遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)改革探索*

◆張唯　王曉醉

遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)改革探索*

◆張唯王曉醉

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程，針對(duì)當(dāng)前教學(xué)中出現(xiàn)的知識(shí)結(jié)構(gòu)零散，學(xué)生學(xué)習(xí)熱情低的現(xiàn)象，結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以專業(yè)應(yīng)用為目的，從能力本位型教學(xué)方法、應(yīng)用型實(shí)踐設(shè)計(jì)和綜合性考核評(píng)價(jià)機(jī)制三個(gè)方面，對(duì)現(xiàn)有遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)進(jìn)行調(diào)整。通過對(duì)2012和2013級(jí)學(xué)生的調(diào)查回訪發(fā)現(xiàn)，重組后的教學(xué)模塊和實(shí)驗(yàn)方案能夠有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，編程能力的提高能夠在后續(xù)的考核中得到充分體現(xiàn)，取得良好的教學(xué)效果。

能力本位教育；應(yīng)用型實(shí)踐；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.16.095

1　引言

當(dāng)代大學(xué)教育已經(jīng)從“知識(shí)教育”逐漸向“能力培養(yǎng)”轉(zhuǎn)變，美國(guó)工程院更是將分析、實(shí)踐、創(chuàng)造力等一系列能力等作為面向2020年的工程師必須具備的關(guān)鍵特征［1-2］。但不同的專業(yè)有著不同的應(yīng)用特征［3-4］，同一專業(yè)內(nèi)，根據(jù)后續(xù)社會(huì)角色的不同，應(yīng)用能力培養(yǎng)的程度也不一樣。遙感科學(xué)是在地球科學(xué)與傳統(tǒng)物理學(xué)、現(xiàn)代高科技基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興交叉學(xué)科［5］，在遙感的機(jī)理研究和數(shù)據(jù)處理上涉及的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)較為零散，學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情不高。在當(dāng)前能力本位教育［6-11］的大環(huán)境下，為培養(yǎng)迎合市場(chǎng)需求的畢業(yè)生，有必要對(duì)遙感專業(yè)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)進(jìn)行改革。

2　遙感專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)面臨的問題

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程通常是作為專業(yè)基礎(chǔ)課程為大學(xué)本科一至二年級(jí)學(xué)生開設(shè)，但此時(shí)很多專業(yè)課程還未完全展開，大部分學(xué)生對(duì)專業(yè)的認(rèn)識(shí)非常粗淺，更無法意識(shí)到數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)本身在后期專業(yè)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用價(jià)值。因此，目前的教學(xué)工作中存在的問題很多。

首先，學(xué)生普遍認(rèn)為編程不是主要的專業(yè)應(yīng)用，很多遙感的相關(guān)分析可以通過軟件操作和參數(shù)的配置來實(shí)現(xiàn)，不需要底層的代碼的開發(fā)，因而對(duì)編程類的課程缺乏必要的認(rèn)同，學(xué)習(xí)的積極性減退。

其次，很多學(xué)生缺乏計(jì)算機(jī)思維的鍛煉。計(jì)算機(jī)類課程必須通過一定的實(shí)踐來獲取知識(shí)積累。學(xué)生如果在前期的C++類基礎(chǔ)課程中缺乏必要的實(shí)踐練習(xí)，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中必然會(huì)出現(xiàn)眼高手低的現(xiàn)象——能夠理解算法的邏輯結(jié)構(gòu)，卻無法靈活使用算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來解決實(shí)際應(yīng)用問題。

最后，抄襲現(xiàn)象在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中表現(xiàn)得尤為突出。由于很多教科書都配有相應(yīng)的示例代碼，而基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)容，其代碼的變換空間相對(duì)較小，因此，學(xué)生按照常規(guī)的思路進(jìn)行思考，最后得到的程序也較為一致，尤其是一些簡(jiǎn)單的模塊，教師無法準(zhǔn)確判定代碼的原創(chuàng)性。

因此，對(duì)于遙感專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)，首先要幫助學(xué)生明確數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程在整個(gè)遙感專業(yè)學(xué)習(xí)中的重要性，然后通過有效的實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置，幫助學(xué)生建立基本的計(jì)算思維模式，進(jìn)而提升學(xué)習(xí)的興趣。

