“算法與數據結構”課程教學體系的建設

錢紅兵　唐發根

摘 要:“算法與數據結構”課程是高等學校計算機專業重要的專業基礎課。本文針對該課程教學中所面臨的實際問題,提出了一個兼顧課堂教學和課后實踐的三層教學體系改革方案,并給出了方案實施的具體要求、方法和手段。

關鍵詞:算法與數據結構;三層教學體系;課堂授課;課程實踐;復習與評估

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1 教學體系建設的意義

“算法與數據結構”課程是高等學校計算機專業重要的專業與專業基礎課程之一,該課程的目標是通過該課程的學習,使學生能夠運用課程所討論的概念和方法更好地進行算法設計與算法分析,掌握計算機進行數據處理的基本原理和技巧,為進一步提高程序設計的能力、進一步學習和掌握計算機專業知識奠定基礎。顯然,這門課教學效果的好壞將直接影響到學生能否學習和掌握未來計算機課程知識及綜合利用計算機的能力。然而,由于這門課要求學生即要有一定的理論基礎,如要掌握“程序設計語言”和“離散數學”的知識,又要有一定的編程能力,能夠通過實際的高級編程語言實現具體的算法,因此目前這門課的實際教學還面臨著一些問題,一個是上課學生的理解能力、業務水平及掌握的專業基礎知識存在差異,如何在教學上兼顧所有同學,讓每一個同學都能理解和掌握所授的知識點是個問題;二是上課課時有限,如何在短時間內使學生能充分理解所授內容并將課堂教學與課后學習有機結合起來,鞏固和提高教學效果需要考究;三是這門課的學生人數較多,如何保證學生問題的及時答疑、學生課后作業的及時評判、檢查和管理也是需要解決的問題。為了更好地提高教學的效果,達到教學目的,充分利用計算機普及使用的特點,探索新的教學理念和方法、新的教學體系是十分重要的。

2 “算法與數據結構”課程的三層教學體系

“算法與數據結構”是理論和實踐相結合的課程,為此我們應建立一個能解決上述問題的兼顧課堂教學和課后實踐的教學體系,如圖1所示。

(1) 課堂授課

課堂授課是學生學習和掌握知識的基本途徑,由于這門課的大部分內容都與算法相關,講解起來容易使學生產生枯燥乏味的感覺。為了提高學生的學習興趣,吸引學生的注意力,在教學內容的展示上可采用適當活潑的方式,充分利用Powerpoint工具提供的多種功能解決所授內容的呆板問題,如通過顏色的變換強調重點應該掌握的內容,用圖示的方式甚至一些動畫的方式來演示關鍵算法的解決思路等。在授課內容的講解上明確所授知識點能解決什么實際問題,在授課形式上采用目標驅動的方法,即在講授一個新知識點之前,先提出實際的問題,然后讓學生帶著問題去學習新的知識點,之后,再提出一些啟發性的問題,引導學生積極探索不同知識點之間的關系,融會貫通所學知識。同時,在教學內容安排上適當增加習題課,從實用性角度激發學生的興趣,使學生深刻體會學習這門課有什么實際用途,拉近理論與實際的距離,通過分析實際的例題使學生了解面對一個實際問題時,如何去分析和解決它。

為了配合課堂的教學活動,還要加強教學的管理工作。針對有些學生缺乏自我控制能力,對自己學業要求不嚴、沉迷于網游而不愿意上課、對知識缺乏鉆研精神等問題不能放任不管,要加強上課的考勤制度,對多次無故缺課的同學采取必要的手段(如要經過系主管領導的同意才能參加考試等)督促其上課。另外,在介紹完知識點后講解例題之前先讓學生花幾分鐘時間思考如何解決這個問題,并將寫有姓名和班號的答案提交,這樣一方面吸引學生的注意力,檢驗學生學習的效果,另一方面也從側面完成了點名考勤制度。

(2) 課后復習與評估

由于“算法與數據結構”這門課主要討論抽象數據類型和算法的定義、表示和實現,所講授的內容具有抽象性、動態性和靈活性的特點,在課堂教學中雖然通過采用圖示的方式甚至一些動畫的方式在一定程度上化抽象為直觀,但課堂教學畢竟時間有限,很難全面展現所述對象的瞬間動態過程和算法的作用過程,使得學生理解教學內容不夠深入和扎實,而且學生在理解所授知識點和真正掌握并靈活運用各種算法分析與設計的方法和技術也存在著距離,因此,對于一些學習能力不突出的學生來說,在學習這門課程的過程中普遍感覺難度較大。為了幫助學生更好地理解和掌握教學內容,建立一個有利于學生課后復習與評估的教學輔助平臺——核心知識學習與動態練習系統是解決這個問題的有效途徑,該教學輔助平臺能對典型算法進行網上動態交互式模擬跟蹤,將抽象的數據結構和算法實現動態同步可視化,當學生需要復習和評估自己對某個典型算法(如插入排序)的理解時,通過點取輔助平臺中算法的鏈接,一組需求排序的原始序列的數據以圖形圖標形式顯示在學生面前,學生通過拉動圖標模擬該算法的執行過程,最后系統可根據學生的操作來判斷正確執行的步驟,學生也可以通過系統給出的標準答案演示來理解該算法的正確執行的過程。這樣即能達到對課堂講解內容的補充(作為對老師課堂講解的演示),又能使學生在課外通過對關鍵算法如何執行反復觀察、練習和體會,加深教學知識點的掌握和融會貫通。同時,學生通過算法的模擬練習和結果的自動評判,對自己掌握知識的程度有一個清楚地了解。

