數據結構課程教學改革與實踐

　　摘要：根據課程教學特點探討教學改革的指導思想，提出5個方面的措施，通過面向對象化教學思想、案例、項目驅動相結合的教學方法、課程網站建設以及考核體系方面的改革和實踐，為教學改革提供借鑒。
　　關鍵詞：對象技術；案例教學；項目驅動；考核體系
　　
　　數據結構不僅是計算機專業基礎性的專業必修課，也是信息、數學等非計算機專業的必修課或選修課，它旨在培養學生將客觀世界的應用問題按照面向對象程序設計的思想轉化為計算機可處理、加工的數據，能根據數據的屬性，選擇合適的邏輯結構(設計問題的數學模型)和存儲結構(數學模型的實現)，也就是從問題中抽象出一個適當的數學模型(設計的算法)，以及數學模型在計算機內部的表示和實現(算法實現)的能力，初步掌握對算法性能分析，利用面向對象程序設計思想訓練復雜程序設計的能力。深刻理解數據在計算機中的存儲問題，重點是數據的邏輯結構、存儲結構和在特定結構基礎上的算法實現，注重算法的效率性和在實際問題中選擇結構，以提高學生軟件分析、設計、編程和數據組織的能力，為后續學習面向對象程序設計、軟件工程、數據庫原理、人工智能等課程奠定堅實的理論和實踐基礎。因此，如何提高數據結構課程教學質量是課程改革的一項緊急任務。
　　
　　1　教學改革的指導思想
　　
　　我們認為，教學改革注重以下4方面問題：1)教師樹立現代化的教育觀是教學改革的根本，把“以教師為主體”、“以課堂為中心”的傳統教育觀轉變為“以學生為主體”、“以實踐為中心”的新教育觀，教師的課堂教學要視情況發展而變化。數據結構的內容是程序設計和軟件工程的基礎，也是程序設計思想發展的必然結果，隨著程序設計在非數值處理領域越來越深，程序規模也越來越大，它要求程序具有可重用性、繼承性等功能，于是出現了面向對象(OO：Obiect-Oriented)技術，根據程序設計的需要，教師在講授時應朝著面向對象技術作相應調整。2)目前，很多學校都開始注意選擇面向對象程序設計語言版本的教材，如C++或者Java類的教材，但值得注意的是，學生在學習數據結構之前只學了C語言程序設計，缺乏面向對象程序設計的思想，更沒有復雜程序設計的經驗，他們也許可以看懂對某一問題的算法，但到實驗室上機編程時，卻不知從何下手，學生本想通過編程來驗證一些理論和算法以及一些想法，提高學習興趣，此時，卻無法實現，學習興趣和動力受到影響。上述問題的原因可以歸納為以下幾點：1)程序設計的訓練不夠；2)沒有接受復雜代碼的完整的程序訓練；3)在數據結構教學過程中，教師往往只注重課本上的理論教學，缺乏將理論和算法轉化為可執行的代碼的實例。針對這樣的問題，我們將“案例教學、項目驅動”教學方法應用到數據結構教學中，將數據結構抽象的內容具體化、實例化，將空洞的理論和算法項目化，在案例教學中學習，在項目實踐中鍛煉，借鑒企業項目的實際操作，縮短學校學習與企業工作之間的距離，實現學校實驗室與企業環境的零距離。4)數據結構覆蓋的內容多而廣，牽涉到前驅課程也較多，在課堂教學時數及實驗時數都有所縮減的情況下，為了更好地使學生熟練掌握數據結構知識，我們可以開辟新的學習環境——網絡課堂。我們發現，學生在學習過程中，希望找到更多更全的相關資料，希望了解自身在該門課程上的學習狀態，有了網絡課堂，學生就可以從課程網站瀏覽或下載相關內容。5)良好的課程考核體系至關重要，教師應在第一堂課時就將課程的考核方案+實驗要求公布出來，讓學生將學習和考核結合起來，促進學習。上述教學改革，可以更好地提高教學水平，實現提高學生的抽象思維能力、培養學生解決實際問題的能力和創新能力的課程教學宗旨。
　　
　　2　課程教學模式改革的實踐探索
　　
　　2.1　將面向對象化教學思想融入課堂
