基于AIGC的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革實(shí)踐與探索

摘要：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程是計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生的專業(yè)必修課，是一門理論性和實(shí)踐性都非常強(qiáng)的課程。文章探討了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)改革，并引入生成式人工智能（Artificial Intelligence Generated Content， AIGC） 技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)資料的自動(dòng)生成，優(yōu)化教學(xué)資源配置。同時(shí)，利用數(shù)字人生成工具制作難點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)講解視頻，將抽象概念具象化，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和理解能力。通過理論與實(shí)踐相結(jié)"，"Introduction":""，"Columns":"信息化與計(jì)算機(jī)教育"，"Volume":""，"Content":"

摘要：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程是計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生的專業(yè)必修課，是一門理論性和實(shí)踐性都非常強(qiáng)的課程。文章探討了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)改革，并引入生成式人工智能（Artificial Intelligence Generated Content， AIGC） 技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)資料的自動(dòng)生成，優(yōu)化教學(xué)資源配置。同時(shí)，利用數(shù)字人生成工具制作難點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)講解視頻，將抽象概念具象化，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和理解能力。通過理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)改革，旨在提升數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的創(chuàng)新思維與實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；工程能力；教學(xué)改革；教學(xué)資源；人工智能

中圖分類號(hào)：G642" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）18-0125-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生的專業(yè)必修課程，涵蓋數(shù)據(jù)對(duì)象的邏輯特性、存儲(chǔ)方式、操作實(shí)現(xiàn)及性能分析。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的算法設(shè)計(jì)與分析能力、邏輯思維和問題解決能力至關(guān)重要[1]，有助于提升其工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。然而，由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程概念抽象、算法復(fù)雜[2]，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性普遍不足。傳統(tǒng)的教學(xué)方式已難以滿足學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)的需求，如何有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和工程實(shí)踐能力成為亟待解決的問題。

在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代，新興的AIGC技術(shù)為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革提供了新的機(jī)遇[3]。“人機(jī)共教”已成為技術(shù)變革與教育創(chuàng)新的融合趨勢[4-5]。本文探索AIGC在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中的應(yīng)用，旨在提升教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，為教師提供新的教學(xué)思路與方法，幫助學(xué)生更好地掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念與應(yīng)用技能。

1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程理論教學(xué)改革與探索

1.1 AIGC介紹

2023年以來，以ChatGPT為代表的生成式人工智能成為全球科技熱點(diǎn)，它不僅影響著人類的生活和生產(chǎn)方式，還為各種行業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展提供了新的視角。AIGC是人工智能的一個(gè)分支，利用算法、模型和規(guī)則生成文本、圖像、音頻、視頻、代碼等多種內(nèi)容。該技術(shù)基于預(yù)訓(xùn)練的多模態(tài)大模型，根據(jù)用戶輸入生成具有一定邏輯性和連貫性的內(nèi)容。

AIGC的出現(xiàn)，使教育工作者能夠更高效地設(shè)計(jì)教學(xué)材料，為學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。AIGC在教育領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多，許多教育機(jī)構(gòu)和科技公司正探索其在提升教學(xué)質(zhì)量方面的潛力。例如，AIGC驅(qū)動(dòng)的智能問答系統(tǒng)可以幫助學(xué)生自主學(xué)習(xí)、解決疑問，并生成個(gè)性化學(xué)習(xí)材料和學(xué)習(xí)路徑。AIGC還可以用于生成練習(xí)題、評(píng)估反饋和課程總結(jié)，從而減輕教師負(fù)擔(dān)，提高教學(xué)效率。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程對(duì)邏輯思維和算法能力要求較高，AIGC可通過生成個(gè)性化學(xué)習(xí)內(nèi)容，幫助學(xué)生理解復(fù)雜概念，提升學(xué)習(xí)效果和積極性。

