數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程新型教學(xué)方法思考與實(shí)踐

馬竹娟+陳明華+汪宏喜+尹超

摘 要：針對(duì)學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程認(rèn)知“乏”、水平“弱”、掌握“難”的現(xiàn)象，以緒論部分教學(xué)為例，提出利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)演示、借題發(fā)揮、化繁為簡(jiǎn)等多樣化教學(xué)方法，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和探索的欲望。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；教學(xué)方法

文章編號(hào)：1672-5913（2017）07-0085-04

中圖分類號(hào)：G642

1 教學(xué)中遇到的問(wèn)題

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容比較抽象，理論性較強(qiáng)，學(xué)習(xí)和理解這門課的時(shí)候有一定的難度，但在實(shí)際教學(xué)中遇到的最大的困難，不是“會(huì)不會(huì)”，而是“學(xué)不學(xué)”。很多學(xué)生在接觸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的第一堂課時(shí)就沒有學(xué)好這門課的欲望，原因主要可以分為3種。

（1）因?yàn)椤胺Α倍鴽]有興趣。缺乏對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)的了解，不知道學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有什么用或者盲目地認(rèn)為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)只是程序設(shè)計(jì)的延伸，從而沒有學(xué)習(xí)興趣。

（2）因?yàn)椤叭酢倍鴽]有興趣。一部分學(xué)生由于未能熟練地掌握C語(yǔ)言，尤其是缺乏對(duì)指針、數(shù)組、結(jié)構(gòu)體等內(nèi)容的理解，還沒有理解算法與代碼的區(qū)別，因此在看到滿教材的類C語(yǔ)言偽代碼時(shí)，便早已望而卻步。

（3）因?yàn)椤半y”而沒有興趣。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的知識(shí)介于數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)軟件、計(jì)算機(jī)硬件之間，理論性很強(qiáng)，內(nèi)容較抽象[1]。如果僅用單純的口頭講授、枯燥的黑板板書的傳統(tǒng)授課形式，理解力不強(qiáng)的學(xué)生很容易產(chǎn)生畏難情緒，失去對(duì)這門課程的學(xué)習(xí)和鉆研興趣。

我們以緒論為例，針對(duì)上述3種現(xiàn)象，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣為主旨，提出：①以課程概述填補(bǔ)學(xué)生知識(shí)之“乏”，輔以虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)展示，使學(xué)生認(rèn)清學(xué)習(xí)目標(biāo)；②借助答疑，進(jìn)行知識(shí)展開，使學(xué)生正確自評(píng)，避開“弱”項(xiàng)，勇于探索知識(shí)；③以化抽象為具體、化繁為簡(jiǎn)的方法，使“難”懂的問(wèn)題變得容易理解，使學(xué)生不僅能學(xué)會(huì)，而且能學(xué)好；④以動(dòng)畫演示和圖文并茂的教學(xué)方式，令課程更加生動(dòng)有趣。

2 教學(xué)方法及實(shí)踐

緒論部分作為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的先鋒，必須承擔(dān)起“先聲奪人”的任務(wù)：就是在第一堂課讓學(xué)生比較透徹地理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的含義，從宏觀上了解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容以及它在課程體系結(jié)構(gòu)中的重要位置。針對(duì)學(xué)生畏難現(xiàn)象，教師可采用概述補(bǔ)“乏”、實(shí)驗(yàn)提鮮，借題發(fā)揮、識(shí)強(qiáng)避“弱”，化繁為簡(jiǎn)、變“難”成易，圖文并茂、動(dòng)畫結(jié)合等教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生自主、自覺地完成學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和興趣。

