楊帆，包永強

（南京工程學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，江蘇南京 211167）

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計算機科學(xué)非常重要的一門基礎(chǔ)課程，其目標是讓學(xué)生掌握數(shù)據(jù)的存儲、管理和處理方法以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在計算機科學(xué)中的應(yīng)用。在教學(xué)方法方面，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)方法主要是以教師為中心的授課模式，教師向?qū)W生介紹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的理論知識，然后通過課后習題來加強學(xué)生對知識的理解和應(yīng)用能力。然而，這種教學(xué)模式存在一些問題，比如理論知識與實踐應(yīng)用脫節(jié)、學(xué)生參與度不高等。近年來，隨著教育改革的推進，項目化教學(xué)[1-3]、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)[4]、線上線下混合式教學(xué)[5-8]等新的教學(xué)方法也逐漸被應(yīng)用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中。其中，項目化教學(xué)是一種以項目為核心的學(xué)習方式，通過學(xué)生自主選擇、設(shè)計、實現(xiàn)和評估項目，以達到理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)目的。對項目化教學(xué)方法的深入研究和實踐，不僅可以有效提高學(xué)生的學(xué)習興趣和參與度，提升教學(xué)質(zhì)量和效果，也可以推動教育教學(xué)改革的深入發(fā)展。

1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的內(nèi)容和目標

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的目標是幫助學(xué)生掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本原理和實際應(yīng)用，提高學(xué)生的計算機科學(xué)素養(yǎng)和實踐能力。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的主要內(nèi)容通常包括以下幾個方面[9-10]。

1.1 算法分析和復(fù)雜度分析

算法是解決問題的方法，而復(fù)雜度分析是評估算法效率的方法。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中，學(xué)生需要掌握算法分析和復(fù)雜度分析的基本概念、方法和技巧。

1.2 基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括數(shù)組、鏈表、堆棧、隊列、樹等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義、特點、基本操作和應(yīng)用。

1.3 高級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

高級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括二叉搜索樹、平衡樹、圖等高級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義、特點、基本操作和應(yīng)用。

1.4 排序和查找算法

基本的排序和查找算法包括冒泡排序、插入排序、快速排序、二分查找等。

1.5 算法設(shè)計技巧

貪心算法、動態(tài)規(guī)劃、分治算法等屬于常見的算法設(shè)計技巧，學(xué)生需要了解這些算法設(shè)計技巧的基本思想和應(yīng)用場景，以及它們的實現(xiàn)方法和優(yōu)劣。

2 項目化教學(xué)模式的特點

項目化教學(xué)以學(xué)生的實際需求和興趣為出發(fā)點，通過項目設(shè)計、組織和管理，引導(dǎo)學(xué)生探究、發(fā)現(xiàn)和解決實際問題，同時培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科能力和綜合素質(zhì)。項目化教學(xué)是一種強調(diào)實踐、跨學(xué)科、學(xué)生主導(dǎo)、協(xié)作和終身學(xué)習的教學(xué)模式，是當前教育改革中重要的教學(xué)模式。但是，項目化教學(xué)方法也存在一些限制[11-13]：項目化教學(xué)需要更多的時間和精力，包括項目的策劃、設(shè)計、實施和評估，對于教師和學(xué)生而言都是一種挑戰(zhàn)；項目化教學(xué)強調(diào)學(xué)生主導(dǎo)，需要學(xué)生具備一定的自主學(xué)習能力和解決問題的能力，否則可能影響項目的實施效果；項目化教學(xué)注重學(xué)生之間的協(xié)作交流，但是學(xué)生之間的協(xié)作可能存在合作困難、利益分歧等問題，需要教師進行適當引導(dǎo)和協(xié)調(diào)；項目化教學(xué)的評估難度較大，需要教師制定合理的評估標準和方法，以確保項目的評估結(jié)果公正客觀。

3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的項目化教學(xué)模式設(shè)計

項目化教學(xué)方法需要在課堂教學(xué)模式設(shè)計、項目設(shè)計方法和學(xué)生評價方法三個方面開展具體設(shè)計。首先，課堂教學(xué)中教師應(yīng)該將傳統(tǒng)的以教師為中心模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心模式，讓學(xué)生充分發(fā)揮主動性和創(chuàng)造性。其次，項目設(shè)計方法應(yīng)該具有挑戰(zhàn)性、可行性和實用性，在充分考慮學(xué)生興趣和能力的同時也要涵蓋課程的主要內(nèi)容，讓學(xué)生在項目實踐中得到充分鍛煉和提升。最后，評價方法應(yīng)該具有客觀性、全面性和針對性，教師應(yīng)該制定明確的項目完成標準和評估方式，確保學(xué)生完成的項目符合要求。

