《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》研究性教學(xué)模式探究

胡志軍

摘要：探索了一種基于計算思維的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》研究性教學(xué)模式。從教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面對該課程進(jìn)行研究性改革創(chuàng)新。實(shí)踐證明，該教學(xué)模式提高了教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)了學(xué)生的計算思維能力、問題自主解決能力和協(xié)作創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；研究性教學(xué)；計算思維；協(xié)同教學(xué)

DOIDOI：10.11907/rjdk.161286

中圖分類號：G434文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號文章編號：16727800（2016）007020002

0引言

為培養(yǎng)國家經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展需要的創(chuàng)新型人才，高校需培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力、問題自主解決能力和創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生的主動精神。計算思維能力的培養(yǎng)，研究性教學(xué)方法探究，已經(jīng)成為高校教育教學(xué)改革的熱點(diǎn)[1]?！稊?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》作為計算機(jī)課程體系中的核心專業(yè)課程，在其教學(xué)中融入計算思維能力的培養(yǎng)理念，開展研究性教學(xué)，可以培養(yǎng)學(xué)生利用計算思維方式去獲取信息、分析問題、自覺推理、解決問題的能力。

1《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》研究性教學(xué)

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》作為計算機(jī)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課，學(xué)生普遍認(rèn)為其內(nèi)容抽象、算法枯燥乏味，是一門難學(xué)課程，有的學(xué)生甚至學(xué)完后，也不明白數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的作用[2]。分析原因如下：①《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程抽象。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中涉及到的概念、模型及操作算法較為抽象，晦澀難懂；②教學(xué)模式、方法單一。黑板粉筆方式與簡單翻頁的多媒體輔助教學(xué)，缺乏直觀效果，不能很好地展示算法的動態(tài)變化過程，學(xué)生無法理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的邏輯關(guān)系和存儲關(guān)系；③理論與實(shí)踐脫節(jié)，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)不足。目前重理論輕實(shí)踐的教學(xué)，只要求掌握幾種基本類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和基本操作，無法關(guān)聯(lián)計算機(jī)技術(shù)的諸多內(nèi)容和發(fā)展方向，在培養(yǎng)學(xué)生程序設(shè)計能力、創(chuàng)新能力上不可避免存在不足。

針對上述問題，如何提高《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的教學(xué)質(zhì)量，如何培養(yǎng)學(xué)生自主解決問題的能力、協(xié)作能力與創(chuàng)新能力，是本課改面臨的重要問題。

1.1研究性教學(xué)改革內(nèi)容

依據(jù)由簡單到復(fù)雜的系統(tǒng)科學(xué)分類原則，將《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》中的內(nèi)容分為一對一的線性結(jié)構(gòu)（線性表、棧、隊(duì)列、串、數(shù)組和廣義表）、一對多的非線性結(jié)構(gòu)（樹、二叉樹、圖）以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用（查找和內(nèi)部排序），然后根據(jù)課程總體教學(xué)目標(biāo)劃分一系列單元子目標(biāo)，再根據(jù)子目標(biāo)細(xì)化成具體任務(wù)。比如，線性表這一章中，主要研究順序與鏈?zhǔn)絻煞N存儲結(jié)構(gòu)的運(yùn)算操作，其任務(wù)可設(shè)計為制作通訊錄，準(zhǔn)備選用哪種存儲結(jié)構(gòu)，如何基于這種存儲結(jié)構(gòu)進(jìn)行記錄的插入、刪除、查找等運(yùn)算，最后整理成菜單形式，整合通訊錄以上功能。

1.2研究性教學(xué)方法

1.2.1教學(xué)方式

（1）案例教學(xué)。案例教學(xué)可將各章節(jié)內(nèi)容有機(jī)組合，一個案例可貫穿整個教學(xué)實(shí)踐，起到導(dǎo)入作用[3]。案例選擇要貼近學(xué)生日常生活或是學(xué)生感興趣的內(nèi)容。比如：①線性表，用學(xué)生成績管理系統(tǒng)、學(xué)生通訊錄導(dǎo)入；②棧和隊(duì)列，用停車場的停車管理、食堂排隊(duì)打飯導(dǎo)入。在導(dǎo)入案例時，一定要注意充分挖掘案例的趣味性、啟發(fā)性，要恰到好處地從案例過渡到具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

（2） 問題啟發(fā)。以問題為中心，在案例引入后，首先提出問題。比如，引入學(xué)生成績管理系統(tǒng)案例后，提出問題：如何組織學(xué)生的姓名、學(xué)號、各科成績等數(shù)據(jù)，快速實(shí)現(xiàn)查找、插入、刪除等操作；在樓房建設(shè)問題中，如何施工以求工期最短等。

（3）任務(wù)（項(xiàng)目）開發(fā)。任務(wù)驅(qū)動法是一種以解決問題、完成任務(wù)為主的多維互動式教學(xué)理念，特別適合實(shí)踐教學(xué)。它的特點(diǎn)是以任務(wù)為主線，教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體，通過設(shè)計任務(wù)、提出任務(wù)、分析任務(wù)、完成任務(wù)、評價任務(wù)等環(huán)節(jié)使學(xué)生成為主體，鍛煉其能力，可極大地調(diào)動學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

