数据结构教学的探索与研究

1、“数据结构”教学的探索与研究 摘要：“数据结构”是计算机专业的专业基础课程，具有核心和基础的地位。本文从教材选择、教学方法、现代教学资源的利用、实践教学等方面论述了作者的教学体会和观点。<br>关键词<br>本文来自：计算机毕业网 ：数据结构；教学方法；实践教学<br><br>The Exploration and Research of the teaching of Data Structure<br>Abstract: Data Structure is a professional and basic course of th

2、e computer speciality，it is the basis and the core. The teaching experience and perspectives of the author are discussed about the choice of teaching materials，teaching methods，the use of modern teaching resources and the practice teaching.<br>Key words: Data Structure，teaching method，practice

3、 teaching<br><br>计算机硕士研究生入学考试2009年开始改革，采取全国统考的方式，数据结构是考试的必考科目。数据结构是计算机程序设计的重要理论和技术基础，它所涉及的内容和方法，无论是对学习计算机领域的其他课程，还是对从事软件项目的开发都有着重要的作用。学习数据结构要达到的目标是：学会从问题入手，分析和研究计算机加工的数据结构的特性，以便为应用所涉及的数据选择适当的逻辑结构、存储结构及其相应的操作方法，并初步掌握算法的时间复杂度和空间复杂度概念。根据21世纪对人才培养的要求，教学应重在学生能力、素质的培养，尤其是思维能力、创新能力、实践能力的培养。因此，这

4、些年我们致力于数据结构课程的建设，把课程建设作为一项系统工程来抓，从教材选择、课程体系建设、师资队伍、课程教学、实践教学、教学管理等各个环节不断实践和探索，特别是在课程教学方面，加强教学研究和教学方法、教学手段的改革，从提高学生的学习兴趣和加强实践环节教学方面入手，取得了良好的效果。<br><br>1教材选择<br><br>计算机软件开发方法是不断发展的，数据结构的课程内容也应随着软件开发方法的不断发展而发展。目前面向对象的软件分析与设计技术已发展成为软件开发的主流方法。因此，用面向对象的思想组织数据结构课程的内容，用面向对象的程序设计语言描述数

5、据结构问题，就成为数据结构课程内容改革的必然。<br>国外在20世纪90年代已将数据结构教材改为用C+或Java描述，这主要是适应软件开发技术发展的需要。国内大学虽然在这门课程的教学内容和教材建设方面起步较晚，但目前国内用C+或Java描述的数据结构教材已经出现，那么关于教材选择问题应该适应软件开发技术发展的需要。<br><br>2基于问题的教学方法<br><br>对于数据结构教学过程中的许多抽象的概念、算法和思想，以教师为中心的教学模式起不到很好的效果。那么授课教师在教学过程中采用什么教学方法，对学生学习兴趣的培养至关重要。在教学过

6、程中，采用以学生为主体、以问题为中心的模式，激发学生的学习兴趣，充分调动学生的求知欲，提高他们的积极性和主动性。在教学过程中，自始至终都围绕问题而展开教学活动，引导学生不断发现问题、提出问题、分析问题并最终解决问题，培养学生的创造性思维。<br>第一，概述讲解中，可引入如下问题：1、树人机对弈问题中，如何实现对弈？各格局之间是什么关系？2、表结构学校学生基本信息管理中的表，各表项之间是什么关系？3、图教学计划编排问题中，如何表示课程之间的先修关系？ 4、图的最短路径假如你想去大理、昆明、丽江旅游，如何安排路线时间最省？通过这些学生非常熟悉的案例引入数据结构的概念，生动直接，让学生轻

7、轻松松理解了数据结构的概念及其实用，能够提高学生的学习兴趣。<br>第二，在讲述每种线性结构和非线性结构之前，我们应该提出一个应用的实例。通过实例进行课前导学，让学生明白为什么要学习它，它有什么用处。譬如，在讲述队列结构前通过火车的进站出站这个形象例子引出队列理论；在讲述树形结构前，可以引出在网站和信息系统中经常见到的“树形目录结构”的实例、操作系统中文件目录结构的实例，给出应该怎样实现和操作树形的目录，通过实例逐步引出理论。在讲述图结构前，可以先讲述“哥德斯堡七桥问题”，通过这个经典问题引导出图的理论。否则会出现这样的现象：很多学生学习了数据结构之后，不知道所学习的这些数据结构有

