“數據結構”課程的課內實驗教學探索與實踐

張兆維 王建華 陶曦鳴

摘? 要： 在“數據結構”課程中，課內實驗存在兩個問題：一是與課堂理論知識相脫節，起不到“理論聯系實際”的作用;二是偏重于代碼編寫，無法體現課程的精髓。為此，文章探索一種“立足理論、弱化代碼、鼓勵創新”的方法，把課堂理論知識融匯到實驗中，將學生從繁瑣的代碼編寫中解脫出來。對學生的調研結果表明，該方法在課內實驗教學上取得了效果。

關鍵詞： 數據結構; 課內實驗; 教學探索; 代碼編寫; 創新

Abstract： In the "Data Structure" course， the in-class experiments exist two problems： one is that it is disconnected from theoretical knowledge， and cannot play the role of "combining theory with practice"; the other is that it emphasizes the code writing， but cannot reflects the essence of course. Therefore， this paper explores a method of "standing on theory， decreasing code， and encouraging innovation"， which integrates the theoretical knowledge of the classroom into the experiments and frees the students from the tedious code writing. The results of the investigation on students show that the method is effective in the in class experiment teaching.

Key words： data structure; in-class experiment; teaching exploration; code writing; innovation

0 引言

課內實驗教學作為“數據結構”課程[1]教學的重要組成部分，對學生掌握理論知識，靈活運用理論知識解決實際問題的能力具有舉足輕重的作用，因此課內實驗教學引起了廣泛關注。課內實驗并沒有得到足夠的重視，存在著學生敷衍了事、教師不知所措的情況，沒有顯示出其應有的教學效果。

“數據結構”課程的課內實驗教學方法的實施，眾多專家和學者對此進行了廣泛的反思和討論[2-6]。沈華[2]分析了課內實驗教學的特點，提出了找出關鍵知識點并利用有限的課內實踐，對這些關鍵知識點進行強化，具體對實驗題目、實驗內容、考核方式等進行了設計。華澤[3]等探討了探索創新型實驗的設計原則和思路，充分結合科學研究、實驗教學與科技開發三個方面，將教師的科研活動融入實驗，以促進學生的創新意識。呂亞榮[4]和龔紅仿[5]等都是在分析課程實驗教學現狀的基礎上，對實驗教學內容、實驗教學方法、實驗考核方法三個方面進行了改革，激發學生的學習興趣。針對MOOCs背景下的“數據結構”實驗教學改革，于慶梅[6]等 提出一種情境創設、微視頻與PTA開放平臺相結合的實踐教學模式，培養學生自主實驗能力，是實驗教學的一種有益探索。

因此，如何設計課內實驗教學，使之與課堂理論知識緊密地結合起來以體現“數據結構”課程的精髓，就成為了教學中值得思考的問題。

1 面臨的問題

在“數據結構”課程中，課內實驗教學是讓學生對課堂理論知識理解和應用，對學生掌握理論知識具有十分重要的作用。但是，在實際教學過程中，課內實驗的教學效果卻遠遠不夠，學生也有敷衍了事的心態，甚至存在完全抄襲現象。

當前，“數據結構”課程的課內實驗教學具體存在以下兩個問題：

⑴ 課內實驗與理論知識相偏離，成了相互獨立的兩個部分。一方面，“數據結構”課程的很多考試都是以理論知識為主，一般不考慮其具體實現代碼。很多學生認為課內實驗與理論知識無關，也與期末考試無關，甚至與未來考研無關，所以他們的學習積極性不高，也不重視課內實驗。另一方面，有些學生的理論學習不扎實，不具備“理論聯系實際”的能力，從而在課內實驗中無所適從，應付了事。

⑵ 課內實驗的內容設計不合理。課內實驗的精髓在于數據結構和算法在實際問題中的靈活應用，體現“數據結構”課程的優勢。但是，完成一個完整的課內實驗，學生既要考慮數據結構理論，又要考慮程序設計。有些時候程序設計反而會喧賓奪主，占據學生大部分的時間，最終使學生徹底淪為代碼編碼和語法糾錯。甚至實驗成功與否往往不在于是否掌握核心理論知識，而是在具體的代碼編碼過程中出錯，學生需花費大量的時間來修改代碼，從而使得課內實驗與程序設計類課程無異，失去了課內實驗的意義。

由于以上兩個問題，“數據結構”課程的課內實驗教學效果不好。有的學校已經在新的教學大綱中將課內實驗刪除。但是，正所謂“實踐出真知”，課內實驗對學生理解和掌握課堂理論知識具有不可替代的作用，值得討論以改進其教學方法。

2 課內實驗教學探索

在考慮課內實驗教學面臨的問題基礎上，本文提出一種“立足理論、弱化代碼、鼓勵創新”的教學方法，一方面將課內實驗與理論知識結合起來，另一方面將學生從繁瑣的代碼編寫中解放出來，以鼓勵學生集中精力突破關鍵問題。

