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        數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程設(shè)計教學(xué)模式的探討

        2006-02-23 00:54:48李治軍廖明宏
        計算機(jī)教育 2006年2期
        關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計計算機(jī)

        李治軍 廖明宏 張 巖

        摘要本文首先對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程設(shè)計的教學(xué)模式進(jìn)行了分析,然后在此基礎(chǔ)上提出了一種以問題驅(qū)動為核心的教學(xué)模式,并就該模式中的各個環(huán)節(jié)和核心特點(diǎn)給出詳細(xì)的設(shè)計和分析。

        關(guān)鍵詞課程設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)模式問題驅(qū)動

        1 引言

        課程設(shè)計是課堂理論教學(xué)的延伸和補(bǔ)充。作為一門獨(dú)立的課程,它應(yīng)該完成如下基本目標(biāo):應(yīng)能夠完成理論與實(shí)踐的結(jié)合,應(yīng)能夠鍛煉學(xué)生的設(shè)計創(chuàng)新能力、分析和解決問題的能力。

        數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)以及相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程,同時它也是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程體系中的核心課程之一,它在計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的課程體系,特別是軟件系列課程體系中處于承上啟下、聯(lián)系左右的中心地位。大量的實(shí)踐表明,是否學(xué)好數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程對于能否學(xué)好計算機(jī)本科課程有著相當(dāng)重要的作用,同時也對后續(xù)的工作和研究有著深遠(yuǎn)的影響。

        現(xiàn)今,各大學(xué)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程和教材的內(nèi)容都主要集中在“基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的闡述和分析、基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用、典型基本算法的適當(dāng)滲透”這三個方面。其中,前兩部分是重點(diǎn),并占據(jù)了較多的篇幅,而這些內(nèi)容的教與學(xué)離不開大量的實(shí)踐,所以在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程教學(xué)中經(jīng)常會有大量的課程實(shí)驗(yàn)作為輔助。

        通過進(jìn)一步的深入分析可以看出,上述基本知識的學(xué)習(xí)并不是最終目標(biāo),而是為到達(dá)最終目標(biāo)打下的基礎(chǔ)。顯然,從計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的知識體系可以看出:如圖1所示,學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法更深層次的目標(biāo)是能夠針對實(shí)際問題來選擇、擴(kuò)展甚至是設(shè)計全新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),然后設(shè)計相應(yīng)的存儲結(jié)構(gòu)并加以實(shí)現(xiàn),從而最終完成問題的求解??梢钥闯?,這一過程是一個融會貫通的過程,是不能通過課程實(shí)驗(yàn)完成的,也不可能在課堂教學(xué)中就可以建立完整意識的,所以在課程之后需要進(jìn)行課程設(shè)計。

        為此,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程設(shè)計應(yīng)能達(dá)到如下基本目標(biāo):培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本知識來分析問題、解決問題的綜合能力;幫助學(xué)生建立計算機(jī)問題求解的全局意識,主要是通過認(rèn)識數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在問題求解中的地位來完成全局認(rèn)識的建立(這一全局認(rèn)識如圖1所示);訓(xùn)練學(xué)生從系統(tǒng)的、規(guī)范的觀點(diǎn)來進(jìn)行計算機(jī)問題的分析、設(shè)計、編碼、測試等。

        上面分析得出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的課程設(shè)計目標(biāo)是符合一般的課程設(shè)計規(guī)律的。但數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程具有自身的、明顯區(qū)別于其他課程的地方,再結(jié)合計算機(jī)專業(yè)的特點(diǎn),就決定了還需要分析并建立適合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程設(shè)計特點(diǎn)的教學(xué)模式。所以本文在第2節(jié)就數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程設(shè)計和其他課程的課程設(shè)計進(jìn)行了對比分析,在第3節(jié)提出了一種基于問題驅(qū)動的教學(xué)模式,并就其中的關(guān)鍵部分給出了詳細(xì)的描述。

        2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計的特點(diǎn)分析

        任何事物都是一般性和特殊性的統(tǒng)一,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程設(shè)計也是一樣的。和許多其他課程的課程設(shè)計一樣,它有著課程設(shè)計的共性,也有自身的特性。經(jīng)過和其他課程的課程設(shè)計的對比,作者認(rèn)為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的課程設(shè)計主要具有如下特殊性。

        2.1不具有明顯的整體性

        這是由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程本身的特點(diǎn)決定的。由于該課程的核心內(nèi)容主要集中于對各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識上,雖然各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間總是存在許多內(nèi)在的聯(lián)系,但總的來說還是自成體系、較為獨(dú)立的。

        就這一點(diǎn)而言,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程就和其他許多課程存在不同,也就使得數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程設(shè)計具有相應(yīng)的特點(diǎn)。比如計算機(jī)組成原理的課程設(shè)計,可以通過做一個完整的、簡化的計算機(jī)硬件系統(tǒng)(包括的簡化的存儲器、控制器、運(yùn)算器等部件)來完成課程內(nèi)容的全面訓(xùn)練,并讓學(xué)生建立對計算機(jī)組成的整體認(rèn)識。機(jī)械原理的課程設(shè)計可以是一個簡單的機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計,完成對機(jī)械原理各部分內(nèi)容的綜合訓(xùn)練。而對于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的課程設(shè)計來說,幾乎不可能構(gòu)造一個題目把所有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都包含進(jìn)去。實(shí)際上這樣做是毫無意義的,因?yàn)閿?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身就是不斷擴(kuò)展的,在學(xué)習(xí)、掌握基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上能夠?qū)χR加以擴(kuò)展并靈活運(yùn)用才是真正重要的。

        所以在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的課程設(shè)計中,應(yīng)強(qiáng)調(diào)問題求解能力的培養(yǎng),而不像其他課程的課程設(shè)計那樣來強(qiáng)調(diào)綜合設(shè)計能力。

