數(shù)據結構棧和隊列微課設計與制作

文｜張潞豪

對于我國高等院校的計算機專業(yè)學生而言，《數(shù)據結構》是計算機專業(yè)的核心課程之一。該課程要求學生擁有與數(shù)據結構相關的基礎知識儲備，掌握常用的基本數(shù)據結構，能夠對算法進行時間空間復雜度的分析，最終達到在實際開發(fā)過程中可以針對具體需求來進行數(shù)據結構的應用和算法設計的能力。而棧和隊列是本課程中尤為重要的知識點，專業(yè)性強，對于剛接觸這類知識點的學生來說難以掌握其核心內容，傳統(tǒng)的教學方式不能很好地滿足學生個性需求。近年來隨著信息技術和網絡應用的高速發(fā)展，微課在中小學教學中得到普及和應用，但對于高校教學還沒有得到廣泛的發(fā)展應用。大多數(shù)高校教師在授課中還是以傳統(tǒng)板書或演示文稿PPT的形式進行教學，無法調動學生上課積極性，導致學生對部分知識點理解不透，無法滿足學生學習的個性需求，本微課的制作就是為了解決這類問題而做的嘗試。

一、數(shù)據結構課程的地位

《數(shù)據結構》是計算機及相關專業(yè)的一門核心課程，它具有較強的邏輯性和實踐性。重點傳授數(shù)據組織中的邏輯結構、存儲結構及相關算法，探討實際需求。數(shù)據結構是計算機專業(yè)基礎，學好這門課程，對于學習計算機專業(yè)的其他課程和提升個人編程能力都是十分有益的。學習和掌握數(shù)據結構的相關知識，可以設計出更高效的算法程序從而更好地利用計算機去解決復雜的需求問題。同時，在實際計算機運行環(huán)節(jié)中，各種類型的數(shù)據結構被廣泛地運用到軟件中。

棧和隊列是數(shù)據結構中的線性表，是兩種非常重要的數(shù)據結構。

棧（stack）是只能在表尾進行插入或刪除操作的線性表，又稱為后進先出的線性表；對棧來說，棧頂?shù)奈恢脤嶋H上在表的尾端，同理，棧底在表的首端。比如在現(xiàn)實生活中裝卸快遞貨物，先裝車底的快遞最后才送達，遵循先進后出。

隊列（queue）也是一種線性表但和棧不同，可以在表兩端進行操作。隊列只允許在表的一端進行插入操作，在另一端進行刪除操作，是一種先進先出的線性表；允許插入一端稱為隊首，允許刪除的一端稱為隊尾，比如我們到食堂排隊打飯，遵循先進先出。

二、數(shù)據結構課程教學中存在的現(xiàn)象及改革探索

首先數(shù)據結構這門課程本身就是計算機專業(yè)的理論基礎課之一，課本知識多年固化，在講課過程中往往理論性較強，且有些案例年代較遠，不能緊跟時代的變化，難以達到理論與實踐緊密結合。其次現(xiàn)在是信息化的教學時代，除了傳統(tǒng)課堂授課的形式之外，還需要大力發(fā)展線上授課方式，廣泛拓展教學資源，實現(xiàn)師生實時互動溝通。第三，要真正地實現(xiàn)以學生需求為課堂主體，以教師為引導的課程改革。最后學生反映在學習過程中往往存在某個知識點理解不同，不同學生存在個體差異。這就提出了數(shù)據結構課程改革的一個要點，即如何能夠實現(xiàn)學生差異化學習，滿足個性化需求，而微課作為一種教學輔助手段，恰好彌補了這種需求空白。

