“算法与数据结构”课程教学方法的多元融合探究.pdf

2 0 2 3年1 0月第3 9卷第5期皖西学院学报J o u r n a l o f W e s t A n h u i U n i v e r s i t yO c t.,2 0 2 3V o l.3 9 N o.5“算法与数据结构”课程教学方法的多元融合探究杨 洋,孔 敏,符茂胜,贾朝川(皖西学院 电子与信息工程学院,安徽 六安 2 3 7 0 1 2)摘 要:“算法与数据结构”是计算机专业的核心课程,围绕实际教学过程中存在的问题,提出“案例驱动”“互动启发”“情景设置”“合作探究”等教学方法,并在实际教学过程中进行了多元有效融合。通过理论和实验教学过程中的多元融合,激发了学习兴趣,调动了学习积极性,提高了课堂教学质量,教学效果获得明显提高。关键词:多元融合;案例驱动;互动启发;情景设置;合作探究中图分类号:T P 3 0 1.6 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-9 7 3 5(2 0 2 3)0 5-0 0 6 9-0 5*收稿日期:2 0 2 2-1 2-0 9基金 项 目:安 徽 省 教 育 厅 质 量 工 程 项 目(2 0 2 0 j y x m 2 1 4 9、2 0 2 1 x n j y s 0 3 3、2 0 2 1 x x k c 1 9 8、2 0 2 2 j y x m 1 7 4 2);皖西学院校级质量工程项目(w x x y 2 0 2 1 1 5 0、w x x y 2 0 2 2 1 2 9);皖西学院校级重点科研项目(WX Z R 2 0 2 1 0 2、WX Z R 2 0 2 1 0 3)。作者简介:杨洋(1 9 8 0-),女,安徽六安人,硕士,讲师,研究方向:算法理论与智能计算。“算法与数据结构”是一门研究非数值计算的程序设计问题中计算机的操作对象以及它们之间的关系和操作的学科1-2。课程主要包含了三种截然不同的抽象数据类型,它们由高级语言中基本数据类型构造而来,分别是:线性表、树和图。课程分别从顺序存储结构和链式存储结构两个方面,讨论了每种抽象数据类型的定义、数据关系及相关算法操作。课程还讨论了查找和排序的各种实现方法,并着重对各方法的时间复杂度和空间复杂度进行分析和评价。但该课程知识抽象、内容繁杂、理解难度大,如不改进教学方法,沿袭传统方法进行理论讲授和实验验证,教学效果明显欠佳。1 “算法与数据结构”教学过程中存在的问题1.1 学习目标不清晰,主动性学习不够“算法与数据结构”课程在计算机科学与技术专业的学习过程中具有重要的地位,涉及的学科范围广。新的术语和关键字很多,尤其是包含不少概念相近的名词,极其容易混淆。作为初学者,学生对新的课程基本不了解,不知如何入手学习,很可能对课程心存畏惧。由于不清楚学习算法后如何解决实际问题,学生的学习目标不明确,导致缺乏学习主动性、积极性,学习效果较差。1.2 课程内容晦涩,理解难度大“算法与数据结构”课程的抽象性极强,从逻辑结构的定义、物理结构的搭建到伪代码的实现,都要求学生具有较强的抽象思维能力。如果不进行适当的引导,学生会对该课程产生误解,觉得这门课是理论型课程3。尤其是教材里都是伪代码,无法看到各算法的直接运行结果,没有直观感受,因此课堂气氛沉闷,学生对课程丧失兴趣,进而产生排斥,导致了恶性循环。1.3 基础语言知识不扎实,课程之间贯穿理解不透彻“C语言程序设计”是“算法与数据结构”的先修课程,课程中的很多章节都涉及“算法与数据结构”课程的知识。例如,数组在各抽象数据类型的顺序存储结构中的使用,指针在链式存储结构中的重要性,结构体几乎是每个类型定义和算法的组成部分等等4。如果学生先修课程掌握得不牢固,不透彻,那么在“算法与数据结构”课程的学习中,自然会遇到很多障碍。这就必然要求对C语言相关知识进行复习,保证学习兴趣和效果。1.4 实验环节练习不足,实践成就感不强实际教学过程中,“算法与数据结构”的实验学时比较少,而课程教学内容多,结构复杂,难度大。在实验安排上,只能选择相对重要、难度适中的项目,组成整个实验环节。而且,每个实验提供给学生的实际操作时间比较短,对算法进行补充完善,往往需要长时间的编写和调试。两者之间的矛盾,使得学生容易产生急躁心理,不能静下心来写程序、验证代码,因此会大幅度降低获得算法成果的成就感,抑制了学生实践的积极性5。2 适合课程的教学方法为了弥补传统教学方法的不足之处,需要反复强调课程的重要性,明确课程在整个专业课程体系中的重要地位,对“算法与数据结构”的含义详细讲解,更要想尽办法采用多样、有趣、实用的新型教学方法,以激发学生的兴趣,带动他们的积极性,让每一位同学都能发自内心地主动学习,不断探索。