高职高专院校数据结构与算法教学改革与实践

高职高专院校数据结构与算法教学改革与实践
摘要:针对数据结构与算法教学中存在的问题,根据自己多年教改的实践与探索,分析数据结构教学改革中一些观点和做法,提出教改中应该注意的一些问题。

希望对该课程教学改革具有参考价值和促进意义。

关键词:数据结构;算法;换位思考法;问题求解
数据结构与算法是计算机科学与技术专业的核心基础课程之一,同时,它也是算法分析与设计、操作系统、软件工程、数据库概论、编译技术、计算机图形学、人机交互等专业基础课和专业课的先行课程。

本课程主要以抽象数据类型为主线,研究常用数据结构的逻辑结构、存储结构及其所支持的运算操作;研究能够解决实际问题的经典算法;学习基本的算法分析方法。

它为学生后续课程的学习以及进行计算机软件的设计和开发打下良好的基础。

1教学过程中存在的问题
数据结构与算法课程是计算机专业教学的难点。

在教学过程中,我们发现学生对这门课不仅感到入门困难,而且难于驾驭,其主要表现有以下几点。

1) 高职高专学生的先导知识学习储备不足。

由于高职高专的教学以“理论够用”为教学原则,因此,学生掌握基础理论知识的程度无法与本科院校学生相比。

例如,数据结构与算法需要学生具备结构体类型和指针的知识,甚至能够掌握内存模型的运行机制,而对于高职高专学生来说,其先导课程C语言程序设计属于非重点或选学内容。

2) 概念过多,不利于高职高专的学生掌握。

本课程涉及的基本结构包括顺序表、树、图,以及查找、排序等算法内容。

特别是树和图两项内容包含大量概念和理论,其中许多必须掌握的内容使学生产生畏难情绪。

3) 高职高专学生在实践课中没有养成阅读英文文档的习惯。

学习编程的最好方法是阅读和查看MSDN,但高职高专的学生英语底子差,不太愿意阅读英文文档,这影响了实践课的教学效果。

从高职高专院校的教师角度来看,存在以下问题。

1) 高职高专院校的老师的教学模式过于单一,较少传授学生解决现实问题的方法。

在数据结构教学过程中,高职教师一般将授课重点放在讲授数据的基本结构上,选择的案例只能用于数据结构算法的验证和说明[1]。

这种教学模式对高职学生非常不利,因为,仅从基本结构这个单一的角度进行教学,只能使大多数学生在学习过程“依葫芦画瓢”,一旦遇到问题就束手无策,乃至产生畏难和厌学情绪。

很多学生常常觉得教科书的内容与具体的项目设计相距甚远,给人一种无从下手的感觉。

在学完数据结构与算法课程后,学生既不能灵活运用所学知识,也难以实现从数据结构基础知识的掌握到实际应用的飞跃,这与高职院校“实用为主”的教学原则不符,也不利于应用型人才的培养。

2) 高职高专院校的老师的教学手段丰富,但是往往不涉及具体问题的分析,以及基于问题提出对应的解决方法,只是一味地追求直观效果。

有些老师甚至根本不讲数据结构的抽象表示,在数据结构算法的处理上也不考虑应用场合,而是直接提供代码给学生。

当然,这样做似乎对初学者有一定好处,但无助于学生培养正确的思考方法,另外,它让学生只注重实现程序,而不考虑如何进行算法设计以及怎样选择合适的数据结构来表达自己的算法思想。