三、微課設計

（一）制作棧和隊列微課的意義

為適應信息化教學，探索數(shù)據結構課程改革的方向，分析微課在數(shù)據結構課程改革中的作用和效果。

本微課以《數(shù)據結構》里的棧與隊列為知識點，它通過模擬智能物流車在現(xiàn)代物流倉庫的運行情景，為學生創(chuàng)造了一個生動形象的學習案例，突出了微課選題的短、精、難特點。本微課時間控制在10分鐘以內，不用引課直接情景說明，起到了精準教學的效果。本微課整體容量較小，教師可在課前傳給學生，讓學生完成預習任務，學生也可以在課后進行學習鞏固，解決了學生個性化學習的問題。方便學習生通過互聯(lián)網借助移動設備，實現(xiàn)學生自主不限時間空間循環(huán)學習。

（二）微課的設計策略

本微課的設計策略為：以物流車充電為入棧操作，充滿離開為出棧；棧滿排隊為入隊操作，入棧為出隊操作。車輛正常充電，當充電位滿后，繼續(xù)來到的其他車輛只能停在排隊位上，根據隊列的特點，先排隊的車輛先離開排隊位進入充電區(qū)，符合隊列的“先進先出，后進后出”的操作特點，因此，可以用一個隊列來模擬排隊位。排在充電位中的車輛可以提前離開，在該車輛之后進棧的須為它讓路，然后這些車輛依原來到達充電位置的次序重新進入充電位，因此在前面已設的一個棧和一個隊列的基礎上，還需要有一個用來讓停放等待充電的位置，由于先退出充電區(qū)的隨后再一次進入，所以可以用一個臨時棧來模擬。

（三）微課內容

微課內容包括P P T制作、動畫制作、習題問卷設計、程序演示。PPT制作微課的主要情景，最后通過錄制生成微課視頻，該部分主要說明微課動畫的五大內容。首先是動畫故事引入：以員工向監(jiān)理匯報方案完成情況吸引學生的學習興趣，并為下面具體講解棧和隊列相關知識點做鋪墊；其次是核心動畫場景講解：共分四個場景，由淺入深依次引出堆棧和隊列；系統(tǒng)介紹棧和隊列的概念和棧頂元素、棧底元素，演示出入棧、出入隊；通過引入臨時棧，深入講解?！跋冗M后出”和隊列“先進先出”的本質特點；再次通過動畫演示講解棧的“先進后出”和隊列“先進先出”；知識總結：將棧和隊列的知識點以動畫人物講解方式再次展示在微課視頻中。最后是例題講解，題目為“如果一個棧的輸入序列為123456，能否得到435612或135426的出棧序列（不考慮臨時棧）？”，難度適中，結合動畫講解能產生很好的效果。課下部分包括形成性評價設計：調查問卷和課后習題；程序演示：將上述過程結合C語言中棧和隊列進行算法設計，設計成C語言程序，來實際模擬倉儲物流車充電管理系統(tǒng)。以充電區(qū)充電位2個，排隊位2個來進行算法演示過程。

