結(jié)合大數(shù)據(jù)時代背景的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)改革研究

黃棟，王昌棟

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院，廣州 510642；2.中山大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與計算機學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

作為計算機相關(guān)專業(yè)的核心課程之一，《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的目標在于指導(dǎo)學(xué)生在計算機環(huán)境中理解數(shù)據(jù)、組織數(shù)據(jù)、加工數(shù)據(jù)，掌握數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)與存儲結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)設(shè)計相應(yīng)的算法，把現(xiàn)實問題轉(zhuǎn)化為計算機內(nèi)部的表示和處理[1]。《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程是計算機程序設(shè)計的重要基礎(chǔ)，并且對于操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以及其他許多大型應(yīng)用也有著關(guān)鍵意義；《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)對于計算機相關(guān)專業(yè)學(xué)生編程能力與專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)和提高有著至關(guān)重要的作用。

當(dāng)前《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的教學(xué)工作往往側(cè)重于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)理論及算法的講授與學(xué)習(xí)（例如線性結(jié)構(gòu)、樹狀結(jié)構(gòu)、圖狀結(jié)構(gòu)等基本結(jié)構(gòu)，以及排序算法、查找算法、圖遍歷算法等基本算法）。這些基本理論與經(jīng)典算法的講授有利于計算機相關(guān)專業(yè)學(xué)生夯實計算機編程基礎(chǔ)，并培養(yǎng)計算機算法思維；但是，在當(dāng)前大數(shù)據(jù)時代背景下，在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)過程中僅僅講授這些基本理論知識則可能導(dǎo)致學(xué)生“吃不飽”、興趣難提高的問題出現(xiàn)。

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，國家社會、經(jīng)濟、生活的諸多領(lǐng)域產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)信息；伴隨著海量數(shù)據(jù)的存儲、處理以及分析的巨大需求，數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)、人工智能等新興研究方向日益興起并受到廣泛關(guān)注。在此時代背景下，一方面，《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程相關(guān)理論知識仍然是諸多前沿研究領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)；另一方面，這些基礎(chǔ)理論知識也面臨著大數(shù)據(jù)時代的諸多新問題與新挑戰(zhàn)。教師在講授《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的過程中，如果可以將基礎(chǔ)理論知識與時代特點相融合、與前沿領(lǐng)域相融合，不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，而且也可以在教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的大數(shù)據(jù)思維與學(xué)科前沿意識。對此，如何在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的教學(xué)工作中兼顧基礎(chǔ)知識與學(xué)科前沿、理論與實踐并重，是教學(xué)改革研究中具有重要意義的一個問題，也是本文著重探討解決的一個問題。接下來，本文將從教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新、教學(xué)方式改革、具體改革方案等幾個方面，對大數(shù)據(jù)時代背景下《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的教學(xué)創(chuàng)新與改革展開闡述。

1 結(jié)合時代特點的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新

教學(xué)內(nèi)容是課程教學(xué)的主體所在，科學(xué)合理的教學(xué)內(nèi)容選取與安排對于課程教學(xué)至關(guān)重要[2-3]。《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容與當(dāng)前大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等前沿領(lǐng)域有著諸多緊密關(guān)聯(lián)之處，教師可以合理挖掘、有機結(jié)合，將學(xué)科前沿知識適當(dāng)穿插于《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)內(nèi)容的講解與分析。

（1）以前沿話題為引導(dǎo)，促進基礎(chǔ)內(nèi)容教學(xué)。

計算機技術(shù)發(fā)展迅速，前沿技術(shù)與前沿問題層出不窮；但是究其根本，這些前沿技術(shù)往往可以落腳于若干基礎(chǔ)知識與基礎(chǔ)問題。教師在講授新內(nèi)容之前，可以選取一些前沿問題作為引導(dǎo)，進而引出相關(guān)基礎(chǔ)知識的講解，不僅可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以促進學(xué)生在課程知識學(xué)習(xí)之前先行展開發(fā)散思考。例如，在講解算法的時間與空間復(fù)雜度之前，可以結(jié)合韓國棋手李世石與人工智能AlphaGo的人機大戰(zhàn)，提出問題：在計算機性能越來越強大的今天，為何仍然有很多問題無法用計算機很好解決？在中國象棋與國際象棋方面，計算機早在十余年前既已戰(zhàn)勝頂尖人類棋手，但為何在圍棋方面則直到最近才終于取得突破？圍棋和象棋的問題難度差別在哪里？——進而，在前沿問題作為引導(dǎo)的基礎(chǔ)上，順勢講解算法復(fù)雜度的概念與要點，并分析常數(shù)級、對數(shù)級、多項式級、指數(shù)級、階乘級等不同級別復(fù)雜度，從而促進學(xué)生對于算法復(fù)雜度相關(guān)內(nèi)容理解。除以上示例之外，現(xiàn)實計算機許多其他前沿問題均可作為引子，帶入《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課堂。

（2）以基礎(chǔ)理論為依托，拓展前沿技術(shù)理解。

在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)過程中，前沿問題不僅可以作為講解知識之前的引子，還可以在基礎(chǔ)知識講解之后作為深入理解的生動題材。例如，在講解稀疏矩陣的基礎(chǔ)上，可以將課堂教學(xué)內(nèi)容進一步引入到圖像與視頻數(shù)據(jù)的存儲與壓縮等前沿問題上，結(jié)合稀疏矩陣探討圖像與視頻存儲壓縮的基本原理及相關(guān)應(yīng)用，通過適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容切換來深化學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握以及對前沿問題的理解。

