熊光耀 何艷秋
【摘? 要】進(jìn)入21世紀(jì),在互聯(lián)網(wǎng)的推動(dòng)下,各項(xiàng)技術(shù)取得了突破,大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等信息技術(shù)也越來(lái)越為人們所重視,因此,在教育特別是高等教育中也加大了對(duì)學(xué)生的信息素養(yǎng)的培養(yǎng),而要提高信息素養(yǎng),就必須培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力,很多學(xué)校也開(kāi)設(shè)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這門(mén)課程來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力,良好的計(jì)算思維對(duì)解決各方面問(wèn)題會(huì)產(chǎn)生積極的影響。
【關(guān)鍵詞】 計(jì)算思維;數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);教學(xué)改革
1.計(jì)算思維的定義
計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類(lèi)行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng),由周以真于2006年3月首次提出,并被其進(jìn)一步定義為通過(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法,把一個(gè)看來(lái)困難的問(wèn)題闡釋成一個(gè)我們知道問(wèn)題怎樣解決的方法;是一種遞歸思維,是一種并行處理,是一種把代碼譯成數(shù)據(jù)又能把數(shù)據(jù)譯成代碼,是一種多維分析推廣的類(lèi)型檢查方法,是基于關(guān)注分離的方法;是一種選用一種合適的方式去陳述一個(gè)問(wèn)題或?qū)σ粋€(gè)問(wèn)題的相關(guān)方面建模使其易于處理的思維方法;是種用海量數(shù)據(jù)加快計(jì)算,在時(shí)間和空間之間,在處理能力和存儲(chǔ)容量之間進(jìn)行的折衷的思維方法。
2.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的現(xiàn)狀
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的基礎(chǔ)課,也是世界各國(guó)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)必修的核心課程之一。數(shù)據(jù)是計(jì)算機(jī)處理的對(duì)象,人們使用計(jì)算機(jī)處理問(wèn)題就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理的過(guò)程,因而數(shù)據(jù)的組織與結(jié)構(gòu)被確立為計(jì)算機(jī)科學(xué)中最基本的內(nèi)容?!稊?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》作為一門(mén)獨(dú)立的課程在國(guó)外是從1968年才開(kāi)始設(shè)立的,多年來(lái),學(xué)生普遍反映課程學(xué)習(xí)難度大。分析其原因,主要有以下幾個(gè)方面:①該課程作為一門(mén)基礎(chǔ)課,一般開(kāi)設(shè)在低年級(jí),此時(shí)的學(xué)生還不具備專(zhuān)業(yè)知識(shí)系統(tǒng)學(xué)習(xí)的背景,而且該課程知識(shí)點(diǎn)繁多,學(xué)生要測(cè)試、驗(yàn)證需要編寫(xiě)大量相關(guān)代碼,這就要求學(xué)生要熟練掌握C、PASCAL的先導(dǎo)課程,否則學(xué)生會(huì)產(chǎn)生畏難情緒,從而喪失學(xué)習(xí)興趣和信心;②以“教師為中心”的傳統(tǒng)課堂存在“滿(mǎn)堂灌”、“一言堂”的現(xiàn)象,學(xué)生無(wú)法發(fā)揮主動(dòng)性,只能機(jī)械記憶,理解課堂的知識(shí),實(shí)驗(yàn)課也只能做一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),這種教學(xué)方式忽視了學(xué)生個(gè)體差異,導(dǎo)致個(gè)別學(xué)生不夠?qū)W、跟不上。另外,教學(xué)方式和課程考核方式單一,筆試內(nèi)容多以基礎(chǔ)知識(shí)為主,實(shí)驗(yàn)考核也很少有解決實(shí)際問(wèn)題,缺乏對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng);③教學(xué)難度大,《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》這門(mén)課程比較抽象,涵蓋內(nèi)容廣。大多數(shù)學(xué)生對(duì)一些抽象概念難以理解。另外還存在與先導(dǎo)課程銜接問(wèn)題,有些知識(shí)能理解,但對(duì)于編程卻無(wú)從下手,學(xué)習(xí)效果受程序設(shè)計(jì)課程的影響較大。
2.1教學(xué)方法有待改進(jìn)
現(xiàn)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)仍然有一大部分采用講授型的教學(xué)模式,教師在課堂內(nèi)傳授知識(shí),偏重知識(shí)灌輸,學(xué)生在課堂外內(nèi)化知識(shí)。教師沒(méi)有很好地挖掘數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中包含的思想方法,也沒(méi)有進(jìn)行很好的總結(jié)歸納,沒(méi)有合理地組織教學(xué)內(nèi)容,課程教學(xué)缺乏系統(tǒng)性和創(chuàng)造性。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中只是遵從、記憶和模仿,是被動(dòng)地接受知識(shí),這樣很難調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性和協(xié)作學(xué)習(xí)的自主性,學(xué)生的思維和能力難以得到發(fā)展,最終導(dǎo)致學(xué)生創(chuàng)新能力不足,只具有一定的模仿能力。
2.2 教學(xué)資源不實(shí)用
現(xiàn)有教學(xué)資源主要表現(xiàn)形式有精品課程網(wǎng)站和網(wǎng)絡(luò)課程,這些綜合性教學(xué)平臺(tái)主要是整合各類(lèi)優(yōu)質(zhì)資源,知識(shí)力度很大,提供的教學(xué)資源有長(zhǎng)達(dá)45min的教學(xué)視頻,一個(gè)視頻包含多個(gè)知識(shí)點(diǎn),視頻內(nèi)容和傳統(tǒng)課題表現(xiàn)形式相似,主要體現(xiàn)教師授課場(chǎng)景、PPT內(nèi)容展示等,教學(xué)重點(diǎn)不突出,學(xué)生無(wú)法聚焦學(xué)習(xí)重點(diǎn),資源可用性較差,學(xué)習(xí)效果不佳。同時(shí),這些教學(xué)資源開(kāi)發(fā)通常依賴(lài)專(zhuān)業(yè)的多媒體技術(shù)人員,任課教師難以親自開(kāi)發(fā),而技術(shù)人員不一定熟悉教學(xué)規(guī)律,開(kāi)發(fā)的資源不一定適用于教學(xué),從而造成需與求之間的不對(duì)稱(chēng),不利于教學(xué)活動(dòng)的正常開(kāi)展。
