（教育技术学专业论文）《数据结构》课程中使用逐步演示法进行算法教学的实验研究.pdf

中文摘要 数据结构是计算机及相关专业中一门重要的专业基础课程，也 是其它理工专业的热门选修课。现今，各大学的数据结构课程的教材和 内容都主要集中在“基本数据结构的阐述和分析、基本数据结构的应用、 典型算法的适当渗透”这三个方面。 由于数据结构的算法涉及从简单的线性表到复杂的树、图等多种数 据结构，具有一定的难度和复杂性，给该课程的学习带来了许多困难。 对算法思想的理解成为数据结构这门课程的一个重点，所以如何将抽象 的算法执行过程以浅显易懂的形式展现在学生面前，是决定这门课教学 成败的一个关键。本文在上述背景下就“教学内容的呈现方式对不同知 识目标学习效果的影响”进行了实证性研究，为促进学习者的数据结构 算法学习效果提供实证性的依据。 在本研究中，经过对数据结构算法教学中内容呈现的理论和实际应 用情况的分析，选取p p t 演示法和逐步演示法两种内容呈现方式进行研 究。根据教育心理学和教学理论对学习业绩的理解，选取与学习业绩直接 相关的“理解”和“高级理解”两个目标层次，对其学习效果进行研究。 并且提出假设：逐步演示法内容呈现方式有利于学习者理解和高级理解 目标层次知识的学习。 本研究主要采用的是单因素两水平等组实验研究方法。笔者选取数 据结构课程中的第六章的“二叉树”单元作为本次实验研究的学习内 容。实验研究开始前，在合理划分知识点的基础上，依据一定的教学组 织策略，完成了采用逐步演示法的教学设计。并且依据学科测验的目的 和教学内容的绩效目标，编制了形成性测试题作为学习效果测量的工具。 选取计算机科学与技术专业大学二年级的6 0 名学生作为被试，进行 了为期一个月的实验研究。由于笔者对实验过程进行严格控制，所以在 对实验研究的数据进行统计分析的基础上，可初步得到以下结论：对于 计算机科学与技术专业的在校大学生而言，数据结构课程中p p t 演示法 和逐步演示法的教学内容的呈现方式对学习者高级理解目标层次知识的 学习效果差异显著。对于高级理解目标层次算法知识的学习，逐步演示 法呈现教学内容比p p t 演示法呈现教学内容取得较好的学习效果。 关键词：数据结构课程，教学内容呈现方式，逐步演示法，教育实验 a b s t r a c t d a t as t r u c t u r e ”i sa l li m p o r t a n tb a s i cc o u r s eo fc o m p u t e rm a j o ra n do t h e r r e l e v a n tn l a j o r s i t sa l s oap o p u l a rs e l e c t i v ec o u r s ef o ro t h e rs c i e n c em a j o r s n o w a d a y s ，t h et e x t b o o k so f “d a t as t r u c t u r e ”m a i n l yf o c u s0 1 1 i n t r o d u c t i o n a n da n a l y s i so fb a s i cd a t as t r u c t u r e ，a p p l i c a t i o no fb a s i cd a t as t r u c t u r ea n d t y p i c a la l g o r i t h m t h ea l g o r i t h mo fd a t as t r u c t u r ei sq u i t eh a r da n dc o m p l e xt h a ti tb r i n g s m a n yd i f f i c u l t i e st ot h el e a r n e r ss i n c ei ti n v o l v e sv a r i o u sd a t as t r u c t u r e sf r o m s i m p l el i n e a rl i s t t oc o m p l e xt r e e sa n dg r a p h s t h eu n d e r s t a n d i n go ft h e a l g o r i t h mh a sb e c o m et h ek e yo ft h ec o u r s eo fd a t as t r u c t u r e i tb e c o m e s 、，i t a l t ot h et e a c h i n go ft h i sc o u r s et h a th o wt oi l l u s t r a t et h ea b s t r a c ta l g o r i t h m i c p e r f o r m i n gp r o c e s st ot h es t u d e n t si nas i m p l ew a y i nt h i sc o n t e x t ，t h e p o s i t i v er e s e a r c hi sm a d ei nt h et h e s i s ，w h i c hi so nt h el e a r n i n ge f f e c tu n d e r d i f f e r e n tk n o w l e d g eo b j e c t i v e ，w h e nt h em o d eo fi n s t r u c t i o n a lc o n t e n t d e m o n s t r a t i o ni sd i f f e r e n t i nt h i sl c s e a r c l 【l ，t h e r ea r es o m er e f e r e n c e sa n d d e m o n s t r a t i o n a lv a l u eo ni m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fd a t as 讹d 舭c o r t s ca n d t h ee f f e c to fl e a r n i n g t h r o u g ht h ea n a l y s i si nt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o no fd a t a s t l l l c t u r ca l g o r i t h mt e a c h i n g t h ew a y so fp p td e m o n s t r a t i o nm e t h o da n d s t e p b y - s t e pd e m o n s t r a t i o nm e t h o d sa r es e l e c t e d a ss t u d yc o n t e n ti nt h i s r e s e a r c h ；a c c o r d i n g t ot h e c o m p r e h e n s i o n o f l e a r n i n go u t s t a n d i n g a c h i e v e m e n ti ne d u c a t i o n a lp s y c h o l o g ya n di n s t r u c t i o nt h e o r y , t h eo b j e c t i v e l e v e lo fu n d e r s t a n d i n ga n dh i g hl e v e lo fu n d e r s t a n d i n ga r es e l e c t e di no r d e rt o s t u d yt h el e a r n i n ge f f e c t ，w h i c hd i r e c t l y r e l a t et ol e a r n i n go u t s t a n d i n g a c h i e v e m e n t ah y p o t h e s i si sb r o u g h tf o r w a r dt h a tt h ef a v o r a b l el e a r n i n g e f f e c t sa r em u c he a s i e rt ob eo b t a i n e dw h e ns t e p b y s t e pd e m o n s t r a t i o n m e t h o d o r g a n i z e st h el e a r n i n gc o n t e x to nt h eo b j e c t i v el e v e l so fr e m e m b e r i n g a n d u n d e r s t a n d i n g s i n g l e f a c t o ra n dt w ol e v e l se q u a l i t y - g r o u pe x p e r i m e n tm e t h o di st h e m a i ns t u d ym e t h o di nt h i st h e s i s t h ec h a p t e rs i x b i n a r yt r e e o f d a t a s t r u c t u r e c o u r s ew a sc h o s e na sl e a r n i n gc o n t e n ti nt h i se x p e r i m e n t b e f o r e t h ee x p e r i m e n tt h ea u t h o rc o m p l e t e dat e a c h i n gd e s i g nu s i n gs t e p b y - s t e p d e m o n s t r a t i o nm e t h o da c c o r d i n gt os o m et e a c h i n g o r g a n i z a t i o n a ls t r a t e g y a n d a c c o r d