1.2 基于AIGC的教學(xué)改革

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程旨在使學(xué)生掌握常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（線性表、棧、隊(duì)列、字符串、樹等） 的基本概念、特性、存儲(chǔ)、操作及應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的算法設(shè)計(jì)與分析能力，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。本節(jié)將重點(diǎn)探討AIGC在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中的具體應(yīng)用實(shí)踐，并評(píng)估其在提升教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)積極性方面的效果。

1） AIGC生成課程簡介視頻

AIGC可以為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的課程簡介提供豐富的生成支持，比如利用數(shù)字人技術(shù)生成視頻。其中，數(shù)字人是指通過計(jì)算機(jī)技術(shù)，尤其是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和人工智能技術(shù)，創(chuàng)造出來的具有人類形象或行為模式的虛擬角色。它們可以是二維圖像、三維模型，甚至能在虛擬現(xiàn)實(shí)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中呈現(xiàn)。數(shù)字人擁有多樣的外貌、性格和風(fēng)格，能夠進(jìn)行表演、教學(xué)、直播、互動(dòng)等一系列活動(dòng)。

利用NextHuman數(shù)字人生成工具生成的視頻截圖如圖1所示，主要用于介紹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的基本情況。本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)佩戴有眼鏡身穿白色西裝的短發(fā)女老師形象，分別設(shè)置了微笑的五官表情和帶有少量手部動(dòng)作的播報(bào)肢體動(dòng)作，環(huán)境選取的是教室，鏡頭分別設(shè)置了上身左側(cè)、上身正面、全身正面、頭部特顯、面部特顯及遠(yuǎn)景等。可以在開課前將該介紹視頻發(fā)布在雨課堂上，讓學(xué)生提前了解該課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容及在專業(yè)教學(xué)中的地位等信息。

利用NextHuman數(shù)字人生成工具生成的難點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)講解視頻如圖2所示，主要用于講解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中難點(diǎn)內(nèi)容，方便學(xué)生課前、課后學(xué)習(xí)。為了提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)佩戴有眼鏡身穿紅色西裝、單馬尾發(fā)型的女老師形象，鏡頭分別設(shè)置了上身右側(cè)、全身正面、全身右側(cè)、上身正面等。可以在將該類學(xué)習(xí)視頻發(fā)布在雨課堂上，方便學(xué)生隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)該課程的難點(diǎn)內(nèi)容。

2） AIGC自動(dòng)生成教學(xué)材料

教師可以利用AIGC技術(shù)生成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)的教案、課件及講義等內(nèi)容。這些材料不僅能夠節(jié)省教師的備課時(shí)間，還能夠根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求進(jìn)行個(gè)性化調(diào)整。表1和圖3分別是基于華晟匠邦[6]AI工具生成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教案和授課幻燈片。其中，表1中是以二叉樹這一章節(jié)內(nèi)容為例，通過提供恰當(dāng)?shù)奶崾驹~生成的2學(xué)時(shí)的教案內(nèi)容。

AIGC輔助教學(xué)的優(yōu)勢：①自動(dòng)生成各類教學(xué)材料，節(jié)省教師備課時(shí)間，使其更專注于學(xué)生個(gè)性化輔導(dǎo)和互動(dòng)；②生成多樣化的教學(xué)材料（文本、視頻、圖形等） ，增強(qiáng)學(xué)生參與感和積極性，促進(jìn)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的理解。

AIGC輔助教學(xué)的挑戰(zhàn)：①教師要對(duì)AIGC生成內(nèi)容的質(zhì)量進(jìn)行審查與調(diào)整，確保其符合教學(xué)要求與學(xué)術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。②教師對(duì)AIGC技術(shù)的過度依賴，會(huì)降低自身的學(xué)習(xí)與思考能力。③AIGC的應(yīng)用使教師從傳統(tǒng)的知識(shí)傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)引導(dǎo)者與協(xié)調(diào)者，教師應(yīng)增強(qiáng)在教學(xué)設(shè)計(jì)與課程管理方面的能力。