为了解决教学过程中存在的问题,笔者采用多元融合的教学方法,运用于适合的章节,并贯穿整个课堂,以达到教学相长的效果。2.1 “案例驱动”教学法为了使学生明确课程的学习目标,清楚地知道学习每个知识点的用途,可以用来解决哪些实际问题,采用了“案例驱动”教学法6-7。在对每个章节做教学设计时,采用“案例需求知识引入案例实现”的“案例驱动”流程来贯穿始终。在每章的开端,首先抛出实际工作或生活中较常出现的一个或几个经典案例,分析案例的特点与解决方案之间的联系,再引入相关知识点,即某种数据结构的定义、表示和实现,最后再次回归到案例中,用知识点分析案例,实现案例。“迷宫游戏”是一款比较流行的游戏,在学生中也非常受欢迎。迷宫的设计和求解,是“算法与数据结构”课程可以解决的问题。首先对迷宫进行分析,给定一副地图,一个入口点,一个出口点,寻找一条可以从入口到出口的路径。从入口出发,按某一方向向未走过的前方探索:若能走通,则到达新点,否则试探下一方向;若所有的方向均没有通路,则沿原路返回前一点,换下一个方向再继续试探。直到所有可能的通路都被探索,或找到一条通路,或无路可走又返回到入口点。每一个到达的点都必须保存下来,当需要返回到上一个点的时候需要访问它,而访问的次序和保存的次序正好是相反的,也就是说,先保存的后访问,后保存的先访问。而栈这种特殊的数据结构,恰好具有“先进后出,后进先出”的特点,运用在迷宫的求解过程里,解决了迷宫通路的探索问题。因此栈这种数据结构是处理迷宫问题的理想模型。学生知道了栈可以用来解决哪类问题,带着很明确的目标,投入到栈的学习中,了解栈是如何表示和实现的。知识点讲解之后,要再次回到案例中,用栈这个新知识来实现迷宫的求解问题。图1所示为迷宫游戏示意图。栈的整个教学过程,形成了一个闭合的环,始终围绕案例进行,提出案例,分析案例,解决案例。“案图1 迷宫游戏示意图例驱动”教学法给学生一个非常明确的学习目标,知识点融入实际问题中,知识点从抽象变得具体,教学效果非常好。2.2 “互动启发”教学法为了把抽象的课堂内容具体化,为了便于学生理解和掌握容易混淆的概念,可以采用“互动启发”教学法。在理解一个比较复杂的概念时,采用提问的方式将概念分解为几个组成部分,分别对每个问题进行解答,当掌握了每个问题的答案,就可以轻松记住这个概念。“极大连通子图”是图这一章的一个概念。如果无向图G是非连通图,G 1是 G 的连通子图,将G 的任何不在该子图中的顶点加入,G 1不再连通,那么G 1是G的一个极大连通子图。其中,图2为极大连通子图示意图。概念本身不容易理解,直接去记忆,容易记错并混淆。可以给这个概念设置三个问题:(1)极大连通子图针对的是什么图?答案:无向图,非连通图。(2)极大连通子图是子图吗?是连通图吗?(子图和连通图是比较简单的概念)答案:G 1是G的子图,是连通图,是G的连通子图。(3)满足什么条件的连通子图叫作极大连通子图?答案:不能再增加其他顶点的连通子图,因为增加了其他顶点,就不连通了,即这个连通子图已经不能再扩充了,所以称为极大连通子图。图2 极大连通子图示意图通过对概念的“互动启发”教学,并一一解答,将一个复杂的概念化为几个简单的问题,学生在记忆每个问题的时候,相对容易,再把几个问题的答案合并,07皖西学院学报第3 9卷完成对这个概念的理解。用这个方法理解和掌握抽象复杂的概念,深刻、清晰,不容易遗忘,不容易混淆,有很好的效果。2.3 “情景设置”教学法为了让学生巩固数组和指针的概念,理解它们在顺手存储和链式存储中的使用,进一步掌握好两种存储结构的表示和实现,可以采用“情景设置”教学法。数组是以一块连续的存储空间存放数组元素,指针是一种特殊的变量,专门用来存放其他变量的地址,通过对指针中地址的访问,可以访问到其他变量的内容8。在线性表中,顺序表采用顺序存储结构存放数据元素,通常用数组来描述;单链表采用链式存储结构来表示节点,每个节点包含两个成员,一是数据元素,存放在一组任意的存储空间,另一个是指针,用来存放下一个数据元素的地址。“情景设置”教学法,让学生充当数据元素,教室里的座位充当存储单元,并给座位编号。在表示顺序存储结构时,可以选择一块连续的座位为空闲的存储单元,让学生们按照学号依次坐在板凳上。此时,座位的编号顺序就可以表示学生的前后次序,这就是顺序表的特点。在表示链式存储结构时,可以选择一些任意的座位为空闲的存储单元,其他座位上均放一本书,表示不空闲。学生们只能选择空闲的座位坐下来,第一个同学用自己的右手充当指针,指向第二个同学的座位,以此类推,最后一个同学不指向任何座位。