（课程与教学论专业论文）数据结构课程教学的表象训练研究.pdf

摘 要 数据结构是一门计算机专业的基础核心课程 具有抽象和动态 的特点 目前数据结构教学效果不是很理想 本课题拟从表象训练 着手 通过加强学习者形象思维训练 帮助他们更好理解数据结构 与算法 提高数据结构的教学效果 以弥补数据结构教学中这一的 不足 表象研究是形象思维训练的基础 大量研究表明 成绩和表象 能力之间存在着极大的相关性 表象清晰度高者占有优势 数据结 构课程的抽象性和动态性适合进行表象训练 将抽象的数据结构及 相关算法形象化 具体化 可以帮助学习者增加理解 加深记忆 从而有效地将形象思维和抽象逻辑思维有机结合 促进学生的编程 能力 对教材认真分析的基础上 根据数据结构的难点和重点 我们 用c 语言系统地设计了一系列动画演示程序 这些程序能较好地模 拟数据结构中的一些典型算法 同时 我们设计了两种表象训练模 式 即课堂表象训练模式和程序设计表象训练模式 借助这种两种 表象训练模式和演示系统 拟帮助学生将抽象的数据结构知识用形 象的方式理解记忆 教学实践表明 表象训练能够让学生切实体会到算法和数据结 构的紧密联系 并在综合实验中加强对数据结构和算法的理解和记 忆 对比研究显示 表象训练无论是从短期还是长期都达到很好的 教学效果 关键词 数据结构 表象 表象训练 形象思维 算法演示 系统 ab s t r a c t d a t as t r u c t u r ei sa ne l e m e n t a la n dc r u c i a lc u r r i c u l u mi ne d u c a t i o n o 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 i th a sa b s t r a c ta n dd y n a m i c f e a t u r e s h o w e v e r t od a t e m e t h o d so fi n s t r u c t i o nh a v eb e e nr e l a t i v e l y i n e f f i c i e n t t h er e s e a r c ho f i m a g e r yt r a i n i n ga i m sa ti m p r o v i n gl e a r n e r s c o m p r e h e n s i o na b i l i t yt o w a r d sd a t a b a s es t m c t u r ea n da l g o r i t h m a n d p r o m o t i n gt h ee f f e c to fi n s t r u c t i o n i m a g e r yt r a i n i n gi s t h eb a s i so fc r e a t i v em i n dt r a i n i n g a n d r e s e a r c ht o w a r d si m a g i n a t i o ni sap r e c o n d i t i o no fi m a g i n a t i v et h i n k i n g c o n s i d e r a b l er e s e a r c hh a ss h o w nt h a tt h e r ei sas t r o n gc o r r e l a t i o n b e t w e e ns t u d e n t s s c o r e sa n di m a g i n a t i v ea b i l i t ya n dt h o s ew h oh a v ea p a r t i c u l a r l yv i v i di m a g i n a t i o nh a v ea d v a n t a g e s i m a g e r yt r a i n i n gl e n d s i t s e l ft ot h ep r o c e s so fi n s t r u c t i o n b e c a u s ei tc a nv i s u a l i z ea n de m b o d y t h ea b s t r a c ta l g o r i t h mr e l a t e dt od a t a b a s es t r u c t u r e a n dl e a r n e r sc a n m e m o r i z ea n dc o m p r e h e n dw h a t t h e y l e a r n t b e t t e r f u r t h e r m o r e i m a g e r yt r a i n i n gb a s e do nav i s u a l i z e ds y s t e m c a ni n t e g r a t ep e r f e c t l y i m a g i n a t i v et h i n k i n gw i t hl o g i c a lt h i n k i n g s oa st