i n gt ot h ea i mo fs u b j e c tt e s ta n dl e a r n i n go b j e c t i v eo fi n s t r u c t i o n c o n t e n t ，t e s t q u e s t i o n sa r ec o m p i l e df o rt e s ti no r d e rt om e a s u r et h el e a r n i n g e f f e c t s t h er e s e a r c hc h o o s e ss i x t yj u n i o r so fc o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y m a j o ra st e s t e e s ，a n dt h e n ，p r o c e e d si nt h ee x p e r i m e n tf o ro n em o n t h b e c a u s e o ft h eg o o dc o n t r o lo ft h er e s e a r c hp r o c e s sb yt h ea u t h o r , a f t e rc o m p a r i n ga n d a n a l y z i n gt h ed a t ao ne x p e r i m e n tr e s e a r c h ，t h ec o n c l u s i o n sf o l l o w e dw e r e p r o v e db ye x p e r i m e n t f o ru n d e r g r a d u a t e s i n c o m p u t e r s c i e n c ea n d t e c h n o l o g ym a j o r , t h e r ew a ss i g n i f i c a n td i f f e r e n c eo fl e a r n i n ge f f e c to ft e s t e e o n d e e p e ru n d e r s t a n d i n g t o m u l t i - k n o w l e d g ep o i n t s s t e p - b y - s t e p d e m o n s t r a t i o nm e t h o dc o u l dm a k eb e t t e ra c h i e v e m e n tt h a l lp p t d e m o n s t r a t i o nm e t h o do nt h el e v e lo b j e c t i v eo ft e a c h i n g k e yw o r d s ：d a t as t r u c t u r ec o u r s e ，d e m o n s t r a t i o nw a y so ft e a c h i n g c o n t e n t ，s t e p - b y - s t e pd e m o n s t r a t i o nm e t h o d ，t e a c h i n g e x p e r i m e n t 内蒙古师范大学硕士学位论文 ( 一) 问题的提出 一引言 数据结构是计算机及相关专业中一门重要的专业基础课程，也是其它理 工专业的热门选修课。它涉及数据在计算机中的表示、组织和处理，以及相应结 构上的算法设计和初步的算法性能分析技术。其研究思想和研究方法在计算机科 学中许多有深度的研究领域得到广泛的应用，为学生今后从事理论研究、应用开 发、技术管理工作提供了坚实的理论基础。但该课程具有相当的抽象性和动态性， 容易造成教学低效和学时膨胀。如何使学生更好地掌握最常用的数据结构，理解 数据结构内在的逻辑关系，数据与关系在计算机中存储表示以及在这些数据结构 上的运算和实际的执行算法，培养学生解决实际问题的程序设计能力以适应学科 迅速发展和知识更新的需要，是这一门课程的目的和宗旨。 现今，各大学的数据结构课程的教材和内容都主要集中在“基本数据结构的 阐述和分析、基本数据结构的应用、典型算法的适当渗透”这三个方面。其中， 前两部分是重点，并占据了较多的篇幅，而这些内容的教与学离不开大量的实践。 所以在数据结构与算法课程教学中经常会有大量的课程实验作为辅助。通过进一 步的深入分析可以看出，上述基本知识的学习并不是最终目标，而是为到达最终 目标打下的基础。学习数据结构的更深层次的目标是能够针对实际问题来选择、 扩展甚至是设计全新的数据结构然后设计相应的存储结构并加以实现，从而最 终完成问题的求解。“1 目前，很多高等院校都积极采用多媒体教学系统和现代化网络教学手段来辅 助教学。我校的公共多媒体教室建成后数据结构有两届学生在多媒体教室里 上过课。老师也积极准备电子教案，做一些动态演示内容，采用p p t 演示法和 讲授法结合形式，但教学效果并不令人满意。 