地理信息科學專業“數據結構”實驗教學改革探討

楊秋妹 鄭嬋

[摘 要] “數據結構”實驗課程是提高學生代碼編寫能力、強化課程知識點學習的關鍵。從地理信息科學專業的專業培養方案設定出發，根據學生的程序設計能力基礎，設計合理的“數據結構”實驗題目及豐富多樣的做題形式，充分利用綜合性實驗的開展作為實驗學時的補充。在教學手段上，通過動態的代碼演示幫助學生更好地理解算法的設計原理及運行過程，引入在線評判手段更好地評估學生的實驗情況，加強學生程序能力的培養。為地理信息科學專業建立有特色的“數據結構”實驗教學方案，以更好地提升學生的計算機問題求解能力。

[關鍵詞] 數據結構;地理信息科學;實驗教學改革

[基金項目] 2020年度華南農業大學校級教改項目“將思政之鹽融入計算機算法類課程之湯的隱性教育探索和實踐”

[作者簡介] 楊秋妹（1983—），女，廣東茂名人，博士，華南農業大學數學與信息學院講師，主要從事計算機應用技術、農業圖像處理、農業人工智能研究;鄭 嬋（1978—），女，福建邵武人，博士，華南農業大學數學與信息學院講師，主要從事計算機視覺研究。

[中圖分類號] G434;TP311.1 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）15-0069-04 [收稿日期] 2021-10-01

地理信息科學（GIS）專業是一門交叉學科，研究的內容涉及地理科學、測繪學、計算機科學、數學與統計學等[1]多個學科。GIS研究如何應用計算機技術對地理信息進行處理、存儲、提取及管理和分析。GIS專業的學生需具備利用計算機進行數據分析與處理及應用系統開發能力[2]。因此，“C語言程序設計”“數據結構”等計算機專業基礎課程是GIS專業的必修課程。“數據結構”研究的是非數值計算問題中數據的建模問題，其配套的實驗課作為理論學習的補充，通過程序設計將抽象的數據結構在計算機上具體實現。實驗的開展可深化學生對知識點的理解，是提高學生計算機求解問題能力提升的關鍵[3]，為后繼課程如“GIS算法基礎”“網絡GIS”“GIS開發新技術”等學習做好準備[4]，也為其以后進行地理信息系統的設計及開發打下基礎。作為GIS專業“數據結構”課程的任課教師，應充分利用實驗教學環節，促進學生對于數據結構相關知識的學習，形成有GIS專業特色的“數據結構”課程教學方法。

一、GIS專業“數據結構”課程實驗教學中存在的問題分析

（一）課程知識點多，實驗學時不足

當前，高校GIS專業開設的“數據結構”課程，學時普遍比計算機專業的要少，配套的實驗學時普遍不足，無法將各個知識點進行一一驗證。以華南農業大學GIS專業的教學安排為例，其理論學時為32學時，實驗學時為16學時，而計算機相關專業“數據結構”課程的理論學時為56學時，實驗學時為32學時，GIS專業的學時明顯壓縮，這導致GIS專業“數據結構”的教學大綱不能直接照搬計算機相關專業，由于理論學時的減少，相關內容的學習則會有明顯的側重點不同，而實驗環節的教學也應該做相應的調整。

（二）學生程序設計基礎相對薄弱

“C語言程序設計”課程作為“數據結構”課程的先導課，學習的知識是“數據結構”課程順利開展的前提保證，但是很多高校GIS專業的“C語言程序設計”課程是作為通識教育課程而非專業教育課程開設，這導致學生程序設計水平不高，并且由于學時的不足，“數據結構”中要用到的重要知識點如鏈表、結構體等內容都沒有進行深入的學習。由于在“C語言程序設計”課程中編寫代碼的能力沒有得到充足的訓練，導致學生產生畏難情緒，在剛開始接觸“數據結構”課程時聽到需要上機編程都感到緊張害怕，沒有信心學好“數據結構”這門課程。

