应用型本科院校《数据结构》微课及教学改革研究

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　　摘要：按照“全面建设合格课程，重点建设学院重点课程，创建学院优质课程”的建设思路，不断进行课程教学改革与创新。针对目前《数据结构》教学中存在的问题，进行应用型本科院校《数据结构》课程教学目标及教学对象分析，提出了从教学内容组织、教学方法、实验教学和考核方法四个方面进行教学改革的方案。以陕西省第二届微课竞赛三等奖作品为例，分析数据结构中《栈的应用》中的主要知识点、教学设计及授课效果。教学实践表明：该方案的实施可取得明显的教学效果。
　　關键词：微课课程;应用型本科院校;教学改革;教学方法;双向互动
　　中图分类号：G642 文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2020）03-0130-03
　　《数据结构》是计算机科学与技术专业、软件工程及相关专业的一门重要专业基础课。通过该课程的学习，使学生能够针对实际问题，分析数据之间的关系，设计合理的存储结构和算法[1]，为后续课程学习打下良好的基础。学生学好该课程，对于学习其他课程、考研以及培养解决问题[2]的能力等至关重要。因此，该课程教学改革的研究具有非常重要的意义。
　　按照“全面建设合格课程，重点建设学院重点课程，创建学院优质课程”的建设思路，加强课程建设，不断进行课程教学改革与创新。针对目前《数据结构》教学中存在的问题，提出了从教学内容组织、教学方法、实验教学和考核方法四个方面进行教学改革的方案。
　　1《数据结构》教学目标及教学对象分析
　　1.1 教学目标
　　通过《数据结构》的学习，知道《数据结构》这门学科的性质、地位和独立价值[3];理解算法在数据结构中的地位和作用;知道数据结构的研究范围、研究方法、研究现状和未来发展趋势[4];掌握数据结构的理论实质内涵;熟练掌握数据结构算法实现的基本方法。
　　1.2 教学对象分析
　　《数据结构》的教学对象是计算机科学与技术专业、软件工程专业的本科二年级学生，此类学生在学习《高级语言程序设计》课程的基础上，再学习《数据结构》课程，就具有比较坚实的理论基础[5]，具备用C语言开发应用程序的能力，能够更加深刻的理解和领会《数据结构》中算法的实现思想和实现过程。
　　课程开设前，组织学生召开教学联系会，通过和学生面对面的交流，发现学生对基本语法、基本概念掌握情况，如单个知识点掌握较好，但综合应用能力较弱，动手能力有待提高。
　　在学习、研究《数据结构》课程标准以及本课程现在所用教材的基础上，对教学内容进行精心设计，在教学实施过程中注意采用灵活多样的教学形式，引导学生在学习过程中养成积极思考的习惯，激发学生的学习热情，最大限度发挥学生的主观能动性和创新精神，培养学生的探究意识和科学精神。
　　2《数据结构》的教学组织与微课举例
　　《数据结构》是一门专业技术基础课。贯穿《数据结构》的命脉是存储结构和算法描述[6]，而描述又是围绕线性结构和非线性结构进行的。每个章节之间既相互独立，又相互联系。教学中，如果能抓住主线，理清其内在联系，对整个内容进行有机整合、合理安排，必将起到事半功倍的效果。
　　本课程制作SPOC平台，通过课程建设将课程视频、课件、大纲、评论、问答、辅助教学资源等上传至平台，学生可通过账号进行学习。根据课程内容，召开相关见面会、团队成员一起进行微课的设计，包括字幕配音稿，音乐，素材，相关图片，拍摄模式（外景拍摄模式+扣像模式+背景虚化模式）等构成。本课程每周4课时，共64课时，录制视频时每个知识点大概10-15分钟，至少录全部章节的一半章节内容。
　　2.1 线性结构
　　线性结构包括线性表、栈和队列、串、数组和广义表。其中，线性表是最基本、最简单的一种线性结构（7J，掌握了它的原理及操作方法之后，对于栈、队列和数组的教学就非常容易。因此，应该将线性表作为教学的重点，并以它为主线带动其他章节的教学。在教学中，要重点分析其本质，并讲清其内在的区别和联系。
　　以陕西省第二届微课竞赛三等奖作品为例，分析数据结构中《栈的应用》等主要知识点授课。栈是限定在表的一端进行插入和删除操作的线性表，特点是“后进先出”。本微课用一个实际问题引入教学，激发了学生的学习兴趣。采用PPT、flash动画和算法演示系统辅助教学，采用“问题链式”等多种教学法相结合，层层递进地与学生双向互动，依次解决了以下几个方面的问题：
　　1）栈的出栈序列如何求解？
　　2）中缀表达式求值如何通过堆栈来实现？
　　3）后缀表达式求值如何通过堆栈来实现？
　　最后用所学知识成功解决了开篇提出的问题，为课程的学习画上了一个圆满的句号。通过本微课的学习，达到以下教学目的：
　　1）学生了解栈的定义和特点。
　　2）学生掌握用堆栈进行中缀表达式求值的实现方法和算法思想。
　　3）学生掌握用堆栈进行后缀表达式求值的实现方法和基本步骤。
　　重点内容是栈的特点和栈的应用。难点是中缀表达式求值和后缀表达式求值。
　　2.2 树形非线性结构
　　非线性结构包括树和图。主要涉及树和图的各种算法、知识要点以及在工程中的应用。其遍历算法的本质是将一个非线性结构转化为线性结构。
