基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教輔系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程改革

張瑞霞，周 婭，唐 麟（桂林電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

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基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教輔系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程改革

張瑞霞，周 婭，唐 麟
（桂林電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

摘 要：基于自行開發(fā)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教輔系統(tǒng)，提出應(yīng)以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體、源碼學(xué)習(xí)為中心，綜合利用Flash、Java、Android手機(jī)游戲、開源Linux等方式，在教學(xué)中將理論性、實(shí)踐性與娛樂性有機(jī)結(jié)合起來，并分別從自主學(xué)習(xí)、個(gè)性化、興趣性、探索性等方面說明數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教輔系統(tǒng)的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；源碼；教輔系統(tǒng)

0　引　言

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)課，該課程具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力起著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題是教學(xué)手段單一、編程語(yǔ)言單一、實(shí)驗(yàn)題目缺少前沿性和趣味性以及實(shí)用性[1-3]。筆者針對(duì)教學(xué)中存在的問題，結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐開發(fā)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教輔系統(tǒng)平臺(tái)。該平臺(tái)不但能夠輔助學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)，而且能夠輔助教師的課堂教學(xué)。

該系統(tǒng)以培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐為主要目的，系統(tǒng)地設(shè)計(jì)融入教學(xué)的理念和方法并應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索實(shí)踐中，結(jié)合大學(xué)生喜歡新生事物的特點(diǎn)，綜合利用Flash、Java、視頻錄像、Android手機(jī)游戲、開源Linux等方式，將理論性、實(shí)踐性與娛樂性有機(jī)結(jié)合起來，逐步培養(yǎng)面向應(yīng)用的創(chuàng)新人才。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教輔系統(tǒng)包括理論知識(shí)點(diǎn)、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)等8個(gè)模塊，內(nèi)容分別是源碼學(xué)習(xí)、教學(xué)資源、算法演示、開源Linux、實(shí)驗(yàn)互動(dòng)、實(shí)踐創(chuàng)新、Android游戲和作品展示，如圖1所示，我們?cè)诶碚摵蛯?shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)為學(xué)生構(gòu)建了完整的自主學(xué)習(xí)資源。整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊是源碼學(xué)習(xí)，在這個(gè)模塊中包含了其他各個(gè)模塊涉及的完整代碼。這些源碼可以輔助教師的課堂教學(xué)，更有助于學(xué)生課下的自主學(xué)習(xí)和探索性學(xué)習(xí)。

圖1　系統(tǒng)模塊

2　實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

2.1算法演示與代碼動(dòng)態(tài)同步關(guān)聯(lián)

對(duì)抽象算法的理解是學(xué)好數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的第一步，因此教學(xué)過程中我們采用Flash演示幫助學(xué)生更好地理解知識(shí)點(diǎn)。不過，傳統(tǒng)的Flash脫離代碼，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中雖然理解了算法，但在具體實(shí)現(xiàn)代碼時(shí)卻存在障礙。在算法演示模塊中，我們利用Java和Flash技術(shù)，將算法演示與算法代碼有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了算法演示與當(dāng)前代碼的同步關(guān)聯(lián)[4-5]。在二叉排序樹的插入算法中，插入的數(shù)據(jù)既可以隨機(jī)產(chǎn)生，也可以手工輸入，具有良好的互動(dòng)性。代碼執(zhí)行到哪里，F(xiàn)lash演示到哪里，這樣就將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的算法具體化，在算法理解和算法實(shí)現(xiàn)之間搭起一座橋梁。這種多媒體動(dòng)態(tài)演示程序提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，受到越來越多的教學(xué)者和學(xué)習(xí)者的歡迎。我們自行開發(fā)了30多個(gè)類似演示，包含數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的重難點(diǎn)部分，有助于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。

2.2動(dòng)態(tài)調(diào)試方法幫助學(xué)生理解抽象的概念

在源碼學(xué)習(xí)模塊，共有70多個(gè)工程文件包含其他模塊中所有案例的完整源代碼，在軟件安裝時(shí)分類安裝到系統(tǒng)目錄中，可以方便學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和教師的輔助教學(xué)。在課堂上，教師可以利用源碼輔助教學(xué)。例如，在關(guān)于鏈表的學(xué)習(xí)過程中，為了使學(xué)生更好地理解指針和鏈表算法，教師在創(chuàng)建鏈表、插入算法、刪除算法、設(shè)置斷點(diǎn)時(shí)，通過單步調(diào)試幫助學(xué)生理解抽象的算法。教師將調(diào)試的過程放慢節(jié)奏并結(jié)合板書，給學(xué)生分析自動(dòng)窗口和局部窗口指針的變化，通過單步調(diào)試方式幫助學(xué)生理解代碼。調(diào)試技術(shù)有助于學(xué)生自行分析尋找自己在程序設(shè)計(jì)中的邏輯錯(cuò)誤。鍛煉學(xué)生的調(diào)試能力，是培養(yǎng)其動(dòng)手實(shí)踐能力的關(guān)鍵起步點(diǎn)。另外，項(xiàng)目組成員將每章中的重點(diǎn)算法調(diào)試過程制作成了微課，方便學(xué)生課下復(fù)習(xí)。

