計(jì)算思維在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》中應(yīng)用思考

熊光耀 何艷秋

【摘? 要】進(jìn)入21世紀(jì)，在互聯(lián)網(wǎng)的推動下，各項(xiàng)技術(shù)取得了突破，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等信息技術(shù)也越來越為人們所重視，因此，在教育特別是高等教育中也加大了對學(xué)生的信息素養(yǎng)的培養(yǎng)，而要提高信息素養(yǎng)，就必須培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，很多學(xué)校也開設(shè)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這門課程來培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，良好的計(jì)算思維對解決各方面問題會產(chǎn)生積極的影響。

【關(guān)鍵詞】 計(jì)算思維;數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);教學(xué)改革

1.計(jì)算思維的定義

計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動，由周以真于2006年3月首次提出，并被其進(jìn)一步定義為通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個看來困難的問題闡釋成一個我們知道問題怎樣解決的方法;是一種遞歸思維，是一種并行處理，是一種把代碼譯成數(shù)據(jù)又能把數(shù)據(jù)譯成代碼，是一種多維分析推廣的類型檢查方法，是基于關(guān)注分離的方法;是一種選用一種合適的方式去陳述一個問題或?qū)σ粋€問題的相關(guān)方面建模使其易于處理的思維方法;是種用海量數(shù)據(jù)加快計(jì)算，在時間和空間之間，在處理能力和存儲容量之間進(jìn)行的折衷的思維方法。

2.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門重要的基礎(chǔ)課，也是世界各國計(jì)算機(jī)專業(yè)必修的核心課程之一。數(shù)據(jù)是計(jì)算機(jī)處理的對象，人們使用計(jì)算機(jī)處理問題就是對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理的過程，因而數(shù)據(jù)的組織與結(jié)構(gòu)被確立為計(jì)算機(jī)科學(xué)中最基本的內(nèi)容。《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》作為一門獨(dú)立的課程在國外是從1968年才開始設(shè)立的，多年來，學(xué)生普遍反映課程學(xué)習(xí)難度大。分析其原因，主要有以下幾個方面：①該課程作為一門基礎(chǔ)課，一般開設(shè)在低年級，此時的學(xué)生還不具備專業(yè)知識系統(tǒng)學(xué)習(xí)的背景，而且該課程知識點(diǎn)繁多，學(xué)生要測試、驗(yàn)證需要編寫大量相關(guān)代碼，這就要求學(xué)生要熟練掌握C、PASCAL的先導(dǎo)課程，否則學(xué)生會產(chǎn)生畏難情緒，從而喪失學(xué)習(xí)興趣和信心;②以“教師為中心”的傳統(tǒng)課堂存在“滿堂灌”、“一言堂”的現(xiàn)象，學(xué)生無法發(fā)揮主動性，只能機(jī)械記憶，理解課堂的知識，實(shí)驗(yàn)課也只能做一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，這種教學(xué)方式忽視了學(xué)生個體差異，導(dǎo)致個別學(xué)生不夠?qū)W、跟不上。另外，教學(xué)方式和課程考核方式單一，筆試內(nèi)容多以基礎(chǔ)知識為主，實(shí)驗(yàn)考核也很少有解決實(shí)際問題，缺乏對學(xué)生創(chuàng)新能力和解決問題能力的培養(yǎng);③教學(xué)難度大，《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》這門課程比較抽象，涵蓋內(nèi)容廣。大多數(shù)學(xué)生對一些抽象概念難以理解。另外還存在與先導(dǎo)課程銜接問題，有些知識能理解，但對于編程卻無從下手，學(xué)習(xí)效果受程序設(shè)計(jì)課程的影響較大。

2.1教學(xué)方法有待改進(jìn)

現(xiàn)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)仍然有一大部分采用講授型的教學(xué)模式，教師在課堂內(nèi)傳授知識，偏重知識灌輸，學(xué)生在課堂外內(nèi)化知識。教師沒有很好地挖掘數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中包含的思想方法，也沒有進(jìn)行很好的總結(jié)歸納，沒有合理地組織教學(xué)內(nèi)容，課程教學(xué)缺乏系統(tǒng)性和創(chuàng)造性。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中只是遵從、記憶和模仿，是被動地接受知識，這樣很難調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性和協(xié)作學(xué)習(xí)的自主性，學(xué)生的思維和能力難以得到發(fā)展，最終導(dǎo)致學(xué)生創(chuàng)新能力不足，只具有一定的模仿能力。

