融合情境式教學(xué)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程探索與實(shí)踐

摘 要 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法是計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程領(lǐng)域的核心課程，但因課程內(nèi)容的抽象性和復(fù)雜性，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中存在理解困難和興趣流失問題，導(dǎo)致其難以有效地達(dá)成計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)目標(biāo)。文章通過分析情境式教學(xué)的理論基礎(chǔ)及當(dāng)前教學(xué)現(xiàn)狀，研究圍繞哈夫曼樹這樣一個(gè)知識(shí)點(diǎn)構(gòu)建與現(xiàn)實(shí)世界緊密相關(guān)的學(xué)習(xí)情境，設(shè)計(jì)基于情境的教學(xué)實(shí)施方案，并在實(shí)際教學(xué)中應(yīng)用和評估效果。研究發(fā)現(xiàn)，情境式教學(xué)既能提高理論與實(shí)踐的結(jié)合度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)與學(xué)習(xí)興趣，又能增強(qiáng)學(xué)生的國家觀念和歷史使命感。

關(guān)鍵詞 情境式教學(xué)；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法；哈夫曼樹與哈夫曼編碼；人才培養(yǎng)

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.20.041

Exploration and Practice of Data Structures and Algorithms

Course Integrated with Situational Teaching

——A Case Study of Huffman Trees and Huffman Coding

PENG Yue

（Nanjing Tech University， College of Computer and Information Engineering

（College of Artificial Intelligence）， Nanjing， Jiangsu 211800）

Abstract Data Structures and Algorithms is a core course in the field of Computer Science and Engineering. However， due to the abstractness and complexity of the course， students find it difficult to understand and lose interest during the learning process， making it challenging to achieve the goal of cultivating computer talents. Through analyzing the theoretical foundation of situational teaching and the current teaching status， this study constructs learning situations around the knowledge point of Huffman Trees. A set of situational-based teaching implementation plans was designed and applied in actual teaching， along with an effectiveness evaluation. The research finds that situational teaching not only improves the integration of theory and practice， and stimulates students' learning motivation and interest， but also effectively enhances students' national consciousness and sense of historical mission.

Keywords situational teaching; Data Structures and Algorithms; Huffman Trees and Huffman Coding; talent cultivation

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)也日益受到關(guān)注。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法[1]作為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課程之一，其教學(xué)效果直接影響到學(xué)生邏輯思維能力和問題解決能力的培養(yǎng)。然而，因該課程的抽象性和復(fù)雜性，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往感到難以理解和興趣缺失，成為當(dāng)前教學(xué)改革中的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。情境式教學(xué)[2]作為一種有效的教學(xué)方法，通過構(gòu)建具有現(xiàn)實(shí)意義的學(xué)習(xí)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)效率[3]。本研究旨在探索情境式教學(xué)在課程教學(xué)中的應(yīng)用，特別是如何通過情境式教學(xué)方法來提升學(xué)生對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法中哈夫曼樹這一知識(shí)點(diǎn)的理解和興趣。本文通過分析情境式教學(xué)的理論基礎(chǔ)和當(dāng)前數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法教學(xué)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了基于上述情境的教學(xué)實(shí)施方案，并在實(shí)際教學(xué)中開展應(yīng)用和評估。通過對教學(xué)實(shí)施前后學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效果的對比分析，旨在驗(yàn)證情境式教學(xué)在該課程中的有效性，并為今后的教學(xué)改革提供參考和借鑒。

1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的挑戰(zhàn)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法是計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程領(lǐng)域的一門核心課程，它不僅是理解計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，而且對于解決實(shí)際問題、提高程序運(yùn)行效率和資源利用率具有重要意義，對于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力、編程能力和解決問題的能力也具有重要作用。然而，在教學(xué)過程中，教師面臨著如下挑戰(zhàn)。

1.1 理論與實(shí)踐脫節(jié)

該課程內(nèi)容豐富，理論性強(qiáng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)往往難以將抽象的理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來。這種脫節(jié)導(dǎo)致學(xué)生在掌握了大量理論概念后，仍感到在面對實(shí)際軟件開發(fā)任務(wù)時(shí)無從下手。課程往往過分強(qiáng)調(diào)算法的理論推導(dǎo)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的抽象模型，而忽略了這些知識(shí)在軟件工程中的實(shí)踐應(yīng)用，比如為何要設(shè)計(jì)或采用某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如何選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或者特定算法以優(yōu)化性能等。學(xué)生往往知其然而不知其所以然，空有理論基礎(chǔ)卻并不能靈活解決實(shí)際問題。

