“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)策略初探

魏蕾　蔡騁　馮妍

摘 要：“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程既是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是承接程序設(shè)計(jì)與高效算法及后續(xù)學(xué)習(xí)的樞紐課程。文章從“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)，運(yùn)用認(rèn)知結(jié)構(gòu)理論提出了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)策略。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；認(rèn)知結(jié)構(gòu)；策略

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-4107（2016）12-0027-02

近年來，高校教學(xué)改革關(guān)注的重點(diǎn)，除構(gòu)建基礎(chǔ)理論的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系外，也注重學(xué)生的實(shí)踐能力的培養(yǎng)和創(chuàng)新性的提高。高等院校的計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)，應(yīng)以計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科理論知識(shí)為基礎(chǔ)，加大實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的培養(yǎng)，以實(shí)現(xiàn)用科學(xué)、工程化的方法開發(fā)和維護(hù)具有較強(qiáng)實(shí)用性、高質(zhì)量的軟件為目的，從而培養(yǎng)新型實(shí)用性人才，以適應(yīng)不斷變化的就業(yè)需求。

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)內(nèi)容，側(cè)重于典型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及經(jīng)典算法的講解與演示，已經(jīng)有較為成熟的理論知識(shí)體系，但存在著抽象難懂，實(shí)驗(yàn)時(shí)困難重重等問題[1]。解決目前的教學(xué)困境，需要在調(diào)整教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，注重教學(xué)方法的改進(jìn)。

一、明確教學(xué)目標(biāo)

美國(guó)教育心理學(xué)家布魯納在認(rèn)知結(jié)構(gòu)教學(xué)理論中指出，發(fā)展學(xué)生的智力應(yīng)該是教與學(xué)的主要目的[2]。在這里，教與學(xué)都應(yīng)該有明確的目標(biāo)。

從教的角度來看，提出教學(xué)目標(biāo)，亦即通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)掌握的理論知識(shí)和應(yīng)具備的能力、素質(zhì)。具體來說，就是：建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)概念，樹立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與算法設(shè)計(jì)的基本思維模式；掌握采用不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析問題和設(shè)計(jì)程序的方法；結(jié)合實(shí)際問題，選擇高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并能分析相應(yīng)算法的效率[3]。

從學(xué)的角度來看，學(xué)生對(duì)這門課程的期望值，分為三個(gè)層次，由低到高依次為：修完課程，達(dá)到基本要求，拿到學(xué)分；對(duì)計(jì)算機(jī)相關(guān)行業(yè)感興趣，有強(qiáng)烈考級(jí)、考研需求，愿意花課余時(shí)間和精力去學(xué)習(xí)；熱衷于對(duì)計(jì)算機(jī)理論、相關(guān)算法的改進(jìn)和研究，致力于提高軟件開發(fā)和運(yùn)行效率，愿意不眠不休，花費(fèi)大量時(shí)間和精力去鉆研。

從歷年的數(shù)字來看，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，從被動(dòng)型（Ⅲ型）到積極型（Ⅱ型）再到狂熱型（Ⅰ型），所占的比例也有所不同。筆者選取了西北農(nóng)林科技大學(xué)信息計(jì)算專業(yè)近5年的學(xué)生情況進(jìn)行分析對(duì)比，如表1所示。

表1 學(xué)生學(xué)習(xí)情況分型表

從表1中不難看出，近年來Ⅰ型學(xué)生的百分比有所下降，尤其是Ⅱ型學(xué)生，他們對(duì)這門課程的興趣度下降非常顯著，13級(jí)的數(shù)字顯示，將近52%的學(xué)生都只是為達(dá)到課程要求而學(xué)習(xí)。這固然和專業(yè)需求、課程難易程度，及應(yīng)用性要求密不可分，但也需要任課教師根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)，適當(dāng)調(diào)整教學(xué)目標(biāo)和過程。

影響學(xué)生學(xué)習(xí)的關(guān)鍵因素是動(dòng)機(jī)，它取決于學(xué)生的心理傾向和為學(xué)習(xí)所做的準(zhǔn)備。在教學(xué)中，需要任課教師積極干預(yù)和引導(dǎo)，便于學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)和興趣點(diǎn)，為他們的后續(xù)學(xué)習(xí)做好鋪墊。

二、使知識(shí)結(jié)構(gòu)適應(yīng)認(rèn)知結(jié)構(gòu)

