數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中分步式案例設(shè)計的探索與實踐

陳青青

（莆田學院 信息工程學院，福建 莆田 351100）

0 引 語

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程是計算機學科的專業(yè)基礎(chǔ)必修課程，屬于專業(yè)課程體系中的核心課程，在教學體系中起著舉足輕重的作用。它所討論的知識體系和方法技術(shù)，無論對于下一步學習其他相關(guān)計算機課程，或是將來從事信息行業(yè)開發(fā)工作，都是重要且必備的基礎(chǔ)之一。

該門課程的教學目標是學會分析研究計算機加工的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特性，以便為應(yīng)用涉及的數(shù)據(jù)選擇適當?shù)倪壿嫿Y(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的算法，并初步掌握算法的時間分析和空間分析的技術(shù)[1]。另一方面，本課程的學習過程也是復雜程序設(shè)計的訓練過程，要求學生編寫的程序結(jié)構(gòu)清楚和正確易讀，符合軟件工程的規(guī)范。

1 課堂教學存在的問題

該門課程的特點是知識點多，理論性強，內(nèi)容比較抽象枯燥，掌握起來相對困難。在傳統(tǒng)的教學過程中，存在以下問題。

（1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程需要學生熟悉不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特性，從而在分析解決具體的問題時，為所要處理的數(shù)據(jù)選擇合適的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)；而教師往往按照教材授課，在講解不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時，選用不同的案例進行教學，相互之間沒有關(guān)聯(lián)與對比，學生無法理解不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在解決同一問題時的不同點及優(yōu)缺點，對如何根據(jù)實際問題選擇恰當?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)了解得并不深刻。

（2）本門課程的實踐教學環(huán)節(jié)對學生的程序設(shè)計能力具有較高的要求。在莆田學院，C 語言程序設(shè)計的課程在大一下學期開設(shè)，而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程在大二下學期開設(shè)。經(jīng)過了一年的時間，大部分學生對高級程序設(shè)計語言的相關(guān)知識點比較陌生，再加上大一下學期學習時掌握不到位，直接影響了代碼的編寫質(zhì)量[2]。常見的問題包括變量定義不規(guī)范，指針、結(jié)構(gòu)體和函數(shù)相關(guān)應(yīng)用弱，代碼可讀性差，程序調(diào)試能力弱等，同時，傳統(tǒng)教學過程偏重于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論，沒有對代碼編寫進行強調(diào)和規(guī)范。

（3）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程實踐部分的考核，目前是以學生提交上來的實驗報告和代碼作為考評依據(jù)，但是由于課程的復雜度與難度較大的特點，學生不愿意主動思考，提交上來的實驗報告和代碼往往千篇一律，抄襲現(xiàn)象嚴重，從而影響考評的效果，偏離考評的真正目的。

2 分步式案例設(shè)計

學生通過設(shè)計系統(tǒng)雛形，再利用所學章節(jié)知識分步完善系統(tǒng)的方式掌握各知識點，可以解決目前教學過程中各章節(jié)的案例設(shè)計相互之間沒有聯(lián)系的問題。

2.1 章節(jié)案例設(shè)計與選擇

案例的選擇是教學改革中的核心環(huán)節(jié)之一，通過選擇適當?shù)陌f知識的教學案例，并經(jīng)過案例分析引出即將學習的新知識，以此驅(qū)動數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程不同章節(jié)的學習，可以提高學生的學習興趣，幫助學生進一步理解不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇和取用，從而達到教學目的。

計算機學科的學生在應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識解決實際問題時，經(jīng)常接觸數(shù)據(jù)列表的建立、查找、插入、刪除等操作，這也是將來在開發(fā)編寫完整的系統(tǒng)代碼時，不可避免將接觸和實現(xiàn)的部分。在線性表這一章節(jié)，選用“學生基本信息系統(tǒng)”案例，貼近學生的日常生活，學生也更易理解系統(tǒng)的邏輯條理。通過分步教學，學生使用順序表結(jié)構(gòu)和鏈表結(jié)構(gòu)兩種物理存儲方式進行實現(xiàn)，從而進一步掌握兩種方式的區(qū)別。

1）利用順序存儲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。

學生基本信息系統(tǒng)是一個小型的處理學生基本信息的程序，主要用于實現(xiàn)學生信息的錄入、刪除、查找等功能。在講解順序結(jié)構(gòu)前，即以任務(wù)驅(qū)動的方式[3]，將該題目下達于學生，讓學生進行分組討論，討論如何建立合適的數(shù)據(jù)元素類型，如何在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)插入、刪除、查找等操作。學生首先利用已經(jīng)學過的C 語言相關(guān)知識進行討論和實踐，之后教師在了解學生討論結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中“結(jié)點”的概念作為數(shù)據(jù)元素類型的建立，并通過回顧復習學生學過的關(guān)于數(shù)組的相關(guān)知識，提出“結(jié)點”以順序結(jié)構(gòu)存儲的知識點，進一步讓學生討論并動手編寫對各“結(jié)點”進行插入、刪除、查找的代碼，并進行調(diào)試分析。