2.3實(shí)施個(gè)性化教學(xué)，支持多語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)

“適合教育是面向每一個(gè)學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展教育，是因材施教的最高境界，是對(duì)每一個(gè)學(xué)生高度負(fù)責(zé)的教育”[6]。學(xué)生的個(gè)性品質(zhì)是社會(huì)、家庭、學(xué)校共同作用的結(jié)果，學(xué)生個(gè)性特征、興趣愛好的差異和學(xué)生學(xué)習(xí)多樣化的需求，決定了高校的創(chuàng)新教育必然是一種因材施教、個(gè)性化的教育，因此應(yīng)在一個(gè)大框架基礎(chǔ)上將學(xué)生進(jìn)行分類，讓學(xué)生有一定的學(xué)習(xí)選擇權(quán)，有屬于自己支配的時(shí)間和空間，充分發(fā)展學(xué)生良好的個(gè)性品質(zhì)，使學(xué)生個(gè)性張揚(yáng)的同時(shí)產(chǎn)生創(chuàng)造性。我們制定了切實(shí)可行的、彰顯學(xué)生個(gè)性和能力的方案，并應(yīng)用到作業(yè)、實(shí)驗(yàn)以及課程設(shè)計(jì)中。

我們以C語(yǔ)言版本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為教材[7]，但是更關(guān)注學(xué)生的個(gè)性，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)自身的興趣愛好以及能力用其他語(yǔ)言（如C++或Java）實(shí)現(xiàn)。除了開發(fā)語(yǔ)言，學(xué)生也可以自由選擇開發(fā)環(huán)境。筆者在學(xué)校信息安全專業(yè)2009、2010和2011級(jí)試點(diǎn)后，得到了學(xué)生的認(rèn)可。從學(xué)生提交的作品看，這種形式真正發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性。從2010級(jí)信息安全專業(yè)的58個(gè)學(xué)生來看，8個(gè)學(xué)生選擇Java語(yǔ)言，10個(gè)選擇C++，40個(gè)選擇C語(yǔ)言。從平臺(tái)來看，6個(gè)學(xué)生在Android平臺(tái)上開發(fā)，8個(gè)選擇Linux環(huán)境，44個(gè)選擇Windows環(huán)境。其中15個(gè)優(yōu)秀的作品中，使用Java語(yǔ)言的2個(gè)，使用Android的3個(gè)，使用Linux環(huán)境的2個(gè)。從中可以看出，這種靈活的方式更能調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。

2.4Android手機(jī)游戲培養(yǎng)學(xué)生興趣

興趣是最好的老師。結(jié)合大學(xué)生喜歡新鮮事物的特點(diǎn)，我們開發(fā)了3款原創(chuàng)Android手機(jī)游戲[8-9]，幫助學(xué)生理解抽象的概念，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。“小球排序游戲”有助于學(xué)生理解二叉排序樹的概念，游戲說明給出了涉及的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)點(diǎn)和玩法，左邊的小球一直往上移動(dòng)，上面的數(shù)字是隨機(jī)出現(xiàn)的，玩家根據(jù)二叉排序樹的性質(zhì)放到合適的位置，在小球到達(dá)頂端之前沒有完成插入，即游戲失敗，正確完成7次排序后則進(jìn)入下一關(guān)。“荊軻游戲”共設(shè)兩關(guān)，分別包含了隊(duì)列和棧的概念，主人公荊軻首先在3個(gè)商人那里購(gòu)買狼、羊和白菜，如果按照安全的方式運(yùn)到南岸，則進(jìn)入下一關(guān)走迷宮；一旦走錯(cuò)，比如狼和羊單獨(dú)在一起，則游戲失敗重新再來。“師傅選掌門游戲”包含了循環(huán)鏈表的概念。這些游戲的實(shí)現(xiàn)都會(huì)用到某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使學(xué)生切實(shí)感受到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法無(wú)處不在的魅力，并有意識(shí)地應(yīng)用到編程實(shí)踐中。