o h e l pl e a r n e r s i m p r o v et h e i ra b i l i t yt o w a r d sp r o g r a m m i n ge f f e c t i v e l y w eh a v ed e v e l o p e dad e m os y s t e mb a s e do nc l a n g u a g ew i t ht w o m o d e so ft r a i n i n g o n ei st h es o c a l l e d i m a g e r yt r a i n i n gi n t h e c l a s s r o o m t h eo t h e ri st h ei m a g e r yt r a i n i n gi np r o g r a m m i n g r e s o r t i n g t ot h et w om o d e sa n dad e v e l o p e dd e m os y s t e mo fa l g o r i t h m i n d a t a b a s e s t r u c t u r e w e c a l li n s t r u c tl e a r n e r st o c o m p r e h e n d a n d m e m o r i z et h ea b s t r a c tk n o w l e d g eb e t t e ri na ni m a g i n a t i v em a n n e r p r a c t i c ei ni n s t r u c t i o ns h o w st h a ti m a g e r yt r a i n i n gi sf a v o r a b l et o l e a r n e r s c o m p r e h e n s i o nt o w a r d st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na l g o r i t h m a n dd a t a b a s es t r u c t u r e d a t aa l s oi n d i c a t e st h a ti tc a ni m p r o v et h ee f f e c t o fi n s t r u c t i o ni nas h o r to rl o n gp e r i o d k e yw o r d s d a t a b a s es t r u c t u r e i m a g e r y i m a g e r yt r a i n i n g i m a g e r yt h i n k i n g d e m os y s t e mf o ra l g o r i t h m 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方 式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 却说沙缉罗月2 1 日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规 定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权湖南师范大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采 用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 l 保密口 在 年解密后适用本授权书 2 不保密瓯 请在以一l 卡t 1 应方框内打 作首签名 导师签名 即名么 童坛 曰期 础1 妒月2 r j 日期斟年 l 1 留i l l 数据结构课程教学的表象训练研究 第一章引言 1 1 数据结构课程教学中存在的问题 数据结构课程是计算机专业的 i i 专业基础课程 它所讨论 的知识和提倡的技术方法 无论是对进一步学习计算机领域的其 它课程 还是对从事软件工程的开发 都有着不可替代的作用 同时它也是介于数学 计算机硬件和计算机软件三者之间一门核 心课程 其在计算机科学中所处的地位如图1 1 所示 图l l 数据结构课程所处的地位 其教学难点在于教学内容的抽象性和动态性 特别是指针的 操作 储存方式过于抽象 递归算法概念在生活经验中缺乏可供 模拟的例子 当初学者面对抽象概念而无法在心中产生具体的影 像 即表象 时 则容易在学习过程遭遇困难 而且由于教材篇 幅等原因 在呈现数据结构概念时常省略算法部分细节 而对算 法的应用讲授更少 学生学了许多却体会不到用途 所以不能灵 活运用所学知识 由于不是应用型技术课程 不能直接面向市场 面向就业 许多职业学校只是在数据结构中象征性地安排了几次实验 特别 硕士学位论文 硬件资源有限的学校压缩理论和实验课时 其直接后果是 考试 结束后 学生所学知识也就随之忘记 我们在对三年一期的学生的调查中发现 竞有8 9 的学生记 不清楚什么是哈夫曼树 9 2 的学生说不清最短路径的算法 更 