程秀峰 羅小路 熊回香

摘要：為促進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)的有機(jī)融合，推動(dòng)計(jì)算機(jī)類課程教學(xué)改革，文章以《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程為例，針對傳統(tǒng)課程教學(xué)中存在的不足，對該課程的授課形式、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、考核方式等環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)與重構(gòu)，利用虛擬化技術(shù)構(gòu)建出《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》虛擬化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并將其應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中。最后，基于該平臺(tái)的應(yīng)用效果，對該類型的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的教學(xué)改革帶來的積極影響進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);虛擬化技術(shù);教學(xué)改革;實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號：G434;TP311.12-4? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1673-8454（2020）08-0090-04

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，虛擬化技術(shù)在各類教學(xué)活動(dòng)中已得到廣泛應(yīng)用，各大高校紛紛改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，將虛擬化技術(shù)與課堂教學(xué)結(jié)合在一起?！稊?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》作為計(jì)算機(jī)、信息管理、電子商務(wù)等學(xué)科的基礎(chǔ)課程，在整個(gè)學(xué)科體系中處于重要位置，對學(xué)生了解計(jì)算機(jī)中的算法、邏輯起著關(guān)鍵作用。但由于某些計(jì)算機(jī)技術(shù)類課程對實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求較高、實(shí)踐部署對于學(xué)生來說難度較大，在實(shí)際教學(xué)過程中往往效果不理想。因此，如何利用虛擬化技術(shù)來對此類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，從而提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，是教師面臨和需要思考的問題。

一、概念簡介

1.《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程介紹

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》是普通高校計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的一門必修課程，主要討論現(xiàn)實(shí)世界中的數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、描述、組織及存儲(chǔ)的一門技術(shù)類課程。[1]它作為計(jì)算機(jī)類學(xué)科的基礎(chǔ)必修課，在整個(gè)信息類課程教學(xué)體系中處于重要位置。該課程不僅需要一定的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)編譯程序、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以及其他系統(tǒng)程序和大型應(yīng)用程序的基礎(chǔ)。[2]該課程的教學(xué)大綱可分為數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)的運(yùn)算三大板塊，其中，邏輯結(jié)構(gòu)包含線性結(jié)構(gòu)、樹、圖等內(nèi)容，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)包含順序、鏈接、索引和散列結(jié)構(gòu)等，運(yùn)算包含元素的插入、刪除、查找以及排序等，這些都是重點(diǎn)考察的知識點(diǎn)。

2.虛擬化技術(shù)在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程中的應(yīng)用

虛擬化技術(shù)（Virtualization）是近年來流行的一種資源鏡像管理技術(shù)，它將計(jì)算實(shí)體資源如服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)存等予以抽象、轉(zhuǎn)換后呈現(xiàn)出來，打破了實(shí)體結(jié)構(gòu)間的不可切割的障礙。[3]同時(shí)，依托互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過構(gòu)建虛擬模型，將原本虛擬的事物具體化后進(jìn)行可視化展示。[4]利用虛擬化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對計(jì)算機(jī)資源的重新組合或分區(qū)，為計(jì)算機(jī)提供多個(gè)運(yùn)行環(huán)境，提高資源利用率和計(jì)算機(jī)的工作效率。[5]

目前，虛擬化技術(shù)已在許多高校的計(jì)算機(jī)類課程中推廣使用?！稊?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課堂中，教師可以利用其進(jìn)行動(dòng)畫、視頻演示，也可以建立實(shí)驗(yàn)設(shè)備，搭建虛擬實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生提供一個(gè)高效便捷的實(shí)驗(yàn)環(huán)境?？傊摂M化技術(shù)所具備的可移植、易維護(hù)、直觀性強(qiáng)、低成本[6]等優(yōu)點(diǎn)，對于解決傳統(tǒng)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課堂教學(xué)中的眾多問題有很大幫助， 具有良好的應(yīng)用前景。

二、《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)現(xiàn)狀

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》對理論和實(shí)踐的要求都比較高，許多高校在課程設(shè)計(jì)時(shí)將其拆分成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論與算法實(shí)現(xiàn)兩個(gè)部分進(jìn)行教學(xué)。理論部分主要由教師講解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)概念與原理，當(dāng)學(xué)生掌握一定理論知識以后，再安排學(xué)生上機(jī)操作實(shí)現(xiàn)算法。然而，由于上機(jī)條件的不一致性，在實(shí)際教學(xué)中還存在著以下幾個(gè)問題：