8、什么用，或者干脆就认为数据结构这门课程就没有用。为了避免这些怪现象的出现，觉得数据结构课程的讲解务必要通过充分的实例让学生真正理解这些常用结构的实用之处，让学生在分析解决具体问题的时候能够很自然地想到去用自己所学的数据结构。<br>第三，在讲每一种算法的过程中，我们可以采用提出问题、分析问题、解决问题和讨论问题的方式讲解。譬如顺序表的插入算法，我们首先提出问题：想要在一个顺序表的第i个元素前插入一个新的元素，该怎么做？然后通过动画演示分析问题的思路：(1)判断线性表的存储空间是否已满，若已满，则进行“溢出”处理；(2)检查i值是否超出所允许的范围，若超出，则做“超出”处理；(3)将

9、线性表的第i个元素和它后面的所有元素均后移一个位置；(4)将新的元素写入到空出的第i个元素位置上；(5)线性表的长度加1。其次，怎样用一门高级语言实现算法。最后，进行算法分析。在教学中，不断的引导学生分析问题，采取合作互动的方法，学生“画龙”，老师“点睛”，让课堂活跃起来。逐渐培养学生分析问题和解决问题的能力。<br><br>3充分利用各种现代教学资源<br><br>首先，在教学中通过合理使用现代化教学手段使教学效果更加直观，编写多媒体教学课件和演示程序，可以让本来抽象的内容变得很容易理解，既消除了学生的畏难情绪，也提高了学生的学习兴趣，强化了教

10、学效果。譬如：栈和队列的入和出的动态表现；排序和查找过程的动态演示；动态链表的基本操作和递归的模拟演示等；这些都可以利用Flash制作出过程演示动画，在讲课的适当时候，给学生演示。而如果仅仅在黑板上画图，不仅浪费上课的宝贵时间而且学生还不容易听懂。比如我们对快速冒泡排序的讲述，简单讲述概念之后，演示课前用Flash制作好的一组数值的冒泡排序过程动画，然后根据演示过程提出快速冒泡排序需要解决的关键问题，再带着提出的问题回放演示动画，从而给出所提出的问题的解决方法。这样形象地讲述，教学效果非常好。<br>其次，充分利用网络为学生提供各种信息资源，用于支持学生的自主学习和协作式探索。譬如

11、：为数据结构课程建立一个学习网站，包括如下内容：(1)各种教学辅助材料：教学大纲、实验大纲、电子教案、教学录像、算法演示程序、典型问题示例程序等等；(2)进阶学习指导：在内容上分层次，将每一章节的内容分为基础篇和提高篇。基础部分是大纲上要求的，每位同学必须掌握；提高部分可以供学习好的同学选学；(3)测试系统：用于学生自己考核自己的学习效果；(4)答疑解惑：为学生和教师之间的交流提供一个平台，便于学生及时发布不懂的问题、教师及时解决学生的疑问。我们自己的数据结构教学网站已经发布在校园网上，而且一直处于完善中，起到的作用非常明显，特别是答疑解惑部分，学生基本都能利用这个平台及时将不懂得问题提交给老

12、师。目前，我们准备再添加关于学生数据结构考研辅导的内容。<br> </p> <p> <p><br>4加强实践教学环节<br><br>上机实践是对学生全面综合素质进行训练的一种基本方法，是课堂教学的一种延伸，是必不可少的一个教学环节。编程中的问题往往比平时的习题要复杂的多，也更接近实际。编程能使学生所学到的书本知识“活”起来，起到深化理解和灵活掌握教学内容的目的，同时，编程也是对学生软件设计综合能力的训练。<br>精心选择上机习题，着眼于基本知识的理解和基本编程能力的培养。类是一种实现设计复用和代码复