不用说在实际工作中去应用 造成如此结果的主要原因有三 第一 c 或c 语言教学不足 c 语言是程序设计是数据结 构的前导课程之一 由于c 语言是学生第一次接触的程序设计语 言 学生对结构体 指针这两种数据类型的认识和理解不深 对 函数参数 函数调用的理解也不够 而这些在数据结构恰好是使 用最频繁的内容 学生一旦数据结构的前导课没有学好 就会丧 失对计算机课程的学习兴趣和信心 为后续课程的学习埋下隐患 第二 算法理解和掌握不够 目标不明确 数据结构中算法的教学难点在于它们的抽象性和动态性 由 于教材篇幅等原因 一般对理论的应用讲得不多 学生学了许多 却不知有何作用 更不能灵活的运用 程序优先的入门模式推迟 了学生对学科的了解 学生所接触知识有限 并不真正了解 算 法设计建立于逻辑结构 算法实现信赖于物理 存储 结构 第三 数据结构本身抽象难学 加上原有的数据结构教学仅 停留在逻辑思维技i l l l l 练和知识的掌握上 即停留在教育目标分 类的较低级层次 过分强调了教育目标的知识层次 1j 学生即 使当时能领会部分知识点 但由于没有得到充分的运用 分析和 综合训练 还是不1 1 i i 深长期记忆 针对以上问题许多计算机教师特别是高职院校的教师深感无 能为力 即使有些老师想借助演示系统将抽象算法形象化 但一 方面相应的系列软件难以取得 自己开发周期又太长 一方面由 于知识的教与学简便易行 而没有尝试或很少涉及其它教学方法 数据结构课程教学的表象训练研究 为了促进学生对抽象的结构和算法理解 许多省级和国家级 精品课程力图从技术上将之形象化 具体化 例如采用f l a s h 动 画演示系统等来提高学生学习兴趣和理解度 同时加强资源建设 以促进学生自主学习 引入启发式教学和案例式教学 的确取得 了一定效果 但目前这些手段的改进并没有从理论和实践上根本 解决由于课程本身的抽象性和动态性所造成的难学问题 本文拟从表象训练入手 加强对学生的形象思维训练 将抽 象的知识具体化 形象化 从而帮助学习者有效改善数据结构的 学习效果 1 2 形象思维及表象训练在计算机教学中的重要性 科学与技术相辅相成 相互作用 二者高度融合是计算机 科学与技术学科的突出特点 2 与之相对应的信息技术教育在 重视技术训练的同时 理所当然也要用科学的方法加强思维训练 用科学的教学方法帮助学习者有效地提高技术 同时 教学方法 上发展形象思维与发展逻辑思维统一原则是高等教育教学的六大 基本原则之一 所谓形象思维主要是用直观形象和表象解决问题的思维 其 特点是具体形象性 完整性和跳跃性 形象思维的基本单位是表 象 形象思维与逻辑思维在设计中拥有各自的价值 两者缺一不 可 密不可分 高级复杂的形象思维是对头脑中的形象进行抽象 概括 并形成新形象的心理过程 它并不总是与语词紧密联系 也不能进行充分的语言描述 但是 它比概念概括有着较大的稳 定性 整体性 而且更加具体 更加丰富 因为概念概括要舍弃 非本质的特征 而形象概括则常包容着丰富的细节 科学家 文 学艺术家 技术专家常常将形象概括与概念概括相结合 从而创 造出新的成果或新的形象 1 9 世纪末 庞加来由二维曲面的分类 硕士学位论文 成果进行形象思维 直观地认为 三维单连通的闭流形一定同胚 于三维球面 3 o 爱因斯坦是在 如果有人追上光速 将会看到 什么现象 的形象思维中创立了 狭义相对论 激发创造性思维需要形象思维 美国数学家斯蒂恩指出 如 果一个特定的问题可以转化为一个图形 那么 思想就整体地把 握了问题 并且能创造性的思索问题的解法 4 j 浙江大学智能研 究所的简正三等研究表吲5 人在设计思维活动中 大量运用的 是联想 直觉 灵感等形象知识 活动 这些形象知识的运用是 真正的智能和创造体现的关键 著名科学家钱学森教授曾说 对 形象思维的运用和研究不仅有利于人才培养 而且它很可能对教 育改革和技术革命带来深刻的变革 其深远意义不可低估 6 j 形象思维的研究为创造性思维的培养奠定了坚实的基础 而 表象研究是这个基础的基础 7 表象是形象思维的主要加工材料 们 至于形象思维与表象以及再造想象的关系可以用这样一个例 子说明 当我们想象 如果物体运动速度超过光将会发生什么情 景 时 这是一种再造想象 这种情景想象更多依赖于形象思维 但离不开抽象思维 而形象思维的形成又依赖于原有的表象材料 这些表象材料正来源于外界客观事物 所以我们在宋丽波的 再 造想象产生模型 6 的基础进行改进 按照从外到内 从简单到 复杂的顺序 形成从外界图像到内在表象到形象思维和再造想象 的基本模型 如图1 2 所示 图1 2 从外界图像到内在表象到形象思维和再造想象的基本模型 计算机科学研究和应用需要再造想象 同理 计算机教育不 4 数据结构课程教学的表象训练研究 仅需要培养学生的抽象逻辑思维 也要加强他们的形象思维训练 毕竟很多用抽象符号信息并不能完全表达形象信息中只可意会 不可言传内容 计算机科学与技术的从业者 特别是软件开发和研究者一向 被认为是具有独立思考 富有创造性和想象力的佼佼者 他们从 事的事业也被认为是一项极具创造力的工作 要设计一个好的程 序或软件 程序员往往要预先在大脑中 预视 界面 操作方式 和程序运行及处理结果等 表象 操作 在数据结构的教学过程 中我们常常发现 成绩突出的学生其表象能力也较强 比如在学 习链表操作时 都会在大脑中不自觉预视其过程 