3　遙感專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)探索

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)點(diǎn)模塊化重組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的知識(shí)點(diǎn)很多，涉及結(jié)構(gòu)和算法兩大類，但在遙感專業(yè)后續(xù)的應(yīng)用中，需要了解的知識(shí)點(diǎn)其實(shí)非常有限。因此，可以針對(duì)遙感專業(yè)的應(yīng)用，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程進(jìn)行模塊化重組，圖1展示了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的主要知識(shí)點(diǎn)。

由圖1可知，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中涉及線性、樹型和圖三類主要的結(jié)構(gòu)，以及相應(yīng)的排序和搜索算法。從遙感應(yīng)用的角度而言，線性是用得最多的結(jié)構(gòu)，數(shù)組是遙感影像存儲(chǔ)的本質(zhì)，而排序搜索等算法則是后續(xù)影像分析的基礎(chǔ)。在教學(xué)方式的設(shè)計(jì)上，不應(yīng)該照搬標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)課件，而應(yīng)該穿插合理的應(yīng)用實(shí)例。以數(shù)組的教學(xué)而言，傳統(tǒng)的授課在介紹特殊矩陣時(shí)，給出的通常是從數(shù)學(xué)定義上的矩陣信息。但采用單波段的影像進(jìn)行展示，會(huì)比單純的矩陣教學(xué)給人的印象更深刻，學(xué)生的專業(yè)意識(shí)也會(huì)在無形中增強(qiáng)。如圖2所示，從遙感影像中截取部分區(qū)域，將其像元信息以二維數(shù)組的形式展示，既可以幫助學(xué)生提前了解遙感的主要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，也鞏固了學(xué)生對(duì)于數(shù)組結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。

圖2　數(shù)組形式存儲(chǔ)的遙感影像數(shù)據(jù)

圖3　學(xué)生完成的校園導(dǎo)航界面

遙感應(yīng)用型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)踐設(shè)計(jì)由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)的學(xué)生大多沒有接觸遙感的專業(yè)知識(shí)，對(duì)專業(yè)的認(rèn)知度比較低，也無法進(jìn)行較為深入的專業(yè)應(yīng)用。因此，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，只能從簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和基本運(yùn)算入手，再輔以相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工具和手段，在提高學(xué)生興趣的前提下，逐步滲透相關(guān)專業(yè)知識(shí)。

1）實(shí)驗(yàn)手段的改進(jìn)。目前市面上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)書籍都配有相應(yīng)的示例代碼，但由于缺乏必要的步驟指導(dǎo)，很多示例代碼往往淪為學(xué)生抄襲的幫兇。因此，對(duì)實(shí)驗(yàn)工具的改善，教師應(yīng)首先對(duì)課本示例代碼進(jìn)行規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)實(shí)習(xí)需要的環(huán)境配置，錄制相關(guān)程序的編寫視頻，確保學(xué)生能夠根據(jù)教程指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)代碼編寫的全過程，并得到合理的運(yùn)行結(jié)果。規(guī)范化后的示例代碼，不適合再用于實(shí)踐的考核。但由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)的基本內(nèi)容相對(duì)固定，部分代碼具有很強(qiáng)的重用性。因此，在進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，需要在示例代碼的基礎(chǔ)上，要求學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的改造工作，或者通過對(duì)多個(gè)示例模塊的重組，來實(shí)現(xiàn)新功能的編碼。

（1）用戶體驗(yàn)層：該層面向用戶展示服務(wù)事項(xiàng)，通過流程服務(wù)中心的模式，將所有的用戶體驗(yàn)整合起來，從而實(shí)現(xiàn)真正的“一站式”服務(wù)效果。