2.5更新綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題目和課設(shè)題目

如果不及時(shí)更新傳統(tǒng)陳舊的實(shí)驗(yàn)題目，一方面不能調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和熱情，另一方面，學(xué)生能夠從各種渠道找到成熟的方案，留給學(xué)生自行設(shè)計(jì)的空間太少，不能達(dá)到設(shè)計(jì)性要求[10]。因此，應(yīng)該緊跟時(shí)代發(fā)展，不斷更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。題目可以由學(xué)生自擬，也可以由指導(dǎo)教師選擇一些創(chuàng)意題目，如“基于Android平臺(tái)的校園導(dǎo)航”能考查學(xué)生對(duì)圖的最短路徑的理解。這個(gè)題目貼合生活實(shí)際，符合時(shí)代趨勢(shì)，激發(fā)了學(xué)生的興趣。“基于紅黑樹的堆內(nèi)存泄漏檢測(cè)”能夠跟蹤由new和delete引起的內(nèi)存泄漏問題，是在學(xué)生理解了復(fù)雜的紅黑樹后開發(fā)的較為實(shí)用的作品。“化學(xué)輔助工具”是學(xué)生為高中化學(xué)教師做的小工具，是學(xué)生對(duì)鏈表的靈活應(yīng)用，該工具能夠輔助化學(xué)教師構(gòu)建復(fù)雜的化學(xué)符號(hào)和化學(xué)公式。“單詞拼寫檢查器”是學(xué)生自學(xué)Trie樹后設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的課設(shè)作品，具有高效訪問、自動(dòng)提示、錯(cuò)誤檢查等功能。優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)和課設(shè)作品在作品展示模塊展示，包括完整的設(shè)計(jì)文檔、可執(zhí)行程序和工程源代碼，激發(fā)了更多學(xué)生的興趣性和探索性。

2.6學(xué)以致用，不斷創(chuàng)新，激勵(lì)學(xué)生探索性學(xué)習(xí)

培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力并使其能夠?qū)W以致用是教學(xué)的重要目標(biāo)。為了培養(yǎng)學(xué)生這方面的能力，我們將Linux中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)剝離，并引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用，融匯在作業(yè)、課程設(shè)計(jì)以及創(chuàng)新實(shí)踐中，這樣學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)向?qū)嵱眯赃~出了一步。例如，課本上對(duì)鏈表的描述與Linux中真實(shí)使用的循環(huán)鏈表是有差別的。Linux中使用的鏈表為了實(shí)現(xiàn)通用性，其定義形式和課本上是不同的。學(xué)習(xí)通用鏈表能為后續(xù)學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)課程打下基礎(chǔ)，有助于學(xué)生深入理解和研究Linux操作系統(tǒng)中的某些模塊（如文件監(jiān)控模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊）。系統(tǒng)提供了多個(gè)案例，教師在課堂上抽取部分重點(diǎn)講解。這些案例包含了對(duì)Linux中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的講解、使用工程及說明文檔，從教學(xué)效果看，極大增加了學(xué)生對(duì)Linux的研究興趣，學(xué)生由原來的好奇和畏懼，到一步一步深入探索性學(xué)習(xí)，加深了對(duì)學(xué)生探究能力的培養(yǎng)。

筆者指導(dǎo)的學(xué)生獲得國(guó)家級(jí)創(chuàng)新項(xiàng)目1項(xiàng)、廣西區(qū)級(jí)創(chuàng)新項(xiàng)目2項(xiàng)。我們應(yīng)以創(chuàng)新項(xiàng)目為契機(jī)，引領(lǐng)基礎(chǔ)扎實(shí)的學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新開發(fā)。比如，“基于Android 平臺(tái)的手機(jī)安全防護(hù)系統(tǒng)”是國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，“基于Linux的多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)”是在Linux下利用開源庫(kù)開發(fā)的廣西區(qū)級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目。

3　結(jié)　語(yǔ)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教輔系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)過程中吸納了一批動(dòng)手實(shí)踐能力較強(qiáng)的學(xué)生參與完成，并且包含了大量的學(xué)生優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)作業(yè)、課程設(shè)計(jì)和創(chuàng)新項(xiàng)目。整個(gè)系統(tǒng)整合為一個(gè)安裝包，學(xué)生能方便地安裝在自己的機(jī)器上進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。該系統(tǒng)經(jīng)過2009、2010、2011級(jí)3屆學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐，教學(xué)效果明顯，并獲得第12屆全國(guó)多媒體課件大賽工科組一等獎(jiǎng)，并在進(jìn)行不斷的完善改進(jìn)中。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：孫怡銘）

第一作者簡(jiǎn)介：張瑞霞，女，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與信息安全，rxzhang@guet.edu.cn。

基金項(xiàng)目：廣西區(qū)級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目（2014JGZ117）；廣西精品課程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)項(xiàng)目；桂林電子科技大學(xué)國(guó)家級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)示范中心項(xiàng)目（教高廳函2015[2]號(hào)）。

中圖分類號(hào)：G642

文章編號(hào)：1672-5913(2016)04-0068-03