即在大脑中形 成链表操作的动画 而成绩差的学生却没有这种能力或能力不强 另外 许多c 语言没学好的学生 却在老师补充讲授图形处理一 章时表现出强烈的学习兴趣 程序没学好的学生却在学习设计网 页时表现出自信 绝大部分青少年对图形设计表现出浓厚的兴趣 大量研究 8 9 l o 表明 成绩和表象能力之间存在着极大的相 关性 且形象思维可以具体到图形图像上 4 在用程序设计图形 或动画时 学生要用计算机程序语言来描述并重塑大脑中的表象 这样一方面可以在计算机语言教学中培养学生兴趣 另一方面也 能有机地贯彻 形象思维与抽象维统一原则 通过发展学生形象 思维能力来提高程序设计能力 所以 作为这个专业的学习者 在加强逻辑思维的训练的同 时 不能忽视形象思维的培养 而作为教师 在计算机教学过程 中 不容忽视作为教学重要原则之一的 发展形象思维与抽象思 维统一原则 以帮助学习者发展创造性的形象思维 1 3 数据结构教学中加强表象训练 经验之塔 理论 l 告诉我们形象 具体的事件有助于加深 硕士学位论文 理解 并能帮助学生提高他们的判断 处理和解决各种实际问题 的能力 由于图像和动画等视听媒体处于 经验之塔 的中部一 个很微妙的位置 他们兼收了具体经验和抽象经验的优点而又抛 离它们的某些不足 不仅能向学生提供所需的具体经验 而且可 以帮助学生整合以往的经验f 1 2 1 实践证明动画和图像比文字叙述 更有助于学生了解和记忆 l 3 1 在数据结构教学中 我们可以借助图形系统将抽象的知识转 化为形象具体的可视化演示系统 具体来说 可视化的图形演示 在数据结构教学中有如下几大优点 l o 1 激励学生学习 帮助他们将观念储存在长期记忆中 2 用动画展示算法所执行的过程 可以帮助学生更容易 了解算法 3 吸引学生注意力 4 学生在课后可利用演示系统探索算法的执行过程 5 根据案例的代码 分析具体实现过程 一 借助图像和动画 可以解决教师教学与教材内容呈现上所遇 到的困境 而通过表象训练 可以帮助学生加强形象思维能力 加深了解 算法的设计建立于逻辑结构 算法的实现依赖于物理 存储 结构 更好地掌握数据结构相关知识 与此同时 为表象训练所设计的大量实例也为数据结构教学 中的 任务驱动 和 课题激励 提供实验实习素材 数据结构课程教学的表象训练研究 第二章国内外研究现状 2 1 表象训练研究现状 表象训练领域进行开创性研究的当首推美国的雅各布逊 j a c o b s o n1 9 3 8 他在一项研究中将电极置于有关肌肉 让被试 想像某一运动动作 这时 可记录到该肌肉的微弱肌电活动 其 活动与实际做动作的肌电活动相似 这一现象后来又得到许多研 究者的证实 6 此后 许多心理学家研究表明 表象在创造过程 中扮演着重要角色 6 国际上把表象训练技术应用到教育领域并进行实证研究是从 2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初开始的 如在记忆 视觉表象清晰度 想象力 阅读 培养创造力和开发潜能等方面 表象训练技术在 教育领域的应用是表象研究的发展趋判6 1 m e n d o z ad 和w i c k m a nh 于19 7 8 年 k o h lr m 和r o e n k e r d l 于1 9 8 0 年都围绕运动技能学习进行了大量实验 他们将被 试分为三组 即实际训练组 表象训练组和控制组 三组在实验 前后进行两次测试 然后 比较各组成绩提高的幅度 其实验结 果可以分为两类 一类是实际训练组成绩的提高明显大于表象训 练组 表象训练组的成绩明显大于控制组1 1 4 另一类是实际训练 组和表象训练组之间实验后成绩无差异 但两组成绩明显比控制 组好 1 5 n i s i 1 9 8 2 为了检验诱发大脑表象对于阅读书报材料的理解 和保持的效果 对4 1 名高冒险的大学生进行表象训练研究 j a m p o l e 19 9 0 等研究了指导性表象训练对学生创造性写作和在表 象清晰度上的效果 还有研究 1 6 1 表明表象训练可以提高学生成 绩 调节和稳定学生情绪 有效地提高小学生的创造力 2 0 世纪5 0 年代 我国运动生理学工作者进行过表象的脑电 硕士学位论文 研究 研究结果表明 接受过表象训练的被试进行表象思维时q 波的波率减少 减少区集中在皮层运动区 未接受过表象训练的 被试出现刺激时整个脑皮层区域发生变化 但是 其运动区与其 他区域的变化无明显差异 6 1 张力 1 9 9 0 将表象训练和实际训 练结合一起 结合训练的效果比单独训练的效果要好 1 刀 随后 许多学者将表象训练应用于教育 褚建方 1 9 9 9 1 8 对外语教学中应用表象训练技术进行了研究 田良辰 l9 等人利用 表象思维训练 对提高小学低年龄段语言教学质量进行了研究 宋丽波 张厚粲等对表象训练促进创造性思维方面进行长期研究 其研究表明 表象训练在教学实践中主要作用是调节学生的心理 状态 建立自信 它对想象力的提高帮助晟大 其次是提高联想 力以及加强记忆力帮助较大 6 1 另外 2 0 0 3 年对弱智儿童进行表 象训练研究表明 表象训练可以提高小学生和弱智儿童的表象清 晰度和记忆力 2 0 j 实证研究 2 0 0 2 t l s l t i e n y j 表象训练可以帮助学生提高成绩 和创造性思维 2 2 