蔡丹琳，劉俊杰

（泉州師范學(xué)院，福建 泉州 362000）

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)改革與實踐創(chuàng)新

蔡丹琳，劉俊杰

（泉州師范學(xué)院，福建 泉州 362000）

為了提高《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的教學(xué)質(zhì)量，針對課程的特點，剖析教學(xué)中存在的問題，總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗并提出具體教學(xué)改革方法和措施.經(jīng)實踐證明，本文提出的教學(xué)方法對教學(xué)質(zhì)量的提升有明顯效果.

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；教學(xué)改革；ACM；實踐教學(xué)

1 引言

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”是計算機(jī)及其相關(guān)專業(yè)的核心課程之一，在計算機(jī)類的課程體系中起到承前繼后的重要作用.通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)學(xué)會分析要解決的問題，歸納計算機(jī)加工對象的特性，選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存儲表示方法，及設(shè)計解決問題的實現(xiàn)算法.因此，在教學(xué)過程中不僅要重視數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的理論知識，提高學(xué)生抽象思維能力，更要注重培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力和研究創(chuàng)新能力.

然而，通過幾年的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)及調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我院不論是在計算機(jī)專業(yè)還是計算機(jī)相關(guān)專業(yè)，該課程的教學(xué)情況并不能讓人滿意.學(xué)生在學(xué)完該課程后只能記住“后進(jìn)先出”、“先進(jìn)先出”、“赫夫曼樹”等幾個名稱.為了改變這一現(xiàn)狀，筆者對該課程的教學(xué)進(jìn)行一些改進(jìn)，在教學(xué)過程中采用啟發(fā)式教學(xué)方法，通過理論知識與實際案例相結(jié)合進(jìn)行分析、講解，并將ACM-ICPC Online Judge在線評測系統(tǒng)運(yùn)用到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的實踐教學(xué)中，取得了顯著效果.

2 傳統(tǒng)教學(xué)中存在的主要問題

隨著計算機(jī)技術(shù)日益發(fā)展，其應(yīng)用方向和應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)不是局限于數(shù)值運(yùn)算和科學(xué)研究，而是滲透到各個領(lǐng)域，更多的涉及到問題分析、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和復(fù)雜的非數(shù)值處理和操作.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是一門研究非數(shù)值計算的程序設(shè)計問題中計算機(jī)的操作對象以及它們之間的關(guān)系和操作等的學(xué)科[1].然而，多年的教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)課堂上講授的概念和基本知識學(xué)生普遍都認(rèn)為不難，也都能掌握，可是一到課后需要自己解決實際問題時就不知從何下手了，實踐課時要求用具體語言調(diào)試算法時更是舉步維艱.是什么原因?qū)е逻@種情況的發(fā)生？筆者認(rèn)為主要是因為以下幾個方面的問題.

2.1 先導(dǎo)課程存在問題

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（C語言版）課程最主要的先導(dǎo)課程當(dāng)然就是C語言程序設(shè)計.學(xué)生在大一才剛接觸計算機(jī)語言，對C語言的學(xué)習(xí)不夠深入，理解也不夠透徹.如指針、結(jié)構(gòu)體部分作為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中常用的基本知識，學(xué)生在學(xué)完C課程后還是一知半解，這一問題在實踐課程中更為突出.

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的另一門主要先導(dǎo)課程是離散數(shù)學(xué).大多數(shù)高校的離散數(shù)學(xué)是在高等數(shù)學(xué)學(xué)完后開課，學(xué)生還沒來得及學(xué)離散數(shù)學(xué)就開始學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使學(xué)生缺少了數(shù)理邏輯的思想的訓(xùn)練，影響學(xué)生對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中相關(guān)問題的理解.而離散數(shù)學(xué)中涉及的二元組，樹和圖等知識也是離散數(shù)學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中由于課時的原因只能進(jìn)行簡單介紹，這也在一定程度上影響了教學(xué)效果.

2.2 教學(xué)方法存在的問題

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中涉及到較多概念、存儲表示及算法操作.過去，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)中，主要是針對某一知識點，從基本概念、類型定義開始，詳細(xì)講解存儲表示方法、抽象算法和算法代碼.學(xué)生的學(xué)習(xí)亦是從概念的理解入手，進(jìn)而學(xué)習(xí)算法代碼，將重點放在將課本中的算法轉(zhuǎn)化為代碼實現(xiàn)上，把數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程當(dāng)成C語言課程的延續(xù)，而沒有認(rèn)識到真正的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)意義，導(dǎo)致學(xué)生無法真正掌握解決問題的方法，創(chuàng)新能力弱.

2.3 理論和實際應(yīng)用脫節(jié)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計算機(jī)程序設(shè)計的重要理論技術(shù)基礎(chǔ)[1].該課程是一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，也是軟件工程的先導(dǎo)課[2].多年來根據(jù)學(xué)生的具體情況和學(xué)科特點，已經(jīng)過多次教學(xué)方法和舉措的改革，學(xué)生對理論知識的掌握還算扎實，動手能力也有一定程度的提高.同時選用經(jīng)典的理論教材也為學(xué)生掌握理論知識提供了很大的幫助，然而，很長一段時間我們一直都采用同一套教材，這樣不管是學(xué)生還是老師對問題的理解往往會有一定的局限性和片面性.同時，大多數(shù)實驗教材中的內(nèi)容略顯陳舊和過時與當(dāng)前實際應(yīng)用尚有有差距，與工程項目銜接不夠緊密，嚴(yán)重影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性.