2.1 立足理論

“工欲善其事必先利其器”，課內實驗完成質量的好壞與所用到的工具（數據結構及其算法）有直接的關系。因此，掌握數據結構與算法的基本理論知識是開展課內實驗教學的前提，對課內實驗完成的質量具有決定性作用。

從上述代碼中可以看出，加粗顯示的無向圖和有向圖的鄰接矩陣特點是不相同，即，無向圖的鄰接矩陣是對稱矩陣而有向圖的鄰接矩陣不是對稱矩陣。在課內實驗中，學生如果沒有掌握無向圖的鄰接矩陣特點，就會在虛線框內的參數設置中出錯。這也說明，課內實驗必須立足于理論，否則就是鏡中花，水中月。

2.2 弱化代碼

“射人先射馬，擒賊先擒王”，課內實驗要把握住重點，不能舍本逐末。課內實驗的精髓就在于利用數據結構的理論知識來解決實際問題，而不能讓學生淹沒在具體的代碼編碼中。弱化代碼，就是公開部分次要代碼而將核心代碼留給學生，將學生從程序語法中解脫出來，從而集中精力于數據結構與算法。

上述代碼中，加粗顯示的代碼為核心代碼，需要學生獨立完成，其余代碼為次要代碼，可以事先給定。在課內實驗中，學生可以集中精力去研究數據結構與算法來完成虛線內代碼，而不用花費大量的精力去修改次要代碼的語法。

2.3 鼓勵創新

“橫看成嶺側成峰，遠近高低各不同”，每一個人對同一個問題的認識不同，看法不同，故采取的解決方案也可能不同。針對同一問題，學生會考慮數據結構中的各種方法來解決問題。在這一過程中，學生就有可能產生創新性的想法，從而加深對“數據結構”課程的理解和掌握，做到活學活用。

以 “二叉樹基本性質-樹的高度”實驗為例，如下所示。

求：樹的高度

在“數據結構”課程中，樹的高度都是以遞歸的形式來求解，而有些同學能夠想到利用棧來求解，這就屬于創新性想法。

解：根據樹的定義，一棵樹的高度等于表達式b中括號的最大重數。括號的重數又可以很容易地通過棧來得到：左括號進棧、右括號出棧，記錄棧中括號的個數。因此，棧中括號的最大個數就是樹的高度。

數據結構課內實驗鼓勵創新，就能夠啟發學生從不同角度來看待問題，并得到不同的見解，這對培養學生創造性思維具有重要的作用。

3 教學效果

為分析本文所提方法的實際教學效果，筆者對學生的知識掌握水平和學習狀況等進行了面談和統計，其中，被調查的對象為約300名普通二本獨立學院大二學生。

圖1統計了學生的實驗成績（轉換為百分制），并依次分為了五檔，來評估學生課內實驗的完成情況。從圖中可以看出，與傳統教學方法相比，本文方法能夠降低低分段人數并提高高分段人數。比如，在傳統方法下，學生的成績大部分集中在60-80分之間（占比達76%），這也說明學生在課內實驗中的表現差不多，大部分采取“不求有功，但求無過”的態度。課內實驗采用本文教學方法后，學生的高分段成績有了大幅度的提升，80-90分之間的比例達到37%。這說明，本文方法能夠激發優秀學生的學習潛力，促進學生的學習興趣。

我們調查了學生在課內實驗的學習情況，包括學習興趣、創新性和平均成績三個方面，如圖2所示。相比于傳統教學方法，本文方法有明顯的進步。比如，學生的學習興趣由48%上升到72%，學生的創新性從3%上升到18%，所有學生的平均成績由72分上升到84分。特別是學生有時間也有興趣從不同角度去思考問題，能夠產生一些創新性想法。

4 結束語

為了提高“數據結構”課程的課內實驗效果，本文提出一種“立足理論、弱化代碼、鼓勵創新”的教學方法。該方法以理論知識為基礎，將學生從繁瑣的代碼編寫中解放出來，鼓勵學生提出創新性想法，能夠顯著地提高學生的學習成效，提高了課內實驗的教學效果。對于如何量化核心代碼的范圍和程度、采取何種具體措施來激發學生創新思維，仍然值得我們進一步思考。

參考文獻（References）：

[1] 嚴蔚敏，吳偉民.數據結構（第二版）[M].清華大學出版社，2008.

[2] 沈華.數據結構課內實踐教學方案[J].實驗室研究與探索，2013.10：412-416

[3] 華澤，陸悠，班建民.數據結構課程的實驗設計研究[J].計算機時代，2009.10：70-71

[4] 呂亞榮，繆相林.數據結構與算法實驗教學的改革與探索[J].教育教學論壇，2014.18：28-29

[5] 龔紅仿，楊宏杰，程思蔚.數據結構實驗課教學改革與實踐[J].計算機教育，2007.12：55-57

[6] 于慶梅，毛镠.MOOCs背景下地方院校“數據結構”實踐教學模式[J].實驗技術與管理，2019.5：190-194