基于計(jì)算思維的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐

劉洞波 繆智文 張碧 何宏 孫亮

摘 ?要：針對(duì)教育信息化的新形勢(shì)，分析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)現(xiàn)狀，討論計(jì)算思維與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，利用MOOC資源開(kāi)展混合教學(xué)模式的方案，對(duì)基于計(jì)算思維的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程MOOC教學(xué)模式進(jìn)行深入探討。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ?計(jì)算思維 ?MOOC ?教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G728 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）06（a）-0123-02

教育部教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020）提出：“要加強(qiáng)推廣信息技術(shù)和教育的融合，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)，開(kāi)發(fā)、整合優(yōu)質(zhì)的教育資源及平臺(tái)，推進(jìn)信息技術(shù)在教學(xué)中的普遍應(yīng)用。”針對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)過(guò)程中學(xué)生編程困難的問(wèn)題，將計(jì)算思維和大規(guī)模在線(xiàn)開(kāi)放課程模式（MOOC，Massive Open Online Course）引入到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中，以計(jì)算思維為導(dǎo)向，從教學(xué)觀念、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)手段和教學(xué)內(nèi)容等不同層面入手，提出大學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革的具體方案，構(gòu)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)MOOC課程模式，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)的改革和創(chuàng)新及人才培養(yǎng)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 ?研究現(xiàn)狀

2006年，美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Jeannette M. Wing教授總結(jié)了計(jì)算思維的定義。2008年10月，在桂林召開(kāi)了關(guān)于“計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)導(dǎo)論”的專(zhuān)題學(xué)術(shù)研討會(huì)。此后，中國(guó)科學(xué)院的李國(guó)杰院士、陳國(guó)良院士等也對(duì)“計(jì)算思維”概念進(jìn)行了介紹和解讀;哈爾濱工業(yè)大學(xué)等對(duì)計(jì)算思維教學(xué)在計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)中的教學(xué)進(jìn)行了改革與實(shí)踐[1-3]。2012年以后，MOOC的發(fā)展很快，MOOC方面的研究越來(lái)越多，主要從MOOC對(duì)高等教育的影響和MOOC本身的發(fā)展兩方面展開(kāi)研究。伍民友提出“慕課”是一場(chǎng)教育革命，未來(lái)的教育將會(huì)出現(xiàn)“明星教師、精品課程、分塊內(nèi)容、分級(jí)輔導(dǎo)”的趨向[4];司明依據(jù)計(jì)算思維的本質(zhì)，歸納總結(jié)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中計(jì)算思維線(xiàn)索，提出了面向計(jì)算思維能力培養(yǎng)的理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的組織方式，并制定了相應(yīng)的理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方案和措施[5];趙媛提出以計(jì)算思維為導(dǎo)向、以實(shí)戰(zhàn)化案例問(wèn)題為牽引、以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，建設(shè)傳授知識(shí)與思維訓(xùn)練相結(jié)合、編程語(yǔ)言與程序設(shè)計(jì)相結(jié)合、自主學(xué)習(xí)與平臺(tái)引導(dǎo)相結(jié)合的計(jì)算機(jī)C程序設(shè)計(jì)課程MOOC[6];劉光蓉在C語(yǔ)言上機(jī)實(shí)踐教學(xué)中，通過(guò)計(jì)算思維方法的模仿與綜合運(yùn)用，將計(jì)算思維方法更深層次地融人到C程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[7];劉小晶探究如何在高校數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課堂教學(xué)中有效實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，提出了具體實(shí)施方案，明確了教學(xué)活動(dòng)過(guò)程中各要素的流程控制，最后就實(shí)施方案應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了分析[8]。

通過(guò)以上分析可知，MOOC課程模式仍處于加快發(fā)展和創(chuàng)新時(shí)期，尋找一種高階思維和當(dāng)前的教學(xué)理論、MOOC課程模式相結(jié)合是當(dāng)前MOOC課程發(fā)展的重點(diǎn)。

2 ?數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)現(xiàn)狀

2.1 教學(xué)方法有待改進(jìn)