學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知結(jié)構(gòu)與人類認(rèn)識(shí)客觀事物的過程非常類似，為促進(jìn)教學(xué)，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)闹R(shí)結(jié)構(gòu)及適合學(xué)生學(xué)習(xí)的方式。本門課程，是一個(gè)開放、有序、內(nèi)容豐富的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系。它涉及領(lǐng)域廣，涵蓋知識(shí)點(diǎn)多，理論性較強(qiáng)。課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)主要有基本結(jié)構(gòu)及應(yīng)用算法兩部分。學(xué)生的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”認(rèn)知結(jié)構(gòu)是學(xué)生按照自己的經(jīng)驗(yàn)與理解，根據(jù)感知、記憶和思維的特點(diǎn)，使知識(shí)在頭腦里組織成具有內(nèi)部規(guī)律的整體結(jié)構(gòu)，既包括學(xué)生已有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)，又包括了這些知識(shí)的內(nèi)部組織形式。

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)，需要盡早在這兩種結(jié)構(gòu)之間建立聯(lián)系。課堂上，教師應(yīng)首先把學(xué)科的知識(shí)結(jié)構(gòu)和邏輯組織全面展示給學(xué)生，以便于學(xué)生的了解和掌握。

為縮小學(xué)生與知識(shí)結(jié)構(gòu)間的差距，第一堂課引用員工信息表的例子，設(shè)計(jì)四種不同的應(yīng)用場(chǎng)景，分別是：全員參加集體活動(dòng)、按年齡大小進(jìn)行體檢、員工職務(wù)關(guān)系、員工之間的好友關(guān)系。該例中數(shù)據(jù)元素之間的邏輯關(guān)系，對(duì)應(yīng)四種典型邏輯結(jié)構(gòu)：集合、線性結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)、圖狀/網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。通過該例，學(xué)生能直觀感受數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系，并重新發(fā)現(xiàn)自己原有的知識(shí)狀況，促進(jìn)、改造現(xiàn)有的知識(shí)結(jié)構(gòu)，并且在此基礎(chǔ)上修正和發(fā)現(xiàn)新的學(xué)習(xí)，同時(shí)還能增強(qiáng)學(xué)習(xí)的興趣和信心。厘清邏輯關(guān)系后，再引入物理結(jié)構(gòu)，提出順序和鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)的概念，使學(xué)生明確邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)研究的內(nèi)容和之間的聯(lián)系即可。在后續(xù)章節(jié)的講授中，再進(jìn)行深入研究和探討。

三、合理設(shè)計(jì)教學(xué)序列

按照研究問題的過程，設(shè)計(jì)教學(xué)序列。學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，不應(yīng)是單純地接受，而是積極地進(jìn)行信息加工。

待學(xué)生對(duì)研究?jī)?nèi)容和學(xué)習(xí)方法有了初識(shí)，再引入算法和算法分析的概念。首先介紹算法特性和算法設(shè)計(jì)的要求。為避免混淆，可以用學(xué)生在學(xué)習(xí)編程語言階段的編程題目為例，提高學(xué)生對(duì)概念的熟悉度及認(rèn)同感，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的信心。對(duì)于算法分析的量度，此處涉及漸進(jìn)時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度，重點(diǎn)在于算法分析的方法。課堂教學(xué)時(shí)，采用問答式教學(xué)方法，既能啟發(fā)學(xué)生思考，又能活躍課堂氣氛，通過不同類型算法的分析，讓學(xué)生掌握基本的方法。

后續(xù)章節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，分為兩個(gè)層次，首先是按照線性結(jié)構(gòu)—樹形結(jié)構(gòu)—圖狀結(jié)構(gòu)的次序，從簡(jiǎn)單基本的結(jié)構(gòu)入手，再逐步細(xì)化、深化；其次就是應(yīng)用算法的層次，這里主要涉及排序、查找的經(jīng)典結(jié)構(gòu)、算法及分析。通過教學(xué)，學(xué)生了解并接受研究“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”的流程：根據(jù)實(shí)際應(yīng)用問題，分析邏輯關(guān)系，選擇存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)算法，分析算法效率，優(yōu)化。這樣不僅能夠提高學(xué)生的積極性，更能有效引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)與掌握學(xué)習(xí)的方法。

學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)，掌握技能的過程不可能一蹴而就，需要日積月累，循序漸進(jìn)。在整個(gè)教學(xué)過程中，教師應(yīng)考慮學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知行為和潛力，積極引導(dǎo)學(xué)生充分思維，發(fā)散思維，充分體現(xiàn)學(xué)科的系統(tǒng)性和學(xué)生的主動(dòng)性，并將其有序結(jié)合。

四、強(qiáng)化感性認(rèn)識(shí)與理性認(rèn)知

大學(xué)的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課堂，多采用多媒體課件，除利用演示文稿講解基本理論知識(shí)，還加入了動(dòng)畫、聲音、視頻等多媒體元素，能夠動(dòng)態(tài)模擬操作算法的執(zhí)行。這種輔助教學(xué)方式淺顯易懂，有利于學(xué)生的形象思維，加深學(xué)生對(duì)抽象問題的感性認(rèn)識(shí)。但存在一個(gè)不容忽視的問題，就是學(xué)生變“笨”了，他們只重視概念的理解，忽略了算法實(shí)現(xiàn)，及代碼編寫。學(xué)生經(jīng)常會(huì)有“課堂聽懂很容易，實(shí)習(xí)編碼寫不出”的困擾。