2）討論順序存儲結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點。

在實現(xiàn)上述系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，與學生通過分析討論，對在原有數(shù)據(jù)集合中插入或刪除學生數(shù)據(jù)所需的時間和空間復雜度進行分析，發(fā)現(xiàn)在插入或刪除某條學生數(shù)據(jù)時，需要移動大量其他學生數(shù)據(jù)，以達到“線性表”結(jié)構(gòu)的要求，這種方法耗費的時間多，操作也繁瑣。

3）提出以鏈式存儲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。

基于順序存儲結(jié)構(gòu)的缺點，提出鏈式存儲結(jié)構(gòu)的知識點，每個學生數(shù)據(jù)“結(jié)點”之間以指針相關(guān)聯(lián)，特別針對“指針”進行著重強調(diào)，讓學生了解對于新“結(jié)點”的插入或刪除，僅需改變相關(guān)聯(lián)“結(jié)點”的指針即可，從而引出基于鏈表的結(jié)構(gòu)建立、查找、插入、刪除等操作偽代碼，并讓學生通過上機實踐的方式實現(xiàn)。

通過以上3 個步驟，學生首先通過回顧復習，利用原有的C 語言知識編寫系統(tǒng)雛形，之后分別以“結(jié)點”+順序結(jié)構(gòu)、“結(jié)點”+鏈式結(jié)構(gòu)兩種方式加以完善，通過“案例驅(qū)動型”實踐模式，即同一案例、同一系統(tǒng)利用不同存儲結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)與實踐過程，加深關(guān)于順序存儲和鏈式存儲的了解，理解二者的優(yōu)缺點與區(qū)別，從而達到教學目的。

對于其他章節(jié)的實踐案例，實踐內(nèi)容安排見表1。

表1 各章節(jié)實踐案例設(shè)計

經(jīng)過以上實踐環(huán)節(jié)，學生可以利用不同章節(jié)的知識，分步驟對所開發(fā)的系統(tǒng)進行逐步完善，既能掌握課程的相關(guān)知識，又能了解如何建立系統(tǒng)并逐步添加新功能，對于后期完成綜合型案例具有較大的幫助。

2.2 綜合型實踐設(shè)計

這個環(huán)節(jié)的教學是在整個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的課堂教學結(jié)束之后，即課程設(shè)計環(huán)節(jié)部分完成[4]。在該環(huán)節(jié)的實踐中，學生可以自行組織4～5 人組成一個團隊，在教師提供的幾個實驗項目中，自行挑選一個項目，對任務(wù)進行分解與分配，合作完成。

以圖書管理系統(tǒng)為例，可將系統(tǒng)功能分解為初始數(shù)據(jù)的建立、圖書的插入、圖書的查找、圖書的排序、圖書的編輯與刪除等多個模塊，每個團隊成員選擇其中一個模塊完成，同時進行小組討論，設(shè)計統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，以實現(xiàn)不同模塊的相互調(diào)用和組合，最后，小組成員一起對模塊組合后的系統(tǒng)進行調(diào)試分析，發(fā)現(xiàn)不足并改進。這不僅能進一步加強學生的分析問題與實踐編程能力，還能鍛煉學生的團隊合作能力。實驗項目選題匯總見表2。

表2 綜合型實驗選題匯總

3 算法實現(xiàn)步驟改革

學生在學習數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法這門課程時，往往只經(jīng)過一個學期的C 語言學習，編程基礎(chǔ)較薄弱，代碼編寫不規(guī)范，模塊分析與邏輯設(shè)計還不嚴謹；而在該門課程的案例實現(xiàn)時，往往需要編寫幾個模塊的函數(shù)代碼，代碼量較大，相比以往僅僅是一兩個函數(shù)相互調(diào)用的C 語言學習，復雜度更高，整體與模塊分析比例更大，同時，還要以新“結(jié)點”的方式實現(xiàn)，學生往往難以上手，并容易產(chǎn)生畏難情緒，學習積極性不高。

基于以上原因，以線性表為例，在學生上機實踐“學生基本信息系統(tǒng)”環(huán)節(jié)，采用以下步驟與方法。

1）先以數(shù)組方式實現(xiàn)基本數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)操作。