在过去的考试成绩分析中，往往以平均分数的高低来衡量学生团体的学习水 平，而忽视了该团体达到各个具体教学目标程度的分析由于认知领域的教学目 标从低到高具有连续性，即每一高层次的目标都是所有低层次目标的延伸和发 展，某一知识内容的教学目标可能是多层次的，因而在考试中也设计不同层次的 数据结构课程中使用逐步演示法进行算法教学的实验研究 试题。在2 0 0 3 级数据结构的期末考试中，依据不同层次的教学目标，分别设计 了相应的题目。如果只有计算算术平均分，则是把每一道题都看作同等重要，不 分等级，也不管需要付出的努力程度。这样就不能客观地反映学生的学习水平。 为了克服这个缺点，笔者采用了综合加权统计方法来分析教学效果。 期末考试中二叉树单元的综合达标程度分析结果如表1 1 所示： 表1 - 1 达标程度分析 测验内容学习目标得分率总体目标综合加权达标度 达标程度 层次( b 。) ( g a )系数( k )得分( h ) ( t ) 分析 记忆b = l 0 9 0 二叉树 32 0 2o ，6 7 注意 理解b b - 2 0 5 6 从表中可以看出，在该知识单元中，学生达标率为o 6 7 。虽基本达标，但需 引起注意，尤其理解目标层次的学习，需要进一步总结提高。 按照计算机科学与技术专业的数据结构教学大纲的要求，教学中有一些重点 算法是必须要理解，甚至要掌握其简单应用。那么为什么教学目标与实际教学效 果有这样的差距，经过分析研究认为有两项重要原因。其一，教学目标设计不合 理。其二，教学设计中策略方法不得当。基于这些原因，本研究通过重新设计教 学，数据结构的教学中采取一些适当的教学方法，教学方法策略要适合教学内容 的教学过程来提高教学效果。 按照广义知识的分类，算法属于程序性知识。算法虽然可以由静态文本来描 述，但是理解算法，更主要还是算法的执行规则。这不仅需要算法的语句描述， 还要算法基于的数据结构、执行结果等等相关概念的学习。 如果教学中把这几个相关概念的联系要体现，按照格式塔的视感觉理论中的 靠近原则，教学内容的呈现过程中应该把这些概念放在相近的位置。 p p t 演示法的演示文稿的设计中比较简短的算法可以实现。但是绝大部分算 法长度都超过一个页面，因此与相关概念同时作成一个页面是不可能的，从而往 往这些内容分别使用不同页面，教学中反复切换，也影响了知识的联结。 学习具体情境中如何使用规则是对于课堂教学来说是非常抽象，有难度的。 有了多媒体环境可以使用多媒体演示法来教学。p p t 演示法中虽然可以设计一些 动画，但对于数据结构的算法来说，要体现算法语句的执行顺序则只能用手动设 2 内蒙古师范大学硕士学位论文 置。这不仅影响了交互功能，使演示变得非常被动。只要算法基于的数据结构一 变、演示程序得重新修改。因此算法教学中p p t 演示法已经是显得力不从心了。 鉴于以上原因，笔者就数据结构课程中算法教学进行了文献研究。通过对中 国学术期刊网的2 0 0 2 年至2 0 0 6 年期间进行搜索，找到3 1 篇有关数据结构教学 的文章。对以上3 1 篇文章进行分析统计后，笔者发现，其中有1 7 篇文章中提到 多媒体教学，1 3 篇文章中提到算法教学应该结合动态演示，有2 篇文章是从精 品课程的角度介绍了课程建设，有一篇文章介绍了算法动态演示程序的设计方 法。对于算法动态演示，对演示设计、演示方式、教学中的演示策略等几乎都没 有详细的研究及介绍。 算法教学中根据教学内容的特殊出发，教学中设计使用动态演示是有利于教 学效果。p p t 演示法虽然也能够实现一些动态演示，但它有一些局限性，不仅相 关概念知识点的联系体现有难度，同时在交互方面也不方便。 鉴于数据结构算法教学实证性研究比较缺乏及我校数据结构课程算法教学 的现状，需要更多地对其进行实证性研究。故而，笔者提出本研究的问题： ( d 数据结构课程的算法教学中算法演示法是否影响学习者的学习效果。 若对学习效果有影响，算法是以p p t 演示法更适合学生的学习? 还是以逐步演示 法，即以一种算法按照语句的执行顺序同步显示数据结构的变化及结果的演示更适 合学习者学习? ( d 逐步演示法的演示程序如何设计。 采用逐步演示法的教学如何设计。 ( 二) 研究的目的和意义 有效的信息传递，即学习信息资源的组织结构、信息的呈现形式和传递顺序 是学生学习发生和维持的充分条件之一。杨开城博士曾指出教学设计理论研究的 最基本任务是寻找学习发生和维持的充分条件，并深入研究这种充分条件的设计 原理。 本研究直接指向学生学习发生和维持的充分条件之一有效的信息传递 中的学习信息资源的组织结构和传递顺序。在本研究中即算法演示内容的呈现形 数据结构) 课程中使用逐步演示法进行算法教学的实验研究 式，在对教学内容进行分析的基础上，给出了教学内容呈现的两种方法，即p p t 演示法和逐步演示法，并通过教学实验旨在找出一种在特定的学习目标下有利于 学生学习的教学内容呈现方法。 由于数据结构的算法涉及从简单的线性表到复杂的树、图等多种数据结构 具有一定的难度和复杂性，给该课程的学习带来了许多困难j 算法思想的理解成 为数据结构这门课程的一个重点，所以如何将抽象的算法执行过程以浅显易懂的 形式展现在学生面前，是决定这门课教学成败的一个关键。利用程序可视化思想， 首先建立数据结构课程中算法的可视化动态执行模型，从数据的可视化和算法过 程的可视化两个角度去实现算法演示。