13、用的有力工具，在程序设计习题选择时采取循序渐进、逐步积累的方式，引导学生自己建立可复用的构件，并在以后的练习中直接使用，提高编程的工程能力和思考能力。譬如：关于顺序表、队列、堆栈、树和二叉树等基本的数据结构，可以要求学生实现相应的类，在实际的应用习题中拿过来就用。比如关于树结构部分可以设计如下上机习题：(1)二叉树的建立和遍历。这个题目是基于学生对二叉树的基本理解；(2)给定一颗二叉树，打印指定结点的双亲和所有的孩子结点。学生在完成这个题目前需完成题目(1)，直接利用(1)中所建立的二叉树类和结点类来继续进行此题目的编程；(3)利用Java、C+或C#中提供的树结构API完成一个简单资源管理器

14、的实现。这个题目难度相对较大，但这个题目的完成应该能让学生真正理解树结构的实用之处。<br><br>5结束语<br><br>从2009年开始，计算机专业硕士研究生入学考试改革，所考的科目都统考，数据结构是必考的四门专业课程之一。数据结构是计算机专业的核心课程，是计算机程序设计的重要理论技术基础。因此，开好这门课程对学生来说是至关重要的。所以对于该课程的教学不仅要从理论上进行探讨，还要从教材选择、教学方法、教学辅助资源、实践环节等方面进行研究，以真正提高该课程的教学效果。 <br><br>参 考 文 献<br>本

15、文出自：计算机毕业网 欢迎转载<br>1 殷人昆. 数据结构(用面向对象方法与C+语言描述)M. 北京：清华大学出版社，2007.<br>2 朱战立. 数据结构Java语言描述M. 北京：清华大学出版社，2005.<br>3 王红梅等. 数据结构(C+版)M. 北京：清华大学出版社，2005.<br>4 殷人昆等. 数据结构习题解析(用面向对象方法与C+语言描述)M. 北京：清华大学出版社，2007.<br>5 连进. 数据结构课程教学方法的研究J. 湖北经济学院学报(人文社会科学版)，2008，5(5):183-184.<br

16、> </p> <p> <P>基于项目的主动学习理论与实践</P><P>如何将教学放到一个真实的项目中进行教学活动的展开，是很值得探究的问题。 <BR>查建中教授的中国工程教育改革三大战略书中论述了在过去50年里基本没有改变的环境因素包括：对于客户需求和社会问题的关注：将完整的新产品、新工艺和新系统交付使用；面向未来担当发明和新技术创造者角色；利用多学科知识来解决问题；团队工作、有效率、技术组织的领导力；需要高效工作，利用现有资源和条件来完成任务并盈利。同时，书中还论述了工程环境的某些转变特征包括：从征服环境到治理环境

17、的转变；全球化和国际竞争；工程活动在地域和内容上的分散化：日益以人为本的工程实践；愈加重视服务型的工程产业；跟上技术的快速发展。 <BR>从上面的论述中可以看出，职场环境的特征有很多内容是不变的，或稍有变化。这些特征都是一个企业要发展壮大就要遵从的客观规律。从另一个角度看，也就是企业界对教育界的产品学生的客观要求。 <BR>将“教育”的前面加上“工程”二字，在笔者看来是一个根本的改变。既然是工程教育，就不是只管传授知识，而要有进度管理、质量管理、度量管理，要将工程管理思想直接引入到教学活动中，从而保证教学的高质量。本文将介绍笔者在教授本科生软件项目管理课程中的一些教学经

18、验。 <BR>迭代增量式教学方法，按项目阶段开展教学活动。我将教学计划当作工作计划来制定，按真实项目的需要，将知识点穿插到课程中。比如说风险管理，在书本上都是后面的内容，如果按章节知识点顺序讲解，项目都快做完了学生才能学到这些知识。所以我将相关章节的内容提前讲解，使学生能够现学现用，同时在教学过程中加入了检查点，便于及时了解项目的进展情况。 <BR>在教学活动过程中，有学生小组利用迭代增量的方法制定了计划。三周内七个人，每人各负责三个模块，并且每周一次集成测试，表1为他们真实的项目里程碑。 <BR>我们分析一下上面的里程碑计划中的关键因素：总工期是两个月多一