1.2 學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)不足

由于課程的抽象性和難度，部分學(xué)生對于深入學(xué)習(xí)缺乏足夠的興趣和動(dòng)力，核心原因源于學(xué)生對課程內(nèi)容的實(shí)用性和相關(guān)性缺乏直觀感受。這門課程通常涉及大量的理論知識(shí)和抽象概念，如果教學(xué)方式單一、缺乏創(chuàng)新，很容易讓學(xué)生感到枯燥乏味，從而降低學(xué)習(xí)興趣。此外，當(dāng)學(xué)生無法清晰地看到所學(xué)知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用之間的聯(lián)系時(shí)，他們可能會(huì)質(zhì)疑知識(shí)的價(jià)值，進(jìn)一步減弱學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

1.3 與思政教育結(jié)合難度大

本課程主要關(guān)注技術(shù)和理論知識(shí)的傳授，而思政教育則側(cè)重于價(jià)值觀的培養(yǎng)和思想道德教育。兩者內(nèi)容的顯著差異和目標(biāo)的不同導(dǎo)致教師在教學(xué)實(shí)踐中難以找到一個(gè)自然而有效的結(jié)合點(diǎn)，最終往往會(huì)形成思政教育缺失的情況，或者為了思政而思政的生硬的教育模式[4]。

2 引入情境式教學(xué)的必要性

2.1 情境式教學(xué)的理論基礎(chǔ)

情境式教育是一種以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)方法，其核心理念是在真實(shí)或模擬的情境中進(jìn)行教學(xué)，以增強(qiáng)學(xué)習(xí)內(nèi)容的相關(guān)性和實(shí)用性。這種教學(xué)方法的理論基礎(chǔ)主要來源于認(rèn)知心理學(xué)和構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論，強(qiáng)調(diào)知識(shí)和技能的學(xué)習(xí)應(yīng)當(dāng)在具體的語境中進(jìn)行，以促進(jìn)學(xué)生對知識(shí)的深入理解和應(yīng)用能力的提升。情境式教育的優(yōu)勢在于它能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過提供與現(xiàn)實(shí)生活緊密聯(lián)系的學(xué)習(xí)情境，使學(xué)生在解決實(shí)際問題的過程中主動(dòng)探索和學(xué)習(xí)，從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)與實(shí)踐的有效結(jié)合。此外，情境式教育也使得抽象的思政理論知識(shí)變得具體化、生動(dòng)化，從而增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度，通過促進(jìn)學(xué)生在特定情境下的情感體驗(yàn)和價(jià)值判斷，有助于加強(qiáng)思想道德建設(shè)和價(jià)值觀引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感和歷史使命感。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法作為計(jì)算機(jī)科學(xué)的核心內(nèi)容，其抽象性和邏輯性要求學(xué)生不僅要理解理論，還要能將理論應(yīng)用于實(shí)踐。情境式教學(xué)通過創(chuàng)設(shè)與學(xué)生未來職業(yè)生涯或日常生活相關(guān)的實(shí)際情境，使學(xué)生在解決問題的過程中應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)，這種“學(xué)以致用”的過程有助于學(xué)生深化對理論知識(shí)的理解和掌握。同時(shí)，在課程中開展情境式教學(xué)還符合認(rèn)知負(fù)荷理論的觀點(diǎn)，即通過減少不必要的認(rèn)知負(fù)荷，讓學(xué)生將注意力集中于關(guān)鍵概念的學(xué)習(xí)上。在課程學(xué)習(xí)中，通過將復(fù)雜的概念和算法應(yīng)用于具體的情境，可減少學(xué)生對抽象概念理解的難度，使其更容易集中精力理解和掌握核心知識(shí)點(diǎn)。

2.2 結(jié)合情境式教學(xué)開展教學(xué)活動(dòng)的優(yōu)勢

結(jié)合情境式教學(xué)開展教學(xué)活動(dòng)，可有效應(yīng)對當(dāng)前課程教學(xué)中面臨的挑戰(zhàn)：①提高理論與實(shí)踐的結(jié)合度。通過設(shè)計(jì)與真實(shí)世界相關(guān)的情境任務(wù)，讓學(xué)生在解決具體問題的過程中運(yùn)用理論知識(shí)，強(qiáng)化理論與實(shí)踐的聯(lián)系。②激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)機(jī)。情境式教學(xué)通過引入有趣的情境背景和任務(wù)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性和參與度，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。③適應(yīng)不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。情境式教學(xué)強(qiáng)調(diào)個(gè)性化學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)，通過小組合作解決情境任務(wù)，充分考慮不同學(xué)生的背景和能力，促進(jìn)學(xué)生間的互助和學(xué)習(xí)。