（4）分組研習(xí)。分組研習(xí)是一種以小組為單位進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、討論，協(xié)作解決問題的教學(xué)方法。在最近三屆學(xué)生的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)中，課題組采用分組研習(xí)的教學(xué)方法，取得了較好的教學(xué)效果。學(xué)生分組上臺講解指定內(nèi)容，組長給各組員分工，組員分別完成分析教材算法、準(zhǔn)備PPT、準(zhǔn)備教案、準(zhǔn)備上臺講解、給他組提問題工作，臺前幕后分工明確。學(xué)生在完成各自的任務(wù)中，提高了計算思維能力、自主學(xué)習(xí)能力與解決問題的能力。

以培養(yǎng)計算思維能力為主線的研究性教學(xué)方法如圖1所示。

1.2.2開展協(xié)同教學(xué)

研究性教學(xué)的主要目的是發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生成為學(xué)習(xí)主體[4]。在長期的教學(xué)中，師生協(xié)同是最有針對性的教學(xué)方法。協(xié)同教學(xué)是一種新的教學(xué)方式，它不僅指教師之間的協(xié)同，還包括教師與學(xué)生間的協(xié)同，學(xué)科與學(xué)科之間的協(xié)同，學(xué)生與學(xué)生之間的協(xié)同。

（1）建立課程群。將《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》的前修課與后繼課的授課教師均加入到課程組中，比如《高級語言程序設(shè)計》、《離散數(shù)學(xué)》、《算法設(shè)計與分析》、《數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理》等相關(guān)課程的老師。這樣可以將計算機(jī)專業(yè)課程體系中的相關(guān)課程之間協(xié)調(diào)更合理，知識點(diǎn)的銜接更暢通，避免了課程之間知識點(diǎn)的重復(fù)講授，體現(xiàn)了教師與教師之間、教師與課程之間的協(xié)同性。

（2）學(xué)生之間的協(xié)同性分別體現(xiàn)在理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)與考核評價體系中。①理論分組研習(xí)。如前所述，同組學(xué)生協(xié)作完成教師分配的講課任務(wù)，將教師對全體學(xué)生答疑輔導(dǎo)的現(xiàn)狀改為學(xué)生之間的互助答疑，本組學(xué)生向他組提問答疑，增加了學(xué)生之間的協(xié)作關(guān)系；②實(shí)踐分組協(xié)作，指小組協(xié)作完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。根據(jù)學(xué)生的能力差異，多層次分級設(shè)計實(shí)踐環(huán)節(jié)，提高學(xué)生動手能力。如，在學(xué)完線性結(jié)構(gòu)時，讓學(xué)生分三個層次完成通訊錄管理實(shí)驗(yàn)。第一層次：選用鏈表或順序表等一種存儲結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)插入、刪除、查找算法；第二層次：前述基礎(chǔ)上，用菜單形式，實(shí)現(xiàn)頭插法建鏈表、尾插法建鏈表、刪除鏈表中結(jié)點(diǎn)、按值查找、按位序查找、退出等多項(xiàng)運(yùn)算；第三層次，把以上結(jié)構(gòu)體具體到“學(xué)生通訊錄”問題中，仍然用菜單形式，實(shí)現(xiàn)通訊錄的插入、刪除、查找等管理功能。通過對這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的分析、設(shè)計、編程實(shí)現(xiàn)，學(xué)生不但體會到了線性表和隊(duì)列這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如何從現(xiàn)實(shí)問題中抽象出來，解決現(xiàn)實(shí)問題，而且體現(xiàn)了計算思維過程，增強(qiáng)了協(xié)作能力；③考核評價，引入過程性考核指標(biāo)，每小組可給他組同學(xué)打分，所有分?jǐn)?shù)加權(quán)處理后形成學(xué)生評價分。引入?yún)f(xié)同教學(xué)，不僅在教學(xué)上發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性和合作奉獻(xiàn)精神，而且在課程考核方面，突破了傳統(tǒng)的教師給學(xué)生打分的評價體系桎梏，學(xué)生之間互評，使考核體現(xiàn)了公平與量化，增加了學(xué)生之間的互動協(xié)作，提高了實(shí)踐能力和協(xié)作能力。

2計算思維理念培養(yǎng)

2006 年 3 月，周以真在 Communications of the ACM 上首次提出，計算思維可分解為：遞歸抽象和分解、保護(hù)、冗余、容錯、糾錯和恢復(fù)、推理、規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度等。計算思維與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身有相似之處，計算思維可概括為“模型+算法”，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可概括為“（邏輯|存儲）結(jié)構(gòu)+算法”，它們都是靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)操作的結(jié)合，都可理解成是一個抽象建模的過程，只不過計算思維的概念更寬泛，它還要考慮問題的可計算性。利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的插入、選擇、冒泡排序等排序算法，滲透講解計算思維思想，層層抽象和分解，把排序問題轉(zhuǎn)換為簡單的小問題。利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的二叉樹遍歷問題，滲透講解計算思維中的“遞歸”思想，比如，中序遍歷“左根右”，對左或右子樹繼續(xù)利用“左根右”思想遍歷，體現(xiàn)遞歸思想。在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》中培養(yǎng)計算思維能力，可加強(qiáng)學(xué)生自學(xué)能力、質(zhì)疑能力、問題解決能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3結(jié)語

本文以計算思維為主線，采用“案例導(dǎo)入，問題啟發(fā)，任務(wù)驅(qū)動，分組研習(xí)”的研究性教學(xué)方法對《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程進(jìn)行教學(xué)改革。開展協(xié)同教學(xué)，多方位、多角度對該課程進(jìn)行深層次的教學(xué)改革創(chuàng)新，培養(yǎng)了學(xué)生的計算思維能力、自主解決問題能力和協(xié)作創(chuàng)新能力。

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