面向應用型本科教育的數據結構課程實踐改革初探

陳姝穎 陳雷 石艷榮 趙小芳

摘 要：數據結構是計算機學科的核心課程，該課程的理論性和實踐性都很強，為了更好地達到應用型本科教育的目的，文章針對山東工商學院的具體情況，從加強實踐方面分析了教學中存在的問題，并給出了相應的改進對策。

關鍵詞：應用型本科；數據結構；實踐改革

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）12-0099-03

Abstract： Data structure is a core course of computer science， which is both theoretical and practical. In order to achieve the purpose of application-oriented regular college course education， this paper analyzes the problems existing in the teaching， and gives the corresponding countermeasures.

Keywords： application-oriented regular college course； data structure； practice reform

一、概述

隨著高等教育從精英教育轉為大眾教育，高考的錄取率逐年上升，但是高校畢業生的就業情況卻并不樂觀，平均每年約有20%的畢業生不能實現充分就業[1]。表面看來，是因為畢業生供需矛盾造成的，但從實際調研結果來看，這種局面只是一種表面的相對“過剩”，造成這種情況的根本原因是學生的實際水平不能滿足企事業單位的實際需要，即現在很多的大學并沒有在本科教育階段實施應用型本科教育，尤其是在工科專業中。工科專業本科階段本身就是面向應用的，著重強調通過對具體情況的分析，找出合適的方案，解決實際問題。而在現階段的很多本科院校，很多工科專業依然采用傳統的以講授為主的教育模式，這種模式以教師為主體，學生被動聽課，學生的參與度很低，尤其是對于工科的知識的應用，缺乏實際應用的環境，已經完全不能滿足實際需求。這種供需矛盾，最終體現在畢業就業方面，就是如前所述的相對“過剩”。與應用型本科教育相對的是理論型本科教育，應用型本科教育是培養知識、能力和素質全面協調發展的應用型人才，面向生產、建設、管理、服務一線的高級應用型人才為目標定位的高等教育。應用型本科教育強調“理論夠用，注重實踐”的特點，突出了應用的實用導向。就計算機專業來說，目標是培養既懂得計算機專業的理論知識，又掌握計算機應用技能的高級應用人才，能針對具體問題，提出解決問題的方案，并能利用具體的技術手段給予實現。如何在諸如數據結構這種理論和實踐并重的課程講授中，強化應用，提高學生解決實際問題的能力，達到應用型人才培養目標，是一個亟待解決的課題。

下面，我們以數據結構課程為例，分析實踐過程中存在的問題。

二、數據結構課程實踐過程中存在的問題

（一）課程本身難度大

數據結構課程內容豐富，學習量大，知識抽象難以理解，這給學生的學習造成一定的困難。學生往往容易理解線性結構，對于樹形結構、圖及網狀結構上的操作掌握不夠理想。

（二）學生對程序設計語言掌握得不好，影響數據結構的實現

該課程以高級語言程序設計和離散數學為前導課程，所以這兩門課程的學習情況直接制約和影響著數據結構的學習。數據結構課程是程序設計課程的延續，但與程序設計課程又有很大的不同。該課程強調的是數據的表示、存儲及操作，實驗要求學生首先要對提出的問題進行分析，得出問題的需求，然后找到問題的數學模型，最后找到合適的存儲結構，并在該存儲結構上進一步解決具體的實際問題。而在數據結構課程的課本中，關于數據結構的描述都采用了抽象數據類型的方式，這種描述方式很抽象，學生學習后，不能很好理解數據結構對應的抽象數據類型在計算機中如何進行的存儲；而且抽象數據類型不能直接使用，需要轉化為可以使用的代碼。如果學生在理論課的學習過程中對數據類型沒有很好的理解，就會導致學生上機時，不能把書上的描述落實到程序代碼。數據結構中的算法都是由類PASCAL、C或C++等語言描述[2]，要求學生能夠使用某種程序設計語言對算法進行程序設計，并且上機調試通過。由于學生對于前導課程高級程序設計語言掌握的程度不同，并且，高級程序設計語言重點要求掌握的是對基本問題的求解，而數據結構中處理的問題相對比較復雜，這就造成對于一些基礎較差的學生，在實驗課上不會編寫程序或者寫出來的程序錯誤百出，阻礙了他們對相關知識點的理解和應用，使教學目標難以實現。

