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        清華大學(xué)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”精品課程建設(shè)

        2006-05-23 08:07:42殷人昆鄧俊輝
        計算機教育 2006年5期
        關(guān)鍵詞:面向?qū)ο?/a>數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)習(xí)題

        殷人昆 鄧俊輝

        一、課程的定位和在學(xué)校的發(fā)展歷史

        “數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程是一門計算機專業(yè)的核心課程,它在整個計算機專業(yè)教學(xué)體系中處于舉足輕重的地位。我校數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程最初開設(shè)于1978年,長期以來,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)得到計算機系領(lǐng)導(dǎo)高度重視,配備了優(yōu)秀師資。先后參加數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)組的教師包括嚴(yán)蔚敏、沈佩娟、唐澤圣、米寧、殷人昆、鄧俊輝等。1987年在對國外教材研究的基礎(chǔ)上,嚴(yán)蔚敏老師等編寫并出版了《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》新教材,成為國內(nèi)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教材的翹楚,1990年獲得國家級特等獎。該教材至今已發(fā)行100萬冊以上。與教學(xué)配套,教學(xué)組在嚴(yán)蔚敏老師的主持下,在學(xué)校教務(wù)處的支持下,開發(fā)了相應(yīng)的演示系統(tǒng)和練習(xí)系統(tǒng),有力地支援了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的教學(xué)。

        1992年,課程教學(xué)形成老、中、青三結(jié)合,教授、副教授、講師、博士生助教俱全的教學(xué)梯隊;采用課堂面授、電腦演示、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)相結(jié)合的多種媒體教學(xué)手段,達到新的層次,被學(xué)校評為校級一類課。

        從1996年起,課程內(nèi)容又一次更新。采用能支持面向過程方式和面向?qū)ο蠓绞降腃++語言,按照面向?qū)ο蠓绞浇M織各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),使得數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程能夠適應(yīng)國際當(dāng)時水平,在實際教學(xué)中受到同學(xué)的歡迎。2002年數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程被評為校級精品課程,2005年通過了學(xué)校組織的驗收。

        2005年底,申報“教育部-微軟精品課程”建設(shè)項目,在全國批準(zhǔn)的15門課程項目中,我們數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程位居前列。

        二、與國內(nèi)外高水平大學(xué)同類課程的比較

        1.國外在20世紀(jì)90年代已將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教材改為用C++或Java描述,這主要是適應(yīng)軟件開發(fā)技術(shù)發(fā)展的需要,而當(dāng)時我們國內(nèi)仍然停留在用Pascal或C語言描述,這反映了兩種不同的開發(fā)模式。我們根據(jù)國際形勢,改為用面向?qū)ο蠓椒ê虲++描述來教數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。學(xué)生反映,雖然開始學(xué)習(xí),從過程性開發(fā)習(xí)慣轉(zhuǎn)換為面向?qū)ο蟮拈_發(fā)不太適應(yīng),但一旦掌握,發(fā)現(xiàn)好處很多,對于后續(xù)的科研有很大的幫助。

        2.用C或Pascal描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),不能很好地實現(xiàn)抽象數(shù)據(jù)類型的思想,只有用C++或Java中的類(class)才能很自然地實現(xiàn)抽象數(shù)據(jù)類型的思想,這為改良教學(xué)內(nèi)容,促進軟件復(fù)用和設(shè)計良好的軟件架構(gòu),打下了堅實的基礎(chǔ)。

        3.在課程改革的過程中,與美國密西根州立Grand Valley大學(xué)的教授陶永雷密切合作,在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)中引入軟件工程思想,在軟件設(shè)計中遵循信息隱蔽和抽象的原則進行數(shù)據(jù)設(shè)計,注意增強軟件架構(gòu)的穩(wěn)定性和靈活性,建立了軟件開發(fā)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的良好溝通。

        4.建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)頁和其他相關(guān)輔助軟件,促進教學(xué)手段的多樣化,幫助學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí),提供了有利條件。

