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數據結構課程教學方法的研究和實踐

2015-12-04 07:56:56逯鵬張贊
教育教學論壇 2015年18期
關鍵詞:數據結構教學方法

逯鵬 張贊

摘要:《數據結構》是集軟件、硬件、數學等多個專業(yè)知識的交叉課程,對該課程的學習需要有較強的抽象思維以及較高水平的計算機編程能力,這使得大部分學生學習過程困難。因此一個行之有效的教學手段對該課程的學習是至關重要的。本文以提高學生學習的主觀能動性為目的,探討了分段式問題驅動等方法在數據結構教學中的應用。

關鍵詞:數據結構;教學方法;問題驅動法

中圖分類號:G642.0 ? ? 文獻標志碼:A ? ? 文章編號:1674-9324(2015)18-0121-03

一、引言

《數據結構》對于理工科是一門重要的基礎課程,尤其是計算機學科基礎課程的核心,也是電氣類等相關專業(yè)的主要課程之一。其內容主要包括:數據在計算機應用中的處理過程,主要是對于非數值(如工業(yè)檢測、過程控制等)的加工處理;相應結構的抽象數學模型建立、算法設計并對算法性能技術進行分析;算法的編程實現(xiàn)等。

由于“數據結構”的研究涉及到軟件、硬件、數學等多個專業(yè)知識,學生很難采用其以往的理論學習+課后作業(yè)的模式,達到掌握和靈活運用的目的。此外,由于數據結構的各個知識點牽涉到多個學科領域,教師采用傳統(tǒng)的知識點講解的模式和方法,常常顧此失彼,使得一些學生學習時會感到對數據結構的認知無法具化,進而感到乏味無趣,無法領會課程要領,最終導致學生理解困難,教學效果不理想。本文結合多年數據結構教學實踐和教學方法改革,提出了針對上述問題的解決方法和思路。

二、目前數據結構教學缺點分析

(一)學生前導課程基礎知識掌握不足

數據結構課程涉及算法實現(xiàn)的程序設計,故對高級語言基礎知識要求較高。相關專業(yè)學生最先接觸的高級語言一般都是C/C++,知識點多且雜。課堂大部分時間用于基本概念和語法的講解,學生大多數從未進行過實際的編程訓練,導致學生最終只對編程語言一些基本語法、數據類型等有所了解,對數組、結構體、指針等知識的應用能力不足。然而,這些知識及其靈活應用的方法正是數據結構學習的基礎。特別是函數的遞歸調用及遞歸過程,是理解并設計算法的基礎,在高級語言學習中又是難點,學生不易理解掌握。高級語言先導課程的掌握程度不夠直接妨礙數據結構課程的學習,加大教學難度,影響學生對數據結構知識的理解。

(二)有限的學時未能達到教學目標

數據結構教學主要目的是培養(yǎng)學生編程能力,為有效地設計、實現(xiàn)算法以解決工程技術問題提供理論技術基礎。課程涉及四大邏輯結構(線性、樹、圖和集合)、兩大存儲結構(順序存儲和鏈式存儲)、查找、排序等眾多算法,這些知識點自成體系,教學內容較多,而且對學生都很重要。相關專業(yè)數據結構理論課學時一般都相對不足,教學過程中又要兼顧每個知識點,導致教學重點不突出,學生易混淆難點要點,更加大教學難度。有些經典算法較抽象,算法設計比較復雜,編程實現(xiàn)就無從下手,在理論教學時無法直觀地表現(xiàn)出來,需要學生在實踐中理解體會,而該課程實驗內容眾多,有限的學時使實踐阻力較大,學生難以理解,降低學習興趣。

(三)課后反饋不及時

課后及時反饋和強化是控制教學的有效手段。由于電氣信息類《數據結構》這門課程的教學大多采用多媒體教學為主、上機實踐為輔的方式,且大多媒體教學與上機實踐不能同步進行,導致學生無法與其具體掌握的實現(xiàn)技術建立關聯(lián),只能用數學思考的模式強記數據之間的復雜關系。這樣的結果是,即使課堂上理解了,但由于不能立即上機驗證,待下次課時記憶部分消退,學生動手的熱情就要小很多,長此以往對學生上課的積極性影響甚大。

(四)多媒體教學手段存在不足

目前多數的課堂都采用多媒體教學,多媒體教學集理論課、習題課、算法演示為一體,使課堂生動、形象、直觀,有助于學生更有效地接受抽象的理論知識。但是,教師降低工作強度的同時也加快了教學過程,使得學生思考的時間變短。教師過分依賴課件直接展現(xiàn),導致教師忽視教學的重點與難點,忽視學生的反應,不能理解學生感受,無法進行課內交流;熒屏成為學生課堂關注的中心,導致學生只關注屏幕展現(xiàn)的內容,忙于抄錄筆記,落后于教師的講解,也無暇思考問題。因此,在充分發(fā)揮多媒體教學信息量大、呈現(xiàn)快速、表現(xiàn)直觀、操作簡便的優(yōu)勢的同時,也應合理規(guī)避多媒體授課的缺陷,避免教學活動出現(xiàn)課件“喧賓奪主”的不良傾向。