先讓學生以原有的C 語言知識編寫一個小型的、僅有兩三個函數(shù)的程序，實現(xiàn)基本數(shù)據(jù)類型數(shù)組的數(shù)據(jù)輸入、查找、插入、刪除等操作。這一代碼既是“學生基本信息系統(tǒng)”的雛形，又可以讓學生先以1～2 個課時的時間，復習回顧C程序的相關(guān)知識點和編寫過程，對編程知識進行查漏補缺。

2）在提出“結(jié)點”概念與“順序結(jié)構(gòu)”數(shù)據(jù)操作偽代碼后，讓學生針對第一步驟實現(xiàn)的代碼進行修改。

在提出“順序結(jié)構(gòu)”存儲的相關(guān)知識點后，首先讓學生以“結(jié)點”替代上一代碼中的基本數(shù)據(jù)類型，并在此基礎(chǔ)上修改上一步驟代碼中有關(guān)數(shù)據(jù)操作的部分。采用這一方法的目的，即是讓學生在此步驟中，重點關(guān)注數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點以及“結(jié)點”數(shù)據(jù)的訪問方式，而將了解數(shù)據(jù)查找、插入、刪除等算法設(shè)計的原理流程這一學習過程在上一步驟就完成，從而在這一步驟簡化并突出知識點的學習，分步完成基于順序表結(jié)構(gòu)的“學生基本信息系統(tǒng)”。

3）在提出“鏈式結(jié)構(gòu)”的概念與數(shù)據(jù)操作偽代碼后，讓學生針對第2 步驟實現(xiàn)的代碼進行修改。

在提出“鏈式結(jié)構(gòu)”存儲的相關(guān)知識點后，讓學生修改上一步驟的代碼，將“結(jié)點”數(shù)據(jù)修改為以“鏈表”存儲，并修改查找、插入、刪除的相關(guān)代碼。學生在修改的過程中，可以進一步比較兩種不同存儲結(jié)構(gòu)在進行數(shù)據(jù)操作時的異同點，并通過比較前后兩個版本代碼的時間與空間復雜度，了解如何在不同需求的情況下，選用不同的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)。

4）在以上3 個步驟中，學生在編寫完各自的代碼后，采用相互之間分析、找錯、糾錯的方式，提高代碼編寫規(guī)范與程序調(diào)試能力。

寫完的代碼需要調(diào)試，學生在調(diào)試代碼方面往往存在問題，較難發(fā)現(xiàn)自己代碼的問題，可以通過同學間的相互改錯糾錯，發(fā)現(xiàn)問題所在，這樣學生不僅學習興趣高漲，還能進一步提高有關(guān)代碼編寫、調(diào)試的能力。

4 實踐考評方式改革

（1）實踐考評成績=實驗報告與代碼（30%）+答辯（50%）+組內(nèi)成員互評（20%）。

（2）在答辯環(huán)節(jié)，組內(nèi)每個成員對自己所承擔部分的系統(tǒng)任務(wù)進行演示與解說，包括匯報遇到的問題與解決方式等[5]。教師可以對學生進行提問，通過學生的回答了解學生的實際完成過程，并綜合學生的完成與答辯情況進行評分。

（3）在組內(nèi)成員互評部分，組內(nèi)成員間通過匿名互評的方式，對其他成員的任務(wù)完成情況和團隊合作情況進行評分。

通過以上考評方式的改進，學生就不能再僅僅依靠實驗報告與代碼的簡單復制粘貼通過考評，而是通過真正的團隊合作以及思考與動手實踐，從而提高學習主動性，保障考評的實際意義。

5 結(jié) 語

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程所采用的分步式任務(wù)驅(qū)動型教學改革和考評改革，改變了按教材內(nèi)容教學、按教材中一個算法接一個算法講解的傳統(tǒng)教學過程，更強調(diào)章節(jié)之間的聯(lián)結(jié)，從學生C 語言基礎(chǔ)的實際掌握能力出發(fā)，從學生的學習效果出發(fā)，設(shè)計合適的案例，并采用循序漸進的步驟，從代碼雛形出發(fā)，根據(jù)實際的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識點進行進一步修改完善，將傳統(tǒng)教學過程中學生本應(yīng)同時掌握的多個知識點拆解開來，分步教學，更適合學生的學習節(jié)奏；同時，通過新的實踐考評辦法，激發(fā)學生的學習主動性。在莆田學院近年的教學過程中，使用上述方法對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程進行教學改革實踐，結(jié)果表明，學生更容易理解教材中各類數(shù)據(jù)操作的偽代碼，對于不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點與區(qū)別也理解得更為深刻，學生的學習與程序編寫興趣更高，編寫的代碼更加嚴謹、完整，取得了更好的學習效果。