19、点，最重要的是在一个月多一点的时间他们就已经完成了增量一、增量二的开发任务，完成了总工程量的70左右。我的经验告诉我，在实际工程中如果是时间过半，关键路径上的工作基本完成，这个项目就离成功不远了。 <BR>将迭代增量式的软件开发方法用于教学活动，所带来的好处，大大超出了我的想象。 <BR>利用多学科知识解决实际问题。课间曾有学生告诉我“老师，我们这学期有好几门课，都有大作业，都没时间做了”。说者无心，听着有意。2009年初的第一堂课，我就问大家，这学期哪些课程有大作业。学生们七嘴八舌议论之后，我听明白了。软件工程实践的课程是学生都必须选的，学期前8周软件工程实践和软件项

20、目管理两门课程同时开课，并且共用了一个项目。后8周课程中，有一门软件测试课程，也需要真实的项目进行测试理论的实践。于是我的课程最后提交的项目是其他老师课上的作业。学生很高兴，一门课的作业，可以当两门课的作业，太好了!我说：“项目做什么?怎么做?遇到技术问题怎么办?我都不管。我只管针对一个真实的临时目标，如何一步一步，按时、按质走到终点。这就是软件项目管理课程的终极目标。” <BR> </p> <p>在实验环境中,给出了仿真的CPU、3/8译码器、存储器芯片等模块,学生只需要连接相应的连线后运行仿真系统观察结果即可。例如,学生可以得到如图3所示的符合实验要求的

21、仿真结果。<br>(3) 使用“计算机组成原理”虚拟实验仪实现的实验案例高速缓冲存储器(cache)的应用<br>本实验通过虚拟实验议的演示,展示了高速缓冲存储器(cache)的工作原理。<br>在虚拟实验仪上通过小键盘按二进制方式输入一段循环程序的机器码,例如输入的程序为:<br>NOTA<br>JMP0000<br>第一次在实验仪上运行时,不选择“cache”方式,可以观察到CPU每次从存储器的同一内存单元(地址为0000H)中循环取出程序指令执行;第二次在实验仪上运行时,选择“cache”方式,可以观察到CPU第一次

22、访问存储器时,在读出存储器单元内容的同时将内容写入到cache中,当CPU再次访问存储器时,根据给定的存储器地址判断出该地址的信息已经进入cache,则经过地址变换立即访问cache,不再访问存储器。<br>(4) 综合实验案例CPU的设计<br>对于基础知识掌握牢靠、自学能力强的学生,可以由教师指导进行拔高型的综合实验CPU的设计。本实验从指令系统的设计开始,通过具体的时钟周期、机器周期、指令周期以及每条指令的时序设计,一直到最后实现简单的CPU的仿真功能,使学生进一步对CPU的工作过程及原理有深刻地认识和理解。<br>4小结<br>通过这一组

23、实验,学生已经可以对整个计算机的结构、工作过程以及程序的执行等方面的原理都基本掌握,完全达到传统物理实验可以达到的目的。而且,还具有以下优点:<br>(1) 采用虚拟实验,由于全部使用软件模拟实现,对于实验的内容可以方便地进行增加和删改。<br>(2) 学生在课堂进行实验之余,课后也可以方便地反复进行实验,以弥补课堂时间的不足。<br>(3) 实验的地点以及可以同时进行实验的学生人数不再受到物理实验室的限制,极大地降低了实验室建立和维护的成本。<br>(4) 配合虚拟实验的网络管理系统,学生可以在线提交实验结果,由系统自动判断正误并给出反馈,不仅