数据结构课程教学现状 1 9 6 8 年美国d k k n u t h 教授开创了数据结构的最初体系 2 l 他所著的 计算机程序设计技巧 第一卷 基本算法 是第一本 较系统地阐述数据的逻辑结构和存储结构及其操作的著作 为了实现数据结构的具体化 形象化 许多国外教育机构都 开发了相应可视化教学软件 如利用j a v a a p p l e t 设计用于 树 的教学的a v lt r e e 2 2 1 b i n a r y t r e e s o m e 2 引 b i n a r ys e a r c ht r e e 2 4 以及用于链表教学的j v a l l 2 5 j j a v av i s u a la u t o m a t e dl i n k e d l i s t 然而 这些软件不适合初学者 尤其是只学了c 语言或 c 的学生难以通过这些系统去分析代码 而且目前这些软件没 数据结构课程教学的表象训练研究 有系统包含数据结构的所有知识体系 在我国 根据c c c 2 0 0 2 c h i n ac o m p u t i n gc u r r i c u l a2 0 0 2 即 中国计算机科学与技术学科教程2 0 0 2 将数据结构的主体作为一 个知识单元 k n o w l e d g eu n i t 分属于知识领域 k n o w l e d g e a r e a 一一 程序设计基础 p f 的第三个知识单元 p f 3 中 并且将算法与数据结构确定为大学计算机专业1 6 门核心课程之 一 l o c c c 2 0 0 2 将完整的大学课程体系分为三个部分 奠定基础的 基础课程 涵盖知识体系大部分核心单元的主干课程 以及用来 完备课程体系的特色课程 基础课程在一 二年级开设 主干课 程在二 三年级开设 特色课程则在高年级开设 我们国家已经习惯于程序设计优先 的入门模式 并在此基 础上形成了实施多年 基本稳定的课程体系 数据结构及算法一 般放在完成c 语言教学之后的第二个学期或第三个学期开设 c c c 2 0 0 2 建议数据结构与算法的总课时为 7 2 1 6 即授课学时 7 2 实验1 6 学时 本课题的研究主要是基于高职大专院校 下面我们就我国高 职大专院校的数据结构的教学情况进行分析 历史发展沿革 数据结构在依据教学手段 教学理念和教育目标 我国高职 大专院校数据结构的发展大致经历三个阶段 1 黑板讲授阶段 1 9 9 2 年一1 9 9 8 年 一方面由于当时计 算机专业方面的人才比较少 为此许多当时的中专或高职学校从 其它专业专门委托培养培训计算机教师 以充实专业教学队伍 另一方面 由于教师的理论方面知识欠缺 教学理论基础主要是 行为主义 在教学中该课程在教学方法上沿袭陈旧模式 单纯向 通过黑板向学生传授书本上的知识 加上设备欠缺 学生很少有 硕士学位论文 机会上机实习 知识和技能训练都掌握不是很好 因此这一阶段 在课程体系和知识内容上存在许多弊端 2 多媒体 实验 阶段 1 9 9 8 2 0 0 4 年 随着高职大专 院校对计算机软硬件的大量投入以及教师的教育理念和教学方 式 方法的进步 许多学校围绕逻辑思维训 采用多媒体 加强 上机实验 使抽象的知识更容易被学生所接受 3 研究型 教学阶段 2 0 0 4 年一至今 经过近几年的课 程改革实践 许多学校出台政策鼓励教师从事科研 并提出将科 研 向外与产品结合 向内与教学结合 与此同时 经过多年的 教学实践 高职院校教师根据数据结构课程的特点进行了大量分 析研究 发表了许多相关教研论文 如 数据结构的知识体系浅 析 2 0 0 4 2 6 数据结构教学改革的探索与实践 2 0 0 5 2 7 1 奥苏泊尔及布鲁纳学习理论在数据结构教学中的应用 2 0 0 5 2 8 贯穿数据结构课程的三条主线 2 0 0 6 2 0 等 通过系列研 究工作 加上师资力量加强 数据结构 的教学工作逐渐向研究 型教学方向发展 同时 在建构主义教学理论的指导下 教师重 视学生的学习兴趣 着重培养学生适应市场 适应社会发展的综 合素质 现已收到明显效果 数据结构 教学在高职大专院校的发展如图2 1 所示 教1 8 f 譬拆ki 磊i 二二磊 蕊 j 磊 1 9 9 2 年 19 9 8 年 制 之0 0 4 年 至今 图2 1 数据结构 教学在高职院校的发展 数据结构课程教学的表象训练研究 教学现状 1 教材分析 目前三年制高职专科一般将数据结构压缩至6 4 学时左右 其 中含实验2 0 学时 高等职业技术学院常用c 语言版的数据结构 教材如表2 1 所示 表格2 1 高等职业技术学院常用c 语言版的数据结构教材 书名作者出版社出版时间备注 数据结构严蔚敏等 清华大学出版社 1 9 9 7 1 0 数据结构教程北京航空航天大 第二版 唐发根 2 0 0 5 1 0高等学校通用教材 学出版社 全国高等专科教育 数据结构李新燕机械工业出版社2 0 0 6 0 8 计算机类规划教材 2 l 世纪应用型人才 数据结构王寿福等高等教育出版社 2 0 0 3 0 6 培养系列教材 数据结构与c 语言高级程序赵逢禹 北京航空航天大 学出版社 1 9 9 8 0 4 设计 其中唐发根所编著的教材实践性较强 学生容易将程序直接 放到c 环境中运行 显示结果 而严蔚敏的教材系统性和逻辑性 