數據結構課程算法實踐能力強化方法的研究

摘? 要： 文章基于應用型本科人才培養的現實背景，對數據結構課程的培養方案、教學方式和考核方法進行了改進，提出了一種算法實踐能力的強化方法和考核方案。該方法結合數據結構、數學的知識點和編程技術等，促進學生掌握相應的理論知識，提高算法實踐能力;對應的多樣化的考核形式也更加激發學生的學習熱情和興趣，并能夠從多個角度反饋學生的學習情況。

關鍵詞： 數據結構; 應用型本科; 人才培養; 算法實踐能力

中圖分類號：TP311.13? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2020）11-95-03

Abstract： Based on the practical background of application-oriented undergraduate talents training， this paper improves the training scheme， teaching method and assessment method of data structure course， and proposes a method and assessment scheme to strengthen the algorithm practice ability. The method combines with the knowledge points of data structure and mathematics， and programming technology to promote students to master the corresponding theoretical knowledge and improve the algorithm practice ability; the corresponding diversified assessment forms also stimulate students' enthusiasm and interest in learning， and can also feedback students' learning situation from multiple angles.

Key words： data structure; application-oriented undergraduate; talent training; algorithm practice ability

0 引言

數據結構課程作為一門計算機相關專業的核心基礎課程，與其他基礎課程一樣，具有理論性強，內容抽象，知識點多而復雜的特性。數據結構是計算機專業教學中的關鍵課程，也是構建高效率算法的必要基礎，所涉及的知識在相關專業的課程系統中始終處于核心位置。近些年，數據結構課程的實現語言不斷發展，從Pascal到C、C++、JAVA，甚至Python語言。語言越來越先進，講授的內容越來越精簡，但是數據結構技術應用實踐仍然是一個令學生頭疼的事情。無論老師采用什么語言講授，對于學生而言，數據結構的理論知識依然比較晦澀難懂，無法從抽象的理論知識向具體的代碼順利過渡，這是一個很現實的問題。

針對上述現象，很多專家和學者進行了數據結構課程的教學研究和改進。主要有將數據結構實踐教學分為七個步驟的螺旋式教學過程[1]，將理論性、實踐性和娛樂性有機結合采用教輔系統的方式[2]，在課程中引入項目驅動教學方法[3]，對實驗教學目標和內容進行了分層設計的教學方法[4]等等。

在應用型本科高校轉型發展的現實背景下，很多高校都在由傳統形態大學向應用技術型大學轉變。轉型的本質是讓培養的學生更加符合社會經濟發展的需要，而轉型的核心是人才培養模式的改革，培養真正的應用型人才。

在原有多樣化的教學方式中，繼續改進一種更適合應用型人才的培養方案，提高學生雙向重構的能力，既能對新知識進行構建，也能夠對原有知識和經驗進行改造和重構。以能力培養為核心，輔以基礎理論知識，更注重知識的綜合運用。并在此基礎上，設計一種針對培養應用型人才的數據結構課程的考核方案以適應新的改革需要。改變末端考核為過程考核，改變單一評價為多元評價，更加重視運用知識解決實際問題的能力考核。

本文在參考上述相關研究后，在原有多樣化的教學方式中提出一種算法實踐能力強化的方法，更加適合于應用型人才的培養方案和考核方案，在采用以往多元化的教學方法如啟發式教學、任務驅動式教學、項目驅動式教學等的基礎上，引導學生親歷從數據結構到算法，從算法到程序的過程，使學生明白算法與程序不等價，理解數據結構和算法的關系， 明白算法和程序之間的區別和聯系。實現對新知識和新信息的構建，重構原有的知識和經驗，強化其算法實踐能力。

1 算法實踐能力強化方法的提出

1.1 算法實踐能力強化方法

算法實踐能力的強化是構建在多個條件之上的：數據結構的非數值數據集及存儲結構、數學知識、技術、閱讀和模仿、調試。

⑴ 非數值數據集及存儲結構。數據結構課程研究的是非數值計算的數據元素和它們之間的關系，以及運算問題。因此，針對數據結構算法實踐能力的培養，在程序設計中也是以非數值數據集的運算為主。