此时,学生的前后次序,用指针来描述,通过指针能找到下一个学生,这就是单链表的特点。通过“情景设置”,学生对数组和指针加深了理解,对两种存储结构,有了具体的生动的体验,对课本知识点的掌握有非常大的帮助。2.4 “合作探究”教学法为了在有限的实验环节里,让学生有充分的时间实践理论课堂的知识、编写代码、调试程序,可以采用“合作探究”教学法9。“算法与数据结构”教学中的每个实验课题,都是中等规模的项目。以实验“二叉树的基本操作及实现”为例,实验内容包括二叉树的创建和遍历两个算法,以及主程序。可以将学生每两人分为一组,其中一人负责主程序的编写,一人负责算法的补充和接口的设置。两人先各自完成分工任务,最后合并在一起调试、讨论、修改。这种方式,既合理利用了时间,又完整地实现了实验课题。在下次实验时,两位学生分工互换,做到补差补缺,全面锻炼。“合作探究”教学法,运用在实验环节,学生能充分发挥自己的长处,获得满满的成就感,也能体会分工合作的意义,实现自我价值,达到了不错的效果。3 教学方法的多元融合探究3.1 教学方法的针对性融合“算法与数据结构”课程大体可以分为三大部分。第一部分为绪论,介绍数据结构和抽象数据结构的基本概念和术语,以及逻辑结构和物理结构的联系与区别。这部分内容概念多,术语相近,抽象难以理解,适合采用“互动启发”教学法,对概念做图像分解,提问启发。第二部分包含线型结构(线性表、栈、队列、串、数组)、树型结构(树和二叉树)、以及图型结构(图、网)三种抽象数据类型的数据结构及其应用。这部分内容算法多,操作复杂,适合采用“案例驱动”教学法,从案例问题出发,引出数据结构,再由案例的解决来结束。第三部分介绍了多种查找和排序思想及其实现方法,算法步骤较多,借助实例讲解,适合采用“情景设置”教学法,学生“亲身体验”查找和排序过程,对算法有深刻的理解与掌握。特征不同的部分采用效果不同的教学方法,体现了教学方法的针对性融合,因“材”施教,针对性地解决教学问题1 0。3.2 教学方法的贯穿性融合课程的第二部分由五个章节组成,分别为线性表、栈和队列、串和数组、树、图。虽然数据结构特点不同,但是每章的知识结构相似,都是以案例引出新的数据结构,讨论数据结构的表示及其算法实现,最后使用数据结构分析解决案例。“案例驱动”教学法贯穿了这五个章节的始终,不同的五个内容采用了同一个教学方法,体现了教学方法的贯穿性融合,系统地组织了该部分内容,既强调区别,又加强联系1 1。3.3 教学方法的协作性融合课程的第二部分中,每个章节介绍新的数据结构,涉及很多新的概念术语,此时采用“互动启发”教学法,对概念做图的分解,提问启发;讨论物理存储结构的两种方式,其中频繁使用数组和指针,此时采用“情景设置”教学法,学生能“体验”存储结构的表示和实现过程;再加上“案例驱动”教学法的使用,多种教学方法有效融合,协作构成了每个章节的教学过程,使整个课程教学生动、具体,结合实际,起到了非常好的效果。3.4 教学方法的延展性融合“算法与数据结构”课程中的术语多,概念新,算法多,结构复杂,算法的效果需要在工具环境中进行实验调试并验证,尤其是在案例驱动教学过程中,每17第5期杨 洋,等:“算法与数据结构”课程教学方法的多元融合探究个案例问题的解决,即是理论教学的延展。“合作探究”的实验环节是“案例驱动”理论教学的延展,在整个教学过程中,两种教学方法合理融合,实验环节巩固、深化了理论教学,理论教学在实验环节里得到实现和验证,理论联系实际1 2,课程教学灵活、深刻,提高了教学质量。图3所示为教学方法的多元融合探究构图。图3 教学方法的多元融合探究构图4 教学方法的多元融合效果分析在皖西学院网络工程专业2 0 1 7级和2 0 1 8级学生中进行教学改革,采用教学方法的多元融合后,学生对算法分析和编程方向的兴趣明显增强。对比无教学改革的网络工程专业2 0 1 5级和2 0 1 6级学生,教学效果显著,学习成绩也明显提高。表1所示为2 0 1 52 0 1 8级学生学习本课程的考核成绩情况。表1 2 0 1 52 0 1 8级学生考核情况对比表年级是否改革平均成绩及格率考研率就业率2 0 1 5否6 9.5 78 1.4 0%2 9.4 0%8 5.0 0%2 0 1 6否6 9.6 38 0.9 0%3 0.7 0%8 6.4 0%2 0 1 7是7 0.9 78 4.8 0%3 4.0 0%8 9.8 0%2 0 1 8是7 4.9 69 1.2 0%4 4.6 0%9 2.5 0%图4所示为四个年级学生平均成绩情况柱状图。