綜上所述，結(jié)合情境式教學(xué)開展數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的教學(xué)活動(dòng)，不僅可以有效解決課程當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，還能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和綜合能力，為學(xué)生未來職業(yè)生涯的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程情境構(gòu)建

3.1 情境設(shè)計(jì)的原則與目標(biāo)

情境設(shè)計(jì)是情境式教學(xué)的核心環(huán)節(jié)，其目的是通過模擬真實(shí)的或具有實(shí)際意義的情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)效率。在設(shè)計(jì)情境時(shí)，應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：真實(shí)性、相關(guān)性、挑戰(zhàn)性和趣味性。真實(shí)性原則要求情境設(shè)計(jì)需要貼近學(xué)生的生活實(shí)際或?qū)I(yè)實(shí)踐，以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)；相關(guān)性原則強(qiáng)調(diào)情境與學(xué)習(xí)內(nèi)容的緊密聯(lián)系，確保學(xué)習(xí)活動(dòng)的目標(biāo)明確；挑戰(zhàn)性原則鼓勵(lì)教師設(shè)計(jì)具有一定難度的任務(wù)，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)探索以解決問題；趣味性原則是指通過有趣的情境設(shè)計(jì)吸引學(xué)生的注意力，提高其學(xué)習(xí)積極性。

本研究選取了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程中的哈夫曼樹與哈夫曼編碼這一知識(shí)點(diǎn)，基于上述理念開展情境式教學(xué)，使學(xué)生理解并掌握最短帶權(quán)路徑和的概念、哈夫曼樹的構(gòu)建過程以及哈夫曼編碼的原理和應(yīng)用。通過結(jié)合具體情境可以讓學(xué)生更加深刻地理解信息編碼與數(shù)據(jù)壓縮的本質(zhì)思路，從而自發(fā)地設(shè)計(jì)和構(gòu)造哈夫曼樹來完成情境中信息編碼與傳遞的要求。

3.2 情境背景的構(gòu)建

哈夫曼樹是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法中的一種經(jīng)典數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用，它是根據(jù)字符出現(xiàn)的頻率或概率構(gòu)建的一棵二叉樹，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的編碼方案。哈夫曼編碼是一種基于哈夫曼樹的編碼算法，通過構(gòu)建哈夫曼樹，每個(gè)字符可以被編碼為一串不等長的二進(jìn)制碼，其中頻率高的字符使用較短的編碼，頻率低的字符使用較長的編碼，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效壓縮。哈夫曼編碼的原理和應(yīng)用在信息論和編碼理論中占有重要地位，是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法中的重要知識(shí)點(diǎn)之一，也是計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生必須掌握的基礎(chǔ)知識(shí)之一。

此章節(jié)選取了抗戰(zhàn)時(shí)期解放軍通信兵在戰(zhàn)場上及時(shí)有效地傳遞作戰(zhàn)信息的場景。在這一背景下，高效地傳遞戰(zhàn)場信息成為勝利的關(guān)鍵，戰(zhàn)場中通信環(huán)境艱難惡劣，戰(zhàn)機(jī)稍縱即逝，需第一時(shí)間傳遞有效的戰(zhàn)況，為了確保信息的安全傳輸并盡量減少被敵方截獲的風(fēng)險(xiǎn)，通信兵需采用一種高效的加密方式，從而引出了哈夫曼樹和哈夫曼編碼的概念。為了讓學(xué)生更好地理解哈夫曼樹在情報(bào)加密和數(shù)據(jù)壓縮中的應(yīng)用，教師構(gòu)建了一個(gè)虛擬的戰(zhàn)報(bào)傳遞任務(wù)，學(xué)生需要利用哈夫曼樹的原理來設(shè)計(jì)高效的戰(zhàn)報(bào)加密和傳輸方案。

3.3 情境活動(dòng)的設(shè)計(jì)