⑵ 數學知識。算法的編程實現，需要有流程。這個流程與數學有關，只有掌握了數學原理才能把實際問題抽象為編程算法。所以，算法實踐能力也與數學基礎的好壞有關。當然，數學不好也不必灰心，因為這兩者可以相互促進，學好編程也可以督促和帶動數學的學習。

⑶ 技術。算法實踐的關鍵是技術，而不是知識，更不是結構和語法。但技術的實施是構建在非數值數據集及存儲結構知識基礎之上的。

⑷ 閱讀和模仿。提高編碼的能力，最容易想到的一個方法就是編寫更多的代碼。還有一種能提高編碼能力的方法就是閱讀別人的代碼，這個方法能讓自己的編程能力得到明顯的提升。在模仿前先分析算法，嘗試獨立編程，得不到結果也沒有關系，重點是促進思考。然后再去研究經典案例的代碼，分析其算法和實現方式，跟自己編寫的代碼相比孰優孰劣。最后，再次完善自己編寫的代碼，查看運行結果。

在學習過程中，多找經典案例，先模仿經典代碼編寫。一開始編寫能力也許不會明顯提高編碼，可能感覺沒有太大作用。有時候即使對照著輸入也不能得出正確的結果，這種情況，大多數是在細節上沒有做好，比如漏掉了小符號或漢英不分，標點符號或者大小寫的問題等。多次模仿會逐漸地糾正編程的壞習慣，從而養成注意細節的好習慣。

⑸ 調試。算法實踐能力的培養，還需要學會調試，比如最基本的斷點，去調試代碼，然后就會發現自己認為很嚴謹的算法和代碼其實存在很多問題。在此基礎上繼續修改，再次調試。等得出結果后，就會獲得很強的成就感。

本文提出的算法實踐能力的強化方法就是結合數學知識，運行相應的軟件開發工具，結合通過抽象-聯想法[5]理解掌握數據結構的理論基礎知識，不斷的閱讀和模仿程序、調試程序，以達到解決問題的目的。

1.2 數據結構課程考核方案的改進

學生課程的考核是整個教學活動中十分重要的一環，對學生的教育和培養起著舉足輕重的作用，而且對教學發揮著指揮棒的功能。傳統的計算機專業基礎課程的考核方案一般都是受到傳統授課模式和考試模式的影響，以考試為主。專業基礎課的考核，不是為了甄別、選拔學生，而是為了促進學生在專業技能上的全面發展。以考試為主的傳統評價方式，容易讓學生養成開學松懈，期末緊張，突擊復習的狀態。而這遠遠達不到應用型人才的培養目標。

考核方案的設置必須由專業教師在課程建設過程中商討來確定。課程考核要求盡早告知學生，讓學生有一定的心理準備，讓他們從一開始就能夠意識到該課程的考核不是“一考定終身”，而是全方位的考核。如此學生就可以在課程學習的開始就注意自己在各個方面的學習和表現。考核形式和方法的多樣化，可以激發學生的學習熱情和興趣，并從多個角度反饋學生的學習情況。我們對學生在該課程的成績評定過程中實行綜合的評定方法。如表1所示。

調整之后的考核方案中，平時成績包括考勤、課堂表現、回答問題考核、作業考核、平時上機實驗考核、上機學習態度等;期末考試由閉卷筆試完成，主要以考查知識點的理解和運用為主;上機考核以實際的情景題引入問題，考查學生如何利用所學的理論知識解決實際問題。

在該方案中可以明顯的看出應用型人才的培養更加看重學生上機實踐的訓練。表面上看僅僅是增加了上機的比重，但是經過前期的大量調研，參與數據結構課程建設小組的老師多次討論并修改了教學大綱，在授課過程中強調算法的重要性，增加算法的講解和練習。針對應用型本科人才的培養方案，最終形成了多樣化的考核模式。