（三）學生重視程度不夠

GIS專業的部分學生存在錯誤認知，認為“數據結構”課程是計算機專業的核心課程，但是對于GIS專業來說并不重要，只需要作為一門通識教育課程去學習就可以了。但實際上GIS技術與數據結構密切關聯，數據結構探討現實世界中的一對一、一對多及多對多的數據關系，這些都與GIS中的矢量、柵格等數據結構相關。GIS多以現實的地圖作為基礎數據，主要涉及兩大應用類型的地圖，一種是地形圖，用于展示地球表面特征的基本地圖;一種是專用地圖，用于表達事物變化模式的地圖。而真實世界的地圖在計算機上實現則需要用到“圖”數據結構的相關知識點，如鄰接矩陣存儲法、最小生成樹算法、最短路徑算法等。GIS的問題求解需要大量“數據結構”課程中的知識點作為支撐。

二、GIS專業“數據結構”實驗教學內容改革

（一）設計合理的實驗題目

“數據結構”是一門強調動手實踐的課程，因此幾乎每個章節都需要配備相應的實驗題目以深化學生對知識點的理解。但是GIS專業不能照搬計算機專業的實驗內容，應該根據實驗學時及學生編碼水平進行調整。以筆者授課的2020級GIS專業的學生為例，多數學生在第一次實驗課無法順利完成一道實驗題目，如果布置的實驗題目過多，容易打擊學生的學習積極性，使其產生厭學情緒。

GIS專業的“數據結構”實驗題目設計應在緊扣教學內容的同時從學生的實際情況出發考慮。通過觀察學生的實際做題情況，在計算機專業的“數據結構”實驗題目的基礎上進行調整，形成GIS專業實驗題目集。實驗題目集分為線性表、棧和隊列、串數組和廣義表、樹和二叉樹、圖、查找、排序七個模塊。線性表的實驗包括順序線性表的實現、合并順序表、順序表逆置、鏈式線性表的實現、合并鏈表、線性鏈表逆置;棧和隊列的實驗包括順序棧的實現、循環隊列的實現、棧的應用—進制轉換、括號匹配檢驗;串數組和廣義表的實驗為串的模式匹配—蠻力法;樹和二叉樹的實驗包括二叉樹的構建、二叉樹的遍歷運算;圖的實驗為實現圖的存儲結構;查找的實驗包括順序查找、二分查找;排序的實驗包括直接插入排序、冒泡排序、快速排序、簡單選擇排序;經過調整，將部分較難的實驗題目去除，但保留了線性表、樹、圖核心數據結構的實現及基本操作，保證學生對重要知識點的驗證實驗，確保學習質量。

（二）豐富實驗做題的形式

筆者授課的GIS專業采用的教材為人民郵件出版社出版、嚴蔚敏主編的《數據結構（C語言版）》。書中的各類數據結構以結構體的形式實現，在實現時涉及結構體變量的定義、函數的調用等知識點，對于程序設計能力普遍有限的學生來說入手比較難。根據筆者授課的班級情況統計，在課程學習初期存在著部分學生無法完整編寫一個程序的現象。因此，實驗題目的設置形式應多樣化，不能單純地只給出題干，直接要求學生從無到有編寫出一個完整程序。實驗題目可包括程序填空題、程序閱讀題及算法設計題。在實驗初期，可多以程序填空題及程序閱讀題為主，這樣可保證學生既能快速進入學習狀態，也能通過代碼的閱讀加深對代碼的理解，規范代碼的編寫。到實驗中后期，則可多以算法設計題為主，進一步鍛煉學生的編碼能力。

以“順序線性表的實現”為例，如果只給出題干要求學生給出實驗—順序線性表，即便是書本上已經給出了大部分的代碼，大部分同學還是不清楚該如何下手編寫程序，而以程序填空的方式則可讓學生快速上手，同時也起到了驗證課程學習內容的功效。程序填空題不是簡單地填一個空，而是給出程序的總框架，如函數定義等，讓學生往里面補充代碼，所補充的代碼可以是單條或多條語句。