2）專業(yè)知識(shí)的滲透。針對(duì)學(xué)生專業(yè)認(rèn)知度高的特點(diǎn)，結(jié)合遙感的專業(yè)特色設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)內(nèi)容，會(huì)有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。哈弗曼樹是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程在樹型結(jié)構(gòu)中重點(diǎn)介紹的內(nèi)容。傳統(tǒng)哈夫曼樹教學(xué)時(shí)，大多采用文本信息的壓縮作為主要的數(shù)據(jù)源。考慮到海量遙感數(shù)據(jù)同樣需要壓縮存儲(chǔ)，可以將數(shù)據(jù)量較大的單波段遙感影像作為原始數(shù)據(jù)，要求學(xué)生采用通用的編程工具，在讀取影像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)影像數(shù)據(jù)的像元值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。然后根據(jù)像元的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，建立相應(yīng)的哈夫曼樹。同時(shí)，將哈夫曼樹的編碼信息存入遙感影像數(shù)據(jù)中，通過比較壓縮前后的影像數(shù)據(jù)大小，加深對(duì)哈弗曼編碼的印象。

此外，選擇一些辨識(shí)度高的趣味游戲，抽取其中某些環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化后融入實(shí)習(xí)內(nèi)容，也可能收到較好的效果。如采用AOV網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)游戲情節(jié)的策劃，基于地圖導(dǎo)航的路徑分析實(shí)驗(yàn)等，都是較能激發(fā)學(xué)生興趣的實(shí)習(xí)案例。如圖3所示為學(xué)生完成的結(jié)合遙感圖像顯示和圖的最短路徑分析功能的校園導(dǎo)航系統(tǒng)界面。通過遙感影像的顯示，幫助學(xué)生熟悉數(shù)組結(jié)構(gòu)，通過導(dǎo)航規(guī)劃鞏固最短路徑算法的學(xué)習(xí)。

3）實(shí)習(xí)指導(dǎo)的加強(qiáng)。目前的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)踐教學(xué)以學(xué)生編程為主，鑒于有些學(xué)生對(duì)課程設(shè)計(jì)題目無從下手的情況，可以適當(dāng)增加一些編程的操作教學(xué)學(xué)時(shí)，幫助學(xué)生搭建相應(yīng)的框架，或輔導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行必要的算法設(shè)計(jì)。同時(shí)，統(tǒng)一的教學(xué)也可以避免重復(fù)工作，對(duì)學(xué)生中出現(xiàn)的一些相同的問題，教師可以集中歸納后統(tǒng)一解答，也節(jié)省了教學(xué)的時(shí)間。對(duì)于編程實(shí)踐的指導(dǎo)，應(yīng)盡量采用小班教學(xué)，確保學(xué)生的問題能夠得到及時(shí)解答。從以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)來看，很多學(xué)生都是由于有問題沒處解答，逐漸積累后對(duì)編程失去興趣的。因此，在實(shí)踐課程教學(xué)中，教師應(yīng)該摒棄過去等學(xué)生來問的傳統(tǒng)，主動(dòng)詢問學(xué)生的實(shí)習(xí)進(jìn)度，必要時(shí)甚至可以將學(xué)生的提問次數(shù)與實(shí)習(xí)成績(jī)適當(dāng)掛鉤。

圖4　2012級(jí)和2013級(jí)學(xué)生的課程考試情況

圖5　2012和2013級(jí)遙感專業(yè)學(xué)生數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)習(xí)考核情況

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)綜合考評(píng)機(jī)制經(jīng)過多個(gè)班次的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)實(shí)踐學(xué)習(xí)中，半數(shù)以上學(xué)生能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成實(shí)習(xí)的基本要求，但僅有1成左右的學(xué)生對(duì)實(shí)習(xí)指導(dǎo)書中的提高要求部分進(jìn)行嘗試。同時(shí)在實(shí)習(xí)過程中，學(xué)生呈現(xiàn)較為明顯的兩級(jí)分化：小部分學(xué)生與教師的交流充分，開發(fā)進(jìn)展很快；但大部分學(xué)生很少問教師問題，而習(xí)慣于在同學(xué)內(nèi)部交流，或者干脆不交流，導(dǎo)致教師無法準(zhǔn)確掌握學(xué)生的進(jìn)度。因此，雖然通過課程和實(shí)習(xí)的學(xué)習(xí)，學(xué)生的編程能力有不同程度的提升，但提升的幅度與學(xué)生的主動(dòng)性呈正比。個(gè)別學(xué)生能夠通過實(shí)習(xí)得到明顯的提升，但班級(jí)整體的提升效果并不明顯。因此，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)的考核，應(yīng)該將學(xué)生的主動(dòng)性、與教師的交流程度以及在學(xué)習(xí)過程中的創(chuàng)新性納入考核范疇，督促學(xué)生多實(shí)踐、多交流，才能實(shí)現(xiàn)真正的提高。