2 算法實踐能力強化方法的實施與效果分析

2.1 算法實踐能力強化方法的實施

在數據結構課程中涉及的知識點較多，數據元素相互之間的關系分為一對一、一對多、多對多，涉及到線性表、棧、隊列、樹、圖，以及對這些結構的各種操作，如創建、插入、刪除、查找、求長度等。在講授過程中，這些信息都是逐漸被學生所接收和理解的，對于掌握不是很好的學生而言很難將這些信息串聯起來，形成一個系統的知識體系。因此，要求專業教師在平時的授課過程中采用各種教學方法和手段將所有的知識點進行系統講解，使學生能夠面對實際問題進行分析時，能條件反射似的運用數據結構課程里的知識點。然后以程序員的設計思路對問題進行總體結構分析，甚至于設計相應的用戶界面。這個過程本身也是軟件設計的綜合訓練。

在算法實踐能力強化方法實踐的過程中，要求學生進行下面一系列的學習步驟。

Step1：問題分析和任務定義;

Step2：數據類型設計和系統設計;

Step3：編碼實現和靜態檢查;

Step4：上機準備和代碼調試;

Step5：總結任務、整理實驗報告。

上述學習步驟實施后，效果均可以在解決實際問題中得以體現，這些實際問題包括學生信息管理、航班信息查詢與購票、銀行排隊、回文數猜想、約瑟夫問題、停車場管理、魔方陣、本科生導師制問題、家族關系查詢、地鐵建設、校園導航等。

授課老師在講授數據結構的基礎知識之前，會依據學生的具體情況進行分析和討論，有針對性的調整方案和實驗內容，以符合當前學生的實際情況。在學習過程中，授課老師會在課堂里依據學生不同的學習狀態采用合適的教學方法，如“引導式”、“啟發式”、“項目代入法”、“抽象-聯想法”、“情景案例”等。一般對于理論基礎型的課程，我們建議采用自底向上的方式進行學習，但是對于算法實踐能力的培養，我們建議采用相反的方向即自頂向下的方式進行學習：先了解前沿技術和發展方向，讀取經典的優質開源學習資源和優質代碼，參考最佳實踐，總結各自學習內容作為知識輸出。以實例驅動學習，只關注編寫的代碼能夠做什么能夠實現什么。堅持下來，就可以在算法實踐能力的強化方面有長足的進步。

2.2 算法實踐能力強化方法實施的效果分析

以我校作為二本院校實施的應用型人才培養為例，2018年-2020年期間對17級、18級本科近千名計算機學院學生的數據結構課程進行了算法實踐能力強化方法的教學建設和改進，也以此對該課程的考核方式進行了調整。經過三年的嘗試，學生在學習過程中也遇到很多瓶頸和疑惑，我們對出現的問題進行分析和討論，及時調整方案和考核方式的具體實施細節，使得學生在數據結構的學習效果和算法設計和編寫能力上得到了顯著的提高。在2017年未實施算法實踐能力的方法和考核方案，學生的編程能力普遍比較薄弱。2018年開始實施后，雖然學生的整體水平與往年相比不占優勢，仍然取得了一定的效果，如表2所示。

從表2可以看出，在對已有的教學方法改進之初，所取得的成績沒有很明顯的變化。和編寫程序一樣，只有根據學生的具體情況不斷的調整調試，不斷地改進，才會使學生更加容易掌握理論知識，進而提高其編程能力。

3 結論

本文針對數據結構課程的算法實踐能力強化方法進行了研究和實施，完成了以下工作：

⑴ 對數據結構涉及的知識點和相關算法進行了相應的教學方法的完善和改進;

⑵ 提出了一種數據結構課程的算法實踐能力強化方法和對應的考核方案;

⑶ 數據結構課程組的教師用三年的教學實踐，摸索出提高計算機專業學生的算法實踐能力的教學經驗。

重視算法設計考核模式，不僅有利于培養學生的優良學風，減輕學生畏懼學習數據結構、畏懼編程的心理，而且由于考查的知識點多且知識面寬，對學生的總評成績更客觀。這種考核模式學習既能體現專業基礎知識的重要性，也能體現出綜合能力培養的重要性，同時，對任課教師也提出了更高的要求。專業教師不僅要對專業內容要有很深的理解，同時還需要緊隨社會、行業的需求，精心準備專業內容，有針對性地對學生進行綜合訓練和培養。

參考文獻（References）：

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