1.課程難度大，內(nèi)容抽象

課程的目的在于培養(yǎng)學(xué)生抽象思維能力，理解算法程序，為后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)，使其在實(shí)際工作中也能夠熟練操作系統(tǒng)。[7]課程要求學(xué)生在理解數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以及基本運(yùn)算的基礎(chǔ)上建立算法，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理，[8]然而該學(xué)科涉及到的知識點(diǎn)都十分抽象，并且算法難度較大，學(xué)生難以理解。

2.學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，學(xué)習(xí)積極性不高

課程一般開設(shè)在大學(xué)的第三學(xué)期，是以C語言程序設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)。但程序語言課程開設(shè)時(shí)間較早，此時(shí)學(xué)生尚未形成完整的知識體系，又因?yàn)镃語言概念復(fù)雜、規(guī)則繁多[9]，學(xué)生難以及時(shí)消化。并且，除程序語言類課程的學(xué)習(xí)外，該學(xué)科還要求學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)原理、離散數(shù)學(xué)等相關(guān)知識。[10]加之其他課程的同時(shí)學(xué)習(xí)，為學(xué)生帶來負(fù)擔(dān)過重的困擾，在后期實(shí)踐時(shí)容易產(chǎn)生畏難情緒，失去學(xué)習(xí)興趣。

3.理論與實(shí)踐脫節(jié)

在實(shí)際課堂教學(xué)中，由于受到教學(xué)場地等條件的限制，很難實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)到實(shí)踐教學(xué)的快速轉(zhuǎn)換，學(xué)生掌握的理論知識不能及時(shí)應(yīng)用到實(shí)踐上，很快就會(huì)遺忘，學(xué)習(xí)效果會(huì)大打折扣。

4.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過于傳統(tǒng)，缺乏科學(xué)的考核機(jī)制

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)大多圍繞教材中提供的例子來展開，學(xué)生只需照搬書中代碼就可以完成任務(wù)，當(dāng)遇到稍有難度的問題時(shí)有些學(xué)生還會(huì)選擇逃避思考，抄襲他人答案來應(yīng)付教師布置的任務(wù)。久而久之，不僅學(xué)生的能力得不到提升，還會(huì)對教師了解學(xué)生學(xué)習(xí)的真實(shí)情況以及教學(xué)評定造成干擾。

5.授課形式不合理，教師與學(xué)生之間缺少有效溝通

傳統(tǒng)課堂上，大部分時(shí)間都是教師在講解知識，學(xué)生被動(dòng)地接受[11]，即使是遇到疑難點(diǎn)時(shí)多數(shù)學(xué)生也不愿主動(dòng)提問，逐漸就形成了一種“滿堂灌”的被動(dòng)式教學(xué)。師生之間沒有交流，學(xué)生缺少解決問題的途徑，也就無法進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

本研究以《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程為應(yīng)用背景，以解決傳統(tǒng)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課堂教學(xué)中的問題為目的，參考現(xiàn)有的一些研究成果，結(jié)合實(shí)際需求對系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

1.功能模塊設(shè)計(jì)（見圖1）

（1）管理員模塊

管理員的工作是對系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行維護(hù)，協(xié)助教師展開實(shí)驗(yàn)，因此管理員界面與其他用戶界面功能不同。在實(shí)驗(yàn)課開始前，管理員需要向教師了解實(shí)驗(yàn)班級的學(xué)生信息，然后通過管理頁面為上機(jī)的學(xué)生分配賬號和密碼，并在與教師溝通后為實(shí)驗(yàn)設(shè)置合理的分值。實(shí)驗(yàn)過程中，管理員需要解決出現(xiàn)的系統(tǒng)故障，以保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。

（2）教師模塊

教師不僅要負(fù)責(zé)講解理論知識、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、為學(xué)生演示系統(tǒng)，還要領(lǐng)導(dǎo)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)、在實(shí)驗(yàn)過程中為學(xué)生解答疑惑，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行打分。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，系統(tǒng)要向教師反饋學(xué)生的實(shí)驗(yàn)行為數(shù)據(jù)，并對結(jié)果進(jìn)行分析，方便教師了解整體水平，找出表現(xiàn)突出的學(xué)生，為后續(xù)教學(xué)提供幫助。

（3）學(xué)生模塊

學(xué)生登錄系統(tǒng)前，應(yīng)使用管理員發(fā)放的賬號進(jìn)行身份認(rèn)證。進(jìn)入系統(tǒng)后，學(xué)生可以查看相關(guān)的課程介紹，然后根據(jù)教師的任務(wù)選擇相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)建文件。在實(shí)驗(yàn)過程中，系統(tǒng)應(yīng)為學(xué)生提供詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟，并且支持學(xué)生查看提示信息、自動(dòng)插入代碼、清除代碼、運(yùn)行程序等操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生可以自行查看實(shí)驗(yàn)成績。