数据的可视化是以图形和符号的方式表示 数据元素以及数据元素之间的关系，算法过程的可视化是通过图形的方式表示数 据结构状态的转换及其变化过程，力求生动、形象，将算法执行的动态过程表现 得淋漓尽致。 在算法教学过程中，影响算法学习效果的因素有很多，其中算法相关概念的 联结是关键因素之一。在算法动态演示过程中如何合理地安排和组织知识内容， 体现出各个知识点之间的内在关系，可以展示出知识的系统结构，从而促进意义 学习的发生，使学习效果亦得到优化。本研究是针对算法教学中教学内容如何设 计的相关问题的研究，其有关结论对计算机课程的多媒体课件开发，甚至对数据 结构的资源开发与建设具有一定的借鉴意义及参考价值。 ( 三) 研究理论基础 1 教学目标分类理论 在教学实践中要科学地确定和实施教学目标，需要了解教学目标的分类理 论。本研究中依据的是布卢姆的教学目标分类理论2 0 0 1 修订版，修订的布卢姆 的目标分类学，改变了原来一个维度分类的方式，改用了“知识”和。认知过程” 的二维框架。知识维度专指知识的分类，共分为四类：事实性的( f a c t u a l ) 、概念 性的( c o n c e p t u a l ) 、程序性的( p r o c e d u r a l ) 和元认知的( m e t a c o g n i t i v e ) 。认知过程维 度主要分为六类：记忆、理解、应用、分析、评价、创造( 如图1 1 所示) 。这 样的分类也克服了布卢姆5 6 分类方式的重测量轻教学的现象，不仅有利于指导 4 内望古师范大学硕士学位论文 评价，而且修订的认知目标分类以学习者为取向，基于学习对设计教学也有很 大的指导意义。在本研究的教学设计环节，依据o l 修订版对教学内容进行分析， 划分知识点，确定教学目标而且在测试阶段，也是依据布卢姆教学目标0 1 分 类体系，对学习者的理解目标层次进行了评价 亭6 创造( c r e a t e ) l5 评价( e v a l u a t e ) i4 分析( a n a l y z e ) l 3 应用( a p p l y ) l2 理解( u n d e r s t a n d ) 低 1 回忆( r e m e m b e r ) 图i - i 布卢姆教学目标0 1 分类体系 2 奥苏伯尔的意义学习理论 奥苏伯尔认为，当学生把教学内容与自己认知结构联系起来时，意义学习便 发生了。因此，要促进新知识的学习，首先要增强学生认知结构中与新知识有关 的观念。0 1 奥苏伯尔将陈述性知识学习分为三类：符号表征学习、概念学习和命题学习。 由于命题学习中包含了符号表征学习和概念学习。因此陈述性知识的学习过程可 以用命题知识的学习过程来解释。通过上位学习、下位学习和并列学习三种模式， 新知识获得意义并进入学习者的认知结构。 本研究的教学设计中使用了广义知识的分类方法，在教学策略的设计中知识 的学习则大量参考奥苏伯尔的意义学习理论，并且多次使用了奥苏伯尔的先行组 织者策略。 ( 四) 概念界定 1 逐步演示法 ( 1 ) 逐步演示法的定义 逐步演示法是指通过计算机算法演示软件来演示算法的逐语句执行过程的 数据结构) 课程中使用逐步演示法进行算法教学的实验研究 算法教学方法。 形象生动的动画和类似程序单步执行的过程有助于同学们理解算法。模拟不 同数据结构基本操作的实现是对学习算法非常有意义的。算法演示提供了数据结 构课程中重要算法的动态交互演示，便于学生对算法的理解和掌握，符合联想性 思维特点。动画的直观、生动、形象等特点有助于学生深刻理解相应的算法，利 于培养学生的知识结构，激发学生的学习兴趣。 ( 2 ) 逐步演示程序的设计 数据结构的算法教学中如果只把算法的语句一条一条介绍其功能，则对算法 的整体功能的理解就较困难，即语句的联系不突出。因为屏幕上显示算法语句后 应该给学生模拟算法的主要执行模块。这时如果采用的是p p t 演示法则中间变 量的变化和堆栈的变化，算法的语句执行顺序之间的联系就表示起来很困难，相 关内容同一页面上放不下。安排在多张页面则需要反复调换，这不利于控制。尤 其例子多的时候实现起来更不方便。 在逐步演示程序的设计中采用了动画的方法来模拟各种算法的实现过程。由 于采用了图形，算法的实现直观、形象，理解起来就容易多了。具体设计中考虑 了以下几点： 动画的实现方法 动画的实现有位图法和矢量法两种。前者必需保存多幅图片，所需存储空间 大。考虑到数据结构课程中算法较多，故采用后者，即通过基本作图函数来实现 动画效果。 屏幕的布局 为了让学生真正弄懂算法具体的实现过程，设计了如图l 一2 所示的图形界 面。这种集算法和图形于一屏的布局，能使算法的执行和图形的变化同步显示， 及时看到每步操作的直接效果。同一页面上除了算法以外，还有对应的数据结构、 中间变量、结果等内容根据算法的逐步运行，一一显示在屏幕上。因为算法的单 步执行速度可控制，学生的思路完全能够适应相关数据的变化。从而学生理解这 些数据之间的联系更容易，算法整体运行过程一目了然，能够比较清楚地了解算 法流程，对于理解算法意义是有帮助的。 6 内蒙古师范大学硕士学位论文 图卜2 算法逐步演示软件界面示意图 逐步演示法的程序界面的内容布局设计的主要依据是格式塔学习理论。 