数据结构实践教学体系优化设计研究

摘要：为了提高学生的程序设计能力，培养学生的创新能力，提高教学质量，针对数据结构实践教学现状和存在的一些问题，从教学地位、教学过程、教学组织形式、教学评价和教学制度等多个方面，探讨数据结构实践教学体系的构建思想和内容，指出在数据结构实践教学过程中采用层次化和阶段化教学模式。

关键词：数据结构；多维一体；实践教学体系；教学改革

1、研究背景

1.1 数据结构课程的重要性

在专业课程体系中，数据结构课程不仅是计算机科学与技术专业的核心基础课程，同时也是信息与计算科学专业、电子商务专业和信息安全专业等与计算机技术关系密切的专业的必修主干课程。在程序设计与软件开发中，数据结构课程是建立问题的数据模型、进行算法分析、设计与实现的奠基石，特别是非数值计算模型问题的程序求解完全离不开数据结构课程所介绍的知识体系和方法；在研究生入学考试中，数据结构课程是计算机专业的必考课程，是提高和评价学生专业素质和技能的重要方面，一定程度地影响着学生的深造和发展。没有学好数据结构课程的专业从业者，在专业能力的提升上将遇到极大的瓶颈，无法突破。总之，数据结构课程的教学在专业教学体系中有着举足轻重的地位。

1.2 数据结构实践教学的重要性

目前，高等院校教学主要分为理论教学和实践教学两大块。数据结构实践教学主要有数据逻辑结构及其存储结构的选择与设计、建立在特定存储结构上的算法分析、设计与实现等教学活动，是提高学生程序设计实践能力的保障，同时也为提高学生的创新能力与创新意识奠定坚实的基础，是理论教学环节所不能替代的。学生在实践活动中会出现大量的问题，其中一些问题在理论教学环节是无法出现或无法发现的，因此，只要学生能在发现问题后，找到合适的方法和途径去解决，就可以提高学生系统的综合分析问题和解决问题的能力，能体现理论与实践的完美结合。

1.3 数据结构实践教学的现状

从数据结构教学过程的实际情况看，绝大多数教师存在“重理论轻实践”的现象，主要表现在：

（1）实践教学的地位未能真正达到与理论教学平等的高度，缺乏统一的基本教学要求和大纲，许多学校没有形成完整且科学的专业实践教学体系。

（2）在实践教学内容上大多局限于验证性实验，没有合适的实践教学设计，没有高质量的实践教材与实验指导。

（3）从该门课程对学生的考查情况来看，考查形式单一，一般是用一份试卷来反映学生的掌握情况，而试卷情况又是理论方面考查的多，实践方面考查的少，一般是最后一道题要求学生设计算法并用程序实现，其他的基本是对理论的考查。

（4）大多数系部及教师对于实践环节的考查，只有形同虚设的制度，没有实施保障与监督机制，教学过程容易被“偷工减料”，很难真正落实。

综上所述，为了提高数据结构课程的教学质量和学生对该课程的满意程度，为了规范数据结构实践教学过程，对数据结构实践教学体系进行优化设计研究是非常必要的。

2、数据结构实践教学体系的设计原则

数据结构实践教学体系必须科学合理，内容必须完整，方法必须开拓创新，其设计主要遵循以下原则：

（1）理论教学与实践活动高度统一，不能重理论轻实践，或重实践轻理论。

（2）实践教学层次化，实践活动应遵循从简单到复杂，从验证、设计到综合，再到创新的认知规律。

（3）实践教学体系符合湖南人文科技学院学生的基础现状。

3、数据结构实践教学体系设计

湖南人文科技学院自2004年升为本科院校以来，开设数据结构课程的专业有计算机科学与技术、信息与计算科学等6个专业。数据结构课程的教学改革一直在有计划、有步骤地进行，其教学改革紧紧围绕提高学生的程序设计能力、创新能力的目标，多维度地进行展开，逐渐形成了一套比较成熟的多维一体的实践教学体系。

3.1 数据结构实践教学与理论教学地位平等化

为了强化数据结构实践教学，避免师生在实践教学环节上“偷工减料”，蒙混过关，我们将其单独开设成一门课程，而不再是理论教学的附属。该课程周课时2学时，共36课时，有统一的教学大纲、考试大纲、实验大纲和课程设计大纲。教师必须跟理论教学一样有备课、上课、辅导答疑、作业与实验报告批改等环节，考试也同样分为笔试、机试和课程设计3个部分。笔试部分集中考查各种数据的逻辑结构、存储结构及其算法分析与设计等知识；机试部分集中考查常见算法的程序实现和简单应用；课程设计部分主要考查在给定特定问题的情况下学生综合分析问题与解决问题的能力。

3.2 数据结构实践教学层次化与阶段化

人的认知遵循由简入深的渐进式发展规律，数据结构实践教学也必须遵循人的认知规律。因此，可以将数据结构实践活动划分为验证型实践、设计型实践和综合应用型实践3个层次。同时，针对线性结构、树形结构和图状结构3种逻辑结构和查找与排序两种常用算法，将数据结构实践教学分为5个阶段，每个阶段都进行总结和综合应用训练。最后每个学生都参与课程设计，将所学知识综合应用到实际问题中，进行问题分析、数据结构设计、算法设计与分析及算法的最终实现。

