大數(shù)據(jù)背景下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)改革

張一倩

（濟(jì)南職業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000）

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)+等技術(shù)的興起與快速發(fā)展，信息數(shù)據(jù)量正呈指數(shù)增長(zhǎng)。大數(shù)據(jù)時(shí)代已悄然開啟，使得大數(shù)據(jù)方向的人才需求也日益倍增。作為計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)核心基礎(chǔ)課程的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》，也面臨著改革與挑戰(zhàn)。課程組以我院“3+2職業(yè)院校與本科高校對(duì)口貫通分段培養(yǎng)計(jì)算機(jī)信息管理專業(yè)人才培養(yǎng)方案”為依托，圍繞“3+2信管”（簡(jiǎn)稱）人才培養(yǎng)的具體要求，制訂了配套的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、課程標(biāo)準(zhǔn)、考核標(biāo)準(zhǔn)等，在大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下進(jìn)行了一系列教學(xué)改革，主要體現(xiàn)在教學(xué)內(nèi)容的改革、教學(xué)方法的改進(jìn)和考核方法的改變上。

1 精選應(yīng)用案例，改革教學(xué)內(nèi)容

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程以基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法設(shè)計(jì)策略為知識(shí)單元，系統(tǒng)地介紹了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的知識(shí)與應(yīng)用、計(jì)算機(jī)算法的設(shè)計(jì)與分析方法，主要內(nèi)容包括線性表、樹、圖等典型結(jié)構(gòu)以及算法設(shè)計(jì)策略。課程培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)抽象能力、對(duì)大量數(shù)據(jù)的表示和組織能力，能利用典型的思路方法在數(shù)據(jù)抽象概念上描述算法并編寫出結(jié)構(gòu)清楚、正確易讀的應(yīng)用程序。在教學(xué)實(shí)踐中，采取了以下措施對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了改革。

首先，由實(shí)例引導(dǎo)理論，學(xué)以致用，幫助學(xué)生將理論與實(shí)踐結(jié)合起來。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中，直接介紹基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和常用算法的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)突出；但內(nèi)容較為抽象，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在內(nèi)容選取上，針對(duì)3+2信管專業(yè)特色和年輕學(xué)生的特點(diǎn)，在介紹相關(guān)概念和術(shù)語時(shí)，通過具體的應(yīng)用實(shí)例引入。采取用實(shí)例引導(dǎo)理論、理論推導(dǎo)方法、方法指導(dǎo)實(shí)踐案例的教學(xué)設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效果。

例如，講解“數(shù)據(jù)”概念時(shí)，穿插“google”一詞的由來，提出“大數(shù)據(jù)時(shí)代海量數(shù)據(jù)如何存儲(chǔ)”的問題，通過分析大數(shù)據(jù)的“容量大、種類多、速度快、數(shù)據(jù)復(fù)雜性高”等特點(diǎn)，引出海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求和實(shí)現(xiàn)方法。進(jìn)而在講解經(jīng)典算法后，給出了算法分析的思路。課堂教學(xué)中，也要重視這一點(diǎn)。在教學(xué)過程中應(yīng)該有意識(shí)地通過講解或討論的形式，讓學(xué)生習(xí)慣于這種算的比較和分析，并在此基礎(chǔ)上提出自己新的想法。

同時(shí)，注意以前沿話題為引導(dǎo)，促進(jìn)基礎(chǔ)內(nèi)容的教學(xué)。例如，時(shí)間復(fù)雜度分析是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的難點(diǎn)之一，學(xué)生在理解漸近時(shí)間復(fù)雜度時(shí)遇到困難。此時(shí)可以聯(lián)系“深藍(lán)”與AlphaGo的話題。深藍(lán)是分析國際象棋的超級(jí)電腦，1997年首次擊敗了國際象棋頂尖高手。AlphaGo是一款人工智能圍棋軟件，2017年前后多次戰(zhàn)勝圍棋世界冠軍。在AlphaGo與深藍(lán)之間的時(shí)間里，大數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力幾乎呈現(xiàn)指數(shù)式提升，但是為何相差二十年的時(shí)間呢？從國際象棋提升到圍棋，最重要的差異是什么？在前沿問題引導(dǎo)的基礎(chǔ)上，向?qū)W生順勢(shì)提出算法復(fù)雜度數(shù)量級(jí)的概念，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)多項(xiàng)式級(jí)、指數(shù)級(jí)等難點(diǎn)的理解。

