地理信息科學(xué)專業(yè)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實驗教學(xué)改革探討

楊秋妹 鄭嬋

[摘 要] “數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實驗課程是提高學(xué)生代碼編寫能力、強化課程知識點學(xué)習的關(guān)鍵。從地理信息科學(xué)專業(yè)的專業(yè)培養(yǎng)方案設(shè)定出發(fā)，根據(jù)學(xué)生的程序設(shè)計能力基礎(chǔ)，設(shè)計合理的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實驗題目及豐富多樣的做題形式，充分利用綜合性實驗的開展作為實驗學(xué)時的補充。在教學(xué)手段上，通過動態(tài)的代碼演示幫助學(xué)生更好地理解算法的設(shè)計原理及運行過程，引入在線評判手段更好地評估學(xué)生的實驗情況，加強學(xué)生程序能力的培養(yǎng)。為地理信息科學(xué)專業(yè)建立有特色的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實驗教學(xué)方案，以更好地提升學(xué)生的計算機問題求解能力。

[關(guān)鍵詞] 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);地理信息科學(xué);實驗教學(xué)改革

[基金項目] 2020年度華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校級教改項目“將思政之鹽融入計算機算法類課程之湯的隱性教育探索和實踐”

[作者簡介] 楊秋妹（1983—），女，廣東茂名人，博士，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院講師，主要從事計算機應(yīng)用技術(shù)、農(nóng)業(yè)圖像處理、農(nóng)業(yè)人工智能研究;鄭 嬋（1978—），女，福建邵武人，博士，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院講師，主要從事計算機視覺研究。

[中圖分類號] G434;TP311.1 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）15-0069-04 [收稿日期] 2021-10-01

地理信息科學(xué)（GIS）專業(yè)是一門交叉學(xué)科，研究的內(nèi)容涉及地理科學(xué)、測繪學(xué)、計算機科學(xué)、數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)等[1]多個學(xué)科。GIS研究如何應(yīng)用計算機技術(shù)對地理信息進行處理、存儲、提取及管理和分析。GIS專業(yè)的學(xué)生需具備利用計算機進行數(shù)據(jù)分析與處理及應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)能力[2]。因此，“C語言程序設(shè)計”“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”等計算機專業(yè)基礎(chǔ)課程是GIS專業(yè)的必修課程。“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”研究的是非數(shù)值計算問題中數(shù)據(jù)的建模問題，其配套的實驗課作為理論學(xué)習的補充，通過程序設(shè)計將抽象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在計算機上具體實現(xiàn)。實驗的開展可深化學(xué)生對知識點的理解，是提高學(xué)生計算機求解問題能力提升的關(guān)鍵[3]，為后繼課程如“GIS算法基礎(chǔ)”“網(wǎng)絡(luò)GIS”“GIS開發(fā)新技術(shù)”等學(xué)習做好準備[4]，也為其以后進行地理信息系統(tǒng)的設(shè)計及開發(fā)打下基礎(chǔ)。作為GIS專業(yè)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的任課教師，應(yīng)充分利用實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，促進學(xué)生對于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)知識的學(xué)習，形成有GIS專業(yè)特色的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)方法。

一、GIS專業(yè)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程實驗教學(xué)中存在的問題分析

（一）課程知識點多，實驗學(xué)時不足

當前，高校GIS專業(yè)開設(shè)的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程，學(xué)時普遍比計算機專業(yè)的要少，配套的實驗學(xué)時普遍不足，無法將各個知識點進行一一驗證。以華南農(nóng)業(yè)大學(xué)GIS專業(yè)的教學(xué)安排為例，其理論學(xué)時為32學(xué)時，實驗學(xué)時為16學(xué)時，而計算機相關(guān)專業(yè)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的理論學(xué)時為56學(xué)時，實驗學(xué)時為32學(xué)時，GIS專業(yè)的學(xué)時明顯壓縮，這導(dǎo)致GIS專業(yè)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”的教學(xué)大綱不能直接照搬計算機相關(guān)專業(yè)，由于理論學(xué)時的減少，相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習則會有明顯的側(cè)重點不同，而實驗環(huán)節(jié)的教學(xué)也應(yīng)該做相應(yīng)的調(diào)整。

