基于問題的講解。首先結合實際應用提出一個待解決的問題，然后從該問題出發進行推理演繹，從問題描述中提煉其內部的數據元素，分析數據元素之間的關系，從而導出數據結構。這樣就可以建立知識點與常識之間的邏輯聯系，使學生切實體會到學習當前知識點的合理性。

其次是動畫演示。前文已經指出，數據結構知識具有高度的邏輯性和抽象性。由于數據結構的構建以及算法的執行完全在計算機內部完成，因此這個過程是不能直接感知的。需要借助額外的手段使數據結構和算法可視化，從而能夠直觀體會數據元素的內部構造、排列關系以及處理流程。動畫可以從較為淺顯直觀的層面演示基于當前數據結構的算法，如棧的入棧、出棧操作，二叉樹的先序遍歷以及快速排序算法等。精心設計的動畫通過適當的色彩搭配、合理的運動路徑等引導學生集中注意力并具有一定的趣味性，幫助學生快速輕松地理解知識。

動畫雖然生動，但是難以精確地反映程序執行當中指令跳轉、變量賦值等具體細節。而對于編程學習而言，理解代碼邏輯、追蹤程序數據流恰好是學習重點。這一點可以通過集成開發環境提供的單步執行功能來實現。以Visual Studio為例，可在程序代碼中的特定位置設置斷點（break point），然后以調試（debug）模式執行程序，則當指令執行到斷點所在行時即中止執行。隨后即可通過功能鍵操縱程序逐行單步執行;同時，程序每執行一行，程序相關的各變量的賦值都會在調試界面中列出。借助此項功能，能夠使學生對程序的數據組織、處理步驟一窺究竟。

課程講解完成之后布置隨堂作業。作業可以是書面題目，也可以是驗證性的編程題。作業帶有單元測試的性質。在學期末安排對課程整體的閉卷考試以檢測理論知識學習成果。

（4）項目設置。

以前文所分析的企業項目團隊場景為參考，為教學引入兩個層次的項目，包括單元項目和課程項目。

單元項目面向知識單元。由教師提供一個項目選題以及項目代碼框架。代碼框架是可執行的圖形用戶界面應用程序，但是將與單元主題知識相關的環節留待學生實現。學生在完成了課堂學習之后，根據該單元的知識內容對項目進行設計和實現。例如，針對“棧”單元，教師提供一個計算器應用程序的框架，然后核心部分關于計算表達式的輸入和結果計算部分則留給學生參考棧結構相關的特性來設計和編寫程序。在這樣的單元項目中，學生不必考慮除去核心功能之外的其它要素（如用戶界面設計），只專注于知識點相關的部分;而同時，一旦實現了這部分功能便能得到一個完成的計算器應用程序產品。在單元項目中，學生除去完成。

課程項目面向整個數據結構課程。教師提供若干個不同選題但不提供程序框架。學生團隊根據選題自主進行項目的設計，包括數據結構和算法的選擇。課程項目可以從課程初期即確定選題，隨著課程的深入進行設計、實現和優化。例如某課程項目要求實現一個可查詢的通訊錄程序，在課程前期學習了線性表之后即可基于順序表和順序查找來實現，到了課程后期完成了折半查找及二叉排序樹等內容的學習后又可以對算法實現進行升級，完成軟件性能的優化。

無論是單元項目還是課程項目，都要求學生結成2～3人的團隊以協同工作。團隊成員輪流扮演組長、編碼、測試或文檔撰寫等角色。相關的考核也分別針對團隊和個人兩個層面進行。

（5）評價體系。

傳統的課程考查方式是在學期末舉行閉卷期末考試，并且期末考試成績在總評成績中占據主要部分。其余考勤、平時作業等環節也計入總評。在這種方式下，延遲到最后的考核使得在漫長的學期跨度中缺少對學生階段性學習成果的監控。

在新的考核方案中，將期末考試成績降低比例到40%以下而增加平時考核的比重。其中，平時考核涉及紀律、作業、單元項目及課程項目。各項可以按如下的比重安排：

①紀律：包含出勤和課堂紀律。該項只扣分不加分，直至取消課程考試資格。

②作業：考查作業上交情況和正確情況，占比20%。

③項目：考查項目總體完成質量及成員各自貢獻量（互評），其中單元項目總體占比20%，由歷次單元項目考評成績綜合計算;課程項目也占比20%，在學期末進行驗收。

通過實行多維度、迭代式的考核評價，使最終成績能夠反映學生在該課程中掌握專業知識技能、培養個人能力、團隊成員協同工作等各方面的學習成果。常態化的考查評估也督促學生在平時付出更多時間和精力來完成學習任務。

3 ?結語

該文提出的數據結構課程教學體系設計適應于面向培養應用型工程人才的信息技術類專業。相比于傳統的教學方式，該方案從項目出發，將課程知識代入到工程項目場景中，以幫助學生明確學習目標，提升學習興趣。同時，在項目場景下，學生有更多的機會進行自主學習并參與到團隊協作、自主創意和設計等工程環節。另外，相比傳統教學方式，該課程方案要求降低難度、精簡知識結構，所教授的知識在廣度和深度上都有一定程度的降低。該方案還對教師自身的專業應用技能和工程能力有較高的要求。

參考文獻

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