都很好 然而针对 类c 编写的代码 基础较差的高职学生往 往不知所措 这些教材一般涵盖了算法的几个知识单元 如算法分析基础 递归 排序查找等 所以本身都包括了逻辑结构 存储结构和算 法三部分内容 从教材的目录中我们可以一目了然地看出课本各 章节的安排是遵循从简单到复杂的先后顺序 即先从线性结构入 手 再到非线性结构的逻辑结构展开的 教学中的关键 1 4 2 5 1 教学中的一个中心 即牢牢抓住 算法的设计建立于逻 辑结构 算法的实现依赖于物理 存储 结构 k n u t h 认为 计算机科学 是算法的学问 算法是精确定义 的一系列规则 而 程序 数据结构 算法 硕士学位论文 2 两个基本点即 数据的逻辑结构和物理 存储 结构 3 三条主线 即逻辑结构 存储结构和算法这三部分成为 贯穿整个教学的三条主线 逻辑结构是数据元素之间的一种相互关系 逻辑结构这条主 线将各章节内容从总体上直接串接起来 如线性结构中的队列 二叉树 图中的最小生成树等都特别形象 直观地显示了数据元 素之间的相互关系 存储结构是逻辑结构在计算机存储器里的实 现 这两种结构和数据结构各章节关系如图2 2 所示 图2 2 两种结构和数据结构各章节关系 数据结构中 逻辑结构反映数据元素之间的组织形式与相互 关系 存储结构是逻辑结构在计算机中的具体表示与实现 逻辑 结构 存储结构和算法三者相互信赖 4 五大重点内容 对于数据结构 其基础的且为重点的内容应该是 表 树 图 三大数据结构和 查找 排序 两大类算法 这五大重点内 容有其内在的关系 表可视为树的特例 树又可视为图的特例 图是最复杂的数据结构 这样由线性结构到非线性结构 由简单 数据结构课程教学的表象训练研究 到复杂 由特殊到一般的延伸 这样五大重点就形成一个简明 有机的而且是非常清晰的脉络 硕士学位论文 第三章表象训练引入数据结构课程教学的理论探讨 教学实践表明抽象的知识一旦形象化 具体化就能加深对该 知识的记忆和理解 由于左右半脑协同合作 以提高学习效率 前面已介绍许多学者和教师将表象训练应用于各种教学 并取得 成功 本人也于2 0 0 4 年开始尝试将表象训练引入数据结构课程教 学 之所以能将表象训练引入其中 方面是数据结构课程本身 特点决定 另一方面是表象训练的科学性决定 3 1 表象训练的心理学基础 3 1 1 表象 1 表象的定义 表象 p r e s e n t a t i o n 又叫意象 i m a g e 或心象 m e n t a li m a g e 而当强调事物形象在心理活动中的再现 又叫再现表象或表征 r e p r e s e n t a t i o n 现代认知心理学一般认为 表象 i m a g e r y 或心象可以被看作是对象表征的抽象类似物 6 o 目前表象定义有多个 其中典型的有两个 在表象学里 表 象是大脑借助感官反映外部事物获得的在质料构成上与外部事物 不同 在形貌上与外部事物一致的物质材料 这种材料依存于大 脑 因大脑的功能作用造成丰富复杂的思维活动 形成人关于各 种事物的认识 2 9 认知神经科学认为 表象是形成 头脑中的图像 这一相对 特殊的活动 也指积极回忆或操纵空间表征这种更一般的非言语 思维过程的结果 3 0 1 表象是物体不在眼前呈现时 人在头脑中提取并出现物体形 象 并且可以对这个物体在空间进行旋转或操纵 是非言语的思 维过程 数据结构课程教学的表象训练研究 2 大脑对表象的功能 2 l 形成表象只是大脑的一种功能 在此基础上 大脑及有关神 经组织对表象还具有多种功能作用 如记忆表象 内注意表象 连接表象 对照表象 分析表象 组合表象等 大脑与表象之间 的这些功能作用关系 造成回忆 联想 对照 分析 组合等思 维活动 大脑对表象的功能作用及其造成的思维活动是表象学研 究的主要对象 2 l 其功能具体如下 2 l l a 表象的形成功能 这一功能是大脑首要的功能 b 记忆表象功能 记忆表象即是表象在大脑中的保存 c 内注意表象的功能 我们的大脑在感官不接触相应的外部 事物的情况下 仍能准确地思考外部事物 即说明大脑有一种功 能迫使表象再现于脑之中 这种功能就是内注意功能 d 对照表象功能 这是大脑中两个以上的表象发生比较关系 的一种功能 当两个或两个以上的表象同时被内注意功能组织注 意时 表象之间便呈现其异同关系 大脑因此知晓对应的外部事 物之间的异同 e 分析 组合表象的功能 组合 分析表象仍是在内注意的 状态下进行的 只是它不象表象对照那样 在保持表象原貌情况 下进行 而是在已有表象中增加或减少某些组成部分 表象组合 就是在原表象的基础上 增加某些组成部分的思维活动 表象分 拆是在原表象的基础上减少某些组成部分的思维活动 f 表象运用功能 表象运用功能是指大脑将已有的表象用于 解释未有或未知事物的功能 g 表象连接功能 即能够确定地由这一表象联想到另一表象 总之 从大脑对表象的功能来看 表象贯穿于意识活动的始 终 数据结构的学习过程运用大量的表象功能 如果能强化这些 硕士学位论文 表象功能 将没有特定目的 不自觉的 低级形式的无意识的表 象活动转为有目的的 自觉的有意识的表象活动 必然会起到事 半功倍的作用 3 分类 表象有各种不同的种类 可以根据不同的角度或标准来划分 根据数据结构的特点 本文主要采用不同感觉通道来分类 6 l a 视觉表象 