劉蘭蘭 鄒青宏 謝從晉

一、引言

隨著信息技術(shù)的突飛猛進(jìn)，虛擬仿真技術(shù)被越來越多地運(yùn)用于教育教學(xué)工作。通過信息技術(shù)、智能技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)上做實(shí)驗(yàn)”和“虛擬做真實(shí)驗(yàn)”，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極性和主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力。［1］

二、教學(xué)現(xiàn)狀

在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的傳統(tǒng)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)算法的設(shè)計(jì)和實(shí)訓(xùn)，學(xué)生普通反映存在一些問題：一是算法的邏輯性強(qiáng)、晦澀難懂；二是算法的執(zhí)行過程抽象、難理解；三是理論知識(shí)與實(shí)踐操作存在差別、脫節(jié)，所學(xué)理論知識(shí)很難融入具體的實(shí)踐案例中做到活學(xué)活用；四是教學(xué)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(gè)計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)教師著力解決的事情。

數(shù)字化時(shí)代，虛擬仿真技術(shù)賦予了教學(xué)方式更多的實(shí)用手段。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃寣W(xué)生直觀、形象地感受用戶的操作如何在計(jì)算機(jī)的硬盤中實(shí)現(xiàn)的過程，而不僅是抽象地通過圖片或視頻來進(jìn)行演示存儲(chǔ)、調(diào)用原理，解決學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)過程中覺得抽象、晦澀等問題。［4］同時(shí)，基于實(shí)踐案例進(jìn)行虛擬的仿真實(shí)現(xiàn)，能讓學(xué)生深刻體會(huì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與生活的關(guān)系密不可分，從而提升教學(xué)效果。［5］

三、虛擬仿真技術(shù)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程教學(xué)的應(yīng)用探索

（一）教學(xué)案例

本文以軌道交通線路的計(jì)劃為例，構(gòu)建虛擬的地鐵軌道交通圖網(wǎng)，模擬列車實(shí)際運(yùn)行軌跡，讓學(xué)生身臨其境進(jìn)行時(shí)刻表場(chǎng)景設(shè)計(jì)。通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中的線性表結(jié)構(gòu)知識(shí)，規(guī)劃車站中列車時(shí)刻的線性和非線性兩類存儲(chǔ)方法進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。為了更好地模擬實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，并考慮地鐵突發(fā)情況及其定位的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)從系統(tǒng)的場(chǎng)景認(rèn)知、設(shè)備認(rèn)知、方案分析設(shè)計(jì)、設(shè)備部署到系統(tǒng)測(cè)試全生命周期開展實(shí)踐。在此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，學(xué)生可以直觀、形象地看到在電腦中輸入一個(gè)數(shù)據(jù)，編寫一段代碼等相關(guān)的操作如何在計(jì)算機(jī)的硬盤中實(shí)現(xiàn)的過程，而不僅僅是抽象地通過圖片或視頻來進(jìn)行演示存儲(chǔ)原理，實(shí)現(xiàn)了軟件算法與硬件知識(shí)的融合。與此同時(shí)，基于規(guī)劃軌道交通運(yùn)營時(shí)刻對(duì)軌道交通運(yùn)營線網(wǎng)進(jìn)行了虛擬的構(gòu)建，學(xué)生身臨其境進(jìn)行操作，體驗(yàn)了線性表相關(guān)算法的可視化調(diào)試和分析過程，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)際的結(jié)合。有助于促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力的提升、科學(xué)思維的拓展以及創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。

（二）實(shí)驗(yàn)原理

1.理論原理

（1）線性表的概念，線性結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。列車時(shí)刻設(shè)計(jì)的邏輯結(jié)構(gòu)可用線性表表示，每個(gè)列車的時(shí)刻可用一個(gè)一維數(shù)組存儲(chǔ)。

（2） 線性表的順序存儲(chǔ)。邏輯上相鄰的數(shù)據(jù)元素存儲(chǔ)在物理上相鄰的存儲(chǔ)單元中的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)于后續(xù)的實(shí)驗(yàn)即是將邏輯上相鄰的時(shí)刻表在硬盤中也連續(xù)存儲(chǔ)。