可以看出,对比2 0 1 5级的平均成绩6 9.5 7分,2 0 1 6图5 2 0 1 52 0 1 8级学生考研就业情况级学生的平均成绩几乎没有提高,但是教学改革后的2 0 1 7级和2 0 1 8级分别为7 0.9 7分和7 4.9 6分,学生成绩呈明显上升趋势,整体进步很快。图4 2 0 1 52 0 1 8级学生考核平均成绩情况图5所示为四个年级学生的考研就业情况柱状图。由图可见,教学改革后,2 0 1 7级和2 0 1 8级的考研率和就业率,相比较2 0 1 5级和2 0 1 6级而言,都有大幅度的增加。算法与数据结构是计算机各专业考研的必考科目,由考研率可以看出,学生对算法与数据结构方面的兴趣明显增加。由就业情况可以看出学生知识、能力方面也得到企业的更多认可。由以上数据及分析可以看到,提出的教学方法的多元融合措施是积极有效的,学生学习兴趣得到了很大提高,教学效果显著。5 结语“算法与数据结构”课程,概念抽象,内容复杂,知识涉及广泛,教学上探索更多更好的不同教学方法,融合施教,积极创新,有效解决了教学过程中遇到的问题。本文对“案例驱动”“互动启发”“情景设置”“合作探究”等几种教学方法进行了研究,并在“算法与数据结构”的课程教学中进行多元融合与实践探究,明确了学生的学习目标,提升了课程的达成度,同时提高了学习兴趣,调动了学习的积极主动性。在生动活泼的课堂氛围里,学生牢固掌握了知识,并体会到知识的实际用途,课程教学收到了较好的效果。27皖西学院学报第3 9卷参考文献:1 宫玺,张文宇.“数据结构”教学方法的改进J.辽宁科技大学学报,2 0 1 3,3 6(3):2 8 4-2 8 6.2 辛日华.数据结构教学方法的探讨与研究J.内蒙古农业大学学报(社会科学版),2 0 1 3(6):5 9-6 1.3 王晓艳.关于高校计算机专业数据结构教学改革的探讨J.黑龙江科技信息,2 0 1 7(4):1 7 0-1 7 0.4 郑春红,王伟.大数据背景下高职院校“数据结构”课程的教学改革初探J.现代计算机,2 0 1 9(2 9):7 1-7 4.5 容青,熊冬春,李广原,等.以提高学生创新创业能力为目的的数据结构课程教学实践研究J.中国现代教育装备,2 0 1 8(1 9):8 1-8 3.6 陈晓霞.数据结构教学中的案例巧用J.计算机教育,2 0 1 0(2 4):6 1-6 4.7 李红宇.“任务驱动”法在数据结构教学中的实践J,福建电脑,2 0 0 7(6):2 0 8-2 0 9.8 吴恋,杨潇潇,崔忠伟,等.基于教学辅助智能平台的“数据结构”课程的教学改革J.电脑知识与技术,2 0 1 9,1 5(3 6):1 7 6-1 7 7.9 张西芝,刘敏娟,郭淼.“数据结构”课程教学方法改革探索J.产业与科技论坛,2 0 1 6,1 5(9):1 5 4-1 5 5.1 0 孟桂芝,赵辉,于禄.大数据背景下的工科数学线上线下混合式教学模式研究J.黑龙江教育(高教研究与评估),2 0 1 9(2):1 2-1 4.1 1 徐科锋.构建“多师协同+多元互动”教学模式探究 以基层电大开放教育会计专科“管理会计”教学为例J.宁波广播电视大学学报,2 0 1 9,1 7(2):7 1-7 5.1 2 冯冰清.基于C o I模型的混合式教学多元评价机制研究J.广东第二师范学院学报,2 0 1 9(4):1 4-1 9.R e s e a r c h o n t h e T e a c h i n g M e t h o d s o f M u l t i p l e I n t e g r a t i o n i n t h e C o u r s e o f A l g o r i t h m a n d D a t a S t r u c t u r eY A N G Y a n g,K ON G M i n,F U M a o s h e n g,J I A C h a o c h u a n(C o l l e g e o f E l e c t r o n i c s a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g,W e s t A n h u i U n i v e r s i t y,L u a n 2 3 7 0 1 2,C h i n a)A b s t r a c t:A l g o r i t h m a n d D a t a S t r u c t u r e i s t h e b a s i c c o r e c o u r s e o f c o m p u t e r s c i e n c e m a j o r.C e n t e r i n g o n s e v e r a l p r o