理解結(jié)構(gòu)概念，認識結(jié)構(gòu)作用

主持人

李維明，教育部普通高中信息技術(shù)課標修訂組核心成員，正高級教師（教授）

主持人語：自2019年9月采用新課標新教材開展教學以來，北京、天津、山東、海南、遼寧等5個省（市）大多完成了必修模塊的教學，部分省（市）還進行了學業(yè)水平合格考試，取得了良好的成效。今年，教育部又組織專家對課標進行了修訂，頒布了最新版的《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版2020修訂）》，更加明晰了學科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵和內(nèi)容模塊的結(jié)構(gòu)，增強了教學應(yīng)用的方向感。當下，新課標新教材的教學實踐已經(jīng)進入到選擇性必修模塊教學的新階段，怎么選擇、怎么教學是必須面臨的重要問題。為配合即將到來的選擇性必修課程的教學，本期繼續(xù)進行“普通高中信息技術(shù)新課程實施”之選擇性必修模塊的教學等系列專題的研討，以饗讀者。同時，也希望廣大信息技術(shù)教師、教研人員積極參與，獻計獻策，共同促進學科新課標新課程的順利實施、健康發(fā)展。歡迎大家不吝賜稿（358211798@qq.com）。

普通高中信息技術(shù)新課標實施之教學專題四

數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的教學——測評

在明確了數(shù)據(jù)的內(nèi)涵與外延、理解了數(shù)據(jù)的價值與作用之后，對數(shù)據(jù)間存在的某些特定的關(guān)系需要進行必要的研究，也就是對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行研究，以提高數(shù)據(jù)存儲效率及運算效率。

理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計算機存儲、組織數(shù)據(jù)的方式，是相互之間存在一種或多種特定關(guān)系的數(shù)據(jù)元素的集合。它主要涉及數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)及運算三個方面。

數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu);數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)是指反映數(shù)據(jù)元素之間的邏輯關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中的邏輯關(guān)系是指數(shù)據(jù)元素之間的前后間關(guān)系，而與它們在計算機中的存儲位置無關(guān)。邏輯結(jié)構(gòu)包括集合、線性結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)、圖形結(jié)構(gòu)等。

數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)在計算機存儲空間中的存放形式稱為數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)（也稱為存儲結(jié)構(gòu)）。一般來說，一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu)根據(jù)需要可以表示成多種存儲結(jié)構(gòu)，常用的存儲結(jié)構(gòu)有順序存儲、鏈式存儲、索引存儲等。

運算：算法研究的目的是更有效地處理數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)運算效率。數(shù)據(jù)的運算是定義在數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)上的，但運算的具體實現(xiàn)要在存儲結(jié)構(gòu)上進行。運算一般有檢索、插入、刪除、更新、排序等幾種常用運算。

數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)是多樣的，也有不少是復雜的，選擇性必修課程不可能全面開花，而只能了解這些基本的概念及簡單的結(jié)構(gòu)，更多的內(nèi)容可以在高校學習中去了解。

認識數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的作用

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在解決問題的過程中有著重要的作用，要設(shè)計出一個結(jié)構(gòu)好效率高的程序，必須研究數(shù)據(jù)的特性及數(shù)據(jù)間的相互關(guān)系及其對應(yīng)的存儲表示，并利用這些特性和關(guān)系設(shè)計出相應(yīng)的算法和程序，精心選擇的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)則可以帶來最優(yōu)效率的算法。

在實際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同，對數(shù)據(jù)進行操作的方法就會不同，相應(yīng)的運算方法也就不同。例如，要在順序存儲結(jié)構(gòu)的一組數(shù)據(jù)中插入一個新數(shù)據(jù)，操作時就需要將此插入點后的所有數(shù)據(jù)都往后移動一個位置，以空出一個位置來存放新數(shù)據(jù)，其操作效率低;而如果采用鏈式存儲的結(jié)構(gòu)，則只需要把插入點之前的地址指向新數(shù)據(jù)，把新數(shù)據(jù)的地址指向原插入點之后的數(shù)據(jù)即可，其操作極為簡便，效率明顯提高。形象地說，順序存儲結(jié)構(gòu)就像銀行里的排隊辦事，人們一個挨著一個地在窗口排隊，“夾塞”就會影響整個隊列;而鏈式存儲結(jié)構(gòu)就像銀行里的叫號辦事，人們?nèi)×颂柹⒆诓煌奈恢茫ぷ魅藛T依次叫號，被叫到號才去窗口辦理，這樣既保證了辦事的秩序，又免去了站立排隊的辛苦，因而被廣泛采用。