2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)踐教學(xué)改革與探索

在掌握了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論知識(shí)的同時(shí)再配合做一些相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，更能加深對(duì)課程中的基本概念、算法、分析方法等的理解與掌握，為課程的學(xué)習(xí)起到促進(jìn)和鞏固作用，也為今后從事獨(dú)立的開發(fā)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，將傳統(tǒng)的以教師為中心的實(shí)驗(yàn)方法轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心、教師為主導(dǎo)的模式，鼓勵(lì)學(xué)生充分參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。本文以查找實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行介紹。

本實(shí)驗(yàn)要求應(yīng)用順序查找、折半查找和排序算法設(shè)計(jì)一個(gè)小型成績查詢應(yīng)用程序。學(xué)生需對(duì)成績數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、輸出、排序和查找等操作，并設(shè)計(jì)菜單允許用戶通過菜單來選擇執(zhí)行多個(gè)查找（至少包括順序查找和折半查找） 操作，執(zhí)行完畢后選擇退出系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案如圖4所示，包括主界面設(shè)計(jì)模塊、查找處理模塊及結(jié)果輸出與分析模塊。其中，查找處理是本實(shí)驗(yàn)的核心處理模塊，包括三個(gè)分支，第一個(gè)分支是對(duì)所建立的順序查找表實(shí)現(xiàn)順序查找處理；第二個(gè)分支是對(duì)所建立的有序表實(shí)現(xiàn)折半查找處理；第三個(gè)分支是先建立無序表，利用所學(xué)的排序算法將此無序表實(shí)現(xiàn)排序處理，再對(duì)此有序表實(shí)現(xiàn)折半查找處理。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行過程中，學(xué)生需要完成線性結(jié)構(gòu)的建立、排序以及查找等處理任務(wù)，將所學(xué)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與相關(guān)的算法結(jié)合起來，并通過編寫程序代碼，鍛煉學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力和工程實(shí)踐能力。

3 教學(xué)改革成效分析

AIGC的應(yīng)用在多個(gè)方面提升了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)效果。

1） 豐富教學(xué)資源，提高教師備課效率。教師備課時(shí)間平均減少了20%，使其有更多時(shí)間進(jìn)行個(gè)性化輔導(dǎo)和互動(dòng)。

2） 多樣化的教學(xué)資源激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升課堂教學(xué)效果。在線學(xué)習(xí)平臺(tái)的活躍度增加了10%，學(xué)生積極參與討論、提交作業(yè)和進(jìn)行在線測試的頻率也有增加。同時(shí)，學(xué)生的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程期末考試成績平均提高了5%，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果普遍提高。

3） 以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模式提升了學(xué)生對(duì)實(shí)踐教學(xué)的滿意度。學(xué)生積極參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果討論的全過程，學(xué)生評(píng)教滿意度達(dá)94%以上。

4 結(jié)束語

本文探討數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)改革，充分利用AIGC技術(shù)的智能生成能力，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的自動(dòng)生成，為學(xué)生提供了多樣化的學(xué)習(xí)資源，為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程注入了新的活力。結(jié)果表明，這種改革方式提高了教學(xué)效率和質(zhì)量，學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度、課堂學(xué)習(xí)效果、教學(xué)滿意度都得到了提升。人工智能技術(shù)可為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程提供更具針對(duì)性的支持，然而，教師仍需保持對(duì)技術(shù)的敏感性，不斷學(xué)習(xí)和提升專業(yè)素養(yǎng)，以更好地將技術(shù)融入教學(xué)實(shí)踐。今后，我們將繼續(xù)關(guān)注人工智能技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，深化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革，如探索利用AIGC技術(shù)促進(jìn)課堂互動(dòng)與討論等內(nèi)容，推動(dòng)教育教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)提升。

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【通聯(lián)編輯：王 力】