虛擬仿真技術在數據結構與算法課程教學的應用探索

劉蘭蘭 鄒青宏 謝從晉

一、引言

隨著信息技術的突飛猛進，虛擬仿真技術被越來越多地運用于教育教學工作。通過信息技術、智能技術與實驗教學的深度融合，實現“網上做實驗”和“虛擬做真實驗”，能夠充分調動學生參與實驗教學的積極性和主動性，激發學生的學習興趣和潛能，增強學生創新創造能力。［1］

二、教學現狀

在數據結構與算法的傳統教學和實驗中，針對算法的設計和實訓，學生普通反映存在一些問題：一是算法的邏輯性強、晦澀難懂；二是算法的執行過程抽象、難理解；三是理論知識與實踐操作存在差別、脫節，所學理論知識很難融入具體的實踐案例中做到活學活用；四是教學過程以提供文本、圖片、視頻等平面媒體為主，缺少交互性和沉浸感等問題。［2］［3］如何有效地改善或解決這些問題也成為每個計算機相關專業教師著力解決的事情。

數字化時代，虛擬仿真技術賦予了教學方式更多的實用手段。虛擬仿真實驗能夠讓學生直觀、形象地感受用戶的操作如何在計算機的硬盤中實現的過程，而不僅是抽象地通過圖片或視頻來進行演示存儲、調用原理，解決學生在學習數據結構過程中覺得抽象、晦澀等問題。［4］同時，基于實踐案例進行虛擬的仿真實現，能讓學生深刻體會數據結構與生活的關系密不可分，從而提升教學效果。［5］

三、虛擬仿真技術在數據結構與算法課程教學的應用探索

（一）教學案例

本文以軌道交通線路的計劃為例，構建虛擬的地鐵軌道交通圖網，模擬列車實際運行軌跡，讓學生身臨其境進行時刻表場景設計。通過數據結構課程中的線性表結構知識，規劃車站中列車時刻的線性和非線性兩類存儲方法進行虛擬仿真實驗。為了更好地模擬實驗的真實性，并考慮地鐵突發情況及其定位的應用，實現從系統的場景認知、設備認知、方案分析設計、設備部署到系統測試全生命周期開展實踐。在此虛擬仿真實驗系統中，學生可以直觀、形象地看到在電腦中輸入一個數據，編寫一段代碼等相關的操作如何在計算機的硬盤中實現的過程，而不僅僅是抽象地通過圖片或視頻來進行演示存儲原理，實現了軟件算法與硬件知識的融合。與此同時，基于規劃軌道交通運營時刻對軌道交通運營線網進行了虛擬的構建，學生身臨其境進行操作，體驗了線性表相關算法的可視化調試和分析過程，實現了理論與實際的結合。有助于促進學生實踐能力的提升、科學思維的拓展以及創新意識的培養。

（二）實驗原理

1.理論原理

（1）線性表的概念，線性結構的特點。列車時刻設計的邏輯結構可用線性表表示，每個列車的時刻可用一個一維數組存儲。

（2） 線性表的順序存儲。邏輯上相鄰的數據元素存儲在物理上相鄰的存儲單元中的存儲結構，對應于后續的實驗即是將邏輯上相鄰的時刻表在硬盤中也連續存儲。

（3）線性表的鏈式存儲。結點在存儲器中的位置是任意的，即邏輯上相鄰的數據元素在物理上不一定相鄰。

（4）線性表相關操作。線性表兩種存儲方法的基本操作包括：初始化、插入、刪除、查找。

（5）遺傳算法運用于特殊情況處理。基于學情分析，授課年級為大學二年級學生，對此部分人工智能算法的理解有一定難度。因此，此部分主要為課外拓展部分，開放給學有余力的學生進行學習。大部分學生由教師給出算法模塊，能進行算法的使用即可。

2.交互式操作步驟

以下為各個步驟的詳細說明，見表1。

步驟1：啟動后顯示模式選擇界面。有“學習培訓”“實驗模擬”和“實驗考核”三個部分可供選擇。學生選擇“學習培訓”完成理論知識復習任務。

步驟2：學生根據給出的某一條地鐵線路的時刻數據，建立軌道交通的邏輯結構，即整理為一張線性表。

步驟3：選擇“順序存儲”，學生在算法位置輸入初始化線性表的算法，點擊算法每一步相應的步驟，右側虛擬仿真場景會先顯示算法的實現原理。學生按照提示將步驟2的線性表輸入系統，開始后系統開始虛擬仿真演繹數據從轉化到二進制到如何在硬盤中存儲的過程。

步驟4：根據虛擬場景提供的要求，將一條列車數據插入保存的順序表中。學生依據提示輸入數據右側虛擬仿真場景呈現數據的插入在計算機硬盤中的實現過程。學生編寫插入算法，每點擊一處相應的代碼塊，右側的虛擬仿真實驗即演示插入算法的實現原理，以及如何在計算機硬盤中的實現過程演示。