24、减轻了指导教师的工作量,而且可以将实验作为课后作业布置给学生,课堂得到了延伸。<br>(5) 进行虚拟实验也可以作为学生进行物理实验之前的训练,为进行物理实验做好准备。<br>总之,虚拟实验的优点弥补了传统物理实验的缺点,对于有条件的学校,如果能和物理实验配合起来,将会达到更为完美的实验效果。<br><br>图3存储器的字扩展仿真结果<br><br>参考文献:<br>1 李芙英,朱小梅. 计算机硬件技术基础实验指导M. 北京:清华大学出版社,2000.<br>2 王沫然. Simulink 4建模及

25、仿真M. 北京:电子工业出版社,2002.<br>3 董玮,陈秀寓,周海波,等. 计算机组成原理实训案例M. 大连:东软电子出版社,2006.<br> </p> <p> 引子<br><br>早就想写篇文章，说说“以学生为本”的话题，而临到写的时候，却又在文章的标题前加了个“也谈”。这是因为，写本文之前，我上网做了个搜索，把“以学生为本”作为关键字输入搜索引擎Google (谷歌) 的搜索文本框，得到的响应是：“简体中文网页中，约有 11,500,000 项相符合的查询结果(搜索用时0.26秒) ”。乖乖，半秒不到，有上千万

26、条之多的类似结果。所以，服了，有那么多人在谈，我就算“也谈”，属于“从众”吧。<br><br>1以学生为本，重视提高教学质量<br><br>“以学生为本”，那什么是学生的“本”呢？是考试成绩？是学历文凭？或者是编织人脉？我想，这些都只是学习过程的衍生物。请见下图。<br><br>如果把大学读书这3、4年作为一个特殊的人生阶段，那么，在此以前，学生的奋斗目标就是高考独木桥 (至少目前在我国基本如此)，家庭、社会包括学生本人，都给予高考以充分的重视与保障；而学生日后的“事业有成”、“幸福人生”，是以大学3、4年的学习作为主要发

27、展基础的。<br>大学教育的真正目的，应该是学生综合素质的提高，是学生从业时的真才实学和终身继续学习的能力，是大学毕业之后的幸福生活和事业有成的发展后劲，这可以具体落实为我们的培养目标。笼统地说，就是培养有觉悟(政治思想素质)、有文化(科学技术素质)的劳动者(从业能力)，这才是学生的“本”。<br>学生在大学学习期间，投入的不仅仅是学费等费用，更昂贵的，是投入了自己一辈子中最美好的时光，如果荒废学业，或者没有收获应该得到的立身之本，那可是一桩影响“终生”的“大错”。换句话说，作为大学教师，在组织教学，开展教育活动的时候，心中要顾及学生的根本利益，这是我们的职责所在。&l

28、t;br>事实上，在“以学生为本”的方面，我们还是说得比做的要多得多；我们较少换位思考，站到学生的立场上分析和思考问题；较少根据学生的学习能力来设计我们的教学活动。从前面提到的网络搜索所得到的结果内容中，也多少能得到这样的印象。<br>我们已经普遍认识到，我国的高等教育存在着教学质量问题，教育体制需要改进，社会对高等教育的认识需要提高，等等。从教师的角度看，“教育观念落后，教学内容陈旧，教学方法单一，教师队伍水平亟待提高”是教学质量问题的主要原因之一。教师要明确大众化高等教育背景下自己的职责，重视“以学生为本”来思索教改和组织教学，改进教学方法，积极参与“本科教学质量工程”。

29、<br><br>2特级教师杨明明的“以学生为本”<br><br>几年前，曾经有机会听过不少中、小学特级教师的教学公开课，其中，杭州语文特级教师杨明明给我留下了特别深刻的印象，<br>举个例子。某年轻特级教师在上数学公开课“时、分、秒”，临近结束进行总结时，她问学生：“同学们，大家回忆一下，这堂课，老师讲的主要内容是什么呀？”，当然，小学生回答问题的积极性极高，小手跟丛林一样举了起来，回答更是五花八门，有“时间”，有“小时”，有“时针分针秒针”，等等，但是，当有个小朋友说：“老师教我们的是时、分、秒”的时候，在老师操作下，那多媒体课件发

