數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程融合分析和設計

周益民

(電子科技大學，四川成都，611731)

一、背景分析

自20世紀80年代以來，中國信息產(chǎn)業(yè)歷經(jīng)40多年的發(fā)展。以計算機和微電子為代表的IT行業(yè)發(fā)展蓬勃向上，信息技術(shù)不斷更迭，有力地推動了社會生產(chǎn)力的不斷提高。2014年9月，李克強總理在達沃斯論壇上提出“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的號召，“雙創(chuàng)”一詞由此普及開來。[1]2015年7月，國務院印發(fā)《國務院關(guān)于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導意見》，“互聯(lián)網(wǎng)+”成為人們生活中的熱門詞語。2016年，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展呈現(xiàn)新格局，這一年被稱為“中國網(wǎng)絡直播元年”，同時也被稱為“VR元年”。2017年是中國人工智能領域發(fā)展的關(guān)鍵之年，無論是《政府工作報告》還是十九大報告，都將人工智能作為一項發(fā)展內(nèi)容明確提出。[2]《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》《促進新一代人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動計劃(2018—2020年)》等一系列政策規(guī)劃的推出讓人工智能的發(fā)展有了明確的時間表和路線圖。新的歷史時期提出了新的需求與挑戰(zhàn)，高等學校電子類工科特別是計算機類的教育教學改革勢在必行。[3]

2015年，國務院印發(fā)了《統(tǒng)籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》，旨在提升中國高等教育綜合實力和國際競爭力，為實現(xiàn)“兩個一百年”奮斗目標和中國夢提供有力支撐。2016年，中國正式加入“華盛頓體系”，標志著我國工程教育改革和發(fā)展與國際正式接軌。2017年，教育部牽頭提出的“新工科建設”，明確了面向經(jīng)濟發(fā)展迫切需要培養(yǎng)新型工科人才。

本文提出了針對計算機學科學生不同專業(yè)方向的教學方法。首先，本文介紹課程融合改革的由來，繼而分析在計算機類課程中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法設計與分析兩門課程的內(nèi)在聯(lián)系，提出其融合的必要性。其次，本文分析上述兩門課程在融合過程遇到的問題和挑戰(zhàn)，提出針對不同專業(yè)方向?qū)W生所采取的融合課程——數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的教學模式。最終的目的是讓學生將兩門課程的理論實踐知識融會貫通，實現(xiàn)夯實基礎、培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的目標，并將學到的知識綜合運用到高階課程和專業(yè)實際應用中。

二、課程融合改革

課程融合既存在于同一專業(yè)不同學科之間，也存在于不同專業(yè)不同學科之間。教育界針對課程融合的改革由來已久。根據(jù)學科專業(yè)的建設需要和學生學習的適應性進行課程融合改革，是推動專業(yè)課程教學高效發(fā)展的一個重要途徑。

(一)課程融合

課程融合是指整合若干相關(guān)聯(lián)的學科課程，使之成為一門應用更廣泛的課程。它既可以提供整體觀念，又有利于聯(lián)系知識的不同領域。課程內(nèi)容要按學生的心理需求、興趣、好奇心等來編制，要有助于學生學習和個性發(fā)展，有利于加強教學與社會的密切聯(lián)系。課程融合不是機械地合并原有課程，而是把部分科目統(tǒng)合，兼并于范圍較廣的新科目，選擇對學生有意義的論題或概括性的問題進行教學。教師統(tǒng)一講授具備共同點的科目，融合的子課程不僅具備共同點，而且具有很強的相關(guān)性。課程融合從基礎理論、抽象和設計三個層面將多個課程知識體系進行重組織，旨在逐步培養(yǎng)學生從理論到實踐進行系統(tǒng)全局設計的思維和能力，為建設具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的課程做好過渡準備。[4]

(二)改革目標

教學改革及其實施過程不是一蹴而就的，而是一個不斷發(fā)展和改進的過程，改革的過程也是曲折的?？傮w來看，教學改革是一個螺旋式上升的進程，推動著我國高等教育的深化發(fā)展。19世紀末20世紀初，比較著名的課程融合教學改革理論有齊勒計劃(歷史、文學、宗教中心整合論)、麥克默里的地理中心整合論和帕克計劃(兒童中心整合論)。[5]杜威在20世紀30年代曾批評課程的狹窄性，提倡動態(tài)的教育過程。20世紀70年代，人本主義教育思想興起，課程融合在經(jīng)歷50年代的沉默后又一次受到關(guān)注。課程融合教學改革的目標是任課教師充分全面地把握融合子課程內(nèi)容，在傳統(tǒng)教學模式的基礎上加入關(guān)聯(lián)的教學方法，用聯(lián)系的觀點講授原理知識，在破除關(guān)聯(lián)學科的壁壘后，激發(fā)學生的思維碰撞，對學生系統(tǒng)學習專業(yè)課程進行思維上的訓練。

