案例教學法在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中的應(yīng)用研究

摘要：針對計算機科學與技術(shù)專業(yè)的學生學習數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為了激發(fā)學生學習的興趣和積極性，將案例教學融入課堂，以實際案例為主線，通過提出案例、分析案例和解決案例三個步驟完成教學，培養(yǎng)和提升學生解決實際案例過程中學習通過建立模型和算法的設(shè)計，將實際案例轉(zhuǎn)化為計算機可以解決的問題，有效解決實際問題。最終達到培養(yǎng)學生思考問題、分析問題和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);案例教學;哈夫曼算法

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）17-0157-02

1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的教學分析

1.1 學情分析

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計算機科學與技術(shù)專業(yè)學生的專業(yè)核心課程，學生的特點是基礎(chǔ)知識扎實，邏輯思維能力和解決案例問題的能力一般，將生活中的實際案例轉(zhuǎn)化為計算機可以解決的模型，通過求解模型解決實際問題的能力較弱，課堂氣氛不活躍。針對上述問題，教師不僅需要給學生講解最基本的知識點，還需要給學生拓展相應(yīng)知識點的算法和用這些知識點和算法如何求解實際案例。讓學生深切體會到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在解決計算機領(lǐng)域的某些實際問題有著重要的作用，從而調(diào)動學生學習的積極性，讓被動的課程學習變?yōu)橹鲃訉W習。最終達到培養(yǎng)學生思考案例、分析案例和解決案例的能力，養(yǎng)成嚴格、科學、規(guī)范的思維習慣，為將來從事工作和研究打下牢固的基礎(chǔ)。

1.2教學目標

通過該門課程的教學，使學生掌握“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”中的基本概念、合理組織數(shù)據(jù)的基本方法、高效處理數(shù)據(jù)的基本算法、常用的經(jīng)典算法、通用的程序設(shè)計技術(shù)，以及面對實際問題時選擇恰當數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)算法的能力。

2以實際案例為主線進行教學活動

在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的教學過程中，結(jié)合計算機學院專業(yè)的特點，以實際案例為主線，通過提出案例、分析案例、解決案例三個步驟完成主要教學如圖1所示。提出案例的主要目的是激發(fā)學生學習的興趣，讓學生的學習由被動變?yōu)橹鲃樱寣W生對問題產(chǎn)生興趣，愿意主動積極地去解決實際案例。分析案例主要通過新課的導入，針對具體的實際案例，給學生分析該如何去解決這個案例，為了解決這個案例，已經(jīng)學習了哪些知識，哪些知識是沒有學習的，然后將新課進行導入。解決案例，通過導入的新課，然后講解新的知識點，從理論到算法，對學生進行深入的講解，通過新學習的知識和算法，來求解提出的案例，這樣既讓學生復習新學習的知識點和算法又讓學生學會如何通過已經(jīng)學習的知識點和算法來求解實際案例。以實際案例為主線的教學優(yōu)勢是培養(yǎng)學生解決實際案例能力的短板。培養(yǎng)學生思考案例、分析案例和解決案例的能力，實踐過程中學習通過建立模型和算法的設(shè)計，將實際案例轉(zhuǎn)化為計算機可以解決的問題，進一步通過所學習的知識點和算法有效的解決實際問題。

下面筆者通過最優(yōu)樹及其應(yīng)用[1]的教學活動給出提出案例、分析案例和解決案例的三個步驟。通過案例用機器分辨一些紙幣，假設(shè)各種幣值的紙幣出現(xiàn)的概率不同。現(xiàn)在需要解決的問題是如何設(shè)計一個分辨紙幣的方法，使得所需的時間最少？下面通過和學生一起分析這個實際案例，可以發(fā)現(xiàn)二元樹可以解決這個案例，但是不同的二元樹所用的時間不同，如何找到所用時間最短的二元樹是解決這個案例的關(guān)鍵點，則二元樹不是解決這個案例的最佳方案，為了尋找最佳的方案，引出本節(jié)課學習的內(nèi)容最優(yōu)樹的概念和哈夫曼算法。下面給學生講解最優(yōu)樹的概念以及求解最優(yōu)樹的哈夫曼算法，哈夫曼算法的流程圖如圖2所示。最后和學生一起利用哈夫曼算法解決紙幣分辨的問題。最后讓學生課后以小組的形式解決當字母出現(xiàn)的頻率不同，構(gòu)造字母的前綴碼使得傳輸?shù)亩M制位最少。根據(jù)本節(jié)課所學習的內(nèi)容，可以構(gòu)造帶權(quán)的最優(yōu)樹; 在最優(yōu)樹上構(gòu)造前綴碼; 將前綴碼對應(yīng)于字母。因此，這個案例解決的關(guān)鍵點在于構(gòu)造最優(yōu)樹，可以通過學習的哈夫曼算法解決這個案例。教師最后只需要負責點評，讓學生自己獨立思考案例、解決案例。最后對所學習的知識點進行拓展。