（三）重視綜合性實驗的開展

綜合性實驗是布置給學生課后完成的實驗，可彌補實驗學時不夠的缺陷。因此，應充分利用綜合性實驗的開展來加強學生對知識點的掌握。樹、圖部分的內容對于GIS專業的學生來說非常重要，綜合性實驗可從這兩方面來設計題目，可用“實現二叉排序樹的各種算法”及“實現圖的各種算法”作為基本題目出發點，學生可從兩個題目中任選一個來進行擴展實驗。通過綜合性實驗的開展，可進一步訓練學生函數的調用、遞歸、棧、隊列、樹、圖等知識點的編碼能力。

綜合性實驗的題目與課堂內完成的實驗相比，難度大，工作量多，允許學生以2人組隊的形式完成，通過團隊合作鍛煉程序模塊的劃分、組合。

綜合性實驗開展過程中，鼓勵學生積極靈活地運用所學的課程知識，并通過查閱參考資料將其與自己所學專業結合。如二叉排序樹可擴展到地理信息系統中的空間索引問題，創建四叉樹解決二維空間數據的高效查詢。而圖算法則可應用在地理信息系統中的網絡分析問題上，包括旅游路線規劃問題、電子導航問題、通信規劃問題、城市基礎設施搭建問題等[5]。

三、GIS專業“數據結構”實驗教學方法改革

對于計算機相關專業，由于其大部分學生已具備了一定的程序設計能力，所以“數據結構”實驗的開展主要以學生動手編碼為主，教師講解為輔。而GIS專業的學生則需要教師更多地參與到其實驗的開展過程中。

（一）加強代碼演示講解環節

根據學生給的教學反饋，學生反映無法將算法思想與代碼編寫進行關聯。在實驗環節增加代碼演示環節很有必要。盡管學時不多，仍需對較難理解的算法通過代碼演示的形式給學生進行講解。教師運行程序，輸入有代表性的數據，在關鍵步驟結合中間輸出結果講解程序語句的執行過程，解釋算法思想。如鏈表的插入，其代碼演示頁面如圖1所示。上課講解時結合代碼給學生介紹在鏈表的第i個位置插入新元素，首先找到第i個元素所在的位置（代碼2～5行），接著生成新結點并對其賦值（代碼6～8行），加深學生對代碼的理解掌握。

除了教師直接給學生進行代碼演示外，在教材《數據結構（C語言版）》中已經對大部分的數據結構操作都錄制了代碼演示，可通過書本提供的二維碼掃碼觀看。學生在學習完每個知識點后，可結合書本的代碼實現及算法的動態演示，了解算法的一步步運行過程，加深對算法的理解。

（二）引入在線評判的考核方式

“數據結構”實驗每次課都需要學生完成一定量的實驗題目，對學生實驗的完成情況進行檢查能端正學生的做題態度，督促學生按時完成作業，促進學生做題的積極性。但由于現在的課程多采用大班教學，人數眾多，任課教師無法每次課一一對學生的代碼進行檢查。國際大學生程序設計競賽（ACM-ICPC）為全球最有影響力的大學生程序設計競賽，比賽采用在線評判的方式檢查參賽者的代碼是否正確[6]。在GIS專業的“數據結構”實驗課程中，也可引入在線評判系統，教師對每道題目設計合理的測試樣例，學生通過在線評判系統提交實驗代碼，由在線評判系統自動進行評判，及時反饋實驗結果，學生根據反饋結果進行代碼的修改，由此提高實驗效率。教師也可通過在線評判系統及時獲取學生的實驗情況，了解學生的掌握程度，并由此做出相應的實驗教學輔導。采用在線評判的另一個好處是可引導學生自己設計樣例測試數據。通常系統只給出1～2個測試樣例，但是實際評判時會有多組數據，做題時學生經常會出現測試樣例通過但提交到評判系統則無法通過的情況，但是設置成多次提交會扣除部分分數，鼓勵學生多考慮程序的邊界條件、異常情況等因素，加強程序的健壯性。