2.1 概述補(bǔ)“乏”、實(shí)驗(yàn)提鮮

對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程進(jìn)行統(tǒng)領(lǐng)性介紹，可以使學(xué)生對(duì)整個(gè)課程內(nèi)容有宏觀上的了解，同時(shí)明確其在計(jì)算機(jī)學(xué)科中的重要地位。除了內(nèi)容的概述，緒論部分還有許多基本概念和術(shù)語(yǔ)的介紹，如果僅憑口頭講解和板書，就很容易產(chǎn)生呆板、沉悶的課堂氣氛。為了避免概念的枯燥堆砌，教師應(yīng)盡量增加實(shí)驗(yàn)展示或?qū)嵗v解。我們建立了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用來(lái)展示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的各種實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對(duì)各種結(jié)構(gòu)特性一目了然，如利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立的棧結(jié)構(gòu)，向?qū)W生演示數(shù)據(jù)入棧和出棧操作，如圖1所示。棧結(jié)構(gòu)是一種只允許在一端進(jìn)行插入和刪除的線性結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)插入的一端為棧頂，數(shù)據(jù)的插入操作稱為入棧，具有后來(lái)居上的特點(diǎn)。棧結(jié)構(gòu)的出棧操作，如圖2所示，明顯具有后進(jìn)先出的特點(diǎn)，因此棧又被稱為后進(jìn)先出（last in first out，LIFO）表。直觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的記憶，還提高學(xué)生進(jìn)一步探索學(xué)習(xí)的興趣。

2.2 借題發(fā)揮、識(shí)強(qiáng)避“弱”

教材使用類C語(yǔ)言作為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的描述語(yǔ)言，與實(shí)際運(yùn)行的C語(yǔ)言程序是有區(qū)別的。類C語(yǔ)言利用了C語(yǔ)言的特點(diǎn)，而又不拘泥于C語(yǔ)言的細(xì)節(jié)。C語(yǔ)言掌握不好的學(xué)生在上機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)會(huì)有難度，但并不影響對(duì)核心算法的正確理解。如果是因?yàn)闆]有學(xué)好C語(yǔ)言而主動(dòng)放棄學(xué)好數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，那么更是因小失大，因此，教師在緒論部分要借助少量的核心算法進(jìn)行講解，明確算法與程序之間的聯(lián)系和區(qū)別。

例如，教師在講解算法時(shí)間效率問(wèn)題時(shí)，可利用冒泡排序算法進(jìn)行討論。冒泡排序算法如下：

void bubble_sort（int a[]，int n）

{for（i=n-1，change=true；i>=1&&change；--i）

{change=false；

for （j=0；j

if（a[j]>a[j+1]）

{ a[j]a[j+1]；change=true；}

}

}

它只是借助類C語(yǔ)言描述冒泡排序的方法。如果需要以程序的形式輸出結(jié)果，就要按C語(yǔ)言的語(yǔ)法要求進(jìn)行修改和加工。程序代碼如下：

#include

void Bubble_Sort（int a[]， int n）

{int i，j，t，change；

change=1；

for （i=n-1，change=1；i>=1&&change==1；--i）

{change = 0；

for （j =0； j< i； j++）

if （a[j] > a[j+1]）

{t=a[j+1]；

a[j+1]=a[j]；

a[j]=t；

change = 1；

}

for（i=0； i

printf（"%d "， a[i]）；

printf（"＼n "）；

}

}

int main（）

{int i；

int a[8] = {49，38，65，97，76，13，27，49}；

printf（"未排序數(shù)為：＼n "）；

for（i=0； i<8； i++）

printf（"%d "， a[i]）；

printf（"＼n "）；

printf（"每次排序結(jié)果為：＼n "）；

Bubble_Sort（a， 8）；

return 0；

}

在親歷算法改寫成程序代碼的過(guò)程中，學(xué)生可以很清楚地認(rèn)識(shí)到算法和程序不能等價(jià)，因此完全不必因?yàn)闆]有學(xué)好C語(yǔ)言而對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)望而卻步，反而能夠因?yàn)閷W(xué)好數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)而更加熟練地操作C語(yǔ)言。

在對(duì)有序序列進(jìn)行冒泡排序的實(shí)驗(yàn)對(duì)比和討論中，學(xué)生也能很容易觀察到，經(jīng)過(guò)改進(jìn)的算法可以在最好的情況下，即排序序列本身有序的情況下，只執(zhí)行一次循環(huán)就結(jié)束程序，在時(shí)間效率上有很大的提高，如圖3、圖4所示，由此便可理解優(yōu)化算法的意義，討論算法效率的必要性以及“時(shí)間復(fù)雜度”的概念。這些結(jié)論不是教師填鴨式的知識(shí)灌輸，而是由學(xué)生通過(guò)實(shí)踐、觀察和討論后自己總結(jié)得出的，不僅可以鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力，還能使學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、學(xué)習(xí)興趣和熱情大幅度提高。

