數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程計(jì)算思維能力培養(yǎng)的思考與實(shí)踐

鐘紅艷　王曉丹　王藝菲

摘要：探討在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中將案例教學(xué)法與啟發(fā)式教學(xué)相結(jié)合培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的模式，介紹案例問題的設(shè)計(jì)、案例的使用時(shí)機(jī)和基于案例的啟發(fā)式教學(xué)法的實(shí)施過程，并以一個(gè)完整的教學(xué)實(shí)例來說明整個(gè)實(shí)施過程。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；案例式；啟發(fā)式；教學(xué)法

0、引言

當(dāng)今社會(huì)已進(jìn)入信息化時(shí)代，無論是否是計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，都應(yīng)具備運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)來解決學(xué)習(xí)、工作和生活中遇到的各種實(shí)際問題的能力。計(jì)算思維能力如同邏輯思維能力一樣，是每個(gè)大學(xué)生必須具備的基本素質(zhì)。在計(jì)算思維的引領(lǐng)下，人們可以從一個(gè)全新的視角來分析和解決問題，從而使問題的研究有所突破。

譚浩強(qiáng)教授指出：“培養(yǎng)和推進(jìn)計(jì)算思維包含兩個(gè)方面：一是深入掌握計(jì)算機(jī)解決問題的思路，總結(jié)規(guī)律，更好更自覺地應(yīng)用信息技術(shù)。二是把計(jì)算機(jī)處理問題的方法用于各個(gè)領(lǐng)域，推動(dòng)在各個(gè)領(lǐng)域中運(yùn)用計(jì)算思維，使各學(xué)科更好地與信息技術(shù)相結(jié)合。”馮博琴教授也指出：“在課程中培養(yǎng)計(jì)算思維能力，關(guān)鍵是要提煉并展現(xiàn)隱藏在知識(shí)背后的計(jì)算思維的光芒，引起學(xué)生求知欲望和心理共鳴?！睌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一門重要的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課，它是研究非數(shù)值計(jì)算的程序設(shè)計(jì)問題中計(jì)算機(jī)的操作對(duì)象以及它們之間的關(guān)系和運(yùn)算的學(xué)科。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)實(shí)踐中，將案例教學(xué)法與啟發(fā)式教學(xué)結(jié)合能更大程度地激發(fā)學(xué)生的求知欲，培養(yǎng)學(xué)生從用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問題的角度出發(fā)，學(xué)會(huì)提出問題、分析問題和解決問題的思維能力。

1、運(yùn)用案例教學(xué)法激發(fā)學(xué)生的計(jì)算思維

案例教學(xué)法是圍繞教學(xué)目標(biāo)，在教師的指導(dǎo)下，讓學(xué)生對(duì)呈現(xiàn)的典型案例進(jìn)行討論分析、歸納總結(jié)，從而培養(yǎng)其思維能力的一種新型教學(xué)方法。在案例教學(xué)法中，更強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位。教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)的需要，以精心設(shè)計(jì)的案例將學(xué)生引入教學(xué)實(shí)踐的情境中，通過師生間平等的互動(dòng)、對(duì)話和討論，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。學(xué)生處在特定的情境中，由被動(dòng)聽課轉(zhuǎn)為積極主動(dòng)地思考、判斷和決策，鍛煉了綜合運(yùn)用各種知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)分析和解決實(shí)際問題的能力，有助于激發(fā)他們的計(jì)算思維。

1.1 設(shè)計(jì)案例問題應(yīng)把握的原則

（1）案例的設(shè)計(jì)要緊貼學(xué)生生活或?qū)I(yè)的實(shí)際。例如對(duì)于圖的拓?fù)渑判騿栴}，可以用學(xué)生選修課問題作為案例，問題的背景結(jié)合學(xué)生的專業(yè)來設(shè)置，不但能充分激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，而且能更好地調(diào)動(dòng)其思維積極性。

（2）案例的設(shè)計(jì)要契合所研究的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或者應(yīng)用的特點(diǎn)，便于教師在授課過程中啟發(fā)學(xué)生思考，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)與案例的統(tǒng)一。如可采用銀行自動(dòng)排隊(duì)系統(tǒng)作為隊(duì)列的案例，具有鮮明的先來先服務(wù)特性。

（3）當(dāng)研究某一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，要設(shè)計(jì)一個(gè)能涵蓋整個(gè)教學(xué)內(nèi)容的案例，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都要以案例中要研究的問題貫穿起來。

在教學(xué)實(shí)踐中，我們以嚴(yán)蔚敏、吳偉民編著的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（c語言版）》作為教材，采用的主要案例如表1所示。

1.2 使用案例應(yīng)把握的時(shí)機(jī)

案例的使用應(yīng)體現(xiàn)在整個(gè)教學(xué)過程中。

（1）引入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在講解一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之前，先介紹案例，通過分析操作對(duì)象的特點(diǎn)和關(guān)系即可引入該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在呈現(xiàn)教師的思維活動(dòng)的同時(shí)逐漸影響學(xué)生的思維活動(dòng)。