三、教學方法的研究與實踐

針對上述教學實踐過程中發(fā)現(xiàn)的具體問題,研究了采用不同的教學方法應用于數據結構的教學實踐。主要包括以下方面:

(一)理論課教學設計

1.循序漸進式學習。循序漸進式學習著力于解決“愿意學”的問題,增加學生學習的積極性。由于學生對先導課程的掌握程度參差不齊,而且在數據結構中會涉及到綜合程序設計問題,增加學生編程實現(xiàn)的困難,若調試不通,會影響學習積極性。因此,對先導課程的復習是必要的。教師應對函數、結構、指針、類等主要編程元素進行針對性回顧,先提供程序鍛煉學生的閱讀、分析能力,然后提出具體問題鍛煉學生簡單的編程設計能力,當學生具有一定的數據結構知識以及編程設計能力時,再進行算法和結構的學習。

2.分段式問題驅動法學習。問題驅動其目的是提高學生自主學習的能力,是指在老師創(chuàng)設的情境下學生應用已具有的編程相關知識提出新問題、解決新問題的過程。教師在講課時,應用啟發(fā)式教學,發(fā)現(xiàn)新型學習模式,體現(xiàn)教學思想。筆者根據多年教學經驗,提出分段式問題驅動法教學概念,在學生“愿意學”的基礎上,解決“如何學”的步驟和方法問題。(1)抽象模型的建立。在教學中發(fā)現(xiàn),學生普遍反映《數據結構》中線性表、棧和隊列、串的內容很容易理解,在教學中教師可以從直觀意義或具體實例解釋著手,采用畫圖舉例相結合的形式,形象地解釋編程實現(xiàn)問題。例如:在講解隊列時,可以通過生活中買票排隊的過程來反映隊列中插入、刪除的原則,再結合數據結構中的操作隊列、打印隊列的應用來說明。(2)運用技巧,強化理解。對于一些需要記憶、容易混淆的概念,需要運用一定的技巧,強化學生的理解。比如對于第六章中樹和二叉樹的概念,學生一般不易理解樹的結構,可以編口訣加強學生記憶,降低學習難度。例如:雙親表示法特點:找雙親容易找孩子難。孩子鏈表特點:找孩子容易找雙親難。樹變二叉樹:兄弟相連留長子。森林變二叉樹:樹變二叉根相連。二叉樹變森林:去掉全部右孩線,孤立二叉再還原。哈夫曼算法口訣:①構造森林全是根;②選用兩小造新樹;③刪除兩小添新人;④重復2、3剩單根。(3)采用模塊技術教學。根據教學經驗發(fā)現(xiàn),學生普遍在理解結構和算法的關系,如何將算法變成具體程序方面存在問題。解決此問題的有效途徑是采用模塊技術,即讓學生把具有特定價值的函數理解記憶下來,運用時直接調用即可。一般采用算法介紹-算法分析-算法比較-算法評價-問題驅動學習幾個步驟。以順序查找為例,第一步:介紹順序查找概念;第二步:查找過程;第三步:算法描述;第四步:比較優(yōu)缺點;第五步:查找評價;第六步:問題驅動學習;學生可以記住此種步驟和算法,當作模塊調用。(4)用自然語言的方式寫程序。將算法變成具體的程序,是每個學生都存在的難題,即使理解了算法,寫程序也無從下手。筆者總結出用說話的方式寫程序更容易令學生接受。首先用自然語言理清思路,然后翻譯成對應的C語言就容易了。以數字冒泡排序過程為例:

①比較第一個和第二個數,若逆序則交換;然后比較第二個和第三個數;依次類推,第一趟冒泡排序結束是對第n-1個和第n個數進行比較,結果第n位上安置的是最大數。

對應的C語言程序:for(j=1;j

if(r[j+1]

r[j] ←→ r[j+1];

②對前n-1個數進行第二趟冒泡排序,結果第n-1位上安置的是次大數。

對應的C語言程序:for(j=1;j

if(r[j+1]

r[j] ←→ r[j+1];

③重復直到“在一趟排序過程中沒有進行交換的操作”或“僅第一、二個交換過”為止。

一般情況下每經過一趟“起泡”,i減1:for(i=n;i>1;i--);

但并不是每趟都會如此,可實現(xiàn)為:k=j;i=k;

綜合以上,可很清晰寫出冒泡排序算法的C語言程序:

Void BubbleSort(SqList &L){

i=n;

While(i>1){

k=1;

for(j=1;j

if(r[j+1]

r[j] ←→ r[j+1];

k=j;

}

i=k;

