地理信息科學(xué)專業(yè)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)改革與實踐

劉遠剛　何貞銘　蔡永香　龍穎波

摘要：大多數(shù)高校地理信息科學(xué)（Geographic Information Science，簡稱GIS）專業(yè)的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)都照搬了計算機專業(yè)的教學(xué)模式，忽視了GIS專業(yè)的特色。針對該問題，該文提出了若干的教學(xué)改革措施，包括：（1）修訂符合地理信息科學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的教學(xué)大綱；（2）結(jié)合GIS專業(yè)問題開展基于案例驅(qū)動模式的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法改革；（3）借助MOOC平臺開展實踐課程的翻轉(zhuǎn)課程教學(xué)。通過教學(xué)實踐，取得了較好的教學(xué)效果，并形成了一套具有GIS專業(yè)特色的教學(xué)資源。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；地理信息科學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號：G64 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）17-0096-02

1概述

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》是一門研究計算機中非數(shù)值問題的數(shù)據(jù)組織與編排方式的綜合性基礎(chǔ)課程，內(nèi)容涉及數(shù)學(xué)、計算機軟件和計算機硬件等多個專業(yè)領(lǐng)域。自20世紀(jì)70年代起，國內(nèi)外高校普遍將該課程列為計算機相關(guān)專業(yè)本科必修課程。由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在計算機相關(guān)領(lǐng)域的重要地位，長期以來一直作為眾多高校地理信息科學(xué)（Geographic Information Science，簡稱GIS）專業(yè)的一門必修課程，但很少院校能夠結(jié)合GIS專業(yè)本身特點進行授課。以我校GIS專業(yè)為例，自2000年創(chuàng)辦以來，一直將《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》作為學(xué)科基礎(chǔ)課，總共設(shè)有64學(xué)時，其中上機20學(xué)時，并在課程結(jié)束后安排有為期2周的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計》，足見對該課程的重視。但多年來，該課程教學(xué)內(nèi)容基本照搬了計算機專業(yè)現(xiàn)有教材，未體現(xiàn)GIS專業(yè)“特色”。同時，很多GIS專業(yè)學(xué)生對該課程存在畏難情緒，學(xué)生的上機實習(xí)和實際應(yīng)用能力明顯不足，總體學(xué)習(xí)效果不夠理想。因此，有必要圍繞GIS專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)對該課程所存在問題進行教學(xué)改革。

2教學(xué)改革的措施

2.1圍繞GIS專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)修訂課程教學(xué)大綱

GIS專業(yè)主要是向城市、資源、環(huán)境、交通、住房、土地和基礎(chǔ)設(shè)施等部門及相關(guān)領(lǐng)域培養(yǎng)能夠從事與GIS有關(guān)的設(shè)計、應(yīng)用研究、技術(shù)開發(fā)等工作的復(fù)合型人才。根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，有必要在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)過程中融入GIS學(xué)科的基本概念和空間思維方式，讓學(xué)生較早地接觸專業(yè)知識，樹立良好的專業(yè)思想，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)，并且加強《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》與GIS核心專業(yè)課程的聯(lián)系與銜接，增強整個課程體系的系統(tǒng)性。《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程內(nèi)容豐富，難點多，邏輯性強，非常抽象，對計算機語言掌握的程度要求較高。相對計算機專業(yè)而言，地理信息系統(tǒng)專業(yè)學(xué)生的計算機基礎(chǔ)比較薄弱，而一般院系也不能安排更多的課時授課，因而內(nèi)容上要有所取舍。而GIS技術(shù)本身就涉及許多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面知識，如矢量、柵格數(shù)據(jù)的組織、空間索引和最短路徑算法等，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中關(guān)于線性表、樹、圖等基本的知識是解決此類問題的基礎(chǔ)。對于這些內(nèi)容需要作為重點教授，并給學(xué)生充分的上機實踐時間。另外，還可以結(jié)合GIS技術(shù)特點和應(yīng)用特征，對教學(xué)內(nèi)容進行合理補充。如GIS技術(shù)中的數(shù)據(jù)集管理問題本質(zhì)上可視為一種對線性表的操作，以此為例闡述線性表的基本知識和實現(xiàn)方法，能更好地實現(xiàn)與相關(guān)GIS專業(yè)課程的銜接。對于另外一些計算機專業(yè)可能作為選修的內(nèi)容，如最短（優(yōu)）路徑分析，對于GIS專業(yè)反而很重要，因此不僅要介紹，而且要結(jié)合具體案例進行重點介紹。因此，首先應(yīng)該圍繞GIS專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)對教學(xué)內(nèi)容進行合理的取舍、補充、重新定位，擬定新的教學(xué)大綱，體現(xiàn)GIS專業(yè)的特色。

2.2結(jié)合GIS專業(yè)問題實施基于案例驅(qū)動的教學(xué)