（3）線性表的鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)。結(jié)點(diǎn)在存儲(chǔ)器中的位置是任意的，即邏輯上相鄰的數(shù)據(jù)元素在物理上不一定相鄰。

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

（5）遺傳算法運(yùn)用于特殊情況處理?；趯W(xué)情分析，授課年級(jí)為大學(xué)二年級(jí)學(xué)生，對(duì)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(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。大部分學(xué)生由教師給出算法模塊，能進(jìn)行算法的使用即可。

2.交互式操作步驟

以下為各個(gè)步驟的詳細(xì)說明，見表1。

步驟1：?jiǎn)?dòng)后顯示模式選擇界面。有“學(xué)習(xí)培訓(xùn)”“實(shí)驗(yàn)?zāi)M”和“實(shí)驗(yàn)考核”三個(gè)部分可供選擇。學(xué)生選擇“學(xué)習(xí)培訓(xùn)”完成理論知識(shí)復(fù)習(xí)任務(wù)。

步驟2：學(xué)生根據(jù)給出的某一條地鐵線路的時(shí)刻數(shù)據(jù)，建立軌道交通的邏輯結(jié)構(gòu)，即整理為一張線性表。

步驟3：選擇“順序存儲(chǔ)”，學(xué)生在算法位置輸入初始化線性表的算法，點(diǎn)擊算法每一步相應(yīng)的步驟，右側(cè)虛擬仿真場(chǎng)景會(huì)先顯示算法的實(shí)現(xiàn)原理。學(xué)生按照提示將步驟2的線性表輸入系統(tǒng)，開始后系統(tǒng)開始虛擬仿真演繹數(shù)據(jù)從轉(zhuǎn)化到二進(jìn)制到如何在硬盤中存儲(chǔ)的過程。

步驟4：根據(jù)虛擬場(chǎng)景提供的要求，將一條列車數(shù)據(jù)插入保存的順序表中。學(xué)生依據(jù)提示輸入數(shù)據(jù)右側(cè)虛擬仿真場(chǎng)景呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的插入在計(jì)算機(jī)硬盤中的實(shí)現(xiàn)過程。學(xué)生編寫插入算法，每點(diǎn)擊一處相應(yīng)的代碼塊，右側(cè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)即演示插入算法的實(shí)現(xiàn)原理，以及如何在計(jì)算機(jī)硬盤中的實(shí)現(xiàn)過程演示。

步驟5：根據(jù)虛擬場(chǎng)景提供的要求，將刪除順序表中一條列車數(shù)據(jù)。學(xué)生編寫刪除算法，每點(diǎn)擊一處相應(yīng)的代碼塊，右側(cè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)即演示刪除算法的實(shí)現(xiàn)原理，以及如何在計(jì)算機(jī)硬盤中的實(shí)現(xiàn)過程演示。

步驟6：查詢某一班次的列車。輸入查詢的關(guān)鍵算法，虛擬仿真系統(tǒng)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?zhǔn)酱鎯?chǔ)”，在算法位置輸入初始化線性表的算法，點(diǎn)擊算法每一步相應(yīng)的步驟，虛擬仿真場(chǎng)景會(huì)先顯示算法的實(shí)現(xiàn)原理。學(xué)生按照提示將步驟2的線性表輸入系統(tǒng)，點(diǎn)擊“開始”按鈕。系統(tǒng)開始虛擬仿真演繹數(shù)據(jù)從轉(zhuǎn)化到二進(jìn)制到如何在硬盤中存儲(chǔ)的過程。

步驟8：根據(jù)虛擬場(chǎng)景提供的要求，將一條列車數(shù)據(jù)插入保存的鏈表中。學(xué)生依據(jù)提示輸入數(shù)據(jù)右側(cè)虛擬仿真場(chǎng)景呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的插入在計(jì)算機(jī)硬盤中的存儲(chǔ)過程場(chǎng)景演示。學(xué)生編寫鏈表的插入算法，每點(diǎn)擊一處相應(yīng)的代碼塊，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)即演示插入算法的實(shí)現(xiàn)原理，以及如何在計(jì)算機(jī)硬盤中的實(shí)現(xiàn)過程演示。