3.3.1 引入情境

教師通過視頻、圖片、文獻(xiàn)等多媒體材料，向?qū)W生介紹抗戰(zhàn)時(shí)期的歷史背景和解放軍通信兵是如何在艱苦的環(huán)境中發(fā)揮“千里眼順風(fēng)耳”的作用。通過這種情感化的引入，交代了任務(wù)的背景，激發(fā)了學(xué)生的興趣和好奇心，同時(shí)也增強(qiáng)了學(xué)生的國家觀念和歷史使命感，并且為后續(xù)的知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。

3.3.2 問題提出

教師提出問題：如何在通訊環(huán)境惡劣、通信成本很高的前提下，有效且高效地傳遞信息。引導(dǎo)學(xué)生思考不同加密形式下信息平均長度的區(qū)別，自然而然地引出最短帶權(quán)路徑和的概念和哈夫曼樹的必要性。通過這一步驟，學(xué)生被推動(dòng)去深入探索和理解哈夫曼樹的構(gòu)建原理和應(yīng)用價(jià)值，從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為主動(dòng)學(xué)習(xí)和思考，并更深入理解任何一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的提出都是為了解決某一類實(shí)際問題。

3.3.3 學(xué)生探索

分組讓學(xué)生通過查閱資料、小組討論等方式，探索哈夫曼樹的構(gòu)建過程和原理。教師不是直接傳授知識(shí)，而是為學(xué)生的自我探索提供指導(dǎo)。通過小組合作，學(xué)生在相互討論和資料交流中學(xué)習(xí)和理解復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法概念。教師的指導(dǎo)幫助學(xué)生將抽象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法概念與具體的實(shí)戰(zhàn)通信任務(wù)聯(lián)系起來，讓他們在學(xué)習(xí)中主動(dòng)尋找解決問題的策略和方法。

3.3.4 實(shí)踐應(yīng)用

教師設(shè)計(jì)一個(gè)模擬的戰(zhàn)報(bào)加密與傳遞活動(dòng)，讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)編碼加密方式，在相同的情報(bào)文本上與哈夫曼編碼進(jìn)行對比，以評估加密效率。通過這種模擬實(shí)踐，讓學(xué)生親身體驗(yàn)到哈夫曼樹在信息安全傳輸中的應(yīng)用價(jià)值。

3.3.5 反思討論

活動(dòng)結(jié)束后，組織學(xué)生進(jìn)行反思討論[5]，討論哈夫曼樹作為一種經(jīng)典的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代信息技術(shù)中的應(yīng)用，如數(shù)據(jù)壓縮、通信系統(tǒng)等。教師通過引導(dǎo)學(xué)生回顧并反思整個(gè)情境活動(dòng)，幫助學(xué)生總結(jié)學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，加深理解，提出疑問，從而鞏固學(xué)生在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法方面的知識(shí)和技能。同時(shí)，反思討論也使學(xué)生能夠更好地理解情境中的團(tuán)隊(duì)精神和創(chuàng)造性思維，為未來的學(xué)術(shù)和職業(yè)生涯打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

本研究通過深入探索情境式教學(xué)法在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程教學(xué)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)和構(gòu)建具體教學(xué)情境，有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生更加深入地理解知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)更加自然地融合了思政背景，在情境中潤物細(xì)無聲地為學(xué)生開展愛黨愛國思政教育。研究不僅驗(yàn)證了該教學(xué)方法的有效性，而且還為教學(xué)實(shí)踐提供了具體的實(shí)踐嘗試，從而進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量，為學(xué)生的全面發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 嚴(yán)蔚敏，李冬梅，吳偉民.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（C語言版）[J].計(jì)算機(jī)教育，2012（12）：62-62.

[2] Gardner G，Harrelson G L.Situational teaching：Meeting the needs of evolving learners[J].International Journal of Athletic Therapy and Training，2002，7（5）：18-22.

[3] 莫寶慶.情景式教學(xué)對培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)應(yīng)用能力的促進(jìn)作用[J].醫(yī)學(xué)教育探索，2007，6（6）：494-495.

[4] 高德毅，宗愛東.從思政課程到課程思政：從戰(zhàn)略高度構(gòu)建高校思想政治教育課程體系[J].中國高等教育，2017（1）：43-46.

[5] 陳家剛，鮑同梅.國外高校教學(xué)反饋：手段、特點(diǎn)及對我國高校的啟示[J].現(xiàn)代教育科學(xué)：高教研究，2008（6）：153-155.