2.3 化繁為簡(jiǎn)、變“難”成易

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在很大程度上依賴于數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)，許多概念是以數(shù)學(xué)的方式表達(dá)描述的，含義精準(zhǔn)，但抽象難懂。教師在授課時(shí)，可以采用化繁為簡(jiǎn)、化抽象為具體、用口語(yǔ)化語(yǔ)言表達(dá)等方式，使學(xué)生對(duì)知識(shí)要點(diǎn)理解得更加透徹。例如，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”的定義為：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一個(gè)二元組

Data_Structure={D， S}

其中，D是數(shù)據(jù)元素的有限集，S是D上關(guān)系的有限集[2]。

如果把抽象的數(shù)學(xué)表達(dá)轉(zhuǎn)化為具體的算式“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)=數(shù)據(jù)元素+元素關(guān)系”，則更加容易被學(xué)生理解。最常見的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)莫過(guò)于學(xué)生在初中、高中就接觸過(guò)的方程式，它就是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，未知數(shù)x， y構(gòu)成的方程就是它們之間的約束關(guān)系，計(jì)算結(jié)果是一個(gè)具體的數(shù)值。在非數(shù)值領(lǐng)域如信息管理、人機(jī)對(duì)弈等，數(shù)據(jù)之間的約束關(guān)系就呈現(xiàn)出一對(duì)一、一對(duì)多等情況，而這正是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程所要討論的內(nèi)容。經(jīng)過(guò)化繁為簡(jiǎn)，化抽象為具體，學(xué)生對(duì)概念的理解更為清晰。其實(shí)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后續(xù)章節(jié)里的很多抽象概念或數(shù)學(xué)表達(dá)式都可以采用這種方法，改用比較通俗、具體的語(yǔ)言去講解和描述。這種理解方法的轉(zhuǎn)變可以在很大程度上緩解學(xué)生畏難的情緒。

2.4 圖文并茂、動(dòng)畫結(jié)合

加入圖像、Flash動(dòng)畫等輔助措施不僅能夠提高數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)講解的條理性，還可以使枯燥的理論變得有趣味，如在緒論中的一道例題可以用來(lái)描述課題小組導(dǎo)師、研究生和本科生的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如果單從定義的角度進(jìn)行講解，則晦澀難懂，但加以圖示說(shuō)明，則很容易理解，如圖5所示。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具有明顯的層次性，是一對(duì)多的樹型結(jié)構(gòu)。

在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后續(xù)章節(jié)的講解中，如哈夫曼編碼、最小生成樹、拓?fù)渑判虻戎R(shí)，教師更需要利用圖像和Flash動(dòng)畫加以演示，使知識(shí)要點(diǎn)更清晰，學(xué)生對(duì)算法的理解更透徹。

3 結(jié) 語(yǔ)

采用概述補(bǔ)“乏”、實(shí)驗(yàn)提鮮，借題發(fā)揮、識(shí)強(qiáng)避“弱”，化繁為簡(jiǎn)、變“難”成易，圖文并茂、動(dòng)畫結(jié)合等教學(xué)方法，結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)演示、實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫展示等多樣化教學(xué)手段，可以不斷增進(jìn)教學(xué)質(zhì)量，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。圖6所示為2011—2014級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的期末考試平均成績(jī)。除了2012級(jí)學(xué)生成績(jī)因試卷難度偏大而造成平均分略有降低之外，學(xué)生成績(jī)基本呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明我們提出的幾種教學(xué)改良措施是積極有效的，課堂的內(nèi)容生動(dòng)有趣可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

參考文獻(xiàn)：

[1] 沈鵬飛. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其在計(jì)算機(jī)科學(xué)中的作用和地位[J]. 自然雜志， 1986， 9（6）： 447-452.

[2] 嚴(yán)蔚敏， 吳偉民. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[M]. C語(yǔ)言版. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2009： 5.

（編輯：宋文婷）