（二）學(xué)生程序設(shè)計基礎(chǔ)相對薄弱

“C語言程序設(shè)計”課程作為“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的先導(dǎo)課，學(xué)習的知識是“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程順利開展的前提保證，但是很多高校GIS專業(yè)的“C語言程序設(shè)計”課程是作為通識教育課程而非專業(yè)教育課程開設(shè)，這導(dǎo)致學(xué)生程序設(shè)計水平不高，并且由于學(xué)時的不足，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”中要用到的重要知識點如鏈表、結(jié)構(gòu)體等內(nèi)容都沒有進行深入的學(xué)習。由于在“C語言程序設(shè)計”課程中編寫代碼的能力沒有得到充足的訓(xùn)練，導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，在剛開始接觸“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程時聽到需要上機編程都感到緊張害怕，沒有信心學(xué)好“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”這門課程。

（三）學(xué)生重視程度不夠

GIS專業(yè)的部分學(xué)生存在錯誤認知，認為“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程是計算機專業(yè)的核心課程，但是對于GIS專業(yè)來說并不重要，只需要作為一門通識教育課程去學(xué)習就可以了。但實際上GIS技術(shù)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)密切關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)探討現(xiàn)實世界中的一對一、一對多及多對多的數(shù)據(jù)關(guān)系，這些都與GIS中的矢量、柵格等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)。GIS多以現(xiàn)實的地圖作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要涉及兩大應(yīng)用類型的地圖，一種是地形圖，用于展示地球表面特征的基本地圖;一種是專用地圖，用于表達事物變化模式的地圖。而真實世界的地圖在計算機上實現(xiàn)則需要用到“圖”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識點，如鄰接矩陣存儲法、最小生成樹算法、最短路徑算法等。GIS的問題求解需要大量“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程中的知識點作為支撐。

二、GIS專業(yè)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實驗教學(xué)內(nèi)容改革

（一）設(shè)計合理的實驗題目

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”是一門強調(diào)動手實踐的課程，因此幾乎每個章節(jié)都需要配備相應(yīng)的實驗題目以深化學(xué)生對知識點的理解。但是GIS專業(yè)不能照搬計算機專業(yè)的實驗內(nèi)容，應(yīng)該根據(jù)實驗學(xué)時及學(xué)生編碼水平進行調(diào)整。以筆者授課的2020級GIS專業(yè)的學(xué)生為例，多數(shù)學(xué)生在第一次實驗課無法順利完成一道實驗題目，如果布置的實驗題目過多，容易打擊學(xué)生的學(xué)習積極性，使其產(chǎn)生厭學(xué)情緒。

GIS專業(yè)的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實驗題目設(shè)計應(yīng)在緊扣教學(xué)內(nèi)容的同時從學(xué)生的實際情況出發(fā)考慮。通過觀察學(xué)生的實際做題情況，在計算機專業(yè)的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實驗題目的基礎(chǔ)上進行調(diào)整，形成GIS專業(yè)實驗題目集。實驗題目集分為線性表、棧和隊列、串數(shù)組和廣義表、樹和二叉樹、圖、查找、排序七個模塊。線性表的實驗包括順序線性表的實現(xiàn)、合并順序表、順序表逆置、鏈式線性表的實現(xiàn)、合并鏈表、線性鏈表逆置;棧和隊列的實驗包括順序棧的實現(xiàn)、循環(huán)隊列的實現(xiàn)、棧的應(yīng)用—進制轉(zhuǎn)換、括號匹配檢驗;串數(shù)組和廣義表的實驗為串的模式匹配—蠻力法;樹和二叉樹的實驗包括二叉樹的構(gòu)建、二叉樹的遍歷運算;圖的實驗為實現(xiàn)圖的存儲結(jié)構(gòu);查找的實驗包括順序查找、二分查找;排序的實驗包括直接插入排序、冒泡排序、快速排序、簡單選擇排序;經(jīng)過調(diào)整，將部分較難的實驗題目去除，但保留了線性表、樹、圖核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)及基本操作，保證學(xué)生對重要知識點的驗證實驗，確保學(xué)習質(zhì)量。