　　面向對象方法是當今乃至將來程序設計的一種流行方法，它形成了新的學科分支，并廣泛應用于操作系統、數據庫、軟件工程和人工智能等領域，加強這種方法的磨練，對學生學好后續相關課程非常重要。其方法具有如下優點。
　　1)提高軟件的可修改性、可重用性、可維護性。一旦某個數據結構的數據存儲結構發生變化，只需簡單修改和數據封裝在一起的有關操作，只要操作的對外接口保持不變，程序的其他代碼就不用修改。
　　2)提高軟件的安全性。由于數據的屬性和方法是封裝的，對外只提供使用的接口。
　　3)對象具有繼承性。將幾種常見的數據結構抽象化為對象，每一個結構就是一個類，這些可重用的類打成包，以備以后在程序開發中重用。
　　例如數據結構主要強調兩個方面的內容：一是同類數據元素間的依賴關系；二是針對這些依賴關系的基本操作。這些操作是充分的，依賴它們可以實現對這些具有特定關系的元素的任意訪問。抽象數據類型(ADT)的接口用一種類型和該類型上的一組操作來定義，每個操作由它的輸入和輸出定義，現在用一種更高層的抽象技術，也就是面向對象技術，可以將其抽象數據類型進行轉化。ADT是數據結構(客觀實體)的邏輯描述形式，其形式如圖1所示。
　　將抽象數據類型轉化為對象，其描述的形式如圖2所示，從中我們不難發現，ADT和OO都是對數據元素及其相互關系的描述及其操作的描述。面向對象方法很容易從抽象數據類型轉化過來，用面向對象方法的思想抽象化客觀實體，在數據結構課程中，線性結構，樹形結構和圖形結構都是采用抽象數據類型的描述方式，在課堂講解時，都可以以面向對象方法來分析這些數據結構。
　　
　　
　　2.2　應用案例調動學生學習積極性
　　案例教學是指由教師選擇典型項目，以合適的形式把學生帶入一種特定的真實企業項目或模擬企業項目情境中，在教師的指引下，由學生依靠已學知識和背景，在這種類似企業項目情境中發現、分析和解決問題，這種教學緊緊圍繞已學知識，借助案例使理論和實踐緊密地結合起來，最終達到培養學生解決實際問題能力的目的。
　　案例教學是一種啟發性教學模式，必須在詳細講完一個章節的理論知識后，有目的、有針對性地設計相應的教學案例，案例要充分體現本章理論知識的應用，運用理論指導實踐，學以致用，增強學生潛在的學習興趣，同時，要消除學生的畏難情緒，理論知識理論性強、概念抽象，且比較難懂，案例有助于促進理論知識的提升，加強學生實踐能力，例如，講解線性表的順序存儲結構時，由于教材對算法描述都是采用類C語言，順序表建立、插入、刪除的基本操作可以作為一個典型案例，作為一個實驗項目，把實驗的目的、實驗內容、實驗所需的軟件和硬件設備、實驗原理圖、實驗方法和步驟一一展示出來，重點是分析這些實驗操作的過程和展示類C語言描述的算法轉換成C語言的源程序并將其實現。通過案例對任務進行細化和深化，突出重點，透析難點，引導學生主動參與項目分析討論，啟發、引導學生對案例進行思考分析，最后提供解決問題的方案，指引完成任務的實現途徑。這種帶著問題進行思考和分析的教學方式，調動了學生主動求知的欲望，學生感受到了實驗成功的喜悅，不再把學習當做枯燥無味的任務來隨便應付。
　　
　　2.3　以項目驅動提升實踐能力
　　項目驅動教學是以項目為載體構建學習情境，學生在老師的指導下，通過共同學習，協作完成一個完整的綜合性項目，以達到完成教學任務的一種教學方法，它適用于學習各類實踐性和操作性強的課程，數據結構便是如此，這有利于培養學生自主學習、分析問題和解決問題的能力。