近代对视觉感知的生理研究，慢慢地揭示了格式塔理论背后的生理过程，提 出了一系列视感知规律，其中就包含了“靠近原则”、“闭合规律”等视感知 特性。将这些视感知规律引入页面设计，有助于我们克服视觉时代“形象过剩” 状态下的盲目，从而优化演示程序的传情达意的准确度。比如依据靠近原则，界 面上数据结构的图形显示区域和结果显示区域安排成上下位，这样容易联系上边 的数据结构中指针的位置变化和结果的产生。算法的显示区域由于受整个页面的 限制，当算法较长时无法全部显示。为此按照闭合规律，算法显示区域中设置了 滚动条，这样用户可以利用滚动条扫描算法的任何一部分，也能够实现内容的完 整性。 算法的执行方式 为了让学生能更清楚地观察算法的每一局部细节，设计了自动和单步两种算 法执行方式。在单步方式下，用户每击一次空格键，算法推进一步单步方式 可中途返回到初始状态或切换到自动方式。自动方式是算法每执行一步，便暂 停片刻，然后执行下一步。暂停时间的长短可根据学习者自己的情况加以调节和 设置。 2 p p t 演示法 这里p p t 演示法是指教学中用p o w e r p o i m 设计制作的c a i 的教学策略。当 7 数据结构谍程孛使用逐步演示法进行算法教学的实验研究 今的多媒体教学中多数都是用p p t 演示法。利用埘p o w e r p o i n t 制作幻灯片形式的 课件在高校教学中极为普及，一方面p o w e r p o i n t 容易入门，使用方便，课件制 作的周期较短；另一方面p o w e r p o i n t 制作的课件演示功能较强，教学效率较高。 3 目标 教学目标( 或学习目标) ，是学习者通过教学( 学习) 后应该表现出来的可 见行为的具体的、明确的表述。 布卢姆将教学目标分为认知、动作技能和情感三个领域，而每个领域的目标 又由低级到高级分成若干层次。 认知领域包括有关知识的回忆或再认，以及理智能力和技能的形成等方面的 目标。认知领域的目标又分为六类：记忆、理解、应用、分析、评价、创造 当代教育心理学和教学理论一般将学习的业绩分为“保持”和“迁移”。如 果教学与评价的主要意图是“保持”教学内容的话，对应的认知过程就是“记忆”， 而“理解、应用、分析、评价和创造”是与“迁移”相联系的，其中“理解”又 可以看作是通向迁移的桥头堡，也是一种最广泛的迁移方式。 记忆是指对先前学习过的知识材料的回忆和再认，“包括识别和回忆两个方 面”圈。 理解是“从教学信息包括1 3 头、书面和图形等交流形式中建构意义”“3 ，具 体说就是“学习者在对将要获得的新信息与原有知识产生联系时。他就产生 了理解川”，更具体地说，“新进入的信息与现有的图式和认知框架整合在一起 时，理解就发生了州”，“具体包括以下几个方面：解释、举例、分类、总结、 推断、比较和说明”。 数据结构的课堂教学中很多概念和规则，这些知识的学习都要求达到理解。 可是理解层次的知识点的学习还有些明显区别，有的知识点的掌握较简单，只要 跟认知结构中的一两个原有知识产生联系就能够同化新知识，但有的知识点则不 然，将习得的知识要以原有多个知识点及其内在联系的理解为先决条件，原有知 识点包括概念、规则、方法、规律等。 笔者在研究中为此特意把理解目标层次进一步分成两层，即理解与高级理 解。理解指知识的学习只需要一两个原有知识为先决条件，而高级理解目标的知 8 内肇古师范大学硕士学位论文 识要以原有多个知识点及其内在联系的理解为先决条件。高级理解”代表高层 次的理解 本研究中主要以“理解”和“高级理解”两个认知发展阶段为主。 本研究中所提到的学习目标指的是认知领域目标中的理解和高级理解类别。 4 陈述性知识和程序性知识 从心理学的观点看“”，知识是主体通过与环境相互作用而获得的信息及其组 织。储存于个体内，即为个体的知识；储存于个体外，即为人类的知识； 现代认知心理学家一般把广义的知识分为以下两大类： ( 1 ) 陈述性知识，指个人具有有意识的提取线索，因而能直接陈述的知识。 这类知识主要用来回答有关世界。是什么”和“为什么”的问题。一般通过理解 和记忆获得，与加涅学习分类中的言语信息相致。 ( 2 ) 程序性知识，指个人没有意识的提取线索，只能借助某种作业形式来 间接推测其存在的知识。它主要用来回答有关。怎么办”的问题。程序性知识是 一套办事的操作步骤，在本质上，由概念和规则构成。程序性知识又分为两个亚 类：一类为运用概念和规则对外办事的程序性知识，加涅称之为智慧技能；另一 类为运用概念和规则对内调控的程序性知识，加涅称之为认知策略。 5 先行组织者 先行组织者( a d v a n c eo r g a n i z e ) 简称组织者1 ，是奥苏伯尔于2 0 世纪6 0 年代初提出的一个概念。根据奥苏伯尔的解释，组织者是先于学习材料呈现之前 而呈现一个引导性材料它在概括与包容的水平上高于要学习的新材料，但以学 习者通俗易懂的语言呈现。故它是新旧知识发生联系的桥梁。奥苏伯尔指出，组 织者最宜于在两种情况下运用。第一，当学生面对学习任务时，倘若其认知结构 中缺乏适当的上位概念可以用来同化新知识，则可以先学习这一组织者，学生可 以获得一个同化新知识的认知框架。这种的组织者可称为陈述性组织。