步驟5：根據虛擬場景提供的要求，將刪除順序表中一條列車數據。學生編寫刪除算法，每點擊一處相應的代碼塊，右側的虛擬仿真實驗即演示刪除算法的實現原理，以及如何在計算機硬盤中的實現過程演示。

步驟6：查詢某一班次的列車。輸入查詢的關鍵算法，虛擬仿真系統提供待查找值在硬盤中的順序表的查詢過程。

步驟7：選擇“鏈式存儲”，在算法位置輸入初始化線性表的算法，點擊算法每一步相應的步驟，虛擬仿真場景會先顯示算法的實現原理。學生按照提示將步驟2的線性表輸入系統，點擊“開始”按鈕。系統開始虛擬仿真演繹數據從轉化到二進制到如何在硬盤中存儲的過程。

步驟8：根據虛擬場景提供的要求，將一條列車數據插入保存的鏈表中。學生依據提示輸入數據右側虛擬仿真場景呈現數據的插入在計算機硬盤中的存儲過程場景演示。學生編寫鏈表的插入算法，每點擊一處相應的代碼塊，虛擬仿真實驗即演示插入算法的實現原理，以及如何在計算機硬盤中的實現過程演示。

步驟9：根據虛擬場景提供的要求，將刪除鏈表中一條列車數據。學生編寫刪除算法，每點擊一處相應的代碼塊，虛擬仿真實驗即演示刪除算法的實現原理，以及如何在計算機硬盤中的實現過程演示。

步驟10：根據虛擬場景提供的要求，將查詢鏈表中一條列車數據。學生編寫查詢算法，每點擊一處相應的代碼塊，虛擬仿真實驗即演示查找算法的實現原理，以及如何在計算機硬盤中的實現過程演示。

步驟11：所有的步驟完成之后，點擊運行按鈕，系統模擬仿真所有時刻列車在地鐵線路上運行的場景。

步驟12：“實驗考核”部分通過作答選擇題測試對相關算法原理的理論認知，通過虛擬仿真感受數據的存儲及修改過程，通過算法的編寫和演示過程，掌握順序表和單鏈表相關的基本操作。并生成實驗報告，上傳系統。

（三）評價反思

教師對學生進行評價時，主要對前面實驗的結果、報告、自測題等方面對學生的實驗成績進行綜合考核。實驗報告主要包括兩部分：（1）記錄學生在實驗中成績、實驗操作效果和統計信息，如動畫演示任務的完成、各部分操作次數、軌道交通時刻的規劃等。（2）學生填寫心得體會、整理實驗過程、記錄思考過程。

與此同時，從評價的多元化考慮，不僅有教師對學生的評價，也在系統上設置了學生對教師、課程以及實驗過程的評價。尊重學生在教育評價中的主體地位，引導學生積極評價自身的學習成果和學習表現，并客觀評價參與教育的共同體的教學活動。

四、結語

基于軌道交通運營時刻規劃構建了虛擬的仿真場景，不僅使不同水平的學生都能在實驗中發揮作用，承擔相應的綜合設計實驗任務，促進學生之間的交流與協作，培養學生的綜合素質以及解決實際問題的能力，還使學生通過實驗過程深刻體會數據結構與生活的關系密不可分。在進行軌道線路編排的時候，考慮學生本身知識掌握的情況，只設計一條線路的時刻編排。但在實際生活中，軌道交通的線路多達十多條，且不同的線路網之間有交叉，節假日或天氣原因等還可能出現晚點等情況，因此今后應考慮在此基礎上逐步增加貼合實際情況的軌道交通情況，給學生提供貼合實際的更多虛擬模擬場景。

參考文獻：

［1］陳彬，郜振華，徐宏，等.我國虛擬仿真實驗教學的研究現狀分析及對策建議［J］.中國現代教育裝備，2023（15）：30-32.

［2］劉蘭蘭，謝從晉，鄒青宏.智慧教育背景下“數據結構與算法”課程建設［J］.科學與信息化，2023（14）：128-130.

［3］董衛萍，蔡尚真.新工科背景下混合教學模式探究——以“數據結構”課程為例［J］.紹興文理學院學報，2020（6）：6.

［4］連遠鋒，張鑫，莊永琪，等.數據結構與算法可視化調試虛擬仿真實驗系統設計［J］.實驗技術與管理，2023，40（5）：122-129.

［5］劉嘉昕，游珍，黃捷文，等.基于廬山三維場景的圖算法虛擬仿真系統研究［J］.計算機與現代化，2020（012）：000.

［基金項目：2023年重慶市高等教育教學改革研究項目，項目名稱：智慧教育背景下《數據結構與算法》課程建設與實踐，項目編號：234135。］

責任編輯? 朱守鋰