视觉表象是人们在视觉活动的基础上 在头脑 中形成关于事物的形状 颜色 亮度和空间方位等图像 在人的 表象之中 大多数外界形象信息是通过视觉输入大脑的 并被大 脑组合加工 达到较高的表象层次 b 听觉表象 听觉表象是人们在听觉活动的基础上 在头脑 中产生各种声音的形象 c 运动表象 运动表象是肌肉动作的动觉表象与动作视觉表 象的结合 这也正是体育教育中运用表象的基础 d 其他感觉表象 其他感觉如味觉 嗅觉 触觉等也都有相 应的各种表象 当然通过感觉通道来划分的表象 只是具有相对意义 对于 绝大多数情况来说 感觉表象都具有综合的性质 从本研究的特 点和目的来看 本文所提及的表象主要指的是视觉表象 4 表象的特点 6 1 a 表象的客观与主观性 b 表象的形象性 c 表象的概括性 d 表象的非言语性 e 表象的模拟性 f 表象的可操作性 g 表象的空间性 数据结构课程教学的表象训练研究 h 表象的优势性 3 1 2 表象 形象思维 想象力的关系 表象 p r e s e n t a t i o n i m a g e r y i m a g e 2 0 世纪8 0 年代以前的定 义如下 表象是在物体没有呈现的情况下 头脑中所出现的该物 体的形象 或者指当前不存在或事件的一种心理表征 8 2 0 世纪 9 0 年代后 认知神经科学的诞生 对表象的研究又前进了步 目 前的表象定义为 表象是形成 头脑中的图像 场景 包括影视 声音等 这一相对特殊的活动 也指积极或操纵空间表征这种更 一般的非言语思维过程的结果 3 2 从表象定义的前后发展变化看 前者着重从静态的角度来研 究表象 而后者则是着重从动态角度来研究表象的 后者更注重 表象的活动性 可操作性和非言语的思维过程 它把表象提高到 思维的高度 这对我们教师通过表象训练积累和丰富学生头脑中 的表象 培养和提高学生的形象思维具有指导意义 所以表象是 想象的基础 想象是建立在表象上的力a v t 形象思维是对形象信息传递的客观形象体系进行感受 储存 的基础上 结合主观的认识和情感进行识别 包括审美判断和科 学判断等 并用一定的形式 手段和工具 包括文学语言 绘画 线条 色彩 音响节奏旋律及操作工具等 创造和描述形象 包 括艺术和科学形象 的一种基本的思维形式 表象和想象是形象 思维的基础 它内涵更大 外延也更广 它不仅是客观认识 还 结合了主观的认识和情感因素 有效的加强学生视觉和空间的表象训练 可以提高学生的形 象思维能力 同时结合逻辑思维训练 能更有效的加强学生的编 程能力 而想象是人们在头脑中 把原有表象加工改造成为新的表象 硕士学位论文 的思维方式 6 o 想象是在表象和知觉的基础上形成的感性形象 6 想象力是能动的思维能力 它是人类别于动物独有的天赋和 才能 它凭借形象思维和逻辑思维 对头脑中已经接受和贮存的 各种信息 素材进行加工制作 重新排列组合 创造出来出现过 事物的形象的心理过程 6 j 3 1 3 表象能力的个体差异 1 表象清晰度的差异 表象具有明显的个体差异 它主要表现在使用表象能力的差 异和在不同作业中使用表象偏好的差异 8 即不同个体对同一事 物所表现的视觉化的清晰程度 呈现出不同的水平 而同一个体 对于不同物品也表现出不同的清晰程度 比如感兴趣的东西所表 现的清晰度明显较强 至此 许多心理学家通过考察被试的表象 清晰度来研究个体的差异 表象的清晰性是指表象颜色的明亮程度以及轮廓和细节的明 朗程度 3 2 s c h m e i d l e r 1 9 6 5 是研究清晰表象与创造力间关系问题 的先驱之一 他发现具有高表象能力的个体倾向于取得较高的创 造力分数 7 1 m a r k s 1 9 7 7 在实验中 研究了表象清晰度与成绩的 关系 实验结果表明 在各种场合下 清晰度好的被试都比清晰 性差的被试成绩好些 8 l o 我国心理学家林传鼎 1 9 7 8 对4 0 名中 小学生作了视觉表象的研究 实验结果表明 表象清晰度高的被 试与学习能力之间关系显著 清晰度高者占有优势 9 1 2 表象空间能力的差异 l i n n 1 9 8 5 等人将空间能力定义为 一种涉及表征 转换 生成和提取符号 非言语信息的技能 3 3 l i n n 等人于1 9 8 6 年在 以往空间研究的因素分析上提出空间能力的三个因素 空间知觉 心理旋转 空间想象 r 数据结构课程教学的表象训练研究 大部分西方研究结果表明 男性在空间能力上占有一定优势 但这种优势的显示是有一定的年龄特征 发展趋势表现为随年龄 增长而增大的特征f 2 7 1 3 2 表象训练 表象训练技术已经广泛应用于运动领域 然后逐渐渗透到教 育领域以及健康领域 表象训练目前有两种定义 其一是在体育运动心理学意义上 的定义 它是指在暗示语的指导下 在头脑中反复想像某种运动 动作或情境 从而提高运动技能和情绪控n i l 力的方法 其二是心理学意义上的定义 即在脑中重复回忆事物的形象 达到提高形象清晰性 准确性 获得 内心学习 效果 6 其操作过程在于使被试全身放松 合目 达到神经过程抑制 为特征的微睡 半睡 状态 使人的大脑皮层处于高度敏感状态 使表象在脑中更清晰 深刻 一般分三个步骤 1 先进行放松训 练 2 处于清醒 积极的心理和工作状态 3 表象运动技能和情 境 表象训练时间一般不宜过长 控制在1 5 2 0 分钟以内 