應用型本科院校數據結構教學改革實踐

張新顏 盧向華

摘要：數據結構是計算機及其相關專業的核心專業課，是整個專業知識體系的理論基石。數據結構課程既講授軟件設計中常用的邏輯結構、存儲結構及相應算法等知識，又培養學生高效解決復雜問題的程序設計能力。在學校建設應用型本科“示范校”的背景下，針對數據結構課程的教學情況與問題，為適應社會對應用型人才需求，積極進行了教學方法與教學手段的改革，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：數據結構;教學方法;教學改革;網絡教學平臺;實踐教學

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）17-0176-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Practice of Data Structure Teaching Reform in Application Oriented Universities

ZHANG Xin-yan， LU Xiang-hua

（Luoyang Institute of Science and Technology， Luoyang 471023，China）

Abstract： Data structure is the core professional course of computer and related majors， and the theoretical foundation of the whole professional knowledge system. The course of data structure should not only teach the common knowledge of logic structure， storage structure and corresponding algorithm in software design， but also cultivate students' programming ability to solve complex problems efficiently. Under the background of building application-oriented undergraduate "model school"， aiming at the teaching situation and problems of data structure course， in order to meet the social demand for applied talents， the reform of teaching methods and teaching means has been carried out actively， and good teaching effect has been achieved.

Key words： data structure; teaching method; teaching reform; network teaching platform; practice teaching

1 引言

數據結構是計算機理論體系的重要基石，是計算機及相關專業的核心課程[1]。本科院校數據結構課程通常開設在第二學年，前序課程是C語言程序設計或Java程序設計。數據結構課程對第一學年學習的軟件技術進行總結與提高，為后續專業課程提供基礎，它承上啟下、貫通始終，是計算機科學與技術人才素質框架中的脊梁骨，對學生能力培養至關重要[1]。

洛陽理工學院自2016年被確立為河南省示范性應用技術本科院校以來，積極探索創新人才培養模式，推動教學改革[2]。數據結構作為計算機學院的軟件工程專業、計算機科學與技術專業、物聯網專業、大數據專業的核心必修課程，積極開展教學改革探索，提高教學質量，為滿足社會對具有專業能力、創新能力的軟件人才需求做出貢獻。

2 數據結構教學中面臨的問題

2.1 課程特點

2.1.1 課程內容多課時較少

數據結構課程不僅講授數據信息在計算機中的組織和表示方法，同時也訓練學生高效地解決復雜問題程序設計的能力。課程系統地介紹了軟件設計中常用的數據結構、存儲結構及相應的算法，系統地介紹了常用的查找和排序技術，并對各種結構和技術進行分析比較，內容非常豐富[1]。隨著學校為適應應用型本科大學的要求進行的計算機類專業的培養方案調整，數據結構課程的課時由原來的88學時壓縮到72學時，包含16個實驗學時。數據結構課程內容主要包括線性表、棧和隊列、串、數組和廣義表、樹和二叉樹、圖、查找和排序，課程內容豐富。因此，要在有限的課時內將數據結構中的知識點講授完并使學生理解掌握，同時具備相應的實踐能力，需要進行有效的教學改革。

2.1.2 課程內容抽象難懂

數據結構是在學生有一定程序設計基礎上講授的，是對實際問題中的數據對象進行分析，將數據邏輯關系抽象化對應得到常見的數據結構。數據結構課程研究這些數據結構如何在計算機中存儲表示，不僅要存儲數據對象中數據元素自身的信息，還要將數據元素之間的邏輯關系映像到在計算機存儲器中。在此基礎之上研究不同數據結構關系在不同存儲結構下的常見算法。數據的邏輯關系是抽象化的，計算機的存儲結構也是看不見摸不到，算法步驟是用類C語言描述的，整體內容抽象，學生常因在學習中遇到困難而漸漸失去興趣。

2.1.3 課程實踐性強

計算機及其相關專業的課程通常都具有很強的實踐性，數據結構也不例外。這門課程是對實際問題中的數據關系概括總結為幾種類型的數據結構，每種數據結構有相應的存儲方案和常見算法設計。要求學生能進行抽象化思維，能夠根據實際問題對照所學知識合理地選擇數據結構并設計算法。這不僅要求學生能夠理解抽象化的數據關系模型，還要能將抽象化數據結構靈活運用轉化為具體的數據類型并將算法實現為能運行的程序。學生必須經過大量的實踐，在實踐中體會構造性思維，提高軟件設計水平[1]。