對(duì)于抽象概念的理解，感性認(rèn)識(shí)的作用不可或缺，但“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”的教學(xué)，仍需進(jìn)一步加強(qiáng)與深化。筆者的做法是在一個(gè)完整的知識(shí)模塊里，挑選一個(gè)典型案例，精講，細(xì)講，透講。對(duì)于剛接觸課程的學(xué)生來說，能夠有完整的范例供他們模仿，是很有必要的。比如在線性結(jié)構(gòu)的線性表部分，可以用約瑟夫環(huán)的問題作為示范，該問題難易適中，規(guī)模不大，適合課堂講解和演示。從建立單循環(huán)鏈表開始，綜合運(yùn)用線性表的查找、刪除等操作，直到實(shí)現(xiàn)約瑟夫環(huán)的輸出，在分析過程中示范編寫代碼。這樣能保障學(xué)生課堂理解算法思想，課下能夠模仿教師課堂的示范，還原解決問題的完整過程。模仿的過程，也就是培養(yǎng)和建立良好習(xí)慣的過程。這樣的精講范例，不用很多，結(jié)合課時(shí)分配，針對(duì)典型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行講解即可。

五、注重實(shí)踐教學(xué)探索

課堂教學(xué)之外，編程實(shí)踐也是“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”教學(xué)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。目前使用的教材中，大多給出類—語言的算法，要求學(xué)生在實(shí)踐環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)代碼的編寫。實(shí)踐時(shí)采用的形式是在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，由任課教師提供題目，輸入，輸出及測(cè)試用例，制定相應(yīng)規(guī)則。要求學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)算法，編寫代碼，完成相應(yīng)題目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。這種方式，讓每位學(xué)生都動(dòng)手編寫代碼，起到了理論階段性驗(yàn)證的作用，但存在一些問題：部分典型算法的驗(yàn)證，課堂已講解過，教材也有配套資源，導(dǎo)致學(xué)生積極性下降；題目的難易程度不盡相同，缺乏統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；不符合軟件開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)流程。

筆者結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，將敏捷開發(fā)模型、綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)引入到“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的實(shí)踐過程中。

首先，通過“搜集—討論—篩選—測(cè)試”的閉環(huán)過程建立實(shí)驗(yàn)課題庫平臺(tái)，使得原課程中分散的知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為項(xiàng)目的技術(shù)亮點(diǎn)，有機(jī)結(jié)合，避免知識(shí)點(diǎn)過于孤立；豐富實(shí)驗(yàn)題庫的內(nèi)容，增設(shè)應(yīng)用題庫和考研題庫，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及研發(fā)熱情；加大題目的難度，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)難點(diǎn)問題的理解和掌握。

其次，選擇敏捷模型，結(jié)合項(xiàng)目題庫，融入到學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程中，形成一套行之有效的標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)模型。具體來說，有敏捷過程部署、角色設(shè)定、持續(xù)改進(jìn)與自動(dòng)化測(cè)試[4]，將敏捷開發(fā)模型過程融入學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn)的過程。例如，最短路徑題目，將綜合能力較強(qiáng)的學(xué)生設(shè)定為客戶方負(fù)責(zé)人（PO），其整體負(fù)責(zé)需求組建、用戶故事分解、各個(gè)特性團(tuán)隊(duì)的解耦。將動(dòng)手能力較強(qiáng)的學(xué)生設(shè)定為敏捷專家（SM），其整體負(fù)責(zé)各個(gè)特性團(tuán)隊(duì)，并指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)內(nèi)的自組織、閉環(huán)學(xué)習(xí)以及故事的交付。各個(gè)特性團(tuán)隊(duì)除了設(shè)定敏捷專家，還配備質(zhì)量分析師（QA）、開發(fā)人員。這個(gè)團(tuán)隊(duì)通過站會(huì)、看板、結(jié)對(duì)、發(fā)布會(huì)、回歸會(huì)等一系列敏捷過程持續(xù)改進(jìn)，完成最終的實(shí)驗(yàn)題目。

總之，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程是一門理論性較強(qiáng)，需要緊密聯(lián)系實(shí)踐的科學(xué)。用現(xiàn)代教育理念指導(dǎo)，結(jié)合先進(jìn)的軟件開發(fā)技術(shù)，指導(dǎo)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”教學(xué)及實(shí)踐，對(duì)于提高學(xué)生的理論認(rèn)知、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和編程實(shí)踐能力，具有十分深遠(yuǎn)的意義。

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