（四）微課制作

多媒體資源的使用：動畫制作：來畫；視頻制作軟件：Adobe Premiere Pro、剪映專業(yè)版；文稿制作和演示軟件：PowerPoint、Word。

場景引入：在某小型物流倉辦公室，以員工向監(jiān)理匯報方案完成情況吸引學生的學習興趣，并為下面具體講解棧和隊列相關知識點做鋪墊。

核心知識點場景動畫講解：場景一：引出計算機中C語言中堆棧和隊列的知識點。員工向監(jiān)理介紹只有兩個充電位和排隊位，隨后四輛物流車趕來，依次進入充電位充電和在排隊位依次等候。動畫解讀：兩個充電位即在計算機中申請的動態(tài)內存—堆，兩輛物流車依次進入充電即計算機中元素的入棧操作；兩個排隊位即計算機中的隊列，剩余兩輛物流車依次進入排隊位即計算機中元素的入隊操作。場景二：系統(tǒng)介紹棧和隊列的概念和棧頂元素、棧底元素，演示出入棧、出入隊。其場景動畫為：2號車充滿離開，3號車進入充電區(qū)充電。動畫解讀：2號車所在位置為棧頂，2號車叫做棧頂元素；1號車所在位置為棧底，1號車叫做棧底元素。2號車充滿離開叫做出棧操作，出棧后，棧頂元素為空，隊列元素出隊入棧，此后3號車成為棧頂元素。4號車向前補位。場景三：通過引入臨時棧，深入講解棧“先進后出”和隊列“先進先出”的本質，其場景動畫為：1號車充滿離開，2號車進入臨時等候區(qū)待1號車離開后2號車再重新充電，3號車也同時跟進。動畫解讀：臨時等候區(qū)即臨時棧。若有需要，則會自動生成臨時棧。2號車進入臨時棧等待1號車完全離開，隨后2號車離開臨時棧重新入棧，若不再需要臨時棧來充當臨時存儲則刪除臨時棧。場景四：再次通過動畫演示講解棧的“先進后出”和隊列“先進先出”，其場景動畫：2號和1號依次離開，3號和4號依次進入。動畫解讀：2號和1號完成離棧操作，3號和4號完成入棧操作。場景五：知識總結用動畫角色重現(xiàn)課堂知識點，進行及時鞏固。場景六：例題講解同樣使用動畫角色和演示，在核心知識點講解完畢后，需要通過實例來加深對知識點的認識。

課后拓展與鞏固及程序運行：利用微課可以很容易對課程進行形成性評價設計，通過“問卷星”的便捷性可以很容易創(chuàng)建簡單習題檢測，掃描二維碼即可答題。學生答題快速方便，教師也能清楚地得到學生的反饋數(shù)據，了解學生對核心知識點的掌握情況，可以及時調整教學策略。以經典C語言自行設計并運行《倉庫智能物流車管理系統(tǒng)》程序，在實際教學中使用堆棧的算法和思想，并且結合微課視頻中的運行情景，使學生深入了解棧的定義和特點，效果良好。

四、反饋分析

微課制作完成后，我們將此微課投入公共資源網站同時結合線下實際調查，發(fā)布問卷調查，對調查數(shù)據分析整理如下（各類問題不再詳細展示，只展示人員類別占比）。

根據調查問卷結果數(shù)據分析，參與最多的是計算機專業(yè)學生，其次是計算機教師，第三是計算是非專業(yè)人士和自學者，參與最少的是IT從業(yè)者。對于從事計算機教學的教師來說，本視頻將枯燥的棧和隊列的算法轉變?yōu)樯鷦有蜗蟮囊曨l形式，實現(xiàn)“由難到易知識的傳授”轉變過程。既實現(xiàn)了教師的教學目標，又豐富了教師的教學資源。對于計算機學生來說，微課可以隨時彌補知識漏洞，可以滿足個性化學習的需求。對于非計算機專業(yè)人士或自學者的反饋，多數(shù)通過觀看本視頻初步了解了棧和隊列的算法。IT行業(yè)工作者對這類知識非常熟悉，且問卷參與者極少，其分析和結論不具有代表性。

五、結語

本文在分析了傳統(tǒng)課程數(shù)據結構教學存在的問題后，具體介紹了以現(xiàn)代智能物流倉儲機器人的運行為背景的微課制作。該微課實現(xiàn)了多種教學資源內容相結合，通過展示真實的場景，更好地講解了棧和隊列的知識點。微課不僅極大地提高了學生的學習興趣，滿足了學生的學習需求，而且有效地突破了傳統(tǒng)課堂的時間和空間的限制。同時微課使教學目的更為直觀，其動畫的詳細講解增強了課程的交互性，取得了良好的教學效果，實現(xiàn)了學生教師線上線下互動，真正實現(xiàn)了以學生作為主體的教學方式的改革探索，豐富了《數(shù)據結構》教學資源，推動了《數(shù)據結構》課程改革。體現(xiàn)了微課可作為高校教師授課的輔助作用，準確把握了微課在高等教育中的教學定位。