从前面介绍的几个实验中 1 3 1 4 1 6 1 可知 表象训练组的成绩要 优于控制组 说明表象训练效果较好 3 2 1 作用及要素 由于表象对感知觉 记忆 思维起促进作用 表象的清晰度 越高 所起的作用越大 清晰表象可以作为中介在调节学生的心 态和促进学生的心理健康方面起作用 又由于表象可操作性的特 点 决定了表象是可以训练的 6 通过前面综述可知 表象训练在教育教学领域主要有以下几 个作用 硕士学位论文 1 有助于集中注意力 使表象更清晰 逼真 稳定 2 有助于加深记忆 3 有助于加强对事物或事件过程的理解 3 2 2 数据结构中的表象训练的必要性 学生在学校里 首先是学会做人 其次是学会思维 然后 才是掌握必要的知识和技能 已成为共识 计算机教育提倡走内 涵发展的道路 按照学科根本特征的要求 需要加强基础理论的 教育 并由此强化学生 计算机思维能力 的培养 2 教育重要 的不是着眼于实用性 传播知识和技能 而是要唤醒学生的力量 培养其自我性 主动性 抽象的归纳力和理解力 2 是为了使学 生更好地适应社会发展和自身未来工作 实现终身教育 数据结构的整个教学过程由认识到实践分三个环节设计 理 解算法和逻辑结构 设计存储结构 实现建立在存储结构之上的 算法 所以 思维训练理所当然也成为数据结构课程教学的目标 数据结构是大学计算机专业1 6 门核心课程之一 然而 在教 学过程中 我们在讲到高级语言编程时 比如在f r a m e w o r k n e t 中涉及s t r i n g 类和由b u i l d s t r i n g 类时 许多学生却不能理解两者 的区别 又比如在c n e t 中调用h a s h c o d e 时 许多学生不知所 措 都显示出他们学习数据结构没有掌握好 我们针对二年级已 完成数据结构课程的学生进的调查中显示原因有三 其一 近7 5 的学习目标不明确 学生在学习数据结构时 不知有舍用 其二 近两6 0 的学生认为学习数据结构之前c 语言或c 没学好 教 材用的是c 语言版或c 版 不能理解代码是造成数据结构没 学好的原因 其三 7 5 的学生认为数据结构较抽象 难学 对于第三点 事实上是数据结构课程本身的抽象性和动态性 造成的 如果能合理地解决这一点 前面两点自然可以得以弥补 数据结构课程教学的表象训练研究 正是数据结构课程的抽象性决定有必要将难点和重点具体 化 而其动态性决定我们可以将难点和重点图形化 动画化 实验证明借助动画演示系统 借助表象训练就可以使抽象的 数据结构变得形象具体 提高学习者的理解力 比如 k a p l a n d e 2 0 0 6 用实验证明1 3 4 l 证明 用动画演示可以增强思维表象力 m e n t a la n i m a t i o n 提高推理能力 r e a s o n i n g 从而提高学习中 的理解能力 他在论文中指出 实验证明 如果给被试提供了图形图像进行说明的资料 那 么他们在测试中比那些只提供了文本说明的被试表现得出色 而 动态画面和可以互动的动画形式又比静态图形的效果要好 这一 现象尤其表现对复杂问题的解决中 在注释中引入图片和动画有 利于提高被试对问题的理解 针对数据结构的难点和重点 我们有必要设计一些的动画演 示系统 并利用其前面所介绍的表象训练的三大功能 来帮助学 习者将抽象的算法过程形象内化 从而深入理解记忆所学知识 硕士学位论文 第四章数据结构课程教学的表象训练实践 4 1 两j 中i j i i 练模式设计 布鲁姆教育目标分类中的目标分类理论将认知领域的教育目 标从低级到高级分为知识 领会 运用 分析 综合 评价 3 5 等 六个主要类别 在数据结构的教学过程中 一方面我们要促进学 习者掌握基本知识 领会基本原理 另一方面在前者的基础上还 要帮助学习者发展高级思维技能 要帮助学习者能创造性应用 简单来说就是不仅要能吸收知识 更重要的是利用所学知识去应 用和创造 基于这两个方面 我们首先设计重在掌握知识和领会 算法的 课堂表象训练 在基于知识和领会的课堂表象训练之后 我们还设计了以程序设计为主的表象训练法 又可称为综合表象 训练法 即在领会的基础上 鼓励学生将这种表象用计算机语言 去描述 将脑中的表象外化为动画过程 在思维的语言描述过程 无意识的进行表象训练 实现运用 分析 综合甚至评价等较高 层次的教育目标 从而实现真正掌握数据结构的知识 并能灵活 运用 这两个方面可以对应两个学习阶段 所涉及的两种模式具体 可以用图4 1 来描述 知识淼未 蒸蕊一燃二二晶茹i 飘 黼 剥熊龋 有意识表象司l 练l 无惠识衰象i i i 练l 三雾墨量刘竺篓兰t 一 兰 要黧述鹣 叶衰射心l r 一 l 7 r 一一h i i 露 图4 1 两个阶段 两种模式 数据结构课程教学的表象训练研究 第一个阶段主要是实现知识层面的记忆和理解 第二阶段可 以说是建立在第一阶段训练的基础上的 加强形象思维和逻辑思 维的结合 从而有效帮助学习者掌握数据结构及其相关算法 针对前面介绍的两个训练阶段 我们设计两种训练模式 即 一为课堂表象训练模式 另一为程序设计表象训练 4 1 1 课堂表象训练 课堂表象训练采用传统有意识的静坐式表象训练 即有意识 地在脑中内现算法过程 一旦学生能清晰内现基于物理结构的算 法的实现过程 那么也就能有助于充分理解抽象的代码的含义 从而促进阅读和理