2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

該平臺(tái)中涉及的實(shí)驗(yàn)遵循從易到難、循序漸進(jìn)的規(guī)律，[12]在實(shí)驗(yàn)初期，先設(shè)置一些簡單的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生有一個(gè)適應(yīng)的過程，隨著教學(xué)進(jìn)度的深入，再慢慢提升實(shí)驗(yàn)難度。采取這種方法有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在不同的學(xué)習(xí)階段都能夠順利完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)。結(jié)合難度逐漸提升的想法，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上選取《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程中的單鏈表、棧、隊(duì)列、串、查找、排序等重要知識點(diǎn)，根據(jù)課時(shí)安排設(shè)計(jì)十六組實(shí)驗(yàn)，表1所示為部分實(shí)驗(yàn)列表。

3.考核方法制定

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)考核標(biāo)準(zhǔn)僅僅局限于實(shí)驗(yàn)是否成功，而忽視實(shí)驗(yàn)過程，一味追求結(jié)果會(huì)導(dǎo)致最終評定過于片面，缺乏說服力。為方便學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也是為教師評定提供依據(jù)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)“自動(dòng)插入代碼”和“查看提示”兩種功能。當(dāng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中遇到答案不確定或者無法獨(dú)立完成代碼的情況時(shí)，可以通過查看提示繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，這樣做既能適當(dāng)減少實(shí)驗(yàn)的難度，保證學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也可以減少教師的工作量。而且為保證實(shí)驗(yàn)難度，兩種幫助的使用次數(shù)均有一定限制。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，“自動(dòng)插入代碼”和“查看提示”的剩余次數(shù)就能很好地反映出學(xué)生的學(xué)習(xí)情況：剩余次數(shù)多說明學(xué)生能夠獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，知識掌握程度更高，學(xué)習(xí)能力更強(qiáng)，反之，則說明學(xué)生還缺乏獨(dú)立思考的能力，表現(xiàn)不夠優(yōu)異。再結(jié)合“實(shí)驗(yàn)成功與否”以及“完成實(shí)驗(yàn)的總時(shí)長”兩個(gè)指標(biāo)，就能夠較為客觀地評價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)的真實(shí)情況。

四、系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與實(shí)踐

1.系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用簡單的B/S架構(gòu)，利用HTML、CSS、Java等語言進(jìn)行開發(fā)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為數(shù)據(jù)庫、后臺(tái)服務(wù)器以及應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)。其中，應(yīng)用層采用HTML語言呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)及相關(guān)內(nèi)容，CSS用于內(nèi)容的排版，AJAX實(shí)現(xiàn)頁面的更新，JS則用于支持界面交互等操作。實(shí)驗(yàn)界面截圖如圖2。

本虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主體框架如圖3所示。后臺(tái)服務(wù)器采用Tomcat服務(wù)器和Docker鏡像，用于處理前臺(tái)發(fā)出的請求以及虛擬環(huán)境的部署。當(dāng)后臺(tái)服務(wù)器接收到前端發(fā)送的請求時(shí)，就會(huì)連接Docker控制程序，啟動(dòng)Docker，然后調(diào)用g++ 編譯器運(yùn)行相關(guān)程序，并返回運(yùn)行結(jié)果。不同于傳統(tǒng)的虛擬化技術(shù)，Docker是一種通過封裝軟件運(yùn)行環(huán)境，以達(dá)到創(chuàng)建、發(fā)布和運(yùn)行應(yīng)用目的的虛擬化平臺(tái)，它具有“一次封裝、到處運(yùn)行”的優(yōu)點(diǎn)。[13]選擇該技術(shù)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的技術(shù)支撐，在一定程度上可以簡化系統(tǒng)配置，降低系統(tǒng)開發(fā)的難度。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫則采用現(xiàn)在最為流行的MYSQL，主要用來存放實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的反饋。

2.應(yīng)用案例

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)首次應(yīng)用以第一組實(shí)驗(yàn)“單鏈表中增加刪除節(jié)點(diǎn)”為例，實(shí)驗(yàn)過程分為準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)、總結(jié)三個(gè)階段。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中教師與管理員、學(xué)生都有密切交流，角色分工和主要流程如圖4。