3.1 課堂教學(xué)模式設(shè)計

課堂教學(xué)采用“以學(xué)生為中心”的教學(xué)模式[14]，要求學(xué)生在上課前自主學(xué)習課程材料。由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的知識點繁多，且存在較多的抽象概念，因此，在課前分配預(yù)習任務(wù)可以幫助學(xué)生提前掌握一些相對容易理解的知識點，同時有助于程序設(shè)計語言基礎(chǔ)較為薄弱的學(xué)生理解和掌握課程內(nèi)容。

教師在講解完知識點后，使用“問卷星”“雨課堂”等工具進行隨堂測驗，學(xué)生使用手機進行選擇題答題，以檢驗學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握情況，并將測試成績作為平時成績的一部分，促使學(xué)生養(yǎng)成課前預(yù)習的好習慣。使用手機測試軟件，教師可以快速收集學(xué)生的答題情況，及時了解學(xué)生對知識點的掌握程度，為后續(xù)更復(fù)雜知識點的講解奠定基礎(chǔ)。

3.2 項目設(shè)計方法

實訓(xùn)項目需要遵循由淺入深、逐漸掌握課程知識的原則，分為基礎(chǔ)型、綜合型和創(chuàng)新型項目三種?；A(chǔ)型項目主要涉及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)單元知識點，旨在鞏固基礎(chǔ)知識；綜合型項目與實際問題相關(guān)，涉及多個知識點；創(chuàng)新型項目來源于科技創(chuàng)新活動、教師科研項目、生活實際問題及工程應(yīng)用等，可鍛煉學(xué)生科學(xué)研究和工程應(yīng)用能力。基礎(chǔ)型和綜合型項目為必選項目，創(chuàng)新型項目為可選項目。

3.2.1 基礎(chǔ)型項目的設(shè)計

基礎(chǔ)型項目適用于初學(xué)者或者需要理解基本概念的學(xué)生，需要根據(jù)學(xué)生的知識水平和實際情況確定項目的難度，不能過于復(fù)雜，否則會打消學(xué)生的學(xué)習積極性。基礎(chǔ)型項目應(yīng)該涵蓋課本知識的主要內(nèi)容，主要包括基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)等（如設(shè)計并實現(xiàn)棧、隊列、鏈表、二叉樹、哈希表等基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的操作）并實現(xiàn)相應(yīng)的算法（如遍歷二叉樹、查找哈希表等）。

3.2.2 綜合型項目的設(shè)計

綜合型項目的設(shè)計需要選擇具有挑戰(zhàn)性、可行性和實用性的主題，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣。教師需要將項目主題分解成具體的項目任務(wù)，讓學(xué)生在解決問題的過程中學(xué)習數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識，并將所學(xué)的知識運用到項目實踐中。教師還需要制定明確的項目完成標準和評估方式，確保學(xué)生完成的項目符合要求，并為他們提供有針對性的反饋。學(xué)生必須獨立完成項目，寫出完整的項目報告。這樣的綜合性設(shè)計可以幫助學(xué)生更好地掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的知識，提高他們的實踐能力和創(chuàng)新能力。

以下給出一個綜合型項目的案例：“設(shè)計一個基于鏈表結(jié)構(gòu)的學(xué)生信息查詢系統(tǒng)，要求使用鏈表結(jié)構(gòu)存儲學(xué)生信息，鏈表節(jié)點包含學(xué)生信息和指向下一節(jié)點的指針；實現(xiàn)添加、刪除、修改和查詢學(xué)生信息等功能，并能夠根據(jù)學(xué)號或姓名等關(guān)鍵字查詢學(xué)生信息”。

通過上面綜合型實驗，學(xué)生可以掌握鏈表的整套基本操作和應(yīng)用方法，如鏈表的創(chuàng)建、遍歷、查找、插入和刪除等。

3.2.3 創(chuàng)新型項目的設(shè)計

創(chuàng)新型項目主要采用學(xué)生自由組隊的模式開展。教師提供一系列切合課程內(nèi)容和學(xué)生實際情況的項目題目，由學(xué)生自由組隊，根據(jù)自己的興趣和能力選擇題目，并根據(jù)項目要求和任務(wù)分配制定詳細的項目計劃，每個團隊成員按照分工完成自己的任務(wù)，教師時刻關(guān)注項目進度，及時協(xié)調(diào)和解決問題。項目完成后，團隊向其他團隊展示項目成果，分享項目經(jīng)驗和心得。這種創(chuàng)新型的項目化教學(xué)模式可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習熱情，提高他們的實踐能力和團隊合作精神。