（二）豐富實驗做題的形式

筆者授課的GIS專業(yè)采用的教材為人民郵件出版社出版、嚴蔚敏主編的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（C語言版）》。書中的各類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以結(jié)構(gòu)體的形式實現(xiàn)，在實現(xiàn)時涉及結(jié)構(gòu)體變量的定義、函數(shù)的調(diào)用等知識點，對于程序設(shè)計能力普遍有限的學(xué)生來說入手比較難。根據(jù)筆者授課的班級情況統(tǒng)計，在課程學(xué)習初期存在著部分學(xué)生無法完整編寫一個程序的現(xiàn)象。因此，實驗題目的設(shè)置形式應(yīng)多樣化，不能單純地只給出題干，直接要求學(xué)生從無到有編寫出一個完整程序。實驗題目可包括程序填空題、程序閱讀題及算法設(shè)計題。在實驗初期，可多以程序填空題及程序閱讀題為主，這樣可保證學(xué)生既能快速進入學(xué)習狀態(tài)，也能通過代碼的閱讀加深對代碼的理解，規(guī)范代碼的編寫。到實驗中后期，則可多以算法設(shè)計題為主，進一步鍛煉學(xué)生的編碼能力。

以“順序線性表的實現(xiàn)”為例，如果只給出題干要求學(xué)生給出實驗—順序線性表，即便是書本上已經(jīng)給出了大部分的代碼，大部分同學(xué)還是不清楚該如何下手編寫程序，而以程序填空的方式則可讓學(xué)生快速上手，同時也起到了驗證課程學(xué)習內(nèi)容的功效。程序填空題不是簡單地填一個空，而是給出程序的總框架，如函數(shù)定義等，讓學(xué)生往里面補充代碼，所補充的代碼可以是單條或多條語句。

（三）重視綜合性實驗的開展

綜合性實驗是布置給學(xué)生課后完成的實驗，可彌補實驗學(xué)時不夠的缺陷。因此，應(yīng)充分利用綜合性實驗的開展來加強學(xué)生對知識點的掌握。樹、圖部分的內(nèi)容對于GIS專業(yè)的學(xué)生來說非常重要，綜合性實驗可從這兩方面來設(shè)計題目，可用“實現(xiàn)二叉排序樹的各種算法”及“實現(xiàn)圖的各種算法”作為基本題目出發(fā)點，學(xué)生可從兩個題目中任選一個來進行擴展實驗。通過綜合性實驗的開展，可進一步訓(xùn)練學(xué)生函數(shù)的調(diào)用、遞歸、棧、隊列、樹、圖等知識點的編碼能力。

綜合性實驗的題目與課堂內(nèi)完成的實驗相比，難度大，工作量多，允許學(xué)生以2人組隊的形式完成，通過團隊合作鍛煉程序模塊的劃分、組合。

綜合性實驗開展過程中，鼓勵學(xué)生積極靈活地運用所學(xué)的課程知識，并通過查閱參考資料將其與自己所學(xué)專業(yè)結(jié)合。如二叉排序樹可擴展到地理信息系統(tǒng)中的空間索引問題，創(chuàng)建四叉樹解決二維空間數(shù)據(jù)的高效查詢。而圖算法則可應(yīng)用在地理信息系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)分析問題上，包括旅游路線規(guī)劃問題、電子導(dǎo)航問題、通信規(guī)劃問題、城市基礎(chǔ)設(shè)施搭建問題等[5]。