我们认为,在“够用为度”的教学原则下,教师只能在教学内容上进行适当的删减,而不能仅局限于“简单地教,简单地学”。

3) 对于高职高专院校而言,很多老师不具备完整的教学体系思想,不知道如何处理数据结构、算法和实现代码之间的联系和区别。

有些老师对课程内容的理解不够深入,特别是没有把理论与实际应用问题联系起来。

这势必造成学生不能理解学习数据结构课程的意义,不能形成对课程内容的整体概念,也不知道学习这门课程有什么用,不知道这门课程在专业体系中的位置。

对于高职学生而言,数据结构为什么存在?在项目实践中如何灵活应用?这些问题如果不得到解决,那么在高职院校开设这门课程就变得毫无意义。

2教学改革中的几点建议
对于高职高专院校的学生来说,提高他们的学习兴趣至关重要。

虽然高职生的基础知识薄弱、学习动力不足、自信心不强,自我管理以及自我约束力较差,但是,他们思想比较活跃,动手能力和社会适应性较强。

因此,他们更需要老师耐心、正确的引导。

对此,我们可以从以下几个方面进行改进。

2.1激发学生的学习兴趣
“兴趣是最好的老师”。

培养学生的兴趣和维持前期的学习热情,并让学生在以后的项目实践中主动运用本门课程中学习到的知识,这是每个高职教师的责任和义务。

我们知道,在这门课程中存在很多经典算法,而每一个经典算法的背后都有一个计算机界的传奇人物[2]。

例如KMP算法中的D.E.Knuth,最短路径算法中的Dijkstra,等等,他们每个人都有一个传奇人生,上课时,教师可以通过讲述他们对计算机发展所作的突出贡献,鼓励学生,激发学生的学习热情。

而在实践课程中,我们主要采用“换位思考法”,锻炼学生独立编程能力。

梁肇新在《编程高手箴言》一书中提到:我就是程序,程序就是我。

学生在上实践课时,很多程序细节问题都搞不清楚,这严重挫伤了学生的学习积极性。

由于这些编程问题不可能在上课时被一一解答,所以,学生只能通过平时积累和应用,逐步提高自己的动手能力。

上这门课时,教师要多鼓励学生把自己想象成“编译器”,不要只是简单地把它作为一个工具,而要把我们的编程工具“人性化”,编程过程只是我们在和一个“法官”聊天而已,而这个法官又无比“公正”。

如果把自己想象成“编译器”,在学习语法时就可以很好
地进行“换位”思考,知道自己需要什么,如何做才能编译和调试成功,学习兴趣也会随之提高。

2.2选取合适的教学内容
高职院校在开设数据结构与算法课程时,考虑到学校和学生的特殊性,总课时一般安排为64个课时,理论和实践各32个课时。

内容多、课时少这对矛盾如何解决?如何在比较短的时间内培养学生独立解决问题的能力?这都是值得研究和探讨的问题[3]。

众所周知,本门课程包括表、树、图3种数据结构,而每一种数据结构又包括3个方面的内容——逻辑结构/存储结构/操作实现;还包括两类典型算法——查找/排序。

这么多教学内容不可能在一个学期内完全教授给学生,所以,我们对教学内容进行了适当的删减,以便重点突出。

在不影响高职院校教学原则的前提下,我们将教学重点放在线性表结构和通过时间复杂度分析选择合适的数据结构这两部分内容上(如图1所示)。

对于非线性结构这部分内容,我们着重
讲解概念,具体用法可以留给学生作为课外作业。

这种选择可以使学生养成良好的思维习惯和正确的学习方法,以求达到“运用之妙,存乎一心”。

2.3巩固先导课程的基础
在先导课程C语言程序设计中,学生没有系统地学习结构体和指针类型,也没有掌握动态内存分配的知识,所以,在本门课程教学中必须首先弥补以前的不足,但我们又面临新的问题,即系统学习与学时数不足的矛盾。

对此,我们有如下建议:讲解在运行期时程序在内存中的分布区域,以及各个内存区的作用就足够学生理解本课程知识(如图2所示)。

图2中模型[4]的讲解适合贯穿整个实践课程的教学过程,把这个模型讲深讲透,让学生彻底掌握,有利于高职学生独立思考和解决问题能力的培养。

这个程序内存分布模型可以很好地满足高职院校的教学目标,让学生在具备较强编码和调试能力的同时,又具备解决实际问题的思想和技术。

2.4传统和现代教学手段相结合
高职院校一般硬件设施齐全,教学条件优越,给教师和学生提供了现代化的教学环境。

不可否认,现代教学手段具有生动、直观和信息量大等特点,对于提高教学效果有促进作用,例如,多媒体教学课件(PPT课件和Flash动画等)和丰富的网络资源,等等。

从本人多年的教学实践来看,现代媒体对提高某些课程的教学效果作用显著,但对于理论性很强的数据结构等课程而言,只能起到辅助作用。

事实上,美国数据结构教学仍以讲授为主[5],所以,传统教育手段对本门课程不可或缺。

在本门课程中,讲解三种数据结构的概念和性质时,可以多用PPT等现代教学手段;
讲解算法的动态变化时,多用黑板+粉笔头的方式演示其动态变化过程[6-8]。