（三）實驗項目單一，實驗內容陳舊，不能與時俱進

以往在數據結構實驗項目的設置中，只注重了單個實驗的設置，實驗與實驗之間是獨立割裂的，忽略了學生對基礎知識的驗證，以及學生解決創新性和實際問題能力的培養。造成學生即使能完成基礎實驗，但是遇到具體問題仍不能解決。沒有達到本課程的教學效果。并且部分高校的數據結構實驗內容一直采用多年前的設置內容，而這些實驗在網絡上已有答案，造成學生不主動積極思考，很多同學只是把現有的程序拷貝到環境中，草草了事[3]。沒有達到充分利用實驗，鞏固課堂教學的目的。

（四）實驗課時不足

現有大部分學校數據結構課程實驗的設置，一般為16學時或者24學時。學生在有限的時間內，只能完成基本實驗。這種固定實驗學時的模式，沒有突破開展實驗的時間和空間限制，無法讓學生把實驗室中沒有完成的實驗進行延續。造成遇到的問題不能得到很好的解決，對問題一知半解，甚至有部分學生都沒有找到合適的解決問題的方案就已經下課，達不到課程實驗的目的。

三、加強應用型本科教育的數據結構課程實踐教學改革措施

考慮到該課程實踐教學中存在的諸多問題，有必要對該課程原有實踐教學進行改革，建立與理論教學緊密結合的分層次、開放性、多渠道交流的實驗教學模式，提高實驗課程的利用率，充分達到應用型本科教育的目的[4]。

（一）從基礎做起，抓住本質

大部分課本對于抽象數據類型的描述包含三部分：數據、數據關系和操作。但是這里提到的操作，只是操作的要求及功能的描述，這種描述往往過長，造成上課時，大部分講授枯燥、流于形式，老師上課對著PPT念一遍，學生完全沒有印象。為了改變這種情況，在講述數據結構的抽象數據類型時，重點強調數據對象及其上關系的理解，體現出數據結構的本質特點，對于操作部分不展開講述，只是簡單描述該數據類型所能完成的操作。將操作放在選定某種存儲結構以后，采用具體代碼描述的方式，讓學生能夠看到數據關系如何體現在內部存儲中，使學生更好的理解該數據結構。例如：對于線性表的動態分配順序存儲結構，課本上的描述方式為[5]：

在這里，對于ElemType沒有具體說明，由于學生在學習高級程序設計時，一般涉及到的是具體的變量類型，很難理解ElemType到底是怎樣的變量類型，甚至出現了上機時，直接使用ElemType作為新的數據類型的情況。為了改變這種情況，我們可以根據具體問題預先設置具體數據類型，比如先預定義ElemType就是int型的變量，這樣學生更容易理解。我們對于書上不明確說明的數據類型全部顯式給出，這樣可以使學生慢慢過渡到數據結構的使用，加深了對抽象類型的理解，解決了面對抽象類型無從下手的問題。

（二）自由選擇編程工具，采用實用為主的編程原則

對于數據結構的算法描述，課本上采用了類c的偽代碼描述方式，這些代碼不能直接運行，但是偽代碼描述的算法的核心思想是固定的，只要掌握了算法的思想，即可以轉化為任意語言描述的程序。我們針對學生語言掌握程度不同的情況，提出讓學生選擇自己掌握較好的語言來實現，同時強調，對于實現來說，語言只是工具，不要拘泥于語法上的技巧。例如為了實現遞增，可以使用i++這樣的自增語句，但是如果學生沒有較好的語言基礎，出錯幾率較大，為了達到實踐的目的，建議學生盡量使用i=i+1這種易于理解的語句，雖然從表面看，程序可能更長一些，但并沒有增加算法的復雜度。對于使用易出錯的指針等，建議學生可以使用引用的方式，減少程序出錯的幾率。

（三）分層次設計上機題目，使學生學有所得

由于學生對知識的掌握程度不同，相應的對于實驗課程內容的設置也應該不同。為了滿足不同層次學生的要求，我們采用分層次、多題目的實驗設置方式。對于每一個數據結構的實驗都分成基礎演示型、綜合型、設計研究型和創新提高型等四種類型，在每個類型里面又具體設置多個設計題目。題目設置由易到難，對基礎知識掌握較為薄弱的學生引導他們完成基礎演示型實驗，以達到通過實驗，掌握數據結構最基本的知識的目的；大部分學生可以完成綜合型和設計研究型的問題，達到能夠解決相應數據結構基本問題的目的；對于小部分知識掌握牢固、求知欲強的學生，給他們設置創新提高型的問題，引導他們進一步開闊思維，能夠解決較為復雜的數據結構的工程問題或者實際問題。例如：對于線性表數據結構上機題目設置如表1所示。

