開放實驗平臺在數據結構課程實驗教學中的應用

任平紅　陳矗

摘要：針對目前數據結構課程實驗教學中存在的問題，引入了數據結構課程開放實驗平臺系統。該實驗平臺系統分為學生端和教師端。學生端提供了可視化的集成開發環境，可以實現學生信息注冊、登錄，開發、調試、對比、演示、提交實驗項目。教師端可以實現教師信息注冊和登錄，管理學生信息、課程信息、課時信息，創建云模板，對學生提交的實驗項目進行自動評分和匯總等。實踐證明，該實驗平臺的使用可以明顯提高學生的實踐動手能力，改善數據結構課程的實驗教學效果。

關鍵詞：數據結構;開放實驗平臺;云模板

中圖分類號：TP311.5 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）14-0112-02

1 實驗教學現狀

數據結構課程是計算機科學技術專業、計算機信息管理與應用專業、電子商務等專業的核心的專業基礎課，在教學體系中處于非常重要的地位，是學習操作系統、編譯原理、數據庫原理、軟件工程等課程的基礎。本課程系統地介紹了數據結構的性質、在計算機內的表示、常見的操作等內容。數據結構課程涉及大量的理論知識，不僅要求學生能夠熟練掌握理論知識，而且要求學生具備一定的利用算法解決實際問題的能力。

目前，在該課程的實驗教學中，還存在一些問題。首先，因為課程的理論性和抽象性都很強，涉及大量的算法，學生理解起來一般比較困難[1]。其次，學生的上機實驗多數是對教材上已有的算法進行驗證，實驗項目一般只針對單一的知識點，結合實際應用的綜合案例比較少，學生難以深切感受到數據結構在程序設計中的作用。最后，缺乏必要的配套實驗軟件，實驗項目局限于教材上的算法驗證，對于學生的實驗課成績缺乏科學合理的評價考核機制。以上各個因素導致學生的實踐動手能力較差，遇到復雜的問題時，往往不知道如何入手，從分析問題到建立模型的過程比較困難，學生解決實際問題的能力有待于進一步提高。

2開放實驗平臺的教學目標

為了進一步提高學生的實際動手能力，改善數據結構課程的實驗教學效果，我校引入了數據結構課程開放實驗平臺。該實驗平臺分為教師端和學生端，由北京英真時代科技有限公司開發。教師端使用B/S模式，可以實現教師信息的注冊和登錄;可以管理學生信息、課程信息、課時信息;可以創建實驗云模板，匯總實驗成績，管理學生考勤等。學生端使用C/S模式，可以實現學生信息的注冊、登錄、利用IDE環境進行實驗項目的開發、調試、運行、驗證、對比、演示并提交實驗項目等。

計算機技術正在發生著前所未有的變化，為了適應人才培養的需求，高等院校需要培養學生的計算思維、系統思維和創新思維[2]。計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計、以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。系統思維是一種邏輯抽象能力，也可以稱為整體觀、全局觀。創新思維指以新穎獨創的方法解決問題的思維過程。為了進一步訓練學生的思維能力，本實驗平臺還提供了計算思維訓練題庫EOJ。題庫中包括300余道編程題目，其中有100多道ACM真題。EOJ題庫覆蓋了回溯法、等價轉換、記憶化搜索等百余個知識點。學生可以根據EOJ題庫中的云模板創建實驗項目，進行相關的訓練。

3 開放實驗平臺的實驗模板

實驗平臺針對數據結構課程的實驗教學提供了56個實驗項目模板，知識點涉及了線性表、棧和隊列、字符串和多維數組、樹和二叉樹、圖、查找、排序等，基本上已涵蓋了該課程的重要知識點[3]。為了降低學生完成實驗的難度，實驗模板已經提供了項目中的部分非核心算法的代碼，例如頭文件的引用、類的聲明和定義、主函數中實驗數據和算法的調用等。但是核心算法的代碼空置，需要學生自行完成。其中部分實驗項目模板如表1所示。

如果實驗平臺中已有的實驗模板無法滿足需求，教師還可以自定義云模板，并上傳到服務器供學生使用。在自定義云模板時，教師既可以上傳包括全部代碼的完整模板用于對比、驗證學生的實驗項目，也可以上傳不包括關鍵代碼的模板作為學生使用的云模板。