現(xiàn)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)仍然有一大部分采用講授型的教學(xué)模式，教師在課堂內(nèi)傳授知識(shí)，偏重知識(shí)灌輸，學(xué)生在課堂外內(nèi)化知識(shí)。教師沒(méi)有很好地挖掘數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中包含的思想方法，也沒(méi)有進(jìn)行很好的總結(jié)歸納，沒(méi)有合理地組織教學(xué)內(nèi)容，課程教學(xué)缺乏系統(tǒng)性和創(chuàng)造性。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中只是遵從、記憶和模仿，是被動(dòng)地接受知識(shí)，這樣很難調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性和協(xié)作學(xué)習(xí)的自主性，學(xué)生的思維和能力難以得到發(fā)展，最終導(dǎo)致學(xué)生創(chuàng)新能力不足，只具有一定的模仿能力。

2.2 教學(xué)資源不實(shí)用

現(xiàn)有教學(xué)資源主要表現(xiàn)形式有精品課程網(wǎng)站和網(wǎng)絡(luò)課程，這些綜合性教學(xué)平臺(tái)主要是整合各類(lèi)優(yōu)質(zhì)資源，知識(shí)力度很大，提供的教學(xué)資源有長(zhǎng)達(dá)45min的教學(xué)視頻，一個(gè)視頻包含多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，視頻內(nèi)容和傳統(tǒng)課題表現(xiàn)形式相似，主要體現(xiàn)教師授課場(chǎng)景、PPT內(nèi)容展示等，教學(xué)重點(diǎn)不突出，學(xué)生無(wú)法聚焦學(xué)習(xí)重點(diǎn)，資源可用性較差，學(xué)習(xí)效果不佳。同時(shí)，這些教學(xué)資源開(kāi)發(fā)通常依賴(lài)專(zhuān)業(yè)的多媒體技術(shù)人員，任課教師難以親自開(kāi)發(fā)，而技術(shù)人員不一定熟悉教學(xué)規(guī)律，開(kāi)發(fā)的資源不一定適用于教學(xué)，從而造成需與求之間的不對(duì)稱(chēng)，不利于教學(xué)活動(dòng)的正常開(kāi)展。

2.3 實(shí)踐環(huán)節(jié)不到位

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程知識(shí)點(diǎn)多、抽象性高、邏輯性強(qiáng)、程序復(fù)雜，一般教材中只有算法的關(guān)鍵代碼，不包含完整的宏和結(jié)構(gòu)體的定義，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性不高，無(wú)法上機(jī)直接驗(yàn)證算法，同時(shí)算法的理論性較強(qiáng)，和開(kāi)發(fā)實(shí)際項(xiàng)目差別較大，理解算法較困難，學(xué)生體驗(yàn)感差。此外，學(xué)生沒(méi)有很好地學(xué)習(xí)先導(dǎo)課程，編程語(yǔ)言掌握不夠扎實(shí)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的算法描述采用C語(yǔ)言居多，C語(yǔ)言中的函數(shù)、指針、結(jié)構(gòu)體等是學(xué)習(xí)難點(diǎn)。學(xué)生學(xué)習(xí)了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想，但對(duì)于函數(shù)、指針、結(jié)構(gòu)體等難點(diǎn)知識(shí)掌握得不夠好，不能透徹理解相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法描述，不能靈活地應(yīng)用于程序設(shè)計(jì)，導(dǎo)致不能很好地完成課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)。

3 ?基于計(jì)算思維的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程MOOC教學(xué)模式

在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，由于學(xué)生缺乏正確的編程方法和軟件工程的思想，面對(duì)實(shí)際問(wèn)題，學(xué)生不知道如何去分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)程序。計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的概念進(jìn)行問(wèn)題抽象、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)求解的一系列思維活動(dòng)，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)有著重要的指導(dǎo)意義。

3.1 計(jì)算思維引入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)

計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的抽象建立數(shù)據(jù)的對(duì)象模型，通過(guò)對(duì)問(wèn)題的抽象建立問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的計(jì)算機(jī)求解，從而實(shí)現(xiàn)編程的自動(dòng)化。“模型+算法”是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)，數(shù)據(jù)元素之間存在的相互關(guān)系的集合就是狹義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而廣義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是在狹義定義的基礎(chǔ)上加上基本操作的集合，完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。