2.2 教學(xué)資源不實(shí)用

現(xiàn)有教學(xué)資源主要表現(xiàn)形式有精品課程網(wǎng)站和網(wǎng)絡(luò)課程，這些綜合性教學(xué)平臺主要是整合各類優(yōu)質(zhì)資源，知識力度很大，提供的教學(xué)資源有長達(dá)45min的教學(xué)視頻，一個視頻包含多個知識點(diǎn)，視頻內(nèi)容和傳統(tǒng)課題表現(xiàn)形式相似，主要體現(xiàn)教師授課場景、PPT內(nèi)容展示等，教學(xué)重點(diǎn)不突出，學(xué)生無法聚焦學(xué)習(xí)重點(diǎn)，資源可用性較差，學(xué)習(xí)效果不佳。同時，這些教學(xué)資源開發(fā)通常依賴專業(yè)的多媒體技術(shù)人員，任課教師難以親自開發(fā)，而技術(shù)人員不一定熟悉教學(xué)規(guī)律，開發(fā)的資源不一定適用于教學(xué)，從而造成需與求之間的不對稱，不利于教學(xué)活動的正常開展。

2.3 實(shí)踐環(huán)節(jié)不到位

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程知識點(diǎn)多、抽象性高、邏輯性強(qiáng)、程序復(fù)雜，一般教材中只有算法的關(guān)鍵代碼，不包含完整的宏和結(jié)構(gòu)體的定義，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性不高，無法上機(jī)直接驗(yàn)證算法，同時算法的理論性較強(qiáng)，和開發(fā)實(shí)際項(xiàng)目差別較大，理解算法較困難，學(xué)生體驗(yàn)感差。此外，學(xué)生沒有很好地學(xué)習(xí)先導(dǎo)課程，編程語言掌握不夠扎實(shí)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的算法描述采用C語言居多，C語言中的函數(shù)、指針、結(jié)構(gòu)體等是學(xué)習(xí)難點(diǎn)。學(xué)生學(xué)習(xí)了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想，但對于函數(shù)、指針、結(jié)構(gòu)體等難點(diǎn)知識掌握得不夠好，不能透徹理解相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法描述，不能靈活地應(yīng)用于程序設(shè)計(jì)，導(dǎo)致不能很好地完成課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)。

3.計(jì)算思維引入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)

計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動化，通過對數(shù)據(jù)的抽象建立數(shù)據(jù)的對象模型，通過對問題的抽象建立問題的數(shù)學(xué)模型，通過對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)問題的計(jì)算機(jī)求解，從而實(shí)現(xiàn)編程的自動化?！澳Ｐ?算法”是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)，數(shù)據(jù)元素之間存在的相互關(guān)系的集合就是狹義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而廣義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是在狹義定義的基礎(chǔ)上加上基本操作的集合，完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。 建立應(yīng)用數(shù)據(jù)的對象模型就是從問題中抽象出數(shù)據(jù)對象，分析數(shù)據(jù)對象中各元素之間的邏輯關(guān)系，確定數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，選取數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)，確定存儲結(jié)構(gòu)的基本操作。建立數(shù)學(xué)模型就是對問題原型進(jìn)行分析，抽象、分解，挖掘數(shù)據(jù)間的關(guān)系和數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，建立可用計(jì)算機(jī)求解且與原問題本質(zhì)相同的理想化對象，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中常見的數(shù)學(xué)模型一般有樹形模型、圖論模型、集合模型和排序模型等。最后，確定好計(jì)算策略，選取合適的算法對數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)問題的求解。

4.改革內(nèi)容

將從引入計(jì)算思維的角度對理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行改革

①理論教學(xué)方面。選擇合適的教材是取得好的教學(xué)效果的前提，有些教材采用了類C或類Pascal語言描述，該語言無法直接在機(jī)器上運(yùn)行，學(xué)生無法直接體會，為此，教學(xué)過程中應(yīng)選擇一本全用C語言或Pascal語言的教材。

②實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)方面。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這門課程的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，應(yīng)用型、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目偏少，也很少能通過實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將各章節(jié)的內(nèi)容有機(jī)組合，針對每個章節(jié)的內(nèi)容，將設(shè)計(jì)若干個貼近生活的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這樣可以極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性。比如在排序問題上應(yīng)用在圖書館圖書查詢，最短路徑問題應(yīng)用在城市交通網(wǎng)絡(luò)，棧應(yīng)用在迷宮問題上等。

5.結(jié)語

計(jì)算思維已經(jīng)成為一種計(jì)算機(jī)通識教育的研究熱點(diǎn)，而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這門課程主要是對算法的研究，將計(jì)算思維引入該課程，對教學(xué)質(zhì)量的提高，學(xué)生思維能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)都會產(chǎn)生積極的影響。

參考文獻(xiàn)

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課題基金：名稱：大學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)研究? 以《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》為例，（課題編號：2018jzyb-18）。