基于程序設計能力培養的數據結構課程教學改革與實踐

宛 楠，張 義，楊 利

（1.皖南醫學院 醫學信息學院，安徽 蕪湖241002；2.皖南醫學院 健康大數據挖掘與應用研究中心，安徽 蕪湖241002; 3.安徽工程大學，安徽 蕪湖241000）

1 引 言

程序設計是計算機類專業學生必備的基礎能力，也是檢驗計算機相關專業畢業生質量的重要標準之一[1]。計算機專業的畢業生應具備扎實的程序設計基礎，并能解決實際問題，才能達到專業技術崗位的要求，因此如何有效提高計算機類專業學生程序設計能力，培養滿足社會需求的計算機專業人才是目前高校計算機專業教學改革的重點和難點。數據結構是一門處于計算機學科核心地位的技術基礎和主干必修課，著重于培養學生復雜算法的設計能力、邏輯思維能力，是計算機專業創新應用型人才培養方案中一門重要的專業課程[2]。學生通過學習《數據結構與算法》課程，旨在掌握軟件開發過程中合理組織數據，選擇最優數據結構以及有效甚至高效的算法設計技能，從而達到提高軟件整體質量的目的。

傳統的數據結構課程教學模式單一，學生難以理解相關知識點，代碼實現困難，教學效果不理想，學生的編程能力薄弱，有的學生理論上理解算法思想，也無法正確實現。本文針對傳統數據結構教學中存在的問題，結合教學實踐，提出有效的教學方法和教學策略，著重于對學生的程序設計能力的培養，將算法思想引入到實際的應用開發中，旨在提高學生的學習興趣，促使學生的數據抽象能力、邏輯思考能力、編程能力全面得到提升。

2 基于程序設計能力培養的數據結構課程教學改革措施

為了全面提升學生整體程序設計能力水平，數據結構課程的理論教學和實踐教學應該更加緊密地構成一個整體，互相融合、相輔相成，從而幫助學生奠定扎實的理論基礎，著力培養學生的動手實踐能力、創新能力以及團隊合作能力。

2.1 先導課程銜接

計算機編程語言是數據結構課程的先導課程，是學習數據結構與算法課程的語言基礎[3]。數據結構課程中的算法實現需要首先掌握C 語言中的數組、函數、指針、結構體等語法知識。如果學生的程序設計基礎薄弱，會直接影響數據結構的教學效果，因此數據結構教學的理論課，應以復習C語言相關知識為主，幫助學生回顧程序設計基礎知識，消除語法障礙，之后的學習方可集中精力關注對算法的理解。第一堂實驗課，教師也可相應地布置一些指針和結構體的程序設計實驗，在輔導過程中總結常見錯誤，分析算法實現中出錯的原因，讓學生熟練掌握C語言里的重要知識點。教師可以使用微信公眾號等方式推送相關學習內容，布置相關的課堂練習，幫助學生在課下復習和掌握C 語言的各個知識點，為數據結構學習打好語言基礎，幫助學生在數據結構實驗課中能夠獨立自主地編寫調試程序。

2.2 線上輔助教學

為了將教育信息化思想融入到日常教學活動中，進一步提高學生的創新能力和實踐能力，有條件的學校應該根據數據結構課程的特點，開發網絡課程教學平臺，輔助課程的理論和實驗教學。另外直接采用網絡上的免費教學平臺輔助課程教學也不失為一個較好的選擇，如“itbegin”的院校通。數據結構的課程教學平臺可以提供給學生學習視頻和資料，也可在線布置作業和發布實驗內容。教師可通過網絡教學平臺有效管控整個教學過程，適時掌握學生的學習情況，及時對教學側重點進行調整。網絡教學平臺還提供師生交流和討論的版塊，實現學生之間和師生之間的實時交流，及時答疑解惑，幫助學生解決學習中遇到的困難，有效鞏固課程知識。