b l e m s e x i s t i n g i n t h e a c t u a l t e a c h i n g p r o c e s s,i t m a k e s t a r g e t e d e x p l o r a t i o n o f m u l t i p l e i n t e g r a t i o n o f t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l c o u r s e s,p r o p o s e s t e a c h i n g m e t h o d s s u c h a s c a s e d r i v e n,i n t e r a c t i v e i n s p i r a t i o n,s c e n e s e t t i n g a n d i n t e r a c t i v e c o o p e r a t i v e e x p l o r a t i o n,a n d e f f e c t i v e l y i n t e g r a t e s t h e m i n t h e a c t u a l t e a c h i n g p r o c e s s.T h e u s e o f m u l t i p l e i n t e g r a t i o n o f t e a c h i n g m e t h o d s s t i m u l a t e s s t u d e n t s i n t e r e s t,a r o u s e s t h e i r e n t h u s i a s m,i m p r o v e s t h e q u a l i t y o f c l a s s r o o m t e a c h i n g,a n d a c h i e v e s c e r t a i n t e a c h i n g e f f e c t s.K e y w o r d s:m u l t i p l e i n t e g r a t i o n;c a s e d r i v e n;i n t e r a c t i v e i n s p i r a t i o n;s c e n e s e t t i n g;c o o p e r a t i v e i n q u i r y(上接第6 8页)P r o g r a m D e s i g n B a s e d o n C o m p u t a t i o n a l T h i n k i n g D r i v e n D e s i g n o f P r a c t i c a l T e a c h i n gL I U Z h e n g y u1,L I U Y u1,C H E N G Z h e n b a n g2(1.F a c u l t y o f E l e c t r o n i c s a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g,W e s t A n h u i U n i v e r s i t y,L u a n 2 3 7 0 1 2,C h i n a;2.F a c u l t y o f M e c h a n i c a l a n d A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g,W e s t A n h u i U n i v e r s i t y,L u a n 2 3 7 0 1 2,C h i n a)A b s t r a c t:P r o g r a m d e s i g n i s t h e m o s t i m p o r t a n t b a s i c c o u r s e f o r i n f o r m a t i o n-r e l a t e d m a j o r s.P r o g r a m d e s i g n c a n e f f e c t i v e l y c u l t i v a t e s t u d e n t s c o m p u t a t i o n a l t h i n k i n g a b i l i t y,l e t s t u d e n t s g r a d u a l l y u n d e r s