三、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的內(nèi)在聯(lián)系

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程是計算機類專業(yè)課程中比較基礎但又十分重要的一門融合課程。它融合了課程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法設計與分析兩門專業(yè)課的知識點。

(一)課程背景

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為計算機科學與技術(shù)一級學科中的一門典型的基礎必修課程，也是工科專業(yè)(非計算機專業(yè))的基礎選修課或?qū)I(yè)課。該課程研究計算機中數(shù)據(jù)存儲的不同結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系。算法設計與分析作為計算機專業(yè)的高年級選修課程，在塑造本科生建立算法思維方面有舉足輕重的地位。該課程凝聚了編程中用于解決某類問題的方法及其對應的步驟。

這兩門課程已經(jīng)被收錄在教育部CCC2006學科規(guī)范當中。作為計算機的技術(shù)和理論基礎課程，它們長期被納入先進計算機課程體系中。這兩門課程是計算機網(wǎng)絡、編譯原理、計算機操作系統(tǒng)、計算機圖形學等后續(xù)課程的基礎理論，其應用范圍也早已擴展到圖像處理與模式識別、海量數(shù)據(jù)挖掘、科學數(shù)據(jù)處理、復雜網(wǎng)絡分析等許多計算機前沿領域，對學生的知識儲備增加、創(chuàng)新能力提升有著重要作用。

融合后的新課程——數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法將從問題求解出發(fā)，站在邏輯、存儲、運算三個角度組織課程內(nèi)容，重視學生實踐能力和工程能力的培養(yǎng)，初步培養(yǎng)學生的計算思維能力，算法設計與分析能力，程序設計與編程實現(xiàn)能力，計算機系統(tǒng)的認知、分析、設計和運用能力及工程實踐能力。

(二)內(nèi)在聯(lián)系

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是對生活中常見的事物進行抽象和歸納的基本數(shù)據(jù)存儲形式。而算法分析與設計課程是以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程提供的基本數(shù)據(jù)形式為載體，利用算法設計思想解決問題。在計算機程序中，沃斯曾說：“程序等于算法加數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?！币虼?，程序的設計依賴于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的相互輔助。脫離了算法思想，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)無法發(fā)揮其作用。脫離了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，算法只是思維過程，無法解決實際存在的問題。因此，兩者相互依賴。要解決需要用計算機處理的問題，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法缺一不可。因此，這兩門課程的融合將助力學生程序設計知識的觸類旁通。在實踐訓練中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法課程的融合則顯得更為密切。只有綜合了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的實驗實踐，才能真正讓學生獲得與科學研究、工業(yè)實踐更加契合的思維鍛煉和科學實踐訓練。融合課程可以使學生在較短的時間中獲得“1+1>2”的實踐學習效果。

(三)融合目標

計算機專業(yè)融合課程教學需要任課教師深挖融合課程的內(nèi)在聯(lián)系，改進傳統(tǒng)的講授方法，盡最大努力讓學生學以致用，加強對學生關(guān)聯(lián)思維的培養(yǎng)。要擴大知識傳授的范圍，減輕學生的學習壓力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和解決問題的能力，課程融合改革勢在必行。長期以來，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法設計與分析課程在融合過程中的困難和挑戰(zhàn)是任課教師關(guān)注的重點。高校探索這兩門專業(yè)課程的融合，將為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程改革夯實基礎。

(四)融合優(yōu)勢

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容比較抽象，單獨講授該門課程常使學生迷惑而不知道該門課程內(nèi)容的實際用途。而算法設計與分析課程對學生的數(shù)學功底又有要求，教師單純講授算法設計與分析容易弱化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的內(nèi)容，使學生不能很好地將兩者有機結(jié)合起來。因此，教師融合講授兩門課程，一方面可以使學生用一門課程的時間很好地消化和吸收兩者，另一方面可以推動教學方法的融合，升級傳統(tǒng)教學模式，將專業(yè)基礎教育與創(chuàng)新發(fā)展結(jié)合起來，實現(xiàn)計算機專業(yè)教學改革。隨著國家對高校課堂教學質(zhì)量提出更高的要求，高校著力打造“金課”、淘汰“水課”。高校融合這兩門課程，可以更好地增強課程內(nèi)容的綜合性和進階性，使學校利用現(xiàn)代信息化工具建設線上線下混合式課程成為可能，節(jié)省了教學資源。

四、改革中的困難與解決方案

課程融合是不斷演進的，起初會存在一些問題。這些問題正是在高校實踐中才能被不斷發(fā)現(xiàn)并解決的。

(一)挑戰(zhàn)和問題

教師對課程難易度把握不準，學生掌握程度存在差異。教師在融合課程知識點的講授方面容易受過去的影響。如果課程融合只是機械地合并，那么情況會很糟。比如，教師在課堂的前半部分講述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，后半部分講述算法。一般而言，融合課程教材的編排會在前半部分穿插算法的內(nèi)容，然而，有些教師沒有進行前后關(guān)聯(lián)教學。同時，學生的理解力存在差異，對知識的接受程度也各有不同。不同專業(yè)學生的知識背景也有非常大的差別。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法這門融合課程不僅針對計算機專業(yè)的學生，而且是其他相關(guān)專業(yè)的基礎課程。學生的專業(yè)背景和知識差別只能通過任課教師專門的契合式教育進行彌補。教師與學生若缺乏溝通和交流，授課效果將受到影響。