3 教學(xué)改革主要措施

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程不僅是軟件工程的先導(dǎo)課，也是操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、編譯原理、計算機(jī)圖形學(xué)等課程的基礎(chǔ).因此，該課程在計算機(jī)學(xué)科的教學(xué)中起著舉足輕重的作用.針對該課程存在的問題，筆者對教學(xué)進(jìn)行以下幾個方面的課程改革.

3.1 修改教學(xué)計劃

針對先導(dǎo)課程存在的問題我們采取了以下策略：首先，我們了增加C語言程序設(shè)計課程的學(xué)時，由原本大一下一學(xué)期5學(xué)時調(diào)整為大一上下兩學(xué)期4+2學(xué)時.這樣調(diào)整除了增加課內(nèi)教學(xué)授課時間外，還同時增加了學(xué)生課外復(fù)習(xí)和實踐訓(xùn)練時間，有利于學(xué)生更好地掌握C語言.其次，我們采用由同一位老師來擔(dān)任C語言程序設(shè)計和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)任務(wù)，任課老師在充分了解學(xué)生C語言掌握情況的前提下可以使兩門課程得到更好的銜接.第三，我們將離散數(shù)學(xué)提前一學(xué)期和高等數(shù)學(xué)一起進(jìn)行，讓學(xué)生能夠在掌握一些數(shù)理邏輯、樹、圖等知識后學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).通過這一系列的舉措，已經(jīng)逐步解決了2.1中所提到的由于先導(dǎo)課程的原因?qū)е碌膯栴}，學(xué)生學(xué)習(xí)的效果得到了顯著的提高.

3.2 改進(jìn)教學(xué)方法

3.2.1 實施啟發(fā)式教學(xué)

啟發(fā)式教學(xué)是指在教師的引導(dǎo)啟發(fā)下，以師生互動的形式，鼓勵學(xué)生主動思考、主動探索、共同參與的一種教學(xué)方法[7].多年的教學(xué)發(fā)現(xiàn)，課堂教學(xué)中，無論教案多么精美，語言多么生動都無法完全吸引學(xué)生的眼球，抓住學(xué)生的思想.只有采用啟發(fā)式教學(xué)，創(chuàng)設(shè)問題，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，實現(xiàn)教學(xué)互動，才能調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，活躍課堂，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力.

在教學(xué)過程中，教師首先要善于從教學(xué)內(nèi)容中挖掘問題，并分析問題涉及到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)設(shè)問題，啟發(fā)式地引導(dǎo)學(xué)生積極思考，充分調(diào)動學(xué)生主動思考問題、分析問題、解決問題的主動性，使學(xué)生能夠主動掌握知識，而不只是被動地學(xué)知識.進(jìn)而通過舉例、對比、動態(tài)演示等手段深入詳細(xì)地講解知識和算法，將枯燥的理論知識與實際應(yīng)用相結(jié)合，逐步培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、并解決問題的能力.

3.2.2 采用案例教學(xué)

案例教學(xué)法是一種運(yùn)用實證來引入情景，啟發(fā)分析、演繹、推斷、歸納和解決實際問題的方法[4]，被廣泛運(yùn)用于許多課程中.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程包含較多的概念和理論知識.教師如果不結(jié)合實際，而只是根據(jù)教材中的內(nèi)容來講解概念和算法，將導(dǎo)致學(xué)生不知道所學(xué)的知識有什么用、怎么用，而很快將所學(xué)知識淡忘.而通過案例教學(xué)，將知識融入案例中，在案例分析過程中講解概念、算法不僅能讓學(xué)生更好地掌握理論知識，也能使理論和實際緊密結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.例如，在介紹棧的知識時，筆者就用“進(jìn)制轉(zhuǎn)換”，“火車調(diào)度”等作為引入知識案例.實踐證明，通過案例教學(xué)，不但學(xué)生有較高的學(xué)習(xí)興趣，而且對知識的掌握程度也明顯提高.

案例教學(xué)還可以在章節(jié)結(jié)束后使用.在講授完相關(guān)概念、理論知識后，準(zhǔn)備一個綜合并有貼近生活的案例，這樣即達(dá)到復(fù)習(xí)作用，也可以讓學(xué)生感到學(xué)有所用.例如在圖的基本知識過后，引入“工程施工”，“通訊網(wǎng)絡(luò)造價”等案例，既有真實性，又與實際生產(chǎn)生活相聯(lián)系.