3.2.1 3个实践层次

1）验证型实践。

验证型实践是通过运行教材中已实现的或学生自己编写程序实现的算法对算法及其相应理论进行正确性和运行效果的验证。通过验证型实践可以使学生进一步理解知识的本质与内涵，为知识的应用打下基础。验证型实践最好安排在课堂教学的当天或第二天，这样符合人类记忆活动特点，也能提高课堂教学效果。

2）设计型实践。

设计型实践是指将所学的一个或多个知识点用于解决简单问题。通过设计型实践，学生可以初步掌握知识的应用场合，清晰地把握知识点之间的联系和融合，为以后解决复杂问题奠定基础。教师应该设计一些需要应用多个知识点来解决的问题，如线性表的逆转问题涉及线性表的创建、遍历、插入等算法；数制转换可以用栈来完成，则涉及栈的建立、人栈、出栈，而栈其实就是线性表，也会深化对线性表的理解。

3）综合应用型实践。

综合应用型实践是指将所学的数据结构的知识、思想和方法用于解决较为复杂的问题。综合应用型实践不可避免地会涉及多个知识点，学生必须对每个知识点及其联系都很熟悉。因此，通过综合应用型实践能有效提高学生的问题分析能力、存储结构的设计和算法的设计与实现能力，并加深学生对数据结构内容的整体把握。

3.2.2 5个实践阶段

根据相对独立的章节内容，数据结构课程可以按章节和教学进度分为5个阶段，即按线性结构（线性表、栈与队列）、树形结构、图状结构、查找与排序5个部分划为5个阶段。每个阶段都会有3个层次的实践，最后都要以综合应用型实践收尾，并提交实践报告。教师评阅后要求1～2个学生上台讲解其实践过程、方法和技巧等，以提高学生的胆量、表达能力和综合应用能力等。

3.2.3 课程设计

课程设计是在课程教学结束后进行的综合实践训练，涉及的知识不仅有数据结构、软件开发内容，还有课外知识。成功的课程设计能实质性地提高学生分析问题、解决问题的能力，能大幅提高学生的算法分析与设计水平及程序设计水平。课程设计的时间可以安排在课程结束后，约1-2周时间。教师可以提供参考题目，如库存管理系统、混合表达式求解、贪吃蛇游戏、压缩软件、管道铺设施工的最佳方案选择、哈希查找算法的应用、大量数据的排序算法的实现与比较等。课程设计部分以竞赛形式组织，成绩优秀的要予以公布和奖励。

3.3 数据结构实践教学形式多样化

教学形式是教学活动中师生相互作用的结构形式，是教学论中的一个重要问题。数据结构实践教学以班级授课为主要组织形式，个别教学和分组教学为辅助形式进行。个别教学主要体现在答疑，即安排充足的答疑时间，这是一种很有效率的形式。因为学生经过学习之后，带着问题或疑问来问教师，经过教师讲解，会产生豁然开朗、茅塞顿开的效果。分组教学主要体现在任务分组、协作完成，以及共同接受检查。

3.4 数据结构实践教学成绩评价多元化

成绩评价多元化机制相比传统的仅以考试定成绩的方式，有着积极的导向作用，能促进学生全面发展、全面提高。多元化评定方式，主要有两个方面，一方面由平时成绩、期中成绩和期末成绩组成；另一方面由教师评价、答辩评价、组内互评和组间互评结合，其中组内互评和组间互评部分，评分者必须有评价依据和结论说明，不能信手拈来随便评分。

3.5 数据结构实践教学制度化

一个科学的体系必有一个完善的科学制度。“不以规矩，不成方圆”，只有制度化，才有管理依据，必须做到有制度可依。数据结构实践教学也应如此，很多院系制定的实践教学制度形同虚设，没有执行，主要是没有把数据结构实践教学当作一门课程来教学，而是当作理论教学的附属物，所以应把数据结构实践教学开设成一门课，因此必然要配有相应的制度，也就能得到实施和监督。教学制度应该包括教学过程制度、教学评价制度和教学监督制度。

4、数据结构实践教学体系的应用实施和改革成果

从课题开展到实施应用，经过课题组多年的努力，取得了较好的成果。第一，逐渐形成了完善科学的数据结构实践教学体系，主要包括“数据结构实践教学大纲”“数据结构实践教学考试大纲”“数据结构实践教学评价机制”和“数据结构实践教学监督机制”；第二，提高了学生的自主学习兴趣、学习能力、程序设计能力和团队合作能力，学生成绩显著提高，并多次在湖南省程序设计大赛中获得好成绩，课程设计质量整体较高。

5、结语

通过数据结构实践教学的改革，提高了师生对数据结构实践教学活动的重视，完善并优化了数据结构实践教学体系，提高了学生的自主学习兴趣，大幅提高了学生的程序设计能力，为进行复杂的软件开发奠定了坚实的基础。当然在改革与实施中，也碰到了一些问题，如师资不足，指导教师数量不能满足实验、课程设计的需求。在以后的教学中，课题组将继续进行一系列的课程教学改革，如课堂教学方法、数据结构学习网站建设等，为培养优秀的计算机人才做出应有的贡献。