數據結構實踐平臺的架構與應用

汪沁 張凱 奚李峰

摘要：在計算機專業的各門基礎課程中，“數據結構”課程在提高學生的科學素質方面起著無可替代的作用。本文對新形勢下的數據結構實踐進行了探索和研究，以期提高學生學習能力和教學效率。

關鍵詞：數據結構；素質教育；算法

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2016）08-0088-04

引言

信息化社會和多元化應用型人才需求的發展趨勢，對我國信息類的高等教育改革，特別是計算機專業教學提出了新的要求和新的課題。“數據結構”課程作為計算機專業教學計劃中的核心課程，同時也是非計算機專業的主要選修課程之一，其教學改革的要求更為迫切。

早在浙江萬里學院建校初期，校領導就十分重視重點課程的建設和培育，因此“數據結構”課程被列入了校重點建設課程。在計算機專業課程體系中，“數據結構”課程不僅在提高學生的科學素質方面起著無可替代的作用，其實踐教學在整個計算機專業教學中的地位更是舉足輕重。所以在該課程的實踐教學上，我們不斷嘗試教學改革和探索，提高教學效果，開發學生的創造能力，以適應時代的變化，培養高素質的信息化應用型人才。

數據結構實踐教學平臺的框架設計

在計算機科學中，“數據結構”是一門綜合性的專業核心課程。它不僅涉及計算機硬件（特別是編碼、存儲裝置和存取方法等）的研究范圍，而且和計算機軟件的研究有著更密切的關系，無論是編譯程序還是操作系統，都涉及數據元素在存儲器中的分配問題。通常在研究信息檢索時也必須考慮如何組織數據，以便查找和存取數據元素。[1]因此，我們可以認為“數據結構”是介于組合數學、計算機硬件和計算機軟件之間的一門核心課程；在計算機科學中，它不僅是一般（非數值計算）程序設計的基礎，更是設計和實現編譯程序、操作系統、數據系統及其他系統程序和大型應用程序的重要基礎。數據結構實踐教學平臺的框架設計如圖1所示。

建設內容及體會

1.改革實踐教學模式，建立多形式、多層次的立體化實踐教學體系

大力探索改革已不適應新形勢下“數據結構”課程的實踐教學模式，需建立起“科學設計實踐教學內容，優化實踐教學過程、指導方法，培養創新能力”的“引導—探索—實驗—掌握”的教學模式，從驗證性的基礎實驗走向綜合性、設計性的開放實驗，并通過素質拓展、學科競賽、工程項目訓練等方式，構建起第一、第二課堂相結合的分層次的立體化數據結構實踐教學體系（如圖2）。同時，相關的教材、教輔軟件等資源建設以及實踐教學考核體系的建設，有力地支撐了“數據結構”課程的實踐教學。[2]

這種實踐教學模式，充分發揮了教師的主導作用，突出了學生的主體地位。教師變單向信息傳遞為雙向式、多向式信息傳遞與交流，只在課內講重點、關鍵點和注意點，發揮主導調控作用。學生通過師生互動主動參與實驗。課本讓學生看，實驗讓學生做，思路讓學生想，疑難讓學生議，錯誤讓學生析。學生通過這種實踐教學模式能獨立設計實驗，最大限度地調動自主學習的積極性和主動性。[3]這種模式主要采取提問、答疑、討論、觀察實驗現象、動手操作等方式，來加強對學生實驗能力和創新能力的培養。

教師根據教學大綱的要求把實驗操作能力要達到的教學目標加以分解，并按實驗內容難易程度分解為驗證性實驗、綜合性實驗、設計性實驗，其中驗證性實驗一般以大綱中規定必做的實驗為主。[4]另外，對較優秀的學生可以增加綜合性實驗和設計性實驗。綜合性實驗是將不同的實驗進行組合，綜合解決較復雜的問題，要求學生利用各種方法去解決新的問題。設計性實驗是根據教師提出的實驗目的要求，學生自行設計，完成實驗內容，在課外開展豐富多彩的第二課堂活動。

2.實踐教學和教改項目相結合，大力推進“項目化工程訓練”建設

目前，我校計算機與信息學院承擔著浙江省新世紀教改項目“信息類學生項目化工程訓練的應用型人才培養模式”，該項目與“數據結構”課程的第二課堂活動緊密結合。它是指在實踐性課程教學中，將實踐內容分解成一個個的小課題，將學生按課題組（項目團隊）進行分組，在小組內各行其責，通過參與不同項目角色的演練，完成不同規格的要求，最終達到“應用型人才培養”教學目標的一種課程訓練模式。實踐教學可以是課程實驗、課程設計，也可以是集中實踐或實習。按照課程體系的安排和“專業興趣培養→專業基礎奠定→專業技能訓練→行業小項目引導→企事業實用項目開發”的過程培養，“項目化工程訓練”不僅能使學生在積極參與中掌握真正的專業技能和理論基礎知識，逐步養成獨立思考、自主學習的良好習慣，不斷增強應用創新和可持續發展能力，而且能鍛煉學生的團隊協作精神，培養其溝通技巧和管理能力，進而增強其自信心和責任感，成為真正意義上的高素質應用型人才。

該項目的實施使學生形成了比學習、重思考、求發展的良好學風。它突破了傳統的、單一的、學科型的訓練模式，構建起一種學生主動參與、自主學習的新型實踐性課程訓練模式。實踐訓練模式的改革，必然會促進“數據結構”理論教學模式的改革與創新。