第二，当 学生面对新的学习任务时，倘若其认知结构中已经具有了同化新知识的适当的概 念，但原有观念不清晰或不巩固，学生难以应用，或者他们对新旧知识之间的关 系辨别不清，则可以设计一个指出新旧知识异同的组织者。这种的组织者可称为 9 数据结构课程中使用逐步演示法进行算法教学的实验研究 比较性组织者。 ( 五) 相关研究 1 数据结构课程的发展历史回顾 数据结构作为一门独立的课程在国外是从1 9 6 8 年才开始设立的。在这 之前，它的某些内容曾在其它课程，如表处理语言中有所阐述。1 9 6 8 年在美国 一些大学的计算机系的教学计划中，虽然把数据结构规定为- f l 课程，但对 课程的范围没有作明确规定。当时，数据结构几乎和图论，特别是和表、树的理论 为同义语。随后，数据结构这个概念被扩充到包括网络、集合代数论、格、关系 等方面，从而变成了现在称之为离散数学的内容。然而，由于数据结构在计 算机中进行处理，因此，不仅考虑数据本身的数学性质，而且还考虑数据的存储 结构，这就进一步扩大了数据结构的内容。近年来，随着数据库系统的不断发展， 在数据结构课程中又增加了文件管理( 特别是大型文件的组织等) 的内容。 “数据结构”在计算机科学中是- f l q 常重要的综合性的专业基础课，其内容 丰富，涉及面广泛，随着计算机应用技术的发展，数据结构的内容也随之更新。 数据结构作为- i 1 独立的课程最早是在美国的一些大学开设的，1 9 6 8 年美 国d o n a l de k n u t h 教授开创了数据结构的最初体系；在我国，自1 9 7 8 年美籍华 裔学者冀中田在国内首开这门课程以来，经过近3 0 年的发展，这门课程已经成 为各大学计算机专业的本科主干课程，也成为非计算机类学生和研究生学习计算 机的必修课程。i l 副 2 数据结构) 课程的计算机学科中的定位 国外数据结构的教学内容主要是以i e e e c s h e 和a c m 发布的计算机科学 本科教育的教育计划和课程指导作为依据的。其近期发布的是c c l 9 9 1 和 c c 2 0 0 1 。c c l 9 9 1 里以往的每- f l 课程的标准教学大纲的定义形式改成将计算机 知识体系分解为若干个知识单元，每一个知识单元对应于课程的一个专题。其中 定义的9 个核心知识单元集中就包括算法与数据结构。鉴于信息化社会对计算机 人才新的需求，c c i 9 9 1 已经不能适应时代需求，c c 2 0 0 1 中制定了1 4 个知识领 域，其中把基本数据结构加到程序设计基础这一知识领域中，独立定义了算法与 0 内蒙古师范大学硕：e 学位论文 复杂性的知识领域。这也充分说明了计算机学科中算法的重要性越来越被重视 了。 国内也为了密切跟踪国际上的发展趋势，并根据我国的具体国情和学校的特 点制定了不同规格、各具特色的计算机科学技术专业的培养计划。这些计划包括 计算机学科教学计划1 9 9 3 ) ，计算机学科教学计划2 0 0 0 ) 及中国计算机 科学与技术学科教程2 0 0 2 ) ( 简称c c c 2 0 0 2 ) 等。其中算法与复杂性的核心课 时定为5 4 课时，同c c 2 0 0 l 一样，把基本数据结构纳入到了程序设计基础中。 国内现在使用的大部分教材根据的是a c m 和i e e e 推荐的( c c l 9 9 1 ) 和我国 计算机学会推荐的( 9 3 教程。如今，a c m 和i e e e 又推出了( c c 2 0 0 1 ，我国计 算机学会也相应推出了( c c c 2 0 0 2 ) 。推出计算学科的这些新的教程和知识体系构 成，主要是为了适应近十年来计算学科本身的迅速发展和变化( 特别是技术的发 展和变化) ，以及随之产生的文化的发展变化和教育观念、教育方法与方式的发 展变化，以保持计算学科教育的科学性、系统性和先进性。因此，作为计算学科 知识体系主干的 课程从内容、结构到形式都必须根据( c c 2 0 0 1 ) 和( c c c 2 0 0 2 ) 进行更新，以满足新世纪的要求，和国际接轨。 如( c c c 2 0 0 2 ) 所指出的，计算学科的教育，从本科生开始，需要努力摆脱 以外延发展为主的专业( 职业) 教育方式，坚决地走内涵发展的道路。第一，需 要加强基础理论的教育，强化学生“计算思维能力“的训练：第二，选择最佳的 知识载体，循序渐进地为学生传授包括基本问题求解过程和基本思路在内的学科 方法论，而将一些流行系统和工具作为学生学习过程中的实践环境和学生自我扩 展的内容来处理；第三，在强调基础的同时，注意适时、适当地提升教学中的一 些基础内容，以满足学科发展的要求。应该遵循这些原则来指导算法与数据结 构的教学大纲和教材内容的编写。 2 0 0 6 年教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会编制的高等学 校计算机科学与技术专业发展研究报告既专业规范( 试行) 中把算法与数据 结构定为专业核心课程，其涵盖知识单元共有8 个，分别为算法分析基础、算法 策略、基本算法、分布式算法、可计算性理论基础、算法与问题求解、基本数据 结构和递归。从这里可以看出整个课程当中算法的重要性。 数据结构 瀑程中使用逐步演示法进行算法教学的实验研究 3 国内算法与数据结构课程的研究情况 算法与数据结构作为计算机专业主干课之一，很多学校的一线老师都在 研究此课程。