（2）引入知識(shí)點(diǎn)。例如在講解線性表的插入時(shí)，可以用學(xué)生信息管理案例中的有學(xué)生插班的問題來引入，以此引發(fā)學(xué)生的興趣，使他們主動(dòng)參與到解決問題的活動(dòng)中。

（3）拓展思維。當(dāng)一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)講解完畢時(shí)，可啟發(fā)學(xué)生思考還有哪些相似的案例可通過該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，使學(xué)生把所學(xué)習(xí)的知識(shí)與解決實(shí)際問題再一次聯(lián)系起來。

（4）實(shí)踐鞏固。采用案例教學(xué)法完成一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的教學(xué)后，還應(yīng)設(shè)計(jì)相似但難度更大的案例作為學(xué)生的實(shí)踐作業(yè)，如?？刹捎妹詫m求解問題作為實(shí)踐題目，使學(xué)生將在課堂上接受的計(jì)算思維訓(xùn)練轉(zhuǎn)化成自己的計(jì)算思維活動(dòng)。

由于算法本身邏輯性較強(qiáng)，而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)術(shù)語又比較枯燥乏味，在教學(xué)過程中應(yīng)盡量采用案例中的詞語來講解算法，更能吸引學(xué)生的興趣和注意力。以學(xué)生選修課程為例來介紹拓?fù)渑判驎r(shí)，與其說“我們先輸出哪一個(gè)頂點(diǎn)”，不如說“我們先選修哪一門課程”；與其說“輸出一個(gè)頂點(diǎn)后，刪除該頂點(diǎn)和以它為尾的弧”，不如說“學(xué)完一門課程后，就可以去掉它和相關(guān)的弧了”。

2、運(yùn)用基于案例的啟發(fā)式教學(xué)法培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維

所謂啟發(fā)式教學(xué)，就是教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容，從學(xué)生的年齡、心理特征、知識(shí)基礎(chǔ)、認(rèn)知結(jié)構(gòu)等實(shí)際出發(fā)，采用各種生動(dòng)活潑的方法，引導(dǎo)學(xué)生積極思維，使他們主動(dòng)地獲取知識(shí)、發(fā)展智能的一種積極的雙向的教學(xué)方法。它符合人類由感性到理性、由現(xiàn)象到本質(zhì)的認(rèn)知規(guī)律。在教學(xué)實(shí)踐中把啟發(fā)式教學(xué)與案例教學(xué)法有機(jī)地結(jié)合在一起，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

學(xué)生并不是一開始就對(duì)教學(xué)內(nèi)容感興趣，要想激發(fā)他們的興趣，教師應(yīng)善于抓住契機(jī)，創(chuàng)設(shè)問題，讓學(xué)生積極主動(dòng)地思考解決辦法。課程教學(xué)實(shí)踐中，采用的啟發(fā)方式主要以問題創(chuàng)設(shè)為主，可以和對(duì)比、歸納、聯(lián)想等其他教學(xué)方法相結(jié)合。同時(shí)，應(yīng)設(shè)置不同層次的問題，由簡到繁，由易到難。在課程教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)以下4種問題效果比較好：

（1）鋪墊性問題。這種問題一般在新知識(shí)點(diǎn)開始之前提出，主要是回顧以前所學(xué)的相關(guān)知識(shí)，為學(xué)生積極思考新問題的解決方法創(chuàng)造條件，提高其自信心，從而進(jìn)一步提高其學(xué)習(xí)積極性。

（2）懸疑性問題。通過設(shè)置懸念，激發(fā)學(xué)生的興趣，并引發(fā)他們猜想，從而激發(fā)其求知欲望。提出這種問題后，教師不要急于給出解答，而是在后續(xù)內(nèi)容的講解中逐漸揭示解決方法，使學(xué)生產(chǎn)生恍然大悟的感覺。

（3）發(fā)散性問題。發(fā)散思維是一種創(chuàng)造性思維。提出發(fā)散性問題能引導(dǎo)學(xué)生縱橫聯(lián)想所學(xué)知識(shí)，從各種角度思考解決問題的辦法，有利于提高其思維和探索能力。

（4）設(shè)疑性問題。主要針對(duì)學(xué)生似懂非懂的問題提出疑問，也可用于引出新知識(shí)，使學(xué)生積極思考，然后在與學(xué)生共同分析中理清問題。endprint

2.1 基于案例的啟發(fā)式教學(xué)法的實(shí)施過程

（1）設(shè)計(jì)案例。首先由教師提出案例問題，學(xué)生分析問題，討論需求。這一步對(duì)培養(yǎng)非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的計(jì)算思維很重要。面對(duì)熟悉的案例問題，學(xué)生要充分調(diào)動(dòng)自己的思維積極性，考慮想要計(jì)算機(jī)解決哪些問題，在討論中不斷活躍思維。然后教師分析需求，理清問題。學(xué)生可能提出各種各樣的需求，教師要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，使之分解、融合，形成符合課程教學(xué)需要的具體案例，以便指導(dǎo)課程教學(xué)實(shí)踐。