以下給出一個創(chuàng)新型項目的案例：“設(shè)計和實現(xiàn)一款能夠分析和可視化社交網(wǎng)絡(luò)關(guān)系的系統(tǒng)，具體包括以下目標：使用Python 等編程語言，完成社交網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的抓取、清洗和分析，構(gòu)建關(guān)系圖；使用D3.js 等工具對關(guān)系進行可視化；對關(guān)系網(wǎng)絡(luò)進行分析，包括社區(qū)發(fā)現(xiàn)、關(guān)系強度分析等；撰寫項目報告和演示文稿，展示項目成果和分析結(jié)論?！?/p>

在上面創(chuàng)新型項目的實施過程中，學(xué)生不僅需要應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中圖結(jié)構(gòu)的有關(guān)知識，還需要綜合運用爬蟲編寫、可視化方法等其他課程的內(nèi)容。學(xué)生在項目中自行分工合作，可以選擇以下角色。

項目負責人：負責項目計劃和進度管理、分配任務(wù)和跟蹤進度、協(xié)調(diào)項目成員等。

數(shù)據(jù)采集和處理：負責從社交網(wǎng)絡(luò)中采集數(shù)據(jù)、清洗和整理數(shù)據(jù)，構(gòu)建關(guān)系圖等。

可視化：負責使用D3.js 等工具對關(guān)系圖進行可視化，并進行交互式設(shè)計。

數(shù)據(jù)分析：負責對關(guān)系圖進行分析，包括社區(qū)發(fā)現(xiàn)、關(guān)系強度分析等。

報告撰寫：負責撰寫項目報告和演示文稿，展示項目成果和分析結(jié)論。

通過合作完成項目，學(xué)生可以體驗到軟件設(shè)計項目中的分工合作模式，在應(yīng)用所學(xué)知識的同時提升實踐能力和協(xié)作能力。

3.3 學(xué)生成績評價標準設(shè)計

項目化教學(xué)的課程考核可以分為項目參與、項目報告、項目答辯及閉卷考試四個部分。項目參與是在學(xué)生整個項目任務(wù)完成期間，根據(jù)學(xué)生的考勤、參與程度、任務(wù)完成情況進行評分；項目報告主要是針對分配的項目任務(wù)，總結(jié)學(xué)生在完成任務(wù)的過程中如何發(fā)現(xiàn)、解決問題，如何運用知識及所獲得的心得體會；項目答辯是學(xué)生對整個項目任務(wù)的總結(jié)展示和匯報；閉卷考試主要是考核學(xué)生對專業(yè)基礎(chǔ)理論知識的理解和掌握程度。教師通過合理分配各考核部分的占比，對學(xué)生在項目化教學(xué)過程中的表現(xiàn)進行全過程考核，及時掌握學(xué)生動態(tài)，了解學(xué)生的薄弱環(huán)節(jié)并及時進行指導(dǎo)和引導(dǎo)。

4 效果與啟示

在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)實踐中，采用項目化教學(xué)方法后，師生互動大幅增加。在項目實踐中，學(xué)生積極探究問題，運用所學(xué)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識解決實際問題，增強了實踐能力和創(chuàng)新思維能力。教師通過個性化指導(dǎo)和集體討論，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習熱情和自主學(xué)習能力，實現(xiàn)了師生共同成長的目標。學(xué)生普遍反映：通過項目化教學(xué)方法，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的理論內(nèi)容、實際問題的解決及專業(yè)特點得到了很好的結(jié)合，不僅掌握了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識，更具備了解決實際問題的能力和實踐經(jīng)驗。此外，項目化教學(xué)還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，提高他們的自主學(xué)習和團隊合作能力，促進他們創(chuàng)新思維和實踐能力的發(fā)展。

未來數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程項目化教學(xué)模式的改進，可以考慮將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程與其他課程相結(jié)合，例如，可以將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和人工智能、計算機視覺等相關(guān)學(xué)科結(jié)合，讓學(xué)生了解和掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在這些領(lǐng)域中的應(yīng)用，同時促進學(xué)生自主學(xué)習新興技術(shù)，提升自學(xué)能力和創(chuàng)新意識。