4　教學(xué)實(shí)踐效果

遵照上述教學(xué)改革的策略，在2013級(jí)學(xué)生的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中，對(duì)模塊化教學(xué)方式、應(yīng)用型實(shí)踐設(shè)計(jì)方法以及綜合性考核評(píng)價(jià)機(jī)制三個(gè)方面進(jìn)行適度調(diào)整，對(duì)比2012級(jí)和2013級(jí)學(xué)生的課程考試情況（如圖4所示）可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)秀和良好的比率有了明顯的上升，而不及格率有了大幅度的下降。這說明采用面向?qū)I(yè)應(yīng)用的模塊化教學(xué)方法后，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有了較為明顯的增強(qiáng)。

2012級(jí)和2013級(jí)學(xué)生的課程實(shí)習(xí)情況對(duì)比（如圖5所示）也可以說明，改革后的教學(xué)方法基本上杜絕了實(shí)習(xí)中的不及格情況，學(xué)生都能夠動(dòng)手完成相關(guān)的實(shí)習(xí)內(nèi)容，對(duì)課堂知識(shí)的鞏固和實(shí)踐水平的提高有較大的幫助。

5　結(jié)語

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)體系相對(duì)基礎(chǔ)，對(duì)于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生而言，只有學(xué)以致用，適應(yīng)社會(huì)角色需求，才能成功吸引他們的注意力。因此，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)應(yīng)該向模塊化、專業(yè)化方向進(jìn)行更加深入的改革，進(jìn)而適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要。

［2］艾明耀，潘勵(lì)，張豐，等.卓越工程師能力考核探討與分析：以“GIS原理課程設(shè)計(jì)”為例［J］.測(cè)繪通報(bào)，2014（11）：123-126.

［3］葉飛帆.十所英國(guó)新建大學(xué)的辦學(xué)定位與特色研究［J］.教育研究，2011（10）：89-94.

［4］屈茂輝，陳錦紅.應(yīng)用型復(fù)合型卓越法律人才培養(yǎng)方案研究［J］.大學(xué)教育科學(xué)，2015（2）：49-52.

［5］李小文.遙感科學(xué)與定量遙感［J］.地理教育，2010（Z2）：1.

［6］黃福濤.能力本位教育的歷史與比較研究：理念、制度與課程［J］.中國(guó)高教研究，2012（1）：27-32.

［7］楊金玲，曲建光，曹先革，等.基于應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的GIS實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建［J］.測(cè)繪工程，2015（2）：78-80.

［8］馬星國(guó)，王靈犀，楊明海.面向能力培養(yǎng)的“軟件先行”培養(yǎng)模式［J］.高等工程教育研究，2010（2）：111-115.

［9］李文冰.行業(yè)特色院校師資“雙送”建設(shè)研究與實(shí)踐：基于高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)定位［J］.教育研究，2013（5）：139-143.

［10］李剛，萬幼川.基于CDIO模式的“遙感原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)”創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范［J］.測(cè)繪通報(bào)，2015（1）：134-136.

［11］張安定，衣華鵬，崔青春.《遙感原理》研究性教學(xué)的探索與實(shí)踐［J］.測(cè)繪通報(bào)，2005（12）：59-61.

Exploration of Module Teaching of Data Structure for Remote Sensing Science Department

//ZHANG Wei， WANG Xiaozui

Data structure is an important basic course in Remote Sensing Science and Technology Department. According to the years of teaching experiences， this paper studied the modular teaching method of data structure course， the design ideas of practices for application， and the comprehensive evaluation mechanisms for this discipline.

competence-based education； practices for application；data structure

G642.0

B

1671-489X（2016）16-0095-03

*遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)綜合試點(diǎn)改革（G1320311616）。

作者：張唯，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)教育（430074）；王曉醉，通訊作者，武漢大學(xué)科學(xué)技術(shù)發(fā)展研究院編輯，研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)（430072）。