3.3 利用ACM測評系統(tǒng)改革實踐教學(xué)

ACM/ICPC（ACM International Collegiate Programming Contest,國際大學(xué)生程序設(shè)計競賽）是由國際計算機(jī)界歷史悠久、頗具權(quán)威性的組織ACM（Association for Computing Machinery）主辦的，是國際公認(rèn)的規(guī)模最大、水平最高的國際大學(xué)生程序設(shè)計競賽.其目的旨在使大學(xué)生運(yùn)用計算機(jī)程序設(shè)計理論（包括數(shù)學(xué)、邏輯推理、程序設(shè)計語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法等）來充分展示學(xué)生分析問題和解決問題的能力[5].中國高校從1996年開始組織參加，而我校2009年才開始進(jìn)入這項比賽.

ACM競賽設(shè)定了一套合理的競賽排名、挑戰(zhàn)規(guī)則，提供了一個學(xué)習(xí)和使用程序設(shè)計語言和算法的完整實踐模式，讓學(xué)生以精通編程為榮，形成一個積極向上的自主學(xué)習(xí)氛圍[6].我們開發(fā)了ACM在線測評系統(tǒng)，并將其運(yùn)用到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)過程中，取得了顯著的效果.

3.3.1 改革實踐教學(xué)內(nèi)容、考核模式

將實踐內(nèi)容分為：基本實驗、設(shè)計型實驗和創(chuàng)新實驗項目.基本實驗包括線性表、棧、隊列、串、樹、二叉樹、圖、排序等基本存儲、基本操作、基本算法.設(shè)計型實驗包括圖書管理、迷宮求解、赫夫曼編碼、簡單排課系統(tǒng)等.創(chuàng)新型實驗有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法演示系統(tǒng)、校園地理信息系統(tǒng)、基于RFID技術(shù)的無線自動講解系統(tǒng)等.通過對實踐內(nèi)容的分級設(shè)立，在不同階段讓學(xué)生進(jìn)行不同程度的練習(xí)，可以有效地提高學(xué)生對基本知識的掌握和綜合能力、創(chuàng)新能力的提升.

對于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的考核一般分為理論和實踐考核.以往實踐考核執(zhí)行起來難度大，通常以平時實踐教學(xué)時掌握的情況來評定，缺乏競賽性和公平性.

針對ACM競賽，筆者將實驗內(nèi)容改造為ACM試題模式并上傳到ACM在線測評系統(tǒng).要求學(xué)生在課內(nèi)必須完成相應(yīng)的基本實驗內(nèi)容，ACM在線測評系統(tǒng)將記錄學(xué)生程序的提交次數(shù)及完成實驗的時間，并評定出成績，以此作為課程的平時成績.讓學(xué)生在課外分組完成設(shè)計型實驗.選擇成績較好的學(xué)生組隊進(jìn)行創(chuàng)新型實驗設(shè)計.在學(xué)期結(jié)束時，利用ACM系統(tǒng)進(jìn)行考核，要求每個學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)獨立完成規(guī)定題目.考核過程中學(xué)生可以實時地看到所有同學(xué)的完成情況和排名次序.這就極大地提高了實踐考核的挑戰(zhàn)性和公平性.而且引入競爭機(jī)制后，學(xué)生們學(xué)習(xí)的積極性也大大提高.

3.3.2 實踐教學(xué)改革成效

ACM競賽以解決問題為目標(biāo)，通過具體問題的描述給出題目，讓學(xué)生自主選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計準(zhǔn)確高效的算法.經(jīng)過幾輪的實踐證明，基于ACM模式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實踐課程可以很大程度上提高了學(xué)生的編程能力，算法設(shè)計能力和創(chuàng)新思維能力.為參加ACM大賽、軟件工程的學(xué)習(xí)和實際項目的開發(fā)打下了堅實的基礎(chǔ).

4 結(jié)束語

通過課程的教學(xué)改革，學(xué)生對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計和ACM競賽產(chǎn)生了濃厚的興趣.托爾斯泰曾說：“成功的教學(xué)所需要的不是強(qiáng)制，而是激發(fā)學(xué)生的興趣”.可見，興趣是學(xué)習(xí)的主動力，只有主動學(xué)習(xí)才能學(xué)得更好，學(xué)得更多[3].只有充分思考不斷改革，加強(qiáng)教師自身修養(yǎng)，才能達(dá)到理想的教學(xué)效果.

〔1〕嚴(yán)蔚敏，吳偉民.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（C 語言版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，1997:前言.

〔2〕王淮亭.《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》實踐教學(xué)探討與實踐[J].計算機(jī)教育，2009（12）：133-134.

〔3〕王秀清.教學(xué)關(guān)鍵——提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[J].價值工程，2010(20)：209.

〔4〕羅淇方.淺談案例教學(xué)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中的實踐應(yīng)用[J].中國科技信息，2010（19）：251.

〔5〕Han J,Kamber M,范明，孟小峰，等.數(shù)據(jù)挖掘概念與技術(shù)（原書第二版）[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

〔6〕武建華.基于ACM模式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實踐教學(xué)改革與探索[J].計算機(jī)教育，2007（12）：114.

〔7〕王志軍.啟發(fā)式教學(xué)——啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維[J].實驗技術(shù)與管理，2008（12）：17.

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