在信息系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計過程中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇更是一個基本的設(shè)計考慮因素。特別是大型的復雜的應(yīng)用系統(tǒng)，其系統(tǒng)實現(xiàn)的困難程度和系統(tǒng)構(gòu)造的質(zhì)量都嚴重地依賴于是否選擇了最優(yōu)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。由此可見，無論是簡單生活事務(wù)的應(yīng)用，還是復雜信息系統(tǒng)的設(shè)計，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇都是必須考慮的重要因素，其作用不可小覷。

教學建議

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的教學應(yīng)當注意兩點，即適度、得法。適度就是要求在教學中對概念的要求深淺適度，對操作的要求要難易適度;得法就是根據(jù)不同的教學需求，采用適合的教學方法。

《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版2020修訂）》（以下簡稱《標準》）中涉及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)概念的要求既有“理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念”這樣的總要求，又有“理解數(shù)組、鏈表等基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念”“理解包括字符串、隊列、棧在內(nèi)的線性表的概念”“了解二叉樹的概念”等涉及某類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的具體要求。在教學時，要從基本的、典型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)入手，通過剖析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實例，由簡到繁，從個別到一般，從具體的應(yīng)用到抽象的歸納，逐步理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念，認識數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的重要作用。

由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)涉及面廣、形式多樣，教學時對其操作應(yīng)用的要求不能過高，建議嚴格按照《標準》要求的程度展開教學，以免徒增難度。例如，對于“數(shù)組”“鏈表”這些基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，《標準》要求“能編程實現(xiàn)其相關(guān)操作”，而對于“二叉樹”這樣的抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，《標準》則只要求“了解”基本操作方法。所以，教學時一定要注意區(qū)別對待、分別要求，以便明確地表述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法間的關(guān)系，更好地完成教學任務(wù)，達成教學目標。

教學的方法多種多樣，如何才能“得法”，其實也不難：為了便于教學，《標準》在每個模塊“內(nèi)容要求”之后，都給出了明確的“教學提示”，本模塊就給出了“算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是問題求解中相輔相成、不可分割的兩個方面。在本模塊教學中，可以通過設(shè)計范例，引導學生理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、抽象數(shù)據(jù)類型等基本概念”這樣的提示，依據(jù)這些提示開展教學，就可“得法”。

《標準》中提到的“設(shè)計范例”，其字面意思非常明確，就是指能在教學中起到示范作用的有關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)操作的實例，這樣的實例在教科書中比比皆是，教學時一定要充分利用。其利用的關(guān)鍵不在于范例本身求解的結(jié)果，而在于引導學生去理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念。也就是說，教學的過程，也就是引導的過程是非常關(guān)鍵的，一定要精心設(shè)計，認真落實。

同時，《標準》還提示：“在學習數(shù)組、鏈表以及線性表內(nèi)容時，可以引導學生參與基于真實問題的項目學習，經(jīng)歷建立數(shù)據(jù)模型、抽象數(shù)據(jù)、選擇數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法實現(xiàn)、上機調(diào)試、問題解決的全過程。”這里提到了“基于真實問題的項目學習”，什么是“真實問題”？各版本的教材都有自己的表達，但歸結(jié)起來無非就是兩類：一類是學校學生成績管理;另一類是商場銷售數(shù)據(jù)管理。所以，如何將項目活動設(shè)計得生動而又利于學習，這是教學首先需要考慮的問題。更為重要的是，要讓學生經(jīng)歷“建立數(shù)據(jù)模型”“抽象數(shù)據(jù)”“選擇數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”“算法實現(xiàn)”“上機調(diào)試”“問題解決”的全過程，就必須把項目活動設(shè)計得可以驅(qū)動各個環(huán)節(jié)的學習，讓學生在“經(jīng)歷”之中探索用計算機解決問題的途徑，掌握用計算機解決問題的方法，提高用計算機解決問題的關(guān)鍵能力，逐步形成用計算機解決問題的思維方式，提升學科核心素養(yǎng)。這樣才能使項目學習真正具有活動的價值、教學的意義，這才可以稱之為“得法”。

正如《標準》指出的那樣，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是信息技術(shù)學科的核心內(nèi)容之一，對培養(yǎng)學生的信息意識與計算思維、深入理解并掌握信息技術(shù)學科知識與實踐方法、形成學科核心素養(yǎng)，具有非常重要的作用”。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的教學意義如此重大，作用非同小可，在實施過程中各位教師一定要認真對待，絕不可等閑視之。