（2）啟發(fā)思考。一是分析操作對(duì)象的特點(diǎn)和相互關(guān)系，引出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型，介紹該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)概念和術(shù)語。二是分析存儲(chǔ)操作對(duì)象的方法，引出該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，在講解存儲(chǔ)表示的同時(shí)，分析各種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣和適用情況。三是分析解決（1）所確定需求中的問題，依次引出并討論數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)各種操作或應(yīng)用的算法實(shí)現(xiàn)。

（3）思維拓展。培養(yǎng)計(jì)算思維的目的是更好地應(yīng)用計(jì)算技術(shù)推動(dòng)社會(huì)各領(lǐng)域的發(fā)展與提高。學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是為了更好地使用它，不能滿足于一種案例的學(xué)習(xí)，而要具備把知識(shí)推廣到更多領(lǐng)域的能力。學(xué)習(xí)完一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后，教師要引導(dǎo)學(xué)生研究探索在生活和專業(yè)的實(shí)際中還有哪些類似的問題可以用這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來解決，進(jìn)一步拓展學(xué)生的思維。

（4）學(xué)生實(shí)踐相似案例。計(jì)算思維主要不是靠講課得來的，而是在學(xué)習(xí)和應(yīng)用計(jì)算機(jī)過程中培養(yǎng)的。學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用愈深入，對(duì)計(jì)算思維的認(rèn)識(shí)就愈深刻。學(xué)生學(xué)習(xí)一個(gè)案例的過程，主要是學(xué)習(xí)教師思維的構(gòu)建過程，要培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，還要讓他們親自動(dòng)手實(shí)踐，完成一個(gè)相似案例的實(shí)現(xiàn)。這種實(shí)踐案例要比教學(xué)案例的難度更大，帶給學(xué)生一定的挑戰(zhàn)性，使他們完成后獲得較大的成就感，激發(fā)他們學(xué)習(xí)后續(xù)知識(shí)的強(qiáng)大動(dòng)力。如果案例的難度和工作量都很大，也可以讓學(xué)生分組實(shí)現(xiàn)。

2.2 基于案例的啟發(fā)式教學(xué)法的教學(xué)實(shí)例

案例問題：城市間交通旅游咨詢。

設(shè)計(jì)案例：教師提的案例問題是：“如果你要去旅游，你希望計(jì)算機(jī)幫你解答哪些問題？”學(xué)生討論后，感興趣的問題主要有：①各城市有哪些特色旅游資源？②從所在城市到某個(gè)旅游城市有哪些路線可供選擇，哪條路線最省錢，哪條路線最省時(shí)間？③如果利用假期分別到多個(gè)城市旅游，怎樣安排旅游路線？④從一個(gè)城市到另一個(gè)城市，轉(zhuǎn)車次數(shù)最少的路線是什么？經(jīng)過分析，①和④討論的都是遍歷問題，而②和③討論的則是最短路徑問題?？紤]到最小生成樹問題，教師提出一個(gè)新的問題：現(xiàn)有的道路交通狀況無法滿足游客對(duì)旅行時(shí)間的要求，短時(shí)間內(nèi)如何建立一個(gè)高鐵網(wǎng)連通各個(gè)城市？因此最終把案例的需求確定為：①各城市的特色旅游資源查詢；②建立一個(gè)剛好能連通各個(gè)城市的高鐵網(wǎng)；③最短旅游路線查詢。

啟發(fā)思考：見表2。

思維拓展：城市間交通旅游咨詢案例講解完畢后，教師先歸納總結(jié)所學(xué)習(xí)的內(nèi)容，然后要求學(xué)生課后廣泛查資料了解相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域和案例，并在課堂上討論交流，進(jìn)一步拓展學(xué)生的計(jì)算思維能力。

學(xué)生實(shí)踐相似案例：案例名稱為城市公共交通查詢系統(tǒng)，包括所有公交車路線和地鐵路線。要求：①實(shí)現(xiàn)最少換乘次數(shù)的路線查詢；②實(shí)現(xiàn)最少乘車時(shí)間查詢；③實(shí)現(xiàn)最短乘車距離查詢。

3、結(jié)語

教學(xué)實(shí)踐表明，將案例式教學(xué)與啟發(fā)式教學(xué)相結(jié)合，應(yīng)用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)實(shí)踐，使枯燥的理論知識(shí)變得生動(dòng)起來，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望，在一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力，有助于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。這種教學(xué)模式還可以用于程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、算法設(shè)計(jì)等其他程序設(shè)計(jì)類計(jì)算機(jī)課程的教學(xué)。

雖然目前這種教學(xué)模式的實(shí)施還存在一定的問題，沒有一本合適的按案例編寫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教材，對(duì)某些特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也無法做到完全用一個(gè)案例貫穿始終。但是，我們相信，隨著研究實(shí)踐的不斷深入，這種教學(xué)模式必將不斷完善，更加適應(yīng)計(jì)算思維培養(yǎng)的需要。endprint