        5.為逐步實現(xiàn)雙語教學(xué),我們指定了一種由機械工業(yè)出版社華章分社引進的有455個練習(xí)的影印英文教材《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)習(xí)題與解答》(全美經(jīng)典學(xué)習(xí)指導(dǎo)系列)作為教學(xué)輔助教材,同時參照從1995年到2004出版的英文教材,經(jīng)過消化和篩選,并結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗,遵循先進性、實用性、系統(tǒng)性的原則,經(jīng)過整理而編寫出我們自己的主教材,其第二版已被列為教育部“十五”規(guī)劃教材即將出版。

        總之,從教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段,我們的課程與國外相比,應(yīng)處于類似或相同的水平,無論從哪一方面講,都達到國外大學(xué)要求。而在國內(nèi),則處于先進水平。

        三、貫徹“研究型”教學(xué)模式,抓好六個教學(xué)環(huán)節(jié)的工作

        為體現(xiàn)研究性大學(xué)課程的特色,必須在“思考”和“創(chuàng)新”上下功夫。為此,我們在教學(xué)過程中把握教學(xué)的六個基本要素,做了許多工作。

        1.改進教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法,提高面授效果。

        在結(jié)合C++ STL源代碼研究的基礎(chǔ)上,對教學(xué)內(nèi)容作了全面更新,將課程內(nèi)容講授分成兩個層次:

        (1)講授以STL為基礎(chǔ)的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),側(cè)重數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用;

        (2)講授數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)細(xì)節(jié),了解在開發(fā)中選擇數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的原則。

        在講課中引入軟件工程原理,注重程序設(shè)計的模塊化和結(jié)構(gòu)化,在設(shè)計類結(jié)構(gòu)時盡量滿足封裝性、繼承性和多態(tài)性等要求,使學(xué)生在理解程序時很自然地加深了對良好體系結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計風(fēng)格的認(rèn)識。在講課過程中采用這種講法,學(xué)生反映良好。在每次結(jié)束講課時,贏得了同學(xué)的掌聲。

        由于在某些類定義和算法設(shè)計中隱藏了許多C++的語法細(xì)節(jié),采用偽代碼的形式描述,這些細(xì)節(jié)很難表達出來。所以采用面授的方式是必要的。如果使用大段的文字描述,不如用圖形描述更直觀。為此,開發(fā)了動畫演示課件,在課堂上演示,獲得較好的效果,如圖1所示。

        以抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和可復(fù)用構(gòu)件為基礎(chǔ),用類和對象描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計風(fēng)格描述算法,既能適應(yīng)計算機硬件指令序列執(zhí)行的特點,又能方便地進行算法分析。此外,使用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計方法(兼用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計)和軟件工程原則訓(xùn)練編寫小型的應(yīng)用程序,為日后開發(fā)大型計算機系統(tǒng),有了良好的鋪墊。

        2.激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,鼓勵學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容提出問題,師生共同討論,提高教學(xué)和學(xué)習(xí)水平。

        (1) 隨時在課堂上提出一些思考題,對一個結(jié)構(gòu)從不同角度討論。例如,在講課過程中,提出各種問題,引導(dǎo)學(xué)生討論。

        (2) 鼓勵學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不拘于以往的解法,對同一個問題可以提出不同的解法,深化對問題的理解。例如在講使用棧的算法時,有同學(xué)從不同方面提出八種應(yīng)用,驗證catalan數(shù)。對于這樣的學(xué)生,我們加以表揚并適當(dāng)給予加分。

        (3) 充分發(fā)揮博士助教和“奧賽”優(yōu)勝學(xué)生的作用。在各班選擇了十幾位“奧賽”優(yōu)勝者和優(yōu)秀學(xué)生,充當(dāng)小教員。由于這些同學(xué)的工作,溝通了教師和學(xué)生之間的聯(lián)系,他們協(xié)助助教成為學(xué)習(xí)、討論、答疑的骨干,這樣就構(gòu)成了生動活潑、互相幫助的良好學(xué)習(xí)氛圍。

        3.精心選擇部分習(xí)題和上機實習(xí)題,著眼于基本知識的理解和基本編程能力的培養(yǎng)。C++模板是一種實現(xiàn)設(shè)計復(fù)用和代碼復(fù)用的有力工具,在程序設(shè)計習(xí)題選擇時采取循序漸進、逐步積累的方式,引導(dǎo)學(xué)生自己建立可復(fù)用的構(gòu)件,并在以后的練習(xí)中直接使用,提高編程的工程能力和思考能力。

