“數據結構”課程的實驗創新探討

李宗璞

文章編號：1672-5913(2009)08-0124-02

摘要：“數據結構”課程是計算機學科的專業基礎課，是一門實踐性比較強的課程。課程中的實驗環節顯得尤為重要，該環節可以鍛煉和提高學生對復雜程序的設計能力。筆者在多年的教學過程中摸索出實驗環節的教學模式，與大家共同探討。

關鍵詞：數據結構；教學內容；組織形式；考核方式

中圖分類號：G642

文獻標識碼：B

利用計算機來解決實際問題的步驟是：給出問題描述，將問題抽象成數學模型，根據數學模型寫出求解問題的算法，再根據算法寫出程序代碼，最后上機調試并分析結果。在上述過程中，非數值的數學模型是數據結構研究的主體，它操作實現主要是通過數據結構的實驗教學環節來完成的，在該教學環節中作為教學主體的學生，首先要具備抽象思維能力和語言基礎。往往在環節實施過程中，語言基礎是薄弱環節，以至于課時用完了，學生還是寫不出滿意的算法及代碼。鑒于此，我們在教學內容、組織形式、考核方式等教學環節中進行了一些設計，與大家一起來探討。

1教學內容

我們在教學內容上，圍繞課內、課外兩條主線進行改革，給學生較大的自主學習空間，有利于學生創新精神及實踐能力培養。整個實驗教學由淺入深，重在基礎、提高能力、挖掘潛力、拓展思路。在課時內的教學主要以基礎性實驗為主，安排一個綜合性實驗；課時外的教學主要以設計性實驗和綜合性實驗為主。

1.1學時內的教學內容

在我校數據結構課程共64學時，理論課48學時，實驗課16學時。安排了5個實驗項目，由于多數學生語言基礎不算太好，特別是指針的運用和結構體的定義是薄弱環節，所以在做實驗項目時，主要是從教材上的算法出發，使得學生有章可循：

項目1：順序表的操作

主要訓練學生對順序存儲結構的理解，掌握順序表的查找、插入和刪除等基本操作；同時引導學生對于靜態參數傳遞和動態參數傳遞的使用方法。

項目2：單鏈表的操作

主要是與順序存儲結構進行比較，完成線性表在鏈式存儲結構上的查找、求長度、插入、刪除等基本操作。

項目3：棧和隊列的應用—停車場的管理

深入了解棧和隊列的特征，以便在實際問題背景下靈活運用；利用兩個棧和一個隊列模擬停車場管理及相關操作。

項目4：二叉樹的遍歷

掌握二叉樹的結構特征，以及二叉鏈表存儲結構的特點；掌握二叉樹三種(先序、中序和后序)遍歷方法；熟悉并且掌握遞歸算法。

項目5：折半查找和快速排序

掌握折半查找和快速排序的方法，掌握要進行折半查找應該采取的存儲結構形式。并進行對其進行時間復雜度的分析。

對于每個實驗項目的實驗目的和實驗要求，提前2周放在教學平臺上。在實驗前1周，利用輔導課時間，以測試的形式，讓學生寫出算法代碼，由于每個實驗基本上可以在教材中找到源代碼痕跡，所以難度不大。

在實驗教學過程中，采用任務驅動式的教學模式，首先從總體思路上講解10分鐘左右，邊輔導邊發現問題，每半個小時總結1次。由于學生已經在課前作好了準備，在實驗室里他們贏得了更多的自主時間用來調試程序，分析結果。學生水平參差不齊，在上課過程中穿插實驗驗收考核，考核的形式是現場寫出主要操作的代碼，在規定的時間內進行調試、分析。驗收完一個模塊，學生再進行下一個任務。教師通過講課、輔導、驗收使得實驗課堂充實起來，由于學生每個時間段都有活干，所以課堂氣氛非常活躍，討論熱烈。

1.2學時外的教學內容

在學時外，以課程設計的形式，利用開放實驗室時間，嚴格按照軟件工程的思想進行訓練。

在課程設計時，教師列出多個設計課題，每個課題都有相應的要求或說明。各課題的難易度是有差異的，每個課題后以標準分的形式標出了難易度。例如：

課題1：設有n個人圍坐在圓桌周圍，現從某個位置m(1≤m≤n)上的人開始報數，報數到k的人就站出來。下一個人，即原來的第k+1個位置上的人，又從1開始報數，再報數到k的人站出來。依此重復下去，直到全部的人都站出來為止。試設計一個程序求出出列序列(難易度90)。

課題2：用遞歸算法和非遞歸算法實現下面問題，并比較其算法優勢。把一只老鼠放進一個無蓋的大箱內, 箱內設置若干隔板，使老鼠走動的方向受到阻礙，看其如何找到一條通道，走出大箱(難易度80)。

“難易度90”表示設計中的各項全部達到要求時的最高得分大致為90。因此，參加課程設計的學生首先要了解設計的任務，仔細閱讀各題的設計要求，然后根據自己的基礎和能力情況從中選擇一題。一般來說，選擇課題應以在規定的時間內能完成，并能得到應有的鍛煉為基本原則。課程設計的總體思路是：數據模型選取→構造求解算法→選擇存儲結構→編寫程序代碼→調試測試→總結分析。

在做課程設計時，不再拘泥于語言環境的限制和存儲結構的限制，主要鍛煉學生的開放思維能力和綜合知識的應用能力。同時，引導學生從結構化程序設計到面向對象程序設計的思考。例如學生正在學習C#，在做課題1時，除了傳統的設計方法外，可以引導學生畫出類圖和順序圖，寫出C#的代碼。