30、出了响亮一声“铛！”老师表扬说：“这位小朋友回答得真好！”顺手，老师挂出了主题小黑板，上面写到：“第&Iacute;课时、分、秒”。可惜！这位小朋友“真好”了，其他小朋友并没有不好啊，虽然回答不尽全面，可也都没有错啊，但没有得到肯定、表扬或鼓励，这个时候，那位“真好”小朋友似乎成了老师的“托”。<br>再说老教师杨明明。一次，她在湖州的一堂语文公开课上教学生“诗歌”。其中有一个教学片段：杨老师首先以动听的声音带领学生反复朗读一首小诗：<br>小雨像刚上学的娃娃 / 还有点害怕，/ 歪歪斜斜， / 在窗上乱画。<br>朗读熟练了，杨老师请学生们为这首小

31、诗起名字。当然，答案也是五花八门的，例如有“小雨”、“娃娃”等等，最后，“铛”地一声，杨老师的答案却是“ ？”。事后，我问过杨老师，她说：孩子们的回答都很好，不能肯定一个而冷落了其他，这个问号就代表了学生们的所有回答。杨老师的这个答案，是事先设计在教案里，埋伏在多媒体教学课件中的。我很感慨，这不正体现了“尊重学生，以学生为本”的教学设计吗？！。我们都知道，在大学老师的教学中，这样的设计是很少出现的。那么，是因为大学的教学没有这样的需求吗？<br><br>3以学生为本，重视教学方法的改革<br><br>我们这些当大学专业老师的，大多数毕业于相关的各

32、个“对口”专业，很少接受过师范教育，而我们的教学方法，主要还是从我们当初的老师那里“体会”来的。但是，无论是时代，还是所面对的学生，已经完全不是当初那回事情了，这样的变化虽然我们心知肚明，但“教学方法单一”仍然是目前普遍存在的问题。<br>我觉得，身为教师，就要研究教育，教改是教师的义务所在。我们应该为今天的教学、为今天的学生塌塌实实地开展教学改革。一方面，应该学习、继承和发扬传统教学方法中优秀成份、适用成份，另一方面，要认真研究今天学生的现状与特点，坚持“因材施教”的教育教学原则，有的放矢地规划教学内容，探索教学方法，开展教学活动，把“以学生为本”落到实处，像杨明明老师那样，站在

33、学生的立场上思考问题，设计教学方法，充分调动学生的学习积极性。<br>3.1实践教学法<br>传统模式的教学方法可以简单地概括为“先说 (课堂理论教学)后做(验证性实验)”和“光说不做”。但是，在大众化高等教育背景下，课堂教学效果普遍出现滑坡，客观上淡化了“验证性”实验的基础，因而严重影响了课程的教学质量。<br>我们在教学实践中摸索出一套“把实验实践环节与理论教学相融合，抓实验实践教学促进学科理论知识学习”的教学方法，有效地提高了学生的学习兴趣，以此来提高大众化高等教育背景下专业课程的教学效果和质量。这个教学方法可以简单地概括为“先做后说”和“边做边做”。

34、这里的“先做”，就是教师依据相关课程的知识体系和教学要求，精心设计前导实验，学生在实验设计的指导下，通过实验方法来了解和实践课程知识；这里的“后说”，就是在学生具备了一定的感性认识的基础上，在课堂教学环节中答疑解惑，系统地提高学科知识的理论水平。<br>在实践中我们体会到，学生在一些课程中产生的学习困难，首先来自于他们对所学知识缺乏必要的感性认识，而我们在教学中采用“先做后说”的方法，把根据学科理论知识精心设计的实验实践环节与学科理论教学相融合，抓实验实践教学促进学科理论知识学习，较好地解决了学生的认知困难，符合特定的学生对象，取得了很好的教学效果。<br>3.2发现教学法<br>美国认知心理学家布鲁纳倡导发现教学法。他指出：“发现不限于寻求人类尚未知晓的事物，确切地说，它包括用自己的头脑亲自获得知识的一切方法。”<br>教学要帮助或形成学生智慧或认知的生长。布鲁纳认为，教育工作者的任务，是要把知识转换成一种适应正在发展着的学生的形式，而表征系统发展的顺序