除了在線評判系統外，對于部分遲遲未在系統上提交實驗或多次提交都無法通過的學生，應由教師及助教對其進行一對一的作業檢查及輔導。由于在線評判系統是黑箱子評判模式，只有通過全部測試數據才標記為已通過，有部分學生因為程序設計知識掌握不扎實，被某組測試數據卡住后無法獨立找出錯誤原因。教師可通過與其分析代碼，幫助其較快地解決問題，趕上實驗的做題進度。

在實驗評分上，除了依據在線評判系統的做題情況外，教師也應根據學生在實驗上投入的精力及努力程度對其進行分數的嘉獎。

（三）加強學生程序調試能力的培養

通過多年觀察學生在“數據結構”實驗課堂的表現情況，發現當程序對于給定輸入得不到預期輸出結果時，很多學生不清楚如何進行代碼錯誤定位，從而浪費大量實驗時間。因此，在“數據結構”實驗教學中，應加強學生程序調試能力的培養。程序調試指的是根據錯誤提示信息及算法邏輯的推理，找到有可能會導致錯誤發生的位置。

程序的調試手段之一，通過在程序源代碼中設置多個輸出點，通過中間輸出結果來定位錯誤位置。在線評判系統要求輸出結果嚴格按照給定的要求，否則出錯，在此要求下學生編寫的程序一般只輸出目標結果。一旦出錯，很難確定出錯位置。此時，則需要增加中間結果輸出作為程序調試的依據。

程序的調試手段之二，利用程序集成開發環境（IDE）提供的debug調試模式，在程序可能出錯的代碼行設置斷點，通過debug中提供的單步運行、進入函數內部或跳出函數等方法，監控程序中各個相關變量的情況，盡快定位出錯的地方。

教學應因材施教，GIS專業“數據結構”實驗課程的開展應根據學生的專業背景，結合學生對先導課程的掌握程度，設計合理的課程教案。在教學內容上，可通過調整實驗題目、增加實驗題型，以綜合性實驗的方式拓展實驗深度。在教學方法上，重視實驗代碼演示，采用在線評判系統結合人工評判的考核方式，加強學生的程序調試能力訓練。借由GIS專業“數據結構”實驗課程教學的改革，為GIS專業的學生在后續的專業學習提供保障，也為其在未來從事GIS二次開發、底層開發的工作打下堅實的基礎。

參考文獻

[1]戴仕寶，王春.新工科背景下應用型高校GIS專業建設探討[J].測繪工程，2019，28（4）：72-76.

[2]胡最.地方高校GIS專業程序設計技能培養[J].地理空間信息，2020，18（12）：58-62+7.

[3]宋歌.《數據結構》實驗教學手段和方法的改革初探[J].電腦與信息技術，2021，29（2）：92-94.

[4]肖媚燕.地理信息科學專業的數據結構課程教學[J].計算機教育，2015（3）：87-89.

[5]王凌，段江濤，王保保.GIS中最短路徑的算法研究與仿真[J].計算機仿真，2005（1）：117-120.

[6]張少仲，白英，王小妹，等.基于ACM競賽的數據結構實驗課程教學研究[J].計算機時代，2020（10）：73-75.

Exploration on the Reform of Experimental Teaching of Data Structure in Geographic Information Science Specialty

YANG Qiu-mei， ZHENG Chan

（College of Mathematics and Informatics， South China Agricultural University， Guangzhou， Guangdong 510642， China）

Abstract： The experimental course of is very important to improve students’ ability of code writing and strengthen their knowledge learning. Starting from the training program of Geographic Information Science， according to the students’ programming ability， we design reasonable experimental topics of Data Structure， and make full use of comprehensive experiments as a supplement to the experimental hours. In terms of teaching means， we help students better understand the design principle and operation process of the algorithm through dynamic code demonstration， introduce online evaluation means to better evaluate students’ experimental situation and strengthen the cultivation of students’ program ability. This experimental teaching scheme can better improve students’ computer problem-solving ability.

Key words： Data Structure; Geographic Information Science; reform in experimental teaching