三、GIS專業(yè)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實驗教學(xué)方法改革

對于計算機相關(guān)專業(yè)，由于其大部分學(xué)生已具備了一定的程序設(shè)計能力，所以“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實驗的開展主要以學(xué)生動手編碼為主，教師講解為輔。而GIS專業(yè)的學(xué)生則需要教師更多地參與到其實驗的開展過程中。

（一）加強代碼演示講解環(huán)節(jié)

根據(jù)學(xué)生給的教學(xué)反饋，學(xué)生反映無法將算法思想與代碼編寫進行關(guān)聯(lián)。在實驗環(huán)節(jié)增加代碼演示環(huán)節(jié)很有必要。盡管學(xué)時不多，仍需對較難理解的算法通過代碼演示的形式給學(xué)生進行講解。教師運行程序，輸入有代表性的數(shù)據(jù)，在關(guān)鍵步驟結(jié)合中間輸出結(jié)果講解程序語句的執(zhí)行過程，解釋算法思想。如鏈表的插入，其代碼演示頁面如圖1所示。上課講解時結(jié)合代碼給學(xué)生介紹在鏈表的第i個位置插入新元素，首先找到第i個元素所在的位置（代碼2～5行），接著生成新結(jié)點并對其賦值（代碼6～8行），加深學(xué)生對代碼的理解掌握。

除了教師直接給學(xué)生進行代碼演示外，在教材《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（C語言版）》中已經(jīng)對大部分的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)操作都錄制了代碼演示，可通過書本提供的二維碼掃碼觀看。學(xué)生在學(xué)習完每個知識點后，可結(jié)合書本的代碼實現(xiàn)及算法的動態(tài)演示，了解算法的一步步運行過程，加深對算法的理解。

（二）引入在線評判的考核方式

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實驗每次課都需要學(xué)生完成一定量的實驗題目，對學(xué)生實驗的完成情況進行檢查能端正學(xué)生的做題態(tài)度，督促學(xué)生按時完成作業(yè)，促進學(xué)生做題的積極性。但由于現(xiàn)在的課程多采用大班教學(xué)，人數(shù)眾多，任課教師無法每次課一一對學(xué)生的代碼進行檢查。國際大學(xué)生程序設(shè)計競賽（ACM-ICPC）為全球最有影響力的大學(xué)生程序設(shè)計競賽，比賽采用在線評判的方式檢查參賽者的代碼是否正確[6]。在GIS專業(yè)的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實驗課程中，也可引入在線評判系統(tǒng)，教師對每道題目設(shè)計合理的測試樣例，學(xué)生通過在線評判系統(tǒng)提交實驗代碼，由在線評判系統(tǒng)自動進行評判，及時反饋實驗結(jié)果，學(xué)生根據(jù)反饋結(jié)果進行代碼的修改，由此提高實驗效率。教師也可通過在線評判系統(tǒng)及時獲取學(xué)生的實驗情況，了解學(xué)生的掌握程度，并由此做出相應(yīng)的實驗教學(xué)輔導(dǎo)。采用在線評判的另一個好處是可引導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計樣例測試數(shù)據(jù)。通常系統(tǒng)只給出1～2個測試樣例，但是實際評判時會有多組數(shù)據(jù)，做題時學(xué)生經(jīng)常會出現(xiàn)測試樣例通過但提交到評判系統(tǒng)則無法通過的情況，但是設(shè)置成多次提交會扣除部分分數(shù)，鼓勵學(xué)生多考慮程序的邊界條件、異常情況等因素，加強程序的健壯性。

除了在線評判系統(tǒng)外，對于部分遲遲未在系統(tǒng)上提交實驗或多次提交都無法通過的學(xué)生，應(yīng)由教師及助教對其進行一對一的作業(yè)檢查及輔導(dǎo)。由于在線評判系統(tǒng)是黑箱子評判模式，只有通過全部測試數(shù)據(jù)才標記為已通過，有部分學(xué)生因為程序設(shè)計知識掌握不扎實，被某組測試數(shù)據(jù)卡住后無法獨立找出錯誤原因。教師可通過與其分析代碼，幫助其較快地解決問題，趕上實驗的做題進度。