其次，“3+2職業(yè)院校與本科高校對(duì)口貫通分段培養(yǎng)”屬于應(yīng)用型本科，與研究性本科的差異在于注重實(shí)踐，注重?cái)?shù)據(jù)分析在實(shí)際問題中的合理運(yùn)用。鑒于課程一開始就提出算法效率及分析，而大數(shù)據(jù)背景下許多技術(shù)創(chuàng)新和成果都依賴于高效的算法，可見算法效率的重要性。在授課過程中，注重將大數(shù)據(jù)思維融入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)踐教學(xué)中，通過一系列“算法在通訊、醫(yī)藥、物流、交通等領(lǐng)域提供基礎(chǔ)”的實(shí)例，培養(yǎng)學(xué)生的算法思想與計(jì)算思維。例如，人類基因組圖譜解碼的實(shí)現(xiàn)與新算法的發(fā)明分不開，新算法將計(jì)算速度提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。又如，在教學(xué)中滲透“算法組織數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)有效搜索”的案例，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到，大數(shù)據(jù)背景下沒有聰明的搜索算法，就會(huì)迷失在互聯(lián)網(wǎng)海量的數(shù)據(jù)叢林中。

再次，考慮到3+2信管專業(yè)在本科段的學(xué)習(xí)，適當(dāng)選擇和后續(xù)課程有密切關(guān)聯(lián)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行精講，為“知識(shí)點(diǎn)連成知識(shí)網(wǎng)”打好基礎(chǔ)。例如，《運(yùn)籌學(xué)》是3+2信管專業(yè)本科段的核心課程，“圖與網(wǎng)絡(luò)分析”、“網(wǎng)絡(luò)評(píng)審計(jì)劃”等單元設(shè)計(jì)到的知識(shí)點(diǎn)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程有交叉并進(jìn)一步拓展。在授課中講“圖”的概念、存儲(chǔ)、基本算法思想后，可以聯(lián)系運(yùn)籌學(xué)中的知識(shí)點(diǎn)展望后續(xù)內(nèi)容，提供相關(guān)資料，提高學(xué)生的興趣，提供必要的能力儲(chǔ)備。又如，課程中介紹“數(shù)據(jù)”概念時(shí)，在原有內(nèi)容的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)介大數(shù)據(jù)時(shí)代的數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)挖掘等熱點(diǎn)詞匯，既深化了理解，又拓展了視野，為進(jìn)一步的智能數(shù)據(jù)分析打好基礎(chǔ)。最后，考慮到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一門進(jìn)階性課程，概念抽象，難度較大。而隨著大數(shù)據(jù)的發(fā)展，Python語言的地位正在逐步提高，其相對(duì)簡(jiǎn)單的代碼編寫，成為眾多大數(shù)據(jù)工程師的選擇。在課堂上使用C語言描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后，建議學(xué)有余力的學(xué)生對(duì)比學(xué)習(xí)Python作為描述語言的版本，相輔相成。

2 問題驅(qū)動(dòng)知識(shí)點(diǎn)，改進(jìn)教學(xué)方法

在大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，課程組對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程進(jìn)行了重新審視，提出了若干教學(xué)方法的改進(jìn)舉措。

首先，在內(nèi)容組織上，實(shí)施問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，按照“提出實(shí)際問題→設(shè)計(jì)算法解決問題→分析算法效率”的路線授課，將“傳遞-接受”的傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐越鉀Q問題、完成任務(wù)為主的互動(dòng)模式。課堂上教師通過設(shè)立問題情境，引導(dǎo)學(xué)生啟發(fā)式思維，通過對(duì)某領(lǐng)域研究現(xiàn)狀和研究熱點(diǎn)的探討培養(yǎng)新時(shí)代的信管大數(shù)據(jù)方向的應(yīng)用型人才。

第二，課程將傳統(tǒng)教學(xué)手段與多媒體教學(xué)結(jié)合起來，引入多種教學(xué)手段，將抽象的概念和過程通過動(dòng)畫演示出來。同時(shí)使用“超星學(xué)習(xí)通”等信息化教學(xué)平臺(tái)，豐富課程資源，實(shí)現(xiàn)線上線下同步授課，實(shí)現(xiàn)上傳錄播視頻、課后回放復(fù)習(xí)等多種授課方式，實(shí)現(xiàn)師生的良性互動(dòng)，對(duì)學(xué)生課余自學(xué)起到了促進(jìn)、指導(dǎo)作用。