        4.本著“精講多練”的原則,改進考核方式?!皵?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程內(nèi)容很多,程序設(shè)計習(xí)題的涉及范圍非常廣泛。為此,課程考核從偏重期末考試改變到偏重進行階段考核:增加4次小考核,改變“一考定輸贏”的格局,使學(xué)生能夠在平時自覺地給自己加壓,認(rèn)真對待每一部分的學(xué)習(xí)。

        5.加強實習(xí)環(huán)節(jié)。通過實習(xí),應(yīng)用VC++環(huán)境,完成6個實習(xí)作業(yè),讓學(xué)生在實習(xí)中學(xué)會軟件設(shè)計、程序編碼和測試,掌握用面向?qū)ο蠓椒ㄩ_發(fā)小應(yīng)用軟件的方法。學(xué)生在完成實習(xí)作業(yè)中傾注了許多心血,當(dāng)?shù)玫浇處熆隙ê蟪錆M成就感,拉近了教師和學(xué)生的距離,也為參加科研打下了基礎(chǔ)。

        6.編寫高質(zhì)量的教材和教輔材料。基于課程目標(biāo)的要求和計算機技術(shù)的發(fā)展,不斷改進教材的質(zhì)量。啟用《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(用面向?qū)ο蠓椒ê虲++語言描述)》教材后,通過教學(xué)和參考追蹤國內(nèi)外最新教材,每年更新電子教案,使得講授內(nèi)容更符合最新進展。在此基礎(chǔ)上著手修訂新教材,并列入2001年國家教育部“十五”規(guī)劃教材系列(已于2005年4月交稿)。為幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí),2002年出版了《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)習(xí)題解析(用面向?qū)ο蠓椒ㄅcC++語言描述)》,作為主教材的輔助教材,在習(xí)題集中收集了一批較新的習(xí)題,并給出了解題的思路(見圖2)。

        此外,在2003年開發(fā)完成新的試題庫和自動組題系統(tǒng),可以根據(jù)難度要求和內(nèi)容要求,自動從試題庫中抽取試題組成試卷。目前完成的還有新的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)動態(tài)演示系統(tǒng)”和“動態(tài)網(wǎng)頁”(見圖3與圖4)。

        四、建設(shè)課程教學(xué)梯隊

        在學(xué)校和系有關(guān)部門的支持下,課程組已形成老中青相結(jié)合的教學(xué)梯隊?,F(xiàn)在教學(xué)梯隊包括殷人昆、鄧俊輝、舒繼武、朱仲濤等,今年又補充了原我校國際信息學(xué)奧賽隊教練王宏老師。其中鄧俊輝老師受學(xué)校派遣到美國進修,直接與美國大學(xué)教授接觸和聽講,這對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程改革起了直接促進作用。其他參與教材編寫的還有美國密西根州Grand Valley州立大學(xué)的終身教授陶永雷。

        五、小結(jié)

        數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的建設(shè)已經(jīng)做了許多工作,并建立了國際合作關(guān)系。在信息學(xué)院和計算機系領(lǐng)導(dǎo)的支持下,通過全體課程組教師的努力,課程建設(shè),包括課程內(nèi)容的更新、教學(xué)方式的改革和網(wǎng)絡(luò)化,將有利于學(xué)生學(xué)習(xí)水平的提高。將來的教學(xué)將從以“教師”為中心變成以“學(xué)生”為中心,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程正在努力適應(yīng)這種變化。

        我們的下一步工作是:

        1.在建設(shè)“教育部-微軟精品課程”的過程中,我們與哈爾濱工業(yè)大學(xué)合作,以我校為主,建立開放的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”網(wǎng)站,讓我們的資源能夠為全國院校共享。

        2.向教育部申請,爭取將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)方法列入青年骨干教師研修課程計劃,開展數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)經(jīng)驗的培訓(xùn),計劃分C、C++、Java三個專題。

        3.《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教材申報列入國家“十一五”教材規(guī)劃,繼續(xù)改進教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方案。

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