2 課堂教學(xué)與實踐教學(xué)的教學(xué)方式改革

在教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，教學(xué)方式創(chuàng)新也是新時期《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)工作的一個重要方面。在課程教學(xué)活動中采用科學(xué)合理、生動靈活、形式多樣的教學(xué)方式，可以促進教學(xué)內(nèi)容更好傳達，引導(dǎo)學(xué)生更深入理解。針對大數(shù)據(jù)時代背景與《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程特點，相關(guān)教學(xué)方式創(chuàng)新可以從課堂教學(xué)與實踐教學(xué)兩個方面著手，具體如下所述。

（1）以問題討論與分析為主線的互動式課堂教學(xué)

有效的課堂互動可以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、增強學(xué)生課堂參與感[4]。對于《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》的課程教學(xué)，可以采用以問題討論與分析為主線的互動教學(xué)方式。在互動內(nèi)容上，一是可以選取基本理論中的重要內(nèi)容展開深入討論，二是可以選取具有代表性的前沿問題展開剖析。在互動形式上，教師作為主導(dǎo)，學(xué)生作為主體，教師以問題引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，鼓勵學(xué)生主動參與討論和闡述思路，在互動式的課堂教學(xué)中增進學(xué)生對課程內(nèi)容及現(xiàn)實問題的理解。

（2）基礎(chǔ)與前沿相結(jié)合的多層次實踐教學(xué)

實踐教學(xué)是《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)中重要的一環(huán)[5]。對于教師而言，不僅要引導(dǎo)學(xué)生通過實踐編程來夯實《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》基礎(chǔ)知識，還要適當(dāng)“跳出課本”讓學(xué)生得到多層次的實踐鍛煉。具體地，實踐教學(xué)可以從課后上機練習(xí)、實驗課現(xiàn)場考核、課程綜合設(shè)計等多個方面展開，除此之外還可以鼓勵部分有興趣的學(xué)生進行更多具有挑戰(zhàn)性的實踐編程鍛煉，包括（但不限于）以下幾個方面：（1）鼓勵和指導(dǎo)學(xué)生參與程序設(shè)計類比賽或軟件設(shè)計類比賽；（2）根據(jù)教師自身的科研特長與科研方向，選取部分難度適中、具有代表性的研究內(nèi)容（例如數(shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù)分析等方向的相關(guān)研究問題），鼓勵學(xué)生去探索實踐；（3）以實際開發(fā)項目或科研項目帶動學(xué)生將理論知識應(yīng)用于項目實踐。由此，通過多層次、多方位的實踐教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生將基礎(chǔ)理論算法應(yīng)用于現(xiàn)實問題，培養(yǎng)學(xué)生全方面的計算機專業(yè)思維能力。

3 具體實施方案

以教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新與教學(xué)方式改革為主干（如前所述），本文《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)改革的具體實施方案主要包括以下幾個方面（見圖1）：

（1）明確改革目標

由傳統(tǒng)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程以講授基礎(chǔ)理論為主的教學(xué)模式，轉(zhuǎn)向與時代結(jié)合、與數(shù)據(jù)挖掘前沿結(jié)合的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)新模式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論基礎(chǔ)與學(xué)科前沿方向的相互融合與相互促進。

（2）創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容

在保持《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》基礎(chǔ)理論講授的基礎(chǔ)上，加入數(shù)據(jù)挖掘與大數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域前沿的、與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)的知識，兼顧基礎(chǔ)與前沿，豐富《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程知識體系。

圖1 結(jié)合大數(shù)據(jù)時代背景的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)改革方案

（3）改進課堂教學(xué)方式

在常規(guī)講授式課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上，進一步探索研究互動式課堂教學(xué)方式，以具有代表性的理論或問題的討論與分析為主線，加強課堂互動，提升學(xué)生興趣，改善教學(xué)效果。

（4）探索實踐教學(xué)方式

結(jié)合基礎(chǔ)理論與前沿應(yīng)用，探索研究課后練習(xí)、課堂上機、綜合設(shè)計等多層次相結(jié)合的實踐教學(xué)方式，以實踐促理論，增強學(xué)生思考能力與編程能力。

（5）提升課程培養(yǎng)效果

在創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容、改革課堂教學(xué)方式與實踐教學(xué)方式的基礎(chǔ)上，增強學(xué)生對基礎(chǔ)理論的理解，增進對學(xué)科前沿的認識，培養(yǎng)學(xué)生的計算機專業(yè)綜合素質(zhì)。

4 結(jié)語

本文對大數(shù)據(jù)時代背景下的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)新模式進行研究，探索將大數(shù)據(jù)前沿知識與《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程基礎(chǔ)知識相融合的教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新，并在教學(xué)方式上研究以問題討論與分析為主線的互動式課堂教學(xué)方式以及理論與應(yīng)用相結(jié)合的多層次實踐教學(xué)方式。通過適應(yīng)時代特點的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)模式改革，培養(yǎng)學(xué)生全方面的計算機思維能力與實踐能力。

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