在實驗評分上，除了依據(jù)在線評判系統(tǒng)的做題情況外，教師也應(yīng)根據(jù)學(xué)生在實驗上投入的精力及努力程度對其進行分數(shù)的嘉獎。

（三）加強學(xué)生程序調(diào)試能力的培養(yǎng)

通過多年觀察學(xué)生在“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實驗課堂的表現(xiàn)情況，發(fā)現(xiàn)當程序?qū)τ诮o定輸入得不到預(yù)期輸出結(jié)果時，很多學(xué)生不清楚如何進行代碼錯誤定位，從而浪費大量實驗時間。因此，在“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實驗教學(xué)中，應(yīng)加強學(xué)生程序調(diào)試能力的培養(yǎng)。程序調(diào)試指的是根據(jù)錯誤提示信息及算法邏輯的推理，找到有可能會導(dǎo)致錯誤發(fā)生的位置。

程序的調(diào)試手段之一，通過在程序源代碼中設(shè)置多個輸出點，通過中間輸出結(jié)果來定位錯誤位置。在線評判系統(tǒng)要求輸出結(jié)果嚴格按照給定的要求，否則出錯，在此要求下學(xué)生編寫的程序一般只輸出目標結(jié)果。一旦出錯，很難確定出錯位置。此時，則需要增加中間結(jié)果輸出作為程序調(diào)試的依據(jù)。

程序的調(diào)試手段之二，利用程序集成開發(fā)環(huán)境（IDE）提供的debug調(diào)試模式，在程序可能出錯的代碼行設(shè)置斷點，通過debug中提供的單步運行、進入函數(shù)內(nèi)部或跳出函數(shù)等方法，監(jiān)控程序中各個相關(guān)變量的情況，盡快定位出錯的地方。

教學(xué)應(yīng)因材施教，GIS專業(yè)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實驗課程的開展應(yīng)根據(jù)學(xué)生的專業(yè)背景，結(jié)合學(xué)生對先導(dǎo)課程的掌握程度，設(shè)計合理的課程教案。在教學(xué)內(nèi)容上，可通過調(diào)整實驗題目、增加實驗題型，以綜合性實驗的方式拓展實驗深度。在教學(xué)方法上，重視實驗代碼演示，采用在線評判系統(tǒng)結(jié)合人工評判的考核方式，加強學(xué)生的程序調(diào)試能力訓(xùn)練。借由GIS專業(yè)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實驗課程教學(xué)的改革，為GIS專業(yè)的學(xué)生在后續(xù)的專業(yè)學(xué)習提供保障，也為其在未來從事GIS二次開發(fā)、底層開發(fā)的工作打下堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻

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[3]宋歌.《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》實驗教學(xué)手段和方法的改革初探[J].電腦與信息技術(shù)，2021，29（2）：92-94.

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[6]張少仲，白英，王小妹，等.基于ACM競賽的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗課程教學(xué)研究[J].計算機時代，2020（10）：73-75.

Exploration on the Reform of Experimental Teaching of Data Structure in Geographic Information Science Specialty

YANG Qiu-mei， ZHENG Chan

（College of Mathematics and Informatics， South China Agricultural University， Guangzhou， Guangdong 510642， China）

Abstract： The experimental course of is very important to improve students’ ability of code writing and strengthen their knowledge learning. Starting from the training program of Geographic Information Science， according to the students’ programming ability， we design reasonable experimental topics of Data Structure， and make full use of comprehensive experiments as a supplement to the experimental hours. In terms of teaching means， we help students better understand the design principle and operation process of the algorithm through dynamic code demonstration， introduce online evaluation means to better evaluate students’ experimental situation and strengthen the cultivation of students’ program ability. This experimental teaching scheme can better improve students’ computer problem-solving ability.

Key words： Data Structure; Geographic Information Science; reform in experimental teaching