步驟9：根據(jù)虛擬場(chǎng)景提供的要求，將刪除鏈表中一條列車數(shù)據(jù)。學(xué)生編寫刪除算法，每點(diǎn)擊一處相應(yīng)的代碼塊，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)即演示刪除算法的實(shí)現(xiàn)原理，以及如何在計(jì)算機(jī)硬盤中的實(shí)現(xiàn)過程演示。

步驟10：根據(jù)虛擬場(chǎng)景提供的要求，將查詢鏈表中一條列車數(shù)據(jù)。學(xué)生編寫查詢算法，每點(diǎn)擊一處相應(yīng)的代碼塊，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)即演示查找算法的實(shí)現(xiàn)原理，以及如何在計(jì)算機(jī)硬盤中的實(shí)現(xiàn)過程演示。

步驟11：所有的步驟完成之后，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，系統(tǒng)模擬仿真所有時(shí)刻列車在地鐵線路上運(yùn)行的場(chǎng)景。

步驟12：“實(shí)驗(yàn)考核”部分通過作答選擇題測(cè)試對(duì)相關(guān)算法原理的理論認(rèn)知，通過虛擬仿真感受數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)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(guān)的基本操作。并生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，上傳系統(tǒng)。

（三）評(píng)價(jià)反思

教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，主要對(duì)前面實(shí)驗(yàn)的結(jié)果、報(bào)告、自測(cè)題等方面對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)進(jìn)行綜合考核。實(shí)驗(yàn)報(bào)告主要包括兩部分：（1）記錄學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中成績(jī)、實(shí)驗(yàn)操作效果和統(tǒng)計(jì)信息，如動(dòng)畫演示任務(wù)的完成、各部分操作次數(shù)、軌道交通時(shí)刻的規(guī)劃等。（2）學(xué)生填寫心得體會(huì)、整理實(shí)驗(yàn)過程、記錄思考過程。

與此同時(shí)，從評(píng)價(jià)的多元化考慮，不僅有教師對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)，也在系統(tǒng)上設(shè)置了學(xué)生對(duì)教師、課程以及實(shí)驗(yàn)過程的評(píng)價(jià)。尊重學(xué)生在教育評(píng)價(jià)中的主體地位，引導(dǎo)學(xué)生積極評(píng)價(jià)自身的學(xué)習(xí)成果和學(xué)習(xí)表現(xiàn)，并客觀評(píng)價(jià)參與教育的共同體的教學(xué)活動(dòng)。

四、結(jié)語

基于軌道交通運(yùn)營時(shí)刻規(guī)劃構(gòu)建了虛擬的仿真場(chǎng)景，不僅使不同水平的學(xué)生都能在實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮作用，承擔(dān)相應(yīng)的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，促進(jìn)學(xué)生之間的交流與協(xié)作，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)以及解決實(shí)際問題的能力，還使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)過程深刻體會(huì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與生活的關(guān)系密不可分。在進(jìn)行軌道線路編排的時(shí)候，考慮學(xué)生本身知識(shí)掌握的情況，只設(shè)計(jì)一條線路的時(shí)刻編排。但在實(shí)際生活中，軌道交通的線路多達(dá)十多條，且不同的線路網(wǎng)之間有交叉，節(jié)假日或天氣原因等還可能出現(xiàn)晚點(diǎn)等情況，因此今后應(yīng)考慮在此基礎(chǔ)上逐步增加貼合實(shí)際情況的軌道交通情況，給學(xué)生提供貼合實(shí)際的更多虛擬模擬場(chǎng)景。

參考文獻(xiàn)：

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［基金項(xiàng)目：2023年重慶市高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：智慧教育背景下《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》課程建設(shè)與實(shí)踐，項(xiàng)目編號(hào)：234135。］

責(zé)任編輯? 朱守鋰