在課后復習與評估教學輔助平臺建設的具體實施中,可按照教學大綱的知識點要求,設計與課程內容相一致的輔助核心知識學習與算法動態練習系統,采用分階段完成的思路,先選擇簡單的算法進行設計,完成原型的設計,經過評審和實際的試用,對原型進行修改和逐步完善。

(3) 課程實踐

這門課要求學生必須掌握高級程序設計語言及離散數學的相關知識,通過高級程序設計語言將算法的思路描述出來并通過實際算法的執行來檢驗算法的正確與否。從實際的教學結果來看,盡管學生已經學過一些高級程序設計語言,但仍不能自如地綜合利用所學的知識去解決實際的問題,使用高級語言實現具體算法設計時仍然不能得心應手,這就說明應用高級程序設計能力的培養要有一定的過程,需要在不斷的學習和實踐過程中鞏固和加強,這就要求我們在講授教學內容的同時加強教學實踐工作,讓學生一方面通過課堂的教學學習新的理論知識和算法設計技巧,另一方面通過不斷地完成實際的課程練習及綜合作業來加深對教學內容的理解和掌握,同時進一步提高綜合運用知識、解決實際問題的能力。目前,由于學生人數多,布置給學生的作業量較大,如果以電子郵件方式或當面提交電子版作業,但評判卻由人工完成這種方式了解學生掌握所學知識、完成作業的實際情況,則效率低而且不易檢查學生作業相互拷貝情況(這種現象在本課程學生中比較普遍),同時也不好管理。另外,如果學生答疑仍以傳統方式為主,即在規定時間內學生找老師答疑,則答疑的時間和地點都要受到限制。而且學生在上機編寫程序時通常會遇到許多問題,需要老師解答,在規定的上機時間內這不是問題。但學生往往是在非規定的上機時間(因為規定上機時間對完成上機作業是遠遠不夠的)完成作業的,此時,學生最希望問題能得到及時解答,如果學生的問題不能及時解決,勢必影響到學習的熱情和對知識的理解和掌握。顯然傳統的答疑方式解決不了這個問題。而且算法與數據結構這門課的考試以筆試為主,對學生的實際程序設計能力缺乏考察。這類問題是多數計算機課程教學過程中遇到的普遍問題。因此,為了加強這門課程的教學實踐和管理,需要建立一個提高教學實驗環節作業管理輔助教學平臺,該平臺具有以下功能:

(1) 支持網上信息瀏覽、網上作業布置、提交及評判、網上答疑等整個教學互動活動。

(2) 作業的設計與教學內容相一致,每個章節由多個作業組成,作業內容按難易程度分為選擇題、填空題、簡答題和編程題來設計,另外,還設計了綜合實驗大作業來鍛煉學生的知識綜合運用能力。老師通過此平臺可按教學要求選擇不同類型的作業定時在網上發布和關閉,學生只能在提交作業的有效期內完成并提交作業,這樣也可督促學生及時完成作業。

(3) 為了充分利用選用的輔助教學平臺工具可以自動評判某類(選擇題、編程題)作業的功能,設計符合要求的作業形式,以達到最大程度的作業自動評判,減少老師評判作業的勞動強度。

(4) 利用輔助教學平臺的網上答疑和互動功能,不僅學生的學習問題能夠及時得到解答,而且也鼓勵學生之間對問題的討論,對積極參與的同學給予一定的獎勵,提高同學的參與興趣。

3 結論

隨著Internet網絡及計算機的普及,使得信息可以隨時、隨處可得,這要求教學手段及方法也應更新,我們采用算法與數據結構的三層教學體系,在繼承原有教學體系中關注課堂教學的基礎上,加強課程的課后復習及教學實踐環節,可以使算法與數據結構這門課的教學更加系統和全面,更加適應現代教學的特點及教學改革時代的潮流,對提高教學的質量、效果和效率無疑是非常必要的。

目前,在國外大學課程教學過程中,基于計算機網絡,利用音頻、視頻甚至虛擬現實技術已經相當普遍,也是發展趨勢。國內許多高校如清華大學、廣東工業大學等都開展了數據結構和算法課程教學輔助平臺的研究和實踐工作,國外也開展了有關的研究和實踐工作,如芬蘭赫爾辛基技術大學就提供有專門的針對數據結構與算法課程練習的輔助教學網。這些研究的成果也給我們實施算法與數據結構這門課的改革提供了參考和依據。

我們的教學工作正按照所提出的三層教學體系不斷的建設和完善,作業管理輔助教學平臺已經投入使用,支持課后復習與評估的教學輔助平臺正在建設之中,相信“算法與數據結構”這門課的教學質量和效果在我們不斷的教學改革中會越來越好。

參考文獻:

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