2.2 學生情況

2.2.1 程序設計基礎一般

數據結構的前序課程是C語言程序設計，學生對于C語言中基本數據類型、順序、選擇、循環結構、數組等知識點掌握相對較好，但是對數據結構中最常用到的函數、指針、結構體等較難的知識普遍掌握一般，多數學生能夠了解或理解這些知識點，但不能熟練運用這些知識進行程序設計。這些知識在數據結構課程各章節內容幾乎都有涉及，對于理解和掌握課程中各類數據結構及其算法至關重要。由于多數學生對這些必備知識掌握情況不好，在學習中無法深刻理解算法中的存儲結構及算法思路，使得小問題漸漸變成大問題，久而久之，學生便失去興趣。

2.2.2 學生需求不同

作為應用型本科院校，我校學生畢業后主要有兩個方向，一個是從事跟專業相關的工作，一個是繼續攻讀研究生。隨著近年來考研人數不斷攀升，學生對課程的需求也變得多元化。因此，在課程教學中既要兼顧工作中數據結構課程知識的需要，也要注重課程的理論知識提升，滿足學生考研的知識需求。

3 課程教學改革措施

針對數據結構課程的特點及學生情況，以耿國華主編的《數據結構—用C語言描述（第2版）》為教材，從教學方法、教學手段等方面提出了多種課程教學改革措施。

3.1 明確學習目標 激發學生學習動力

很多學生在學習一門課程時不知道課程知識的用處，學習時顯得很盲目，也沒有積極性。在課程第一節課，首先明確3個問題：什么數據結構？數據結構研究什么？學習數據結構有什么用？尤其是第三個問題，數據結構在軟件開發中是理論基礎，根據麥可思對近5年計算機專業畢業生的調查，數據結構是從事軟件行業最重要的核心課程之一。另外，數據結構是計算機類研究生考試必考科目之一，是進一步學習研究的必備知識。通過幫助學生對未來發展進行規劃，明確目標，激發學生學習數據結構的動力。

3.2 做好課程銜接 調整課程內容

數據結構課程內容從第2章線性表開始一直到最后一章排序，自始至終都涉及C語言程序設計課程中的數組、函數、指針等知識點，然而學生對這些對數據結構的必備知識準備不足。為此，在課程開課前的假期，要求學生預先復習數組、函數、指針、結構體等重點難點內容，并在開課前一周組織學生進行相關知識測驗，一方面迫使學生為了通過測驗進行復習，一方面通過測驗了解學生對這些知識的掌握情況。課程初始階段，有意識地將相關知識穿插到課程內容中講解，使學生在學習之初弄懂抽象的知識內容，幫助學生樹立學好數據結構的信心。

數據結構課程學時少，內容多。為了更好地突出課程核心知識，對課程內容做了優化調整，把線性表、棧和隊列、二叉樹、圖、查找和排序作為重點講授，串一章內容相對簡單，由學生自學，其他章節適當壓縮課時，這樣保證課程中的重點難點知識有充分的課時講授。同時，在實際授課中，根據學生的掌握情況及時調整分配各知識點的課時，保證教學效果。

3.3 教學方法改革

數據結構課程各章節內容各有特點，單一的教學方法不利于知識的傳授，針對數據結構課程不同章節知識的特點選擇不同教學方法，激發學生學習興趣，提高教學效果。

3.3.1 案例教學法

數據結構課程知識抽象枯燥，在講授知識點時以具體案例為切入點，將抽象的知識用案例的形式表現出來，使學生對課程內容有感性的、具體的認識。采用案例教學法，使課程內容更貼近實際生活，學生沒有畏難情緒。案例通常具有趣味性、啟發性，能激發學生的興趣[3]，引導學生分析、探究、討論，達到良好的教學效果。

案例教學法在數據結構課程講授中非常普遍地應用，例如在講授第一章緒論中的算法分析，以數組逆置的兩種算法為例，一種算法利用一個輔助數組實現逆置，另一種算法直接把原數組對稱位置元素進行交換實現逆置，通過這個案例兩種算法分析進行對比使學生迅速理解了算法的高效率和低存儲量。又如在介紹3種常見邏輯結構：線性結構、樹形結構、圖狀結構時，分別用學生成績表、學校組織層次結構圖和交通圖做例子，學生理解了三種結構的一對一、一對多和多對多的特點。在對隊列講解時，以醫院排隊掛號為例，在鏈式結構進存儲隊列基礎上，講解利用隊列的入隊、出隊算法實現病人掛號、醫生叫號的功能實現。通過案例的講解，學生輕松地掌握了相關知識點。

總之，案例教學法是老師和學生喜聞樂見的教學形式，它貼近生活易于被學生接受，教師在講授中能將復雜問題簡單化、枯燥知識趣味化，通過案例教學法的運用，消除了學生的畏難情緒，幫助學生更好地理解和掌握課程知識點并將其靈活運用到實際問題中。