第三，圍繞“3+2信管”人才培養(yǎng)的具體要求，著重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。圍繞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的各單元知識(shí)點(diǎn)，在單元實(shí)訓(xùn)作業(yè)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)若干大型綜合性練習(xí)實(shí)例。通過相關(guān)背景知識(shí)的回顧、題目解析與實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)分析、測(cè)試方法分析等環(huán)節(jié)，為學(xué)生完成綜合性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)訓(xùn)提供參考。練習(xí)題目取材于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，例如，在“查找”單元中，要求學(xué)生完成“搜索算法的比較”這一題目。現(xiàn)實(shí)中大家都通過搜索引擎瀏覽web，用關(guān)鍵字查詢包含所需信息的網(wǎng)頁，并收到可能與查詢相關(guān)的頁面列表。利用優(yōu)秀的算法，現(xiàn)在的搜索引擎可以在極短的時(shí)間內(nèi)從數(shù)億網(wǎng)頁中匹配用戶查詢。學(xué)生設(shè)計(jì)程序?qū)λ阉魉惴ㄟM(jìn)行比較時(shí)，雖然在測(cè)試數(shù)據(jù)的規(guī)模方面有一定的局限，但通過了解相關(guān)知識(shí)也學(xué)習(xí)到：在大規(guī)模實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，通常在搜索前，根據(jù)條件降低搜索規(guī)模；根據(jù)問題的約束條件進(jìn)行剪枝；利用搜索過程中的中間解，避免重復(fù)計(jì)算這幾種優(yōu)化思想提高算法效率。

3 順應(yīng)疫情，利用網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)平臺(tái)改變考核方式

首先，利用“學(xué)習(xí)通”平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)考核過程化。將平時(shí)作業(yè)、上機(jī)實(shí)驗(yàn)、期中考試和期末考試等多個(gè)階段的考核過程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了覆蓋整個(gè)學(xué)期的過程化考核。

第二，在各階段的考核中，采用隨堂討論、課后客觀題檢測(cè)知識(shí)點(diǎn)、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告等多樣化的考核題型，綜合考察學(xué)生在各個(gè)階段的理解、掌握和綜合、應(yīng)用的能力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生“知識(shí)-能力-素質(zhì)”等方面的多樣化考核。

第三、教學(xué)中對(duì)各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的學(xué)習(xí)和掌握，最終應(yīng)以編程和實(shí)際應(yīng)用為目的。在考核過程中，充分利用上機(jī)實(shí)驗(yàn)等資源，引入電子化的考核技術(shù)，提高學(xué)生的編程能力，避免以往“只會(huì)答題，不會(huì)編程”的弊端。

第四，智能化發(fā)掘考核結(jié)果。采用傳統(tǒng)方式批閱考核試卷，不僅效率低下，更難以從全局把握學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，無法發(fā)現(xiàn)教學(xué)中的不足。利用“學(xué)習(xí)通”平臺(tái)的考核系統(tǒng)對(duì)學(xué)生的考核結(jié)果采用網(wǎng)絡(luò)化匯集統(tǒng)計(jì)，不僅可以針對(duì)每個(gè)學(xué)生指出其不足，提出補(bǔ)習(xí)建議，還能夠通過數(shù)據(jù)挖掘，發(fā)現(xiàn)具有共同性的問題，幫助教師改進(jìn)教學(xué)方法。

新的考核方式把科學(xué)的教育思想和教育模式變?yōu)榫唧w的教學(xué)計(jì)劃、可操作的教學(xué)目標(biāo)和實(shí)踐活動(dòng)，體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)思想，凸顯了以實(shí)際操作為目標(biāo)的教學(xué)理念。同時(shí)，過程考核和技能考核也起到了“督學(xué)”和“督教”雙重作用。

4 結(jié)束語

總之，新的改革舉措把科學(xué)的教育思想和教育模式變?yōu)榫唧w的教學(xué)計(jì)劃、可操作的教學(xué)目標(biāo)和實(shí)踐活動(dòng)，體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)思想，凸顯了以實(shí)際操作為目標(biāo)的教學(xué)理念。在大數(shù)據(jù)的背景下，教師應(yīng)順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，對(duì)自身提出更高的要求，結(jié)合專業(yè)方向與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程特點(diǎn)，提高涉及大數(shù)據(jù)的頻率，并落實(shí)到每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，在未來的教學(xué)活動(dòng)中不斷完善課程建設(shè)。