以上四個層次的實驗，從基礎演示到設計創新，能充分滿足不同層次的學生。在整個過程中，學生首先從抽象數據類型的實現著手，把抽象數據類型轉化為具體語言環境下的類型，完成從抽象到具體的轉化，從而加深對抽象數據類型的理解。然后在綜合型實驗中完成對抽象數據類型操作的具體實現，從而為設計研究型問題的求解搭建好了程序模塊；在設計研究型問題求解的過程中，通過調用在綜合型實驗中完成了的基本操作的實現，用來解決簡單問題。通過這樣的過程，讓學生學以致用，體會到數據結構的逐層深入的過程。第四個層次是創新提高，通過對設置的日常生活中的實際問題或者工程問題的分析，得出數據的邏輯關系，確定出數據結構，通過數據的操作進一步加深對基本操作的認識和數據結構的理解。四個層面由淺入深，由表及里，讓學生充分認識和體會到所學知識能夠解決的實際問題。同時通過上機過程的練習，又進一步提高了學生的編程能力，加強了對程序設計的認識。為了保證題目的新穎性，可以借鑒和結合ACM大賽和齊魯軟件大賽等比賽的題目，進一步拓寬學生的視野，提高學生對所學知識的理解。

（四）通過成立興趣小組，多種形式交流，進行課下延伸學習

數據結構課程較為抽象，要充分掌握數據結構這門課程需要投入大量的時間進行上機練習。但是，學校課程的上機安排時間有限，為了進一步鞏固講授的知識，需要學生充分利用課余的時間，同時為了配合學生的學習，學校可以開放實驗室，方便學生靈活選擇學習時機。另外，可以成立興趣小組，不同層次的學生結對子，小組內覆蓋不同層次的學生，這樣讓不同層次的學生可以相互學習，共同提高；為了增加趣味性，小組和小組之間展開比賽，進行期中、期末兩次考核，進一步激發學生的學習興趣。為了加強教師的指導作用，教師可以通過微信、qq、博客等多種渠道與學生展開交流，把教學從課堂延伸到課外，更加便捷和高效的與學生進行溝通，及時解決學生學習過程中遇到的問題，做到問題不過夜。

（五）鼓勵學生參加計算機相關的競賽，以賽促學，激發學生的學習興趣

數據結構課程的應用很廣，一般的計算機相關的競賽都會用到數據結構的知識。為了進一步激發學生學習的積極性，教師要多鼓勵學生參加相關的競賽，以賽促學，激發學生的學習興趣，增強學生學習的成就感。競賽是綜合知識的運用，同時也會考驗團隊的合作能力和創新能力，通過參加競賽，能提高學生解決創新實踐問題的能力。為了更好的配合學生參加比賽，我校成立了創新實驗室，每年一次面向全體學生納新。創新實驗室全天開放，并且配備了指導老師，學生在實驗室有問題隨時有指導老師解決。另外，通過多級學生的傳幫帶，形成了良好的學習氛圍，為學習程度較好的學生提供了更多的學習實踐機會。同時通過大賽，老師的實戰能力也得到了提高，為更好的教學實踐提供了素材。

四、結束語

實踐證明，我們所采用的實踐教學改革措施較為實用。不僅使學生掌握了數據結構的知識，而且充分調動了學生學習的積極性，學生的動手能力大為提高，多次在軟件大賽中取得優異成績，就業率也穩步提升，達到了應用型本科教育的目的。

參考文獻

[1]夏建國，劉曉保.應用型本科教育——背景與實質[J].高等工程教育研究，2007（3）：92.

[2]張紅霞，盤麗麗.《數據結構》課程教學改革研究與探討[J].現代計算機，2009（06）：79-81.

[3]寧正元，王秀麗，鐘一文，等.應用型本科“數據結構”課程教學改革的研究與實踐[J].計算機教育，2009（07）：119-121.

[4]趙玉蘭.“數據結構”課程實驗環節教學的改革與實踐[J].計算機教育，2010（01）：70-72.

[5]嚴蔚敏，吳偉民.數據結構[M].北京：清華大學出版社，2003.