結(jié)合GIS專業(yè)中的實際應(yīng)用問題，將《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》的知識點按照“GIS應(yīng)用案例引入——數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其操作——GIS案例分析與實現(xiàn)”的案例驅(qū)動模式進行展開。教學(xué)過程中，每個知識點或章節(jié)使用一個有趣的“GIS問題案例”起頭，由該案例逐步引入新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)概念和模型，然后結(jié)合程序設(shè)計語言給出該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲表示及各種基本操作的實現(xiàn)，并進一步分析此案例的解決方法，最終利用所設(shè)計的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來解決案例中的實際問題。將GIS專業(yè)問題與《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程知識相結(jié)合的案例驅(qū)動教學(xué)模式基本思路如圖1所示。

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》的理論知識，如表、樹、圖等，在GIS專業(yè)中都有經(jīng)典的應(yīng)用案例，在相關(guān)的GIS專業(yè)軟件中也有具體的體現(xiàn)。如表1所示，擬定了幾個具有代表性的可以結(jié)合GIS專業(yè)問題的進行講解的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論知識點。通過案例驅(qū)動的方式改革數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的授課內(nèi)容，可以使傳統(tǒng)的面向計算機專業(yè)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識點真正的融入到GIS專業(yè)的教學(xué)中來，并發(fā)揮其在GIS專業(yè)人才培養(yǎng)過程中的基礎(chǔ)性作用。

2.3借助MOOC平臺開展實踐課程的翻轉(zhuǎn)課程教學(xué)

目前《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)的大多數(shù)教學(xué)內(nèi)容仍采用“教師講授為主和上機練習(xí)為輔”的教學(xué)模式，也就是在課堂內(nèi)進行知識的傳授，而在上機時進行知識的內(nèi)化。這種教學(xué)模式存在明顯不足，尤其是上機效果不夠理想。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)知識比較抽象，理論性較強，對相關(guān)知識點進行充足的課堂講授是必要的。但是，根據(jù)以往教學(xué)經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)上機學(xué)時明顯不足。每次上機，很多學(xué)生還沒有進人狀態(tài)就下課了，導(dǎo)致學(xué)生無法充分消化課堂上講授的理論知識，對相關(guān)知識點的理解似是而非，不能有效提高動手實踐能力，甚至導(dǎo)致很多同學(xué)畏懼編程?？傊?，理論與實踐教學(xué)嚴(yán)重脫節(jié)。如上所述，本文將基于案例驅(qū)動模式開展面向GIS專業(yè)問題的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)，增強了課程的應(yīng)用性和實踐性，實踐環(huán)節(jié)將變得更加關(guān)鍵。MOOC是一種“在線”課程，不需要學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)集中到課堂，而是隨時隨地，只要通過互聯(lián)網(wǎng)就能夠觀看到教學(xué)視頻，這對于學(xué)習(xí)效能而言是極大的提高，這樣學(xué)生可以更充分地利用自己的空閑時間，更好地規(guī)劃個人的學(xué)習(xí)。因此，課程組借助學(xué)校提供的MOOC平臺建設(shè)課程的上機實踐教學(xué)資源，通過平臺提供的教學(xué)工具分發(fā)上機任務(wù)，跟蹤學(xué)生上機學(xué)習(xí)過程，回答學(xué)生上機過程所遇到的難題，最后收集和批改學(xué)生的上機作業(yè)。并且采用翻轉(zhuǎn)課堂的模式，讓部分較好地完成上機作業(yè)的學(xué)生課堂上進行匯報或討論，實現(xiàn)知識的深度內(nèi)化。通過這種MOOC平臺輔助下的翻轉(zhuǎn)課堂模式，可拓展實踐課的時空范圍，實踐過程不再受上機課時的局限，為學(xué)生的上機實踐提供更寬松的學(xué)習(xí)環(huán)境和更豐富的指導(dǎo)材料。同時，通過細(xì)化教學(xué)過程的考核指標(biāo)，建立相關(guān)的獎勵機制，提高上機作業(yè)在整個課程考核成績中所占比重，實現(xiàn)對實踐教學(xué)過程的監(jiān)控，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

3小結(jié)

以本校GIS專業(yè)2014、2015和2016級學(xué)生為授課對象，實施了三輪的教學(xué)改革實踐。通過教學(xué)過程的GIS專業(yè)化改革，提高了該課程的專業(yè)性和趣味性，有利于降低學(xué)生學(xué)習(xí)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》的難度，有效地調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，并為學(xué)生學(xué)習(xí)本專業(yè)其他后繼課程奠定了良好的基礎(chǔ)。其他相關(guān)課程老師的反饋也表明面向GIS專業(yè)進行教學(xué)內(nèi)容的專業(yè)化改革可有利于學(xué)生盡早建立GIS學(xué)科概念，樹立積極的專業(yè)思想，增強GIS專業(yè)課程體系的系統(tǒng)性。同時，我們在教學(xué)過程中逐步積累了一套面向GIS專業(yè)的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)大綱、教案、講義、課件等教學(xué)資源，尤其是編著了一套富有GIS專業(yè)特色的上機實踐教材，錄制了配套的輔導(dǎo)視頻，對實踐教學(xué)效果的提高起到了巨大的作用。在此過程中，也建設(shè)了一支具有GIS專業(yè)特色的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教師隊伍，為本專業(yè)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》及其相關(guān)課程的教學(xué)工作提供了強大的師資保障。