3.更新“數據結構”實踐教學內容，從“面向過程”過渡到“面向對象”

在課程內容體系方面，既要保證“經典”理論和知識的傳授，又要兼顧“現代”技術發展，認真處理好“經典”與“現代”的辯證關系。

“數據結構”課程的理論體系、經典算法變化不大，但在算法描述的語言工具方面，變化比較大，已經由PASCAL語言發展到C語言，再到C++語言。雖然“數據結構”課程本身似乎注重于算法思想的學習和分析，但它來源于實際問題，因此它更是一門實踐性很強的課程，即需要在計算機上以適當的存儲結構、具體的程序編碼，將“經典算法”應用于實際問題，當然其過程的實現必須通過上機來調試運行程序。

因此，選擇適當的程序設計語言顯得尤其重要。當前軟件平臺和開發工具的迅速發展，使得一些應用軟件的開發已經由“面向過程”過渡到“面向對象”。但有些高校仍然使用“面向過程”的C語言進行數據結構教學，這對于夯實理論基礎有一定的合理性；而另一些高校采用C++語言“面向對象”技術進行“數據結構”課程教學，這樣更接近于現在軟件行業的實際，更適應應用型人才培養的趨勢。我們的“數據結構”教學經歷了由PASCAL到C，再到C++以及面向對象C++的過渡，通過多年來的改革實踐，課程在內容上更具有先進性、科學性，基本反映了本學科領域的最新科技成果。

值得一提的是，使用面向對象C++語言進行程序設計，會使實驗難度有所加大，針對這種情況，我們開發了專用的“數據結構實踐教學”軟件，其功能模塊包括：與程序同步的算法動態演示部分，可供學生復習或自學；允許學生實時在線編輯和運行C++程序；自行設計典型數據結構的類代碼庫，可供學生選擇引用，以減輕上機實驗的負擔。

為了提高學生的學習興趣和能力，我們還組織了課外興趣小組，同時，積極引導本科生參與科研活動。通過課外給予指導、內容適當加深、技能適當拓寬，學生完成能夠演示的軟件或發表論文。這樣數據結構實驗已經初步具有開放綜合性、創新性和研究性等特點。

效果

1.教材建設

為了配合浙江省重點教材《數據結構——使用C++語言》，我們編寫了適合本校情況的實驗指導書，先后出版了3個版本。

課程組申請的《數據結構——C++》于2006年8月正式列入教育部普通高等教育“十一五”規劃教材。該教材和相配套的實驗教材面向工程型和應用型人才的培養，遵循“經典”內容和“現代”技術的有機結合。

為了推進實踐教學改革，我們對教材的指導思想是教材應重視學生實踐能力的培養，體現以實驗為基礎的學科特色。在“數據結構”實踐教學中，我們注重學生自己動手實驗學習知識，在綜合實驗運用系統討論“黑箱”“灰箱”和“白箱”的思想，指導學生區別對待難點、重點和基本點，使不同水平的學生能各盡其能，體驗成功的樂趣。

2.建設了一個較好的教師團隊

“數據結構”課程組教師隊伍結構合理，平均年齡35歲，其中高級職稱占70%，中級職稱占30%，青年教師中有博士、碩士。教授領隊，形成“教授+副教授+講師”的合理梯隊。課程組教師由于經常參加國內外各類進修，所以涌現出一批年輕的骨干教師。同時，課程組發表的相關文章，有很多在各類教學競賽中獲獎，其中“數據結構精品課程建設模式與實踐”獲得寧波市教學成果一等獎（政府獎）。

3.學科競賽成效

由于“數據結構”實踐教學能提高學生進行復雜程序設計的能力以及算法設計和分析能力，所以學生取得了一些與“數據結構”課程相關的成果。

在全國大學生數學建模競賽中，學校5年來共獲得一等獎7個、二等獎4個。

在寧波市高校大學生科技小制作評選活動中，我校潘庚然的《基于分布式密鑰的增強型手機錢包》獲得一等獎，盧海陽的《無線POS機支持的體育WEB化管理系統》、鄭東東的《軟件缺陷跟蹤管理系統（UDTS V2.0）》獲得二等獎，汪靈峰的《PC機聯結嵌入式系統實現無線、遠程數據采集與環境溫度監測》、戴連成的《電子搶答器》和周峰的《感應報警器》獲得三等獎，還有張龔等8位學生的作品獲得優勝獎。

總之，只要切實抓好數據結構實踐教學改革，通過教師和學生的共同努力，實驗教學的質量將會得到更大的提高。

參考文獻：

[1]嚴蔚敏，吳偉民.數據結構（C語言版）[M].北京：清華大學出版社，1997（4）：54-193.

[2]汪沁，楊秀金.《數據結構》教學改革與研究[J].湖北師范學院學報（自然科學版）， 2004（24）：93-97.

[3]楊秀金，等.數據結構[M].西安：西安電子科技大學出版社，2001：33-145.

[4]談春媛，等.數據結構[M].北京：電子工業出版社，1997（8）：1-63.

作者簡介：汪沁，女，教授，計算機應用；張凱（1978—），男，講師，計算機應用；奚李峰（1971—），男，教授，計算機應用。

本文受浙江省新興特色專業“軟件工程”專項資助。