3.3.2 啟發式教學法

啟發式教學法通過在教學中適當設置問題，引導學生主動思考，從而提高學生的學習興趣和主動性[3]。例如，二叉樹的順序存儲是利用完全二叉樹的性質用數組下標對應樹中結點編號映像結點間的關系，對此提出兩個問題：能否將一個順序表視為一個完全二叉樹呢？基于順序表的查找和排序能否在樹表中進行呢？啟發學生反向思維得出結論。又如在講完哈夫曼樹及其應用一節內容后，讓學生重新思考在C程序中曾經設計過的程序：給定一個百分制成績判定屬于哪個等級，若一個班學生的五種等級的成績分布為：優、良、中、及格、不及格的人數比例分別是10%、30%、40%、15%、5%。提出問題：該程序能否進行優化？學生經過思考紛紛將成績分布的比例作為權值構建成績判定的哈夫曼樹。通過啟發式的教學引導學生將所學知識點現學現用，大大提高了學生的學習熱情，培養了學生分析問題、解決問題的能力。

3.4 利用網絡平臺

隨著互聯網的發展和手機的普及，學校開通了學習通網絡教學平臺，課程積極建設相關資源，為學生提供了多元化、個性化的學習途徑。基于學習通平臺，課程初步完成了課件、課程視頻、作業庫等資源。利用學習通平臺，學生可以在課下根據自身情況對課程內容進行預習和復習。由于課程內容多課時緊，部分基礎較差的同學無法跟隨課堂授課節奏，學習通上的教學視頻可以反復觀看，幫助這些學生及時消化課程內容。另外，在授課中適時利用學習通平臺的手機端點名簽到，開展課程內容討論、提問搶答、隨堂測驗等活動，提高了課堂效率，增加了課堂互動環節，大大提高了學生的學習熱情，教學效果良好。

此外，學習通平臺及時記錄學生參與各種教學活動的情況，例如學生觀看視頻時長、出勤率、作業完成情況、隨堂測驗成績、回答問題得分情況等。學生通過平臺可以看到自己的各項教學活動中的表現和成績，及時發現自身問題進行修正。教師通過平臺可以查看班級各項統計數據，快速掌握學生學情，及時調整課程進度或內容，也可以查看學生個人具體學情，有針對性地進行輔導。

3.5 加強實踐教學

作為河南省示范性應用技術本科院校，更注重學生實踐能力的培養以滿足社會對專業人才的需求[4]。數據結構是實踐性很強的課程，技能培養的重要性不亞于知識的傳授，學生不僅要理解授課內容，還應具有運用知識解決復雜問題的能力，形成良好的算法設計思想、方法技術與風格。因此，學習數據結構，僅從書本上學習是不夠的，必須經過大量的實踐，在實踐中體會構造性思維方法，提升分析問題、解決問題的能力。

數據結構課程設置了16個學時的實驗課，實驗內容根據應用型本科計算機專業的培養方案進行了優化調整。課程設置了6個驗證性實驗，涉及線性表、棧和隊列、二叉樹、圖、查找的核心知識。課程設置1個設計性綜合實驗：宿舍管理系統，這個實驗提供了4個學時，讓學生綜合運用所學知識來解決實際問題。數據結構課程設計實踐環節對課程設計題目進行了調整，增加了倉庫管理系統、運動會分數統計、飛機訂票系統、校園導游問題、活期儲蓄賬目管理、教學計劃編制問題、家譜管理系統等與生活更貼近的題目，讓學生在解決實際問題的過程中強化程序抽象能力和數據抽象能力。

4 總結

在學校建設示范性應用技術本科院校、培養應用型、創新型人才的背景下，數據結構作為計算機類的專業核心課程，基于課程特點、學生情況，針對課程教學中的問題，積極地分析和研究，采用多種教學方法，實施了多種教學改革措施，加強了實踐教學，提高了學生的學習興趣、專業水平和創新能力，取得了良好的教學效果。

參考文獻：

[1] 耿國華.數據結構——用C語言描述（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2015.

[2] 劉翠煥，張麗娟，張波，等.新工科背景下應用型本科院校數據結構教學改革研究[J].科技風，2020（29）：38-39.

[3] 劉娜，路瑩，姚春龍，等.“數據結構”課程教學方法改革與探索[J].中國電力教育，2014（2）：112-114.

[4] 余莉.應用型本科院校“數據結構”課程建設的探索[J].教育教學論壇，2020（38）：250-251.

【通聯編輯：王力】