笔者通过中屋期刊网对计算机教育等期刊的2 0 0 2 年到2 0 0 6 年期间 发表的有关数据结构课程教学方面的文章，共找到2 0 篇。 其中有两篇是分别从精品课程建设的角度对清华大学计算机系及哈尔滨工 业大学计算机系的数据结构课程建设给予了介绍。他们共同的特点是都强调教材 建设，多媒体课件和动画演示课件的制作。尤其是教学方法和教学策略方面突出 说明根据教学内容的要求，多媒体课件和动画演示课件的使用必要性。还有一个 值得学习的是建设网络教学平台来辅助教学，这样学生获得各种教学资源时更加 方便。 北大计算机系的数据结构教学形式为如下：1 教师面授重点难点讲解( 3 0 ) 2 学生利用网络课件和网络资源自学( 4 0 9 6 ) 3 课后作业和小组协作( 课上和课 下) ( 2 0 ) 4 助教网络答疑和网络讨论( 1 0 ) 5 重点难点时间放在网络自学及 教师面授讲解上。面授的总课时为4 8 小时。 从以上三所高校的教学计划里可以看出国内一流学校的数据结构课程的面 授时间在课程总课时里占的比例3 0 左右，其余时闻基本上学生自主学习。这不 仅说明了这些院校的网络教学平台建设得比较完善，还有一点是学生的自主学习 能力较强，总成绩考核中考虑平时作业任务使得学生在平时学习中更加积极。 通过文献调查数据结构的教学有一致的看法是理论与实践结合教学的重视， 实际上对上机实验课的如何实施等问题有很多老师进行的尝试。实验课中编程需 要算法设计，因此算法设计能力的掌握是数据结构实验课效果的重要影响因素。 数据结构教学方法策略方面多数文章里提到互动式教学、基于问题驱动的教 学等等教学策略。根据教学内容的特点，学生学习特征出发积极采用针对性的教 学策略是值得借鉴的。但是目前为止数据结构课程教学方面尚无一篇系统化的研 究结果，从教学设计的角度提出如何进行算法教学的文章更没有。 4 我校算法与数据结构课程的建设 我校的数据结构课程是1 9 8 8 年开始设的。刚开始是计算机专业的专科 班的课程，1 9 9 3 年起在计算机专业的本科生设置，后来学校其他理科院系也陆 1 2 内蒙古师范大学硕士学位论文 续开设数据结构课程。计算机学院的计算机科学与技术专业教学计划也随着时代 的发展不断地更新着。在参考( c c 2 0 0 1 和( c c c 2 0 0 2 的基础上制定了适合本 地区、本校学生的课程体系。算法与数据结构被制定为专业必修课，教学大 纲中基本算法和一些常用算法是教学重点。 从2 0 0 3 年开始把算法与数据结构课程分成算法与数据结构理论课 和实验课两们课程，单独算学分，这体现了对实验教学环节的更加重视。实验当 中用高级语言来解决实验题目，针对某一实验题目，对问题进行分析后，确定数 据模型，再制定对应的算法。因为实验课的进度跟理论课的进度相同步，因此数 据结构基本上不用考虑，主要还是算法流程的设计。这也是主要考虑到学生的考 虑问题、解决问题的思维方式的培养为教学目标 因此课堂教学中算法的理解是实验课的重要前提。课堂算法教学的教学设计 变成该课程的主要研究问题。 几年来虽然对数据结构课程进行一定的研究，但仅仅是局限于教学大纲的制 定，教材的选择使用，教学媒体的使用等方面，对课堂教学、教学效果等没有系 统分析研究，这也严重影响了课程建设和发展。为此笔者认为采用一定的系统化 的理论方法来进行研究是很有价值的 ( 一) 研究问题 二实验研究设计 算法是数据结构课程的重要教学内容。算法属于知识体系中的程序性知识， 算法学习是规则或者高级规则的学习。根据程序性知识的学习论。简单规则学习 以相关概念学习为先决条件。规则学习涉及到如何体现抽象概念之间的联系。对 于将多个概念如何组织，从而形成一个有机的知识体系，属于教学组织策略的宏 策略范畴。宏策略的作用是促进已获知识在长时记忆中的有效组织，进而有利于 思维的活动，根据笔者所进行的文献调研情况来看，关于宏策略对教学效果的实 际影响如何，实证性的研究报告很少。然而，教育心理学的相关研究表明，有组 织的学习材料将有助于学习者的识记、理解和应用。基于此及笔者前面的论述， 本实验旨在发现，基于一定的宏策略设计的数据结构知识点的两种组织形式中， 数据结构谍程中使用逐步演d j 法进行算法教学的实验研究 哪种更有利于学生的学习，从而对算法教学提供参考与借鉴。因此就本实验研究 而言，笔者主要探讨的问题是： 考察数据结构课程中，以p p t 演示法呈现知识点的方式和以逐步演示法呈现 知识点的方式，对学习者的学习效果是否有影响? 具体而言，涉及下述两个问题。 以p p t 演示法呈现知识点的方式和以逐步演示法呈现知识点的方式，哪种 方式更有利于学习者对理解目标层次知识的学习? 以p p t 演示法呈现知识点的方式和以逐步演示法呈现知识点的方式，哪种 方式更有利于学习者对高级理解目标层次知识的学习? ( 二) 研究方法 1 准实验研究法 准实验研究法是指在无需随机安排被试时，运用原始群体，在较为自然的情 况下进行实验处理的研究方法【l ”。 本研究采用了“前测后测单因素两水平等组”准实验研究法 在研究过程中主要探讨的是数据结构教学中教学内容的呈现方式对学生学 习效果的影响。所以一个因素即为教学内容的呈现方式，根据数据结构教学内容 演示的现状，将教学