設計結束后要寫出課程設計報告，以作為整個課程設計評分的書面依據和存檔材料。主要包括：需求分析、概要設計、詳細設計、調試分析、用戶使用說明、測試結果、參考文獻等。課時外的訓練主要是為畢業設計打下基礎，同時也培養了學生的團隊協作精神。

2組織形式

2.1學生的組織

對于學生進行分組，每組中按照好、中、差的學生進行搭配。由于學生水平參差不齊，早做完的學生，進行考核驗收。驗收合格，同時給出相關思考題，可以再對于思考題進行進一步的思考，鍛煉創新精神。同時，讓已完成任務的學生輔導未完成任務的學生，這樣培養了學生的團隊協作精神，課堂氣氛非常活躍，激發了學生學習的主動性。對于教師的工作也減輕了一些，教師主要是總體部署，分步考核，可以有充足的時間進行驗收，比較清楚地掌握總體情況，以便講評。這樣組織學生，可以解決“優等生吃不飽，差等生吃不了”的局面，實現了“因才施教”。

2.2內容的組織

對于每一個實驗項目的實驗目的、相關要求等，以實驗指導書的形式與學生見面，一本好的實驗指導書能給學生的上機實驗帶來事半功倍的效果。

首先，讓學生明確實驗目的和要求。每個實驗項目都給出了實驗目的，并且提出了具體要求。有了實驗目的，學生才有方向性；有了具體要求，學生實驗時才有章可循。對于要求，要按時間分塊執行。比如單鏈表的操作為2學時，第一個學時完成建立、查找、部分主函數工作；第二學時在第一學時基礎上完成插入、刪除操作，完善主函數。每一個學時在最后進行驗收，若有問題通過小組完成。

其次，讓學生掌握實驗步驟。每一個實驗項目按照軟件工程的思想去組織，先需求分析，抽象出數據結構模型，再明確數據類型，詳細設計，最后給出類C語言的算法描述。要求學生要嚴格遵循實驗步驟來思考問題，這樣，可以培養學生良好的工作作風和解決問題的方法，并且為后續課程做準備。

3考核方式

市場經濟體制下的學生不如計劃經濟體制下的學生好教育，特別目前高校擴招，入學的學生素質參差不齊，基礎相對薄弱，自學能力不強，不少學生在學習上存在畏難心理。而對于高等教育也不能降低要求，這樣就要求在教學模式上進行革新，我校對教和學提出兩個轉變，“變學生管理為學習管理，變管理學生為服務學生”。對于課程教學，不能再采取應試教育下的考核形式。鑒于此，在數據結構的教學過程中，特別是實驗教學，探索出了新的考核形式。

分數對學生來說是非常重要的，以此作為課程管理的抓手。對于教學計劃內的實驗項目成績分成兩個部分，一個是個人成績，一個是小組成績。個人成績主要考核學生個人能力，小組成績主要是考核學生的團隊協作精神。對于個人成績考核形式有兩個方面，一個方面是學生的程序代碼調試技能的測試，一個方面是書寫實驗報告，從實驗報告上可以考查學生的邏輯組織能力。筆者把該考核模式稱為“實驗2+2”模式。每個實驗項目結束前進行驗收考核，經常進行階段性考核，主要是激發學生的學習興趣，保證了課堂教學紀律，基本沒有缺勤的學生，讓學生找不出來不學習的理由，因為每處都與成績掛鉤，都在拼命的去“掙分”。

對于課程設計部分，實驗室開放時間結束時，由學生提交課程設計源代碼和設計總結報告。源代碼提交時，要生成可執行文件，對文件進行壓縮，壓縮文件名為“學號+姓名”形式，發送到指定郵箱地址。課程設計成績根據學生設計任務完成情況、設計報告、設計成果的質量以及答辯情況綜合評定。完成情況主要包括：功能實現情況和程序設計情況；設計報告包括課程設計報告格式，課程設計思路及設計過程，以及對設計的自我評價，收獲和體會等；答辯要求思路清晰，模塊關系清楚，回答問題敏捷。

對于學生的學業成績采用結構化成績，把100分不再作為一個整體看待，把它融進教學的全過程中去。學生的學業成績由平時成績、副卷成績和主卷成績構成，平時成績占20%，副卷成績占20%，主卷成績占60%。在平時成績中課程設計10分，作業和平時課堂表現5分，小考5分；副卷成績中個人成績15分(其中程序調試10分，實驗報告5分)，小組成績5分。

4結論

通過實施驗證，效果是良好的。實驗的創新也帶動了整個課程的進步，特別是上課出勤率，基本上是全勤。課堂氣氛活躍，問題討論熱烈，學生的學習主動性大大提高了，網絡教學平臺登錄次數明顯增多。在問題答疑和考核驗收方面，雖然增加了教師的教學工作量，但是提高了教師的工作熱情。真正實現了“教”和“學”的良好互動，提高了教學質量。

參考文獻：

[1] 周蘇. “數據結構與算法”的教學改革和實驗創新[J].計算機教育,2007,(15).

[2] 嚴蔚敏, 吳偉民. 數據結構[M]. 北京:清華大學出版社,1997.

[3] 嚴蔚敏, 吳偉民. 數據結構題集[M]. 北京:清華大學出版社,1999.