當前很多高校都搭建了自己的OJ(Online judge在線判題)平臺，用戶可以在線提交源代碼，系統對源代碼進行編譯和執行，并通過預先設計的測試數據來檢驗程序源代碼的正確性。OJ 系統最初使用于ACM競賽的自動判題和排名，里面的題庫豐富，也包含了很多涉及到數據結構和算法的相關題目。老師可以從眾多的題目中選擇合適的授課案例，用貼近實際應用的案例激發學生的學習興趣。學生也可以在各個OJ網站上注冊賬戶，在平臺上選擇題目并且編寫程序。學生提交程序后，系統很快能給出評判結果，學生可以根據錯誤提示反復修改和提交程序，直到結果完全正確為止。OJ平臺已事先設計好測試數據，學生所編寫的程序要在OJ平臺上評判通過，并且所有的測試數據都獲得正確的執行結果，就要求學生的編程基礎足夠扎實，考慮問題足夠全面，邏輯思維更加嚴謹。在線題庫和評判系統用于數據結構的輔助教學，將有效地幫助學生更加全面和扎實地掌握和鞏固教學內容。

2.3 項目驅動式實驗教學

實踐教學是課堂教學的重要環節，學生實踐能力和創新能力的培養很大程度上取決于實踐環節的開展[4]。數據結構的實驗內容應該包括驗證性實驗和設計性實驗，其中驗證性實驗主要驗證課堂理論教學內容，包括基本數據結構和基本算法的實現，如順序表、鏈表、棧、隊列、數組、遞歸、樹和二叉樹、圖、查找、排序等基本算法，教學目的是讓學生掌握數據結構基本概念以及算法[5]。

在完成驗證性實驗的基礎上開展設計性實驗，設計性實驗往往是與實際應用結合較為緊密的問題，實驗要求學生能夠運用所學知識，進行數據結構的設計和算法的實現。設計性實驗的教育目的是培養學生的綜合應用能力、分析和解決問題的能力、創新能力[5]。設計性實驗可采用基于問題的項目驅動式教學方法，教師提供一定數量的選題，明確任務需求。學生則結合默契度和對選題的興趣分成小組，3-5 人一組，大家圍繞任務分工合作，共同完成實驗。設計性實驗內容安排如表1所示。

表1 數據結構設計性實驗內容安排表

3 基于程序設計能力培養的課程教學改革實踐

筆者在C語言程序設計和數據結構與算法設計的課程教學實踐中，采用了itbegin 在線編程學習平臺來輔助實驗教學,取得了較好的教學效果。itbegin是一個免費的編程教學云課堂，教師通過itbegin院校通創建課程并導入學生名單，學生即可登陸it-begin平臺進入課程學習，學生可以選擇相關知識點進行復習和編碼練習，并可以與教師實時互動。itbegin 的在線布置、提交、批改作業功能為教師提供了極大便利。

教師在實驗課前將實驗內容添加至教材管理模塊，并在作業管理模塊中發布實驗內容。通過分析實驗報告，將本次實驗中具有代表性的問題和需要注意的細節，在理論課上進行點評，同學就可以及時在新的實驗任務發布之前完成本次實驗的所有修改和調試工作，及時進行總結和歸納。

3.1 問卷調查

課程結束后，對學生進行問卷調查，結果顯示93.4%的同學認為itbegin 平臺對數據結構學習大有裨益，89.88%的同學認為通過使用itbegin 平臺可以有效地提高程序設計能力。相較于傳統教學模式，同學們普遍認為基于程序設計能力培養的課程教學取得了較好的教學效果，提高了他們的編程能力和自主學習能力，增強了師生之間的交流。實踐表明基于程序設計能力培養的課程教學對于促進學生自學能力、協作能力、編程能力的提升具有積極作用。

3.2 實驗完成率

連續2 年統計了學生的實驗到課率、實驗報告提交率、實驗完成率和實驗平均分，結果如表2 所示。從中可以看出，采用itbegin 平臺輔助實驗教學以后，2018年的4項統計結果均比2017年有了明顯提高。

表2 2017-2018年度數據結構實驗教學情況分析

4 結 語

數據結構教學中注重程序設計能力的培養，將網絡教學平臺和在線題庫引入數據結構的實踐教學，能更好地培養學生的團隊合作精神，促進良性競爭，營造良好的學習氛圍。通過必要的實踐訓練，能有效地提高學生的分析問題、解決問題的能力，從而全面提高學生的編程能力、自主學習能力和創新能力。