t a n d t h e w o r k i n g p r i n c i p l e o f c o m p u t e r s a n d f e e l t h e m e t h o d s o f s o l v i n g p r o b l e m s b y c o m p u t e r s.C o m p u t a t i o n a l t h i n k i n g i s t o s o l v e p r o b l e m s,d e s i g n s y s t e m s a n d u n d e r s t a n d h u m a n b e h a v i o r t h r o u g h t h e b a s i c c o n c e p t s o f c o m p u t e r s c i e n c e.I t i n c l u d e s a s e r i e s o f t h i n k i n g a c t i v i t i e s i n c o m p u t e r s c i e n c e,w h i c h c a n m a k e s t u d e n t s a c t i v e l y f o r m“f i s s i o n”t h i n k i n g,“t e s t”t h i n k i n g,e t c.I n s t r u c t t e a c h e r s t o d e s i g n“s y s t e m a t i c”p r o g r a mm i n g p r a c t i c e t e a c h i n g c a s e s.T h i s p a p e r i n t e n d s t o u s e c o m p u t a t i o n a l t h i n k i n g t o d r i v e p r o g r a mm i n g t o d e s i g n p r a c t i c a l t e a c h i n g i n o r d e r t o c u l t i v a t e s t u d e n t s s u s t a i n a b l e l e a r n i n g a b i l i t y o n t h e b a s i s o f t r a d i t i o n a l k n o w l e d g e a n d s k i l l t r a i n i n g o b j e c t i v e s.T h r o u g h t h e a n a l y s i s,i t i s c o n c l u d e d t h a t t h e p r a c t i c a l t e a c h i n g o f p r o g r a mm i n g i s d r i v e n b y c o m p u t a t i o n a l t h i n k i n g,w h i c h i s m o r e i n l i n e w i t h t h e l a w o f s t u d e n t s m a s t e r y o f k n o w l e d g e,w h i c h f a c i l i t a t e s t h e c o n n e c t i o n o f c o n t e n t b e f o r e a n d a f t e r t h e c o n s t r u c t i o n o f c o u r s e s,a n d f o r m s p o i n t-t o-f a c e s u p p o r t,i n t e g r a t i o n o f t r a i n i n g a n d a b i l i t y,a n d r e c o g n i t i o n o f l e a r n i n g-t o-t e a c h i n g.K e y w o r d s:c o m p u t a t i o n a l t h i n k i n g;“f i s s i o n”t h i n k i n g;“t e s t i n g”t h i n k i n g;s y s t e m a t i z a t i o n37第5期杨 洋,等:“算法与数据结构”课程教学方法的多元融合探究