　　在項目驅動教學過程中，要注重3個中心的變化，一是由以教師為中心轉變為以學生為中心，轉變前教學是以老師講、學生聽的被動學習，課堂氣氛沉悶，缺乏師生交流，轉變后是以學生為主體，學生積極參與學習和討論；二是由以課本為中心轉變為以項目為中心，過去以課本為綱，照本宣科，現在需要教師在學完章節的理論后引進相應案例，如上所述，在講解線性表的順序存儲結構時，引進相應的案例，同時，需要備好對應的項目(包括實驗所需的軟件和硬件設備，實驗原理圖，實驗方法和步驟，最后的結果演示，上交項目報告的寫作要求等)，例如線性表的合并等項目供同學們選擇，每組3～5人，自由組合，發揮各自的特長，自選組長，明確分工，組長對各成員承擔的任務進行考核和管理，學生可以在課外根據老師在課堂所講的案例和查閱相關資料，自主學習，充分發揮共同學習，協作完成任務，所有項目最多可以有2、3組選擇，避免抄襲；三是由以課堂為中心轉變為以實踐為中心，課堂的講解是為了更好的上機操作，所有的工作都是為實踐服務，項目的完成和項目的演示都在實驗室，在項目開發過程中，教師對項目進行具體的指導，項目完成要進行程序演示，并對每個項目進行點評和總結。緊緊圍繞這3個中心，把工作做細，方案備全，學生在項目驅動的環境中使原有的知識、經驗得到進一步的充實、豐富、完善和重構，提升實踐操作的能力，縮短與社會、企業需求的差距。
　　
　　2.4　建設課程網站
　　利用校園網或專門開發課程的網站，數據結構課程非常合適開設網絡教學。網站都配備有數據結構的教學課件、學習指南、算法的演示程序以及源程序、配套的習題等資料，學生可以在課外隨時進行網絡學習，同時，教師的“教”與學生的“學”有更多的互動，例如，學生遇到問題可以在網絡上留言，老師適時在線指導，這種課堂、實驗室以外的學習可以有效解決學生課外學習所遇到的問題。
　　
　　2.5　建立良好的考核體系
　　考試是檢驗教學質量和檢查學生掌握知識水平的一種重要手段。傳統的教學模式只關注學生卷面的成績，把考試分數作為衡量學生成績的唯一手段。隨著教學方法和教學環境的改變，我們需要一套科學的考評體系。
　　考核體系要全面、公平、客觀地評價學生該課程學習所達到的水平，針對數據結構課是一門必修課，我們采用閉卷考試進行考核，但總評成績由一下評定構成：平時表現占10％，包括理論課和實驗課不定時點名制，考核學生到課情況：課后作業和小項目的實驗完成情況。課程項目占30％，課程學完后，學生按照項目要求，3～5人一組，每組完成一個大作業，其中小組答辯10％、項目報告20％。期末考試占60％。由這3部分組成的考核，降低了試卷分數的比例，更注重學生平時表現和學習過程，尤其是實驗動手能力。這有利于推進教學，提高學生學習的積極性和主動性。
　　
　　3　教學實踐
　　
　　為了驗證教學模式改革在數據結構課程中的效果，我們在信息與計算科學專業1班43人(其中女生7人)和2班41人(其中女生6人)做了一次實踐，兩個班學生的計算機基礎都差不多，現在1班采用傳統的教學方法，2班采用改革的教學模式，期末測評采用統一的考核體系：平時成績(10％)+課程項目(30％)+期末考試(60％)，現將兩個班的期末平均測評結果統計如表1所示。
　　fuIThR3i7AYty0HHX+E7gF4bibsq2IIkgdSuTaa10+M=
　　結果顯示，改革后的教學模式，提高了學生學習的積極性和學習興趣。案例教學、項目驅動，引入了企業化的環境，模擬了項目開發過程，培養了學生對項目實施的解決問題的能力，同時，加深了學生對理論的理解。
　　
　　4　結語
　　
　　數據結構是培養學生嚴密邏輯思維的能力和提高抽象數據表示能力，以及提高算法實現能力的重要課程，要探索出更為科學的課程教學模式，我們仍需要一點一滴的積累，本文從面向對象化教學思想、案例教學，項目驅動相結合的教學方法、課程網站建設以及考核體系方面，對數據結構課程教學模式的實踐與總結，旨在探索一種可行性的教學模式，在設計和實施中還有許多不足之處，還有待于進一步的完善和改進。
　　
　　
　　(編輯：郭小