3 將案例教學法融入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課堂

將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學分為課前、課中和課后，具體過程如圖3所示。課前，教師通過教學分析、教學設(shè)計。將教學資源推送給學生，有些基礎(chǔ)知識可以通過MOOC資源或者教師錄講課的小視頻推送給學生，讓學生自己學習，有些知識點需要學生自主預習。課中具體的教學過程設(shè)計如圖4所示，教師通過課程導入、新課講解、求解問題和歸納總結(jié)四個步驟完成課堂的教學工作，學生在課堂中需要積極參與進來，需要進行小組討論，最后歸納總結(jié)，課堂反饋。課后，教師需要評估教學，鼓勵學生在課后以小組的形式相互設(shè)計問題，進行描述模型并且通過所學習的知識點和算法進行實際問題的求解，教師此時只需要負責引導和點評，讓學生自己獨立地思考案例、分析案例和解決案例。培養(yǎng)和提升學生在實際過程中解決實際案例的能力。讓學生的學習由被動變?yōu)橹鲃樱{(diào)動學生的積極性。

下面筆者通過最優(yōu)樹及其應(yīng)用的教學活動給出課前、課中和課后的教學活動。課前利用雨課堂給學生布置自主預習的內(nèi)容，復習之前學習過的二元樹的概念以及相關(guān)的定理。課中，通過提出實際案例，用機器分辨紙幣的例子，激發(fā)學生的學習興趣，調(diào)動學習的積極性和主動性，從而獲得較好的教學效果。探究新知，啟發(fā)學生發(fā)現(xiàn)二元樹的概念可以解決實際案例，但是不能達到最優(yōu)，達到最優(yōu)需要找到二元樹中權(quán)值最小的那一顆二元樹，這就是本節(jié)課需要學習的內(nèi)容。知識回顧，通過回顧二元樹的概念，加深之前所學習的知識，并且為新知識的學習提到鋪墊的作用。講授新知，講授最優(yōu)樹的概念和哈夫曼算法，激發(fā)學生尋找復雜度更低的算法，最后給出機器分辨紙幣的解決方案，如圖5所示，Matlab軟件的代碼[2-3]，促進學生學習的積極性和激發(fā)他們的興趣。求解實際案例，通過實際案例的求解，來鞏固本節(jié)課的教學重點和教學難點。最后進行課堂小結(jié)，回顧本節(jié)課的教學內(nèi)容，和學生一起總結(jié)教學重點和教學難點。進行知識拓展，開拓學生的視野、激發(fā)學生學習的興趣。

4 通過案例教學培養(yǎng)學生的應(yīng)用型思維模式

案例教學一個最直接的應(yīng)用型思維模式就是課程設(shè)計。完成好課程設(shè)計，是為了更好地培養(yǎng)學生的應(yīng)用型思維模式，這樣有益于學生將來的就業(yè)和工作。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計[4，5]的目標使學生進一步理解和掌握課堂上所學各種基本抽象數(shù)據(jù)類型的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)和操作實現(xiàn)算法;針對選定的題目學會分析數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)，結(jié)合C語言程序設(shè)計所學的知識，按要求完成設(shè)計方案。對于整體的設(shè)計需要學生完成以下幾個步驟如圖6所示，具體為：明確設(shè)計題目的任務(wù)，總體功能的分析、編碼和測試、最終完成設(shè)計報告，最后教師對學生的課程設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計報告進行評價和驗收。

在應(yīng)用型思維為主的教學過程中安排實踐教學，實踐教學的實施過程就是教師與學生互動的過程，通過實踐教學，有效引導學生的自主學習，以教師為主導，學生積極配合的互動交流模式。

5 小結(jié)

針對教學重點和難點，把應(yīng)用型思維嵌入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課堂。案例教學以教師的引導為基礎(chǔ)，把研究性學習方法應(yīng)用到實踐過程中，以某個實際案例為主線，通過案例的提出、分析和解決三個步驟完成求解。具體通過案例引入問題，啟發(fā)學生思考，從而化解教學重點和難點。學生在實踐過程中學習通過建立模型和算法的設(shè)計，將實際案例轉(zhuǎn)化為計算機可以解決的問題，有效解決實際案例。結(jié)合學生自身掌握計算機操作水平及自身對知識的理解能力來設(shè)計相應(yīng)的實踐內(nèi)容。對涉及應(yīng)用的知識點，具體內(nèi)容可以是問題導向型的，主要利用相關(guān)知識來解決某個學科問題或?qū)嶋H問題，但具體是什么問題是開放的。在應(yīng)用型思維為主的教學過程中安排實踐教學，通過實踐教學，有效引導學生的自主學習，從而有效提高教學效果。

參考文獻：

[1] 耿國華，張德同，周明全，等.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：用C語言描述[M].2版.北京：高等教育出版社，2015.

[2] 張巖，吳水根.MATLAB優(yōu)化算法[M].北京：清華大學出版社，2017.

[3] 劉浩，韓晶.MATLAB R2020a完全自學一本通[M].北京：電子工業(yè)出版社，2020.

[4] 陳媛，何波，蔣鵬.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)學習指導·實驗指導·課程設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[5] 蘇仕華，魏韋魏，王敬生.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

收稿日期：2021-12-18

基金項目：寶雞文理學院第十六批校級教改資助項目研究成果（項目編號：21JGYB50）

作者簡介：吳小娥（1978—）， 女，陜西寶雞人，工學碩士，講師，研究方向為模式識別。