2.3 實(shí)踐環(huán)節(jié)不到位
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程知識(shí)點(diǎn)多、抽象性高、邏輯性強(qiáng)、程序復(fù)雜,一般教材中只有算法的關(guān)鍵代碼,不包含完整的宏和結(jié)構(gòu)體的定義,學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性不高,無(wú)法上機(jī)直接驗(yàn)證算法,同時(shí)算法的理論性較強(qiáng),和開(kāi)發(fā)實(shí)際項(xiàng)目差別較大,理解算法較困難,學(xué)生體驗(yàn)感差。此外,學(xué)生沒(méi)有很好地學(xué)習(xí)先導(dǎo)課程,編程語(yǔ)言掌握不夠扎實(shí)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的算法描述采用C語(yǔ)言居多,C語(yǔ)言中的函數(shù)、指針、結(jié)構(gòu)體等是學(xué)習(xí)難點(diǎn)。學(xué)生學(xué)習(xí)了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想,但對(duì)于函數(shù)、指針、結(jié)構(gòu)體等難點(diǎn)知識(shí)掌握得不夠好,不能透徹理解相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法描述,不能靈活地應(yīng)用于程序設(shè)計(jì),導(dǎo)致不能很好地完成課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)。
3.計(jì)算思維引入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)
計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化,通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的抽象建立數(shù)據(jù)的對(duì)象模型,通過(guò)對(duì)問(wèn)題的抽象建立問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型,通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的計(jì)算機(jī)求解,從而實(shí)現(xiàn)編程的自動(dòng)化?!澳P?算法”是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì),數(shù)據(jù)元素之間存在的相互關(guān)系的集合就是狹義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),而廣義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是在狹義定義的基礎(chǔ)上加上基本操作的集合,完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。 建立應(yīng)用數(shù)據(jù)的對(duì)象模型就是從問(wèn)題中抽象出數(shù)據(jù)對(duì)象,分析數(shù)據(jù)對(duì)象中各元素之間的邏輯關(guān)系,確定數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu),選取數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu),確定存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的基本操作。建立數(shù)學(xué)模型就是對(duì)問(wèn)題原型進(jìn)行分析,抽象、分解,挖掘數(shù)據(jù)間的關(guān)系和數(shù)據(jù)的變化規(guī)律,建立可用計(jì)算機(jī)求解且與原問(wèn)題本質(zhì)相同的理想化對(duì)象,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的數(shù)學(xué)模型一般有樹(shù)形模型、圖論模型、集合模型和排序模型等。最后,確定好計(jì)算策略,選取合適的算法對(duì)數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的求解。
4.改革內(nèi)容
將從引入計(jì)算思維的角度對(duì)理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行改革
①理論教學(xué)方面。選擇合適的教材是取得好的教學(xué)效果的前提,有些教材采用了類(lèi)C或類(lèi)Pascal語(yǔ)言描述,該語(yǔ)言無(wú)法直接在機(jī)器上運(yùn)行,學(xué)生無(wú)法直接體會(huì),為此,教學(xué)過(guò)程中應(yīng)選擇一本全用C語(yǔ)言或Pascal語(yǔ)言的教材。
②實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)方面。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這門(mén)課程的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主,應(yīng)用型、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目偏少,也很少能通過(guò)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將各章節(jié)的內(nèi)容有機(jī)組合,針對(duì)每個(gè)章節(jié)的內(nèi)容,將設(shè)計(jì)若干個(gè)貼近生活的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,這樣可以極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。比如在排序問(wèn)題上應(yīng)用在圖書(shū)館圖書(shū)查詢(xún),最短路徑問(wèn)題應(yīng)用在城市交通網(wǎng)絡(luò),棧應(yīng)用在迷宮問(wèn)題上等。
5.結(jié)語(yǔ)
計(jì)算思維已經(jīng)成為一種計(jì)算機(jī)通識(shí)教育的研究熱點(diǎn),而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這門(mén)課程主要是對(duì)算法的研究,將計(jì)算思維引入該課程,對(duì)教學(xué)質(zhì)量的提高,學(xué)生思維能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)都會(huì)產(chǎn)生積極的影響。
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課題基金:名稱(chēng):大學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)研究? 以《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》為例,(課題編號(hào):2018jzyb-18)。