(二)方法與措施

針對學生掌握程度的差異，教師可以預先按照授課內(nèi)容的難易程度進行分班，讓學生提前根據(jù)自身情況選班，做到因材施教。高?？梢灾攸c建設探討式小班，打造具有挑戰(zhàn)性的“金課”。同時，保留大班教學，兼顧學生傳統(tǒng)的學習習慣。這門融合課程可以在試驗階段由不同的教師聯(lián)合教學，教師在互相學習的過程中提升教學能力。教學資源的整合和教材的改編更加體現(xiàn)了知識的關(guān)聯(lián)性和融合性，而不是簡單的機械拼接。

對于不同專業(yè)背景的學生，授課教師要充分了解學生所學專業(yè)，根據(jù)學生所學專業(yè)決定課程內(nèi)容的詳略，做到重點分明，盡可能地符合學生的知識背景。比如，針對數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)的學生，教師在實踐課程中要注重引導學生解決圖像處理的相關(guān)算法問題。而針對人工智能專業(yè)的學生，教師可以讓學生在實踐中進行與機器學習相關(guān)的基礎算法學習。教師根據(jù)學生的不同專業(yè)背景對癥下藥，可以降低學生在未來學習進階專業(yè)課程的難度。此外，教師還可以鼓勵不同專業(yè)背景的學生在學習過程中參加與自己專業(yè)相關(guān)的競賽，如網(wǎng)絡安全大賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽和人工智能比賽等，使學生真正將理論知識落實到實踐中。

同一專業(yè)授課的教師要經(jīng)常進行交流溝通，以獲取學生對課程的真實反饋。教師只有群策群力，將學生與課程緊密結(jié)合起來，站在學生的角度去理解授課的方法，才能將兩門課程更好地融為一體。此外，高?？梢越⒕€上線下學生跟蹤反饋制度，根據(jù)學生的聽課情況和平時作業(yè)情況，優(yōu)化課程內(nèi)容，在每一章學習完畢后，給予師生交流時間，使學生真正做到學有所思、學有所獲。

在課程內(nèi)容選擇方面，教師應該選用一些工程意義明顯、實施效果顯著的例子，這樣可以培養(yǎng)學生將來在社會工程實踐中解決問題的能力，做到緊跟科技前沿和社會工作的需求，提高學生的創(chuàng)新力和就業(yè)競爭力。以該融合課程的線性表知識為例，簡單的線性表的創(chuàng)建、插入、刪除操作實驗過于機械化。如果教師將其融入算法思想，將課程實驗設計為創(chuàng)建一個好友通訊錄，那么課程就變得綜合且接地氣。

(三)前景與展望

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法設計與分析課程的融合強調(diào)對學生進行基礎數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的訓練，從問題求解的角度恰當?shù)嘏囵B(yǎng)學生運用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法基本理論來分析和解決問題的能力，以學生為本，多元化考慮知識的內(nèi)在聯(lián)系，降低學生總結(jié)相關(guān)知識點的難度，讓其比較清晰地看出課程體系的輪廓。兩門課程的融合會提高學生的實踐能力和工程能力，為其將來從事計算機學科的學習、開發(fā)和研究或求解其他計算機相關(guān)問題打下堅實基礎。為了更好地融合兩門課程，教師還可以在課堂中加入一些前沿的研究課題，開闊學生的視野，設計一些啟發(fā)式教學案例，擴展學生的知識體系，鼓勵學生主動學習、創(chuàng)新和研究。這兩門計算機課程融合的成功經(jīng)驗可以推廣到其他的課程。比如，匯編語言和微機接口技術(shù)課程的融合、數(shù)字電路分析和模擬電路課程的融合等。高?？梢愿鶕?jù)這些課程的關(guān)聯(lián)性，優(yōu)化課程內(nèi)容設置、節(jié)約課程資源、建設高效課堂，為打造專業(yè)“金課”做好充足準備。

五、結(jié)語

本文基于課程融合的教學改革措施，闡述了計算機專業(yè)的兩門專業(yè)課程——數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法設計與分析融合過程中存在的挑戰(zhàn)，如不同學生對知識點掌握程度不均衡，統(tǒng)一的教材不適合不同專業(yè)背景的學生等。本文基于上述問題提出了三個方面的解決方法：第一，對跨專業(yè)的學生因材施教；第二，根據(jù)學生的專業(yè)知識背景對知識點進行詳略劃分；第三，任課教師之間加強交流。在教育部提倡打造“金課”的大環(huán)境下，課程融合將為課程改革提供基礎，為學生高效學習提供有效途徑。