實驗項目根據難度不同分為驗證類、設計類、綜合類等幾個類別。驗證類實驗項目主要來自教材上的已有算法，知識點比較單一，一般比較簡單，學生可以獨立完成。設計類實驗項目需要結合教材上的基礎知識自行設計相關算法，具有一定的難度，但是涉及的數據結構不太復雜，學生通過努力，一般也可以完成。綜合類的實驗項目難度最大，一般和實際工作或生活相關，需要考慮數據元素之間的邏輯關系，抽象出數據模型，設計算法，最后編寫程序求解問題。此類實驗項目從建立模型、設計算法到設計程序求解，難度都比較大，需要學生組建小團隊或者在教師的指導下完成。

4 開放實驗平臺的技術特點

（1）C/S和B/S相結合的混合模式

開放實驗平臺的學生端采用C/S（Client/Server）模式，學生需要在本地機器上安裝客戶端應用程序。C/S模式交互性強、具有安全的存取模式，網絡通信量低，響應速度快，適用于固定的用戶群，可以更好地保證信息安全。學生端代碼編寫、編譯、運行、調試的效率較高。實驗平臺的學生端界面與Microsoft的Visual Studio的IDE類似。教師端采用B/S（Browser/Server）模式，只需要使用瀏覽器即可訪問實驗平臺服務器。B/S模式具有分布性強、維護方便、共享性強、維護成本低等優點。教師端可以創建實驗課程、實驗班級、實驗模板、實驗課時等[4]。

（2）使用多服務模式

開放實驗平臺使用了離線緩存等先進技術對服務器的性能進行了特別的優化定制、安全加固和壓力測試，保證了實驗平臺的可用性、可靠性和可維護性，可以確保實驗平臺7*24小時安全運行。

（3）使用可視化技術

數據結構課程中算法的運行過程在計算機中往往是不可見的，例如單鏈表中各個結點的申請以及在某個位置插入一個結點，這在一定程度上會影響學生對算法的理解。本實驗平臺使用可視化技術將實驗內容以圖形化的形式展現在學生面前，學生可以直觀地理解和觀察程序的運行過程，有助于學生理解和學習算法。例如單鏈表的插入算法，學生可以直觀地觀察到結點指針的修改過程。另外，教師也可以利用可視化技術在課堂上進行算法的講解和演示，使學習更加具體化和形象化。

（4）提供了豐富的信息化管理功能

實驗平臺對教師和學生都提供了全方位的信息化服務，可以對教學的全過程進行管理、評價和監督。教師端可以對學生的實驗數據進行自動匯總、評價等管理，也可以提供按學期、課程、學時等不同粒度統計的實驗數據，為提高實驗教學質量提供了可靠的依據。學生端除了可以根據云模板創建實驗項目之外，也可以在線撰寫實驗報告、提交實驗報告、查看個人的出勤信息、實驗項目的完成情況等。

（5）支持靈活的實驗教學方式

實驗平臺提供了靈活的課堂演示，效果生動、深刻。此外，教師也可以不受難度和時間的限制布置開放性的實驗題目，學生按要求提交實驗題目后可以進行自動評價和匯總。

5 結束語

開放實驗平臺的教師端和學生端都提供了豐富實用的功能，平臺提供了大量的實驗模板，支持靈活多樣的實驗教學方式。平臺針對每個實驗項目配備了內容齊全、條理清楚的實驗指導書，學生可以根據實驗指導書及云模板完成實驗題目。同時，平臺也提供了代碼智能識別以判斷學生的實驗是否為獨立完成，例如可以判斷代碼是通過敲擊鍵盤輸入還是通過復制粘貼輸入。另外，平臺可以根據實驗結果的比對給出合理的實驗成績，也可以對學生成績進行對比、分析和匯總，可以切實減輕教師進行實驗輔導的工作量。以上內容可以有效地改善實驗教學的效果，鍛煉學生的思維能力，提高學生的實踐動手能力。該實驗平臺已在我校2017級計算機相關專業的學生中推廣使用，教學效果評價良好。

參考文獻：

[1]李曉鴻，駱嘉偉，季潔.數據結構與算法分析研究型實踐教學的探索[J].實驗室研究與探索，2012，31（1）：121-125.

[2]司明，厙向陽，李占利， 等.突出計算思維訓練的數據結構教學實踐[J].實驗室研究與探索， 2018， 37（5）：195-201.

[3]王紅梅，胡明，王濤.數據結構（C++版）[M].北京：清華大學出版社，2011.

[4]張華，張淼，張巖， 等.數據結構實驗教學研究與實踐[J].實驗技術與管理， 2018， 35（5）：218-221.

【通聯編輯：王力】