建立應(yīng)用數(shù)據(jù)的對(duì)象模型就是從問(wèn)題中抽象出數(shù)據(jù)對(duì)象，分析數(shù)據(jù)對(duì)象中各元素之間的邏輯關(guān)系，確定數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，選取數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，確定存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的基本操作。建立數(shù)學(xué)模型就是對(duì)問(wèn)題原型進(jìn)行分析，抽象、分解，挖掘數(shù)據(jù)間的關(guān)系和數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，建立可用計(jì)算機(jī)求解且與原問(wèn)題本質(zhì)相同的理想化對(duì)象，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的數(shù)學(xué)模型一般有樹(shù)形模型、圖論模型、集合模型和排序模型等。最后，確定好計(jì)算策略，選取合適的算法對(duì)數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的求解[9]。

3.2 MOOC教學(xué)資源建設(shè)

針對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容滯后，構(gòu)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)MOOC課程模式。明確教學(xué)目標(biāo)，精煉教學(xué)內(nèi)容，針對(duì)核心概念、重要知識(shí)點(diǎn)、必要教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)活動(dòng)等特定的主題，在眾多的知識(shí)點(diǎn)或教學(xué)環(huán)節(jié)中提煉出重點(diǎn)、難點(diǎn)或興趣點(diǎn)，予以重點(diǎn)解答。主要目的是使選題內(nèi)容清晰凝練，學(xué)生倍感興趣，讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)高效掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容。課程內(nèi)容可以是知識(shí)講解、知識(shí)拓展、方法傳授、技能演示、教材解讀、題型精講、總結(jié)歸納、教學(xué)經(jīng)驗(yàn)交流等。

在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，根據(jù)知識(shí)單元的特點(diǎn)與教學(xué)目標(biāo)對(duì)知識(shí)單元進(jìn)行碎片化。教學(xué)知識(shí)單元主要包括數(shù)據(jù)的線(xiàn)性結(jié)構(gòu)、樹(shù)形結(jié)構(gòu)、圖形結(jié)構(gòu)和集合類(lèi)型等。線(xiàn)性結(jié)構(gòu)包含線(xiàn)性表、棧和隊(duì)列、數(shù)組和字符串等;樹(shù)結(jié)構(gòu)包含二叉樹(shù)、線(xiàn)索樹(shù)、排序樹(shù)、一般樹(shù)等;圖結(jié)構(gòu)包含無(wú)向圖、有向圖、帶權(quán)圖、一般圖等;集合類(lèi)型主要包括查找、排序和文件等[6]。

3.3 MOOC混合式教學(xué)組織

MOOC混合式教學(xué)的優(yōu)勢(shì)就是教師可以節(jié)省一部分知識(shí)技能講解的時(shí)間，把更多的時(shí)間和精力用于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。教師不再是單純的知識(shí)傳授者，而是幫助學(xué)生建構(gòu)知識(shí)的引導(dǎo)者和解決問(wèn)題的輔導(dǎo)者。教師可采用教學(xué)方法有很多，比如自主學(xué)習(xí)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、案例教學(xué)、構(gòu)建主義教學(xué)等，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、探索知識(shí)。

課前準(zhǔn)備。教師提供微視頻、PPT、教材電子材料等微課教學(xué)資源，明確學(xué)習(xí)的知識(shí)要點(diǎn)和關(guān)鍵步驟。學(xué)生根據(jù)教師提供的內(nèi)容導(dǎo)讀，觀看教學(xué)視頻、PPT等教學(xué)資源，回答提出的問(wèn)題，進(jìn)行課前自主探究。

課中組織。教師解決課前準(zhǔn)備階段搜集到的問(wèn)題，組織學(xué)生進(jìn)行課堂學(xué)習(xí);設(shè)置典型任務(wù)，組織學(xué)生自主探究或小組協(xié)作學(xué)習(xí);進(jìn)行任務(wù)和學(xué)習(xí)作品的完結(jié)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)和技能的建構(gòu)和內(nèi)化。

課后鞏固。教師對(duì)學(xué)生完成的課程任務(wù)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，供學(xué)生交流學(xué)習(xí);收集提供拓展學(xué)習(xí)資源，布置拓展任務(wù);發(fā)布問(wèn)卷調(diào)查，征求收集學(xué)生對(duì)教學(xué)模式的看法[8，10]。

4 ?結(jié)語(yǔ)

將計(jì)算思維和大規(guī)模在線(xiàn)開(kāi)放課程模式引入到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中，以計(jì)算思維培養(yǎng)為目標(biāo)，進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)改革，提出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革的具體方案，構(gòu)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)MOOC課程模式，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)的改革和創(chuàng)新及人才培養(yǎng)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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