}

}

這樣的方式讓學生感覺到實際上程序是另一種“語言”,也從思維上改變了對待程序的態(tài)度。這一方法取得了比較好的效果。

(二)實驗課教學設計

實踐教學是數據結構課程的重要組成部分,主要解決關鍵的“如何用”的問題。實踐教學內容的合理設置有利于學生建立起編程信心,使他們在牢固掌握書中所提供的各種算法的基礎上,加深對數據結構算法的理解,同時也有利于逐步培養(yǎng)學生實際動手和設計能力。對于電氣類等非計算機專業(yè)的學生而言,大規(guī)模系統(tǒng)性實驗課時很少,如何能高、精、簡地安排實驗課時是要慎重思考的問題。根據筆者多年教學經驗,將實驗內容劃分為基礎型實驗、驗證型實驗和設計型實驗,按照課程進度穿插在各個章節(jié)需掌握的內容中挑選進行,且其實驗難度循序漸進。

1.基礎型實驗?;A型實驗主要包含復習鞏固C語言知識、加深C語言理解和查漏補缺,對學生掌握較薄弱但數據結構學習過程中常用知識點,如:函數、指針、結構體等加以鞏固和強化,避免學生出現(xiàn)看不懂教材算法、寫不出程序代碼的現(xiàn)象。其次,對新學習的內容,如:線性表、單鏈表、棧等進行練習?;A型實驗是學習數據結構的基石,是數據結構理論和實踐教學能否順利進行的關鍵,能減少學生后期實驗中的障礙,便于學生了解數據結構的實用性。

2.驗證型實驗。驗證型實驗目的是加強學生對算法實現(xiàn)方法的理解,學生參考教材提供的算法設計的例題,以避免以教師為主體的滿堂灌,學生課下不動手驗證,學完就忘這一普遍現(xiàn)象。驗證型實驗在教學中常被忽視,教師認為課堂講授后,學生能夠理解數據結構基本操作實現(xiàn)算法,而學生認為驗證型實驗失去實用價值,照本宣科過于枯燥。這不僅阻礙學生深化理解數據結構知識,而且教師也不能及時地得到教學反饋,造成教師和學生溝通出現(xiàn)障礙。驗證型實驗能使學生在實驗過程中發(fā)現(xiàn)自己知識上的短缺和技術上的漏洞,且程序對于算法的成功實現(xiàn)能使學生得到極大的滿足,樹立學生完成更復雜實驗的信心。其中教師可以主要在二叉樹、樹的部分設置驗證性實驗。

3.設計型實驗。設計型實驗具體到針對問題、解決問題,訓練學生綜合知識應用的能力。設計型實驗的內容設置要與實際應用相關聯(lián),才能提高學生興趣,同時難度應控制在學生能接受的范圍內。因此在設計型實驗的選題方面有以下建議:首先選題可以是熱點研究問題,但要注意介紹背景知識,合理設置實驗廣度和難度;其次最好能與學生實際專業(yè)相對應,設計一些專業(yè)領域內應用數據結構可以解決的問題,拓展學生視野和思路,此外,也可以借鑒一些經典問題。

(三)考核體系設計

考核體系是學生在學習過程中關注的問題。好的考核方式能夠有效檢測學生的學習效果,解決“驗證學習效果”的問題。隨著教學環(huán)境和社會環(huán)境的改變,考核體系也由傳統(tǒng)的卷面模式轉變?yōu)槔碚摵蛯嵺`相結合的模式,這樣才能全面、客觀、公平地考核學生學習該課程的水平。教學中可以從兩方面進行考核:一是對理論知識點的考核。該考核主要檢測學生理論知識的學習的情況,采用卷面的方式。二是對實踐能力的考查??梢栽O計驅動式教學方式,使學生分成幾個小組,各自選擇有興趣的課題,教師稍作指導,讓學生沿著設計思路、代碼的編寫、實驗時遇到的問題以及如何解決等線路進行。該考核不僅是對教學成果的考查,也是對學生學習態(tài)度和學習能力的考查。通過這種形式的鍛煉有很多好處:一是激發(fā)學生的學習興趣,培養(yǎng)學生獨立解決問題的能力,同時可以在實現(xiàn)實踐模塊的過程中,培養(yǎng)學生的軟件設計能力和團隊協(xié)作的能力,為學生以后的就業(yè)打下堅實的基礎。

四、總結

將分段式問題驅動教學法應用到電氣類的《數據結構》教學中,充分調動學生的積極性。通過與算法適度分離和與程序設計的更加靠近,使學生更加深刻理解分析數據結構的功能、程序設計實現(xiàn)和具體應用,以便能夠利用各種數據結構模型實現(xiàn)程序編寫與軟件的開發(fā),提高學生分析問題和解決問題的實戰(zhàn)能力。近期教學效果跟蹤表明,文中提出的在數據結構課程教學方式、考核方式上引入的分段式問題驅動法,能夠培養(yǎng)理論基礎較扎實、實踐操作能力較強和綜合表達能力較好的高素質學生。

參考文獻:

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