        2.2課程內(nèi)容具有很強(qiáng)的可伸縮性

        從發(fā)展?fàn)顩r來看,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的發(fā)展是極其迅速的,不斷地有新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和新的算法出現(xiàn),而且針對不同的問題,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法可以做出非常靈活的調(diào)整。在這一點(diǎn)上它和許多其他課程不同,比如操作系統(tǒng)中可能會不斷出現(xiàn)各種各樣的調(diào)度算法,但都集中在進(jìn)程管理中,并總歸結(jié)于資源管理這一基本框架下,只要馮·諾伊曼體系結(jié)構(gòu)不變,操作系統(tǒng)的資源管理框架就不會改變。而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就不同,如就樹結(jié)構(gòu)而言,二元樹雖然在概念上較為規(guī)整,但在實(shí)際問題中,大多都采用樹結(jié)構(gòu)的變形,如B樹以及其他新型變形等,似乎兩者都可成為教學(xué)的重點(diǎn)。

        正是因?yàn)閿?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的可收縮性,培養(yǎng)針對問題的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計能力才是最重要的。

        2.3具有極其廣泛的滲透性

        計算機(jī)問題領(lǐng)域包括許多其他行業(yè)的問題,如經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域問題,只要涉及到對數(shù)據(jù)的組織與處理,都能或多或少地找到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的用武之地,所以培養(yǎng)依托數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成各類問題求解的“嗅覺”是十分必要的。

        總的來說,基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的特點(diǎn),建立起與之相匹配的課程設(shè)計教學(xué)模式,這樣才能更好地完成教學(xué)。

        3基于問題驅(qū)動的課程設(shè)計教學(xué)模式

        在以上分析基礎(chǔ)上,如圖2所示,本文提出一種基于問題驅(qū)動的課程設(shè)計教學(xué)模式。

        3.1問題來源

        數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程設(shè)計的問題來源(即教學(xué)內(nèi)容)主要包括:基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在解決實(shí)際問題中的應(yīng)用;基本的算法策略在解決實(shí)際問題的應(yīng)用;新興數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)問題;新興算法的相關(guān)問題及實(shí)踐;經(jīng)典問題的經(jīng)典算法;典型系統(tǒng)的計算機(jī)模擬;需自行設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法來解決的實(shí)際問題。

        3.2問題描述

        在問題的描述上,側(cè)重于用半自然語言進(jìn)行描述。完全的形式化描述將減少問題分析能力的培養(yǎng)力度,完全的自然語言描述有包含太少的啟發(fā)信息。

        一般來說,要求問題的描述必須能夠清晰地說明問題的含義和目標(biāo),并就采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)亟o出啟發(fā),其中,也可以設(shè)計一些題目故意將問題的目標(biāo)隱去,加強(qiáng)對學(xué)生問題定義能力的培養(yǎng)。

        3.3問題求解的迭代性

        問題求解是不能夠一蹴而就的,一開始設(shè)計(選?。┑臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法往往存在這樣或那樣的問題,建立逐步求精、多次迭代的問題求解思維是必要的。

        為此,我們需要在學(xué)生的課程設(shè)計過程中,鼓勵學(xué)生對其解決方案進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)分析,鼓勵學(xué)生大膽提出優(yōu)化方案,鼓勵其積極主動的創(chuàng)新意識。

        3.4結(jié)論形成

        最終的結(jié)論(體現(xiàn)為課程設(shè)計報告)應(yīng)以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述為核心,并集中體現(xiàn)如何針對問題來完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化。

        其中,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述應(yīng)以抽象數(shù)據(jù)型(ADT)為基本手段,并在抽象數(shù)據(jù)型的基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生深刻理解和掌握數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、特點(diǎn)、基本操作和存儲結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化,并引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用中有意識地去為實(shí)際問題選擇恰當(dāng)?shù)拇鎯Ρ硎尽?/p>

        結(jié)果分析應(yīng)采用理論分析和實(shí)驗(yàn)分析并重的方式,應(yīng)適當(dāng)加大實(shí)驗(yàn)分析的力度,使得學(xué)生能在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上形成總結(jié)并產(chǎn)生啟發(fā),最終能形成問題求解過程的全局意識。

        3.5結(jié)果考核

        鼓勵學(xué)生選擇需要設(shè)計新型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(至少需要對已有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作出修正)的題目,而不僅僅是實(shí)現(xiàn)一個定義明確的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);鼓勵優(yōu)化方案的提出、分析和驗(yàn)證;鼓勵學(xué)生擴(kuò)展知識體系,并建立問題求解的修養(yǎng);鼓勵創(chuàng)新意識和主動學(xué)習(xí)意識的培養(yǎng)。

        4 結(jié)束語

        針對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程設(shè)計的一般性和特殊性分析,本文在提出該課程設(shè)計的基本要求后,更提出了適合于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程設(shè)計的“以問題求解為核心”的教學(xué)模式。近年來,經(jīng)過對計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生的多次實(shí)踐,可以看出,這一模式可以取得很好的教學(xué)效果。

        參考文獻(xiàn)

        1 耿蕊,李敬有,鄧文新.關(guān)于計算機(jī)基礎(chǔ)課課程設(shè)計的研究.高師理科學(xué)刊,2005,5

        2 郭福順,廖明宏等.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法基礎(chǔ).大連:大連理工大學(xué)出版社,2000

        3 王偉,王東宏.計算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計的實(shí)踐.江蘇大學(xué)學(xué)報(高教研究版),2003,10

        4 婁建國.機(jī)械原理課程設(shè)計教學(xué)探索與實(shí)踐.紹興文理學(xué)院學(xué)報,2003,11

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