準(zhǔn)備階段，教師講解相關(guān)理論知識，并提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)鏈接。隨后，系統(tǒng)管理員向?qū)W生分發(fā)賬戶與密碼，學(xué)生登錄該平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)前教師告知實(shí)驗(yàn)中的注意事項(xiàng)，并布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，組織學(xué)生討論，然后開始實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)階段，學(xué)生根據(jù)要求補(bǔ)充完善兩個(gè)程序文件，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)鏈表中的指定位置插入一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并以可視化的方法將插入前、后的效果展示出來。教師在實(shí)驗(yàn)過程中對學(xué)生遇到的問題進(jìn)行解答。

總結(jié)階段，教師通過平臺(tái)查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)行為數(shù)據(jù)，展示得分情況，評選出表現(xiàn)優(yōu)異的學(xué)生，對其進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，并安排學(xué)生進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)交流。

五、系統(tǒng)評價(jià)與討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，組織學(xué)生進(jìn)行滿意度調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示：大部分學(xué)生認(rèn)為該平臺(tái)使用流暢，實(shí)驗(yàn)設(shè)置合理，基本滿足《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)要求，研究成果獲到了用戶的一致認(rèn)可。為方便今后研究者在該領(lǐng)域繼續(xù)深入，我們對此次實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，思考其對該課程教學(xué)改革帶來的積極影響。

1.平臺(tái)提供免費(fèi)的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)

教師提供《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程的理論知識、教學(xué)視頻、課件、實(shí)驗(yàn)源代碼等學(xué)習(xí)資料，當(dāng)學(xué)生在課上不能當(dāng)堂消化教師講解的知識點(diǎn)時(shí)，課后可以自行查找相關(guān)資料繼續(xù)學(xué)習(xí)，以彌補(bǔ)基礎(chǔ)知識的不足。同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境不受時(shí)間地點(diǎn)限制的特點(diǎn)，使學(xué)生可以隨時(shí)隨地登錄實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過多次練習(xí)不斷強(qiáng)化記憶。

2.教學(xué)模式發(fā)生轉(zhuǎn)變，師生交流的機(jī)會(huì)增多，學(xué)生思考和動(dòng)手能力得到鍛煉

在實(shí)驗(yàn)課堂上，教學(xué)重心從教師轉(zhuǎn)向?qū)W生，由學(xué)生來完成實(shí)驗(yàn)、提出疑惑和解決方案，教師只是發(fā)揮引導(dǎo)的作用，在學(xué)生遇到困惑時(shí)予以適當(dāng)?shù)膸椭?。這對培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、解決問題的能力有很大幫助。

3.設(shè)立嚴(yán)格考核機(jī)制，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行全程監(jiān)控，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

與傳統(tǒng)考核方式相比，利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)記錄學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行打分，能夠讓學(xué)生更直觀地了解自己的學(xué)習(xí)狀況，明白自身能力與目標(biāo)之間的差距，在今后學(xué)習(xí)過程中就會(huì)更有針對性，學(xué)習(xí)興趣也會(huì)有所提高。通過數(shù)據(jù)反饋還能讓教師及時(shí)了解班級整體的學(xué)習(xí)情況，辨別出表現(xiàn)突出的學(xué)生。

4.突破了經(jīng)濟(jì)條件的限制，使理論與實(shí)踐、“做”與“學(xué)”相互融合成為現(xiàn)實(shí)

虛擬化技術(shù)的應(yīng)用，為無法負(fù)擔(dān)實(shí)驗(yàn)室高額的開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用提供了一條可行路徑，在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，學(xué)生依然可以體驗(yàn)系統(tǒng)操作、界面轉(zhuǎn)換、用戶交互等功能，有效解決了傳統(tǒng)課程教學(xué)中理論和實(shí)踐脫節(jié)的問題，促進(jìn)了“做”與“學(xué)”的融合。

六、總結(jié)

從本次教學(xué)實(shí)踐的結(jié)果來看，利用虛擬化技術(shù)的確有助于解決《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)中的一些問題，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉邏輯思維和動(dòng)手能力，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)復(fù)合型應(yīng)用型人才[14]的目標(biāo)。但是通過此次實(shí)踐，也暴露出該平臺(tái)的一些不足，例如實(shí)驗(yàn)時(shí)長的設(shè)計(jì)不夠人性化、無法同時(shí)容納大規(guī)模數(shù)量的用戶、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)過于死板等，今后針對這些問題還需繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，逐步完善平臺(tái)建設(shè)，以期促進(jìn)虛擬化技術(shù)與課堂教學(xué)的深度融合，進(jìn)一步推動(dòng)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)改革。

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（編輯：魯利瑞）