　　树的重点是二叉树，主要介绍二叉树的概念、存储、算法，树的遍历及线性化。重点要讲清楚平衡二叉树、排序二叉树、满二叉树、完全二叉树及最优二叉树的概念，以及它们之间的关系，进而使学生对二叉树有一个全面、清晰的理解。
　　2.3 图形非线性结构
　　图这一部分要以存储结构邻接矩阵、邻接表、十字链表的教学为重点，对每种存储结构，分析其利弊关系。图的应用如最小生成树算法、最短路径算法、关键路径算法等也是这部分教学的关键，学生往往难以理解和接受。这就要求教师详细分析其算法的思想，以及其来龙去脉。在学生有困难的情况下，教师可以提供给学生算法的源程序，并让学生上机实践。 　　排序和查找也是以线性结构和非线性结构为基础的。如查找过程和排序过程都可描述为二叉树，因此，这部分内容应把讲授的重点放在介绍其思想和方法上。
　　3《数据结构》的教学方法与微课教学设计举例
　　3.1 教学方法
　　根据教学内容的特点，一般采用“问题链式”教学法、启发式教学、研讨式及案例式教学等多种教学方式。
　　针对《数据结构》课程层次性，逻辑性很强的特点，老师主要采用“问题链式”教学法，并通过flash动画演示、课堂讨论、“启发式”教学等多种教学方法和手段，进行课堂教学。学生主要通过讨论、提问等方式进行学习。
　　“问题链式”教学法的一般模式是首先通过引入，提出问题，然后解决问题，再提出问题，解决问题等等，以此类推，环环相扣，形成一个问题链。“问题链式”教学法，其本质是以“问题”贯穿整个教学过程，以实现教学目标，培养学生思维能力，激发创新潜能。
　　针对数据结构教学内容抽象、不容易理解、算法复杂等特点，进行实验教学方面的改革。采用算法演示系统与C语言环境相结合的方式进行教学。算法演示系统可以动态地演示数据结构算法执行过程，使得抽象问题具体化，增加学生学习的积极性和主动性。注意教学方法的灵活性，组织学生进行问题教学、阅读指导、研讨、师生互动等，尤其是通过观看演示模式，使复杂的理论知识形象化，具体化，增加学生的学习兴趣，提高教学质量。提供给学生一些思考题，然后组织学生讨论，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力和探究意识。
　　在教学媒体使用方面，重点研究多媒体等现代化教学媒体的应用，充分发挥其在教学中的形象、直观等优势[8]，以利于提高教學效果。在多媒体课件的制作中，突出本课程教学过程中重点、难点的演示，对一些抽象的内容以动画的形式展示，帮助学生理解学习。
　　3.2 微课教学设计
　　下面以10-15分钟的微课课程《栈的应用》为例，如表1所示，进行微课教学设计。
　　4 课程教学改革
　　4.1 微课教学改革效果
　　在学习、研究《数据结构》课程标准以及本课程现在所用教材的基础上，对教学内容进行精心设计，在教学实施过程中注意采用灵活多样的教学形式，引导学生在学习过程中养成积极思考的习惯，激发学生的学习热情，最大限度发挥学生的主观能动性和创新精神，培养学生的探究意识和科学精神。
　　采用微课的授课方式、“问题链式”教学法、启发式教学、研讨式及案例式教学等多种教学方式相结合的方式的教学，效果良好，作者所讲授《栈的应用》作品获得陕西省第二届高校教师微课教学比赛三等奖。
　　1）变“被动学习”为“主动学习”，培养学生的创新性思维。
　　2）使学生从感性认识上升到理性认识，使教材内容化难为易，化抽象为具体，达到掌握知识的教学目的。
　　4.2 课程教学模式改革
　　教学模式一般可以分为集体授课和个别学习两种，目前教研室所承担课程的主要教学模式是集体授课方式，充分调动“教”和学生“学”两个方面的积极性，让学生始终主动参与教育教学过程。其中教学班是主要的教学组织，班级授课制是目前教学的主要组织形式。在教室合班或单班上课均可，建议每周安排2次课，即4学时。针对某些期班的特殊情况，可以采取个别学习的方式。
　　4.3 实验教学改革
　　实验课教学，在软件工程验室进行，确保单人单机，建议理论课开始20学时后，安排每周1次实验课，即2学时。教学中加强实验室教学这一环节，实验内容结合DOS、Windows操作系统平台，包括线形表的实现、栈的表示与实现、二叉树的先序遍历、二叉树的后序遍历以及二分法查找的实现等不同深度。让学生动手操作、编制模式、上机调试。对每个实验，均要求学生完成实验报告。
　　学生业余学习场所应有校园网网络资源，以便学生充分利用数据结构网络资源进行课程内容温习，为学生充分发挥学习潜力创造较大的空间和提供良好的平台。
　　4.4 考核方式改革
　　1）考核目的
　　这门课程的考核目的是评价学生对《数据结构》课程的理解与掌握程度，通过分析算法、上机实验等实践环节，检测学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，使学生具有较强的算法收集、分析、编写能力;能够在学习、研究过程中发现问题，并能够运用所学知识去分析解释，有一定的独立思考、分析概括和创新能力。
　　2）考核方法
　　这门课程一门考试课，一般应安排在课程末或期末进行，采用笔试考试（80%）和实验考核（20%）相结合的形式进行。笔试考试时间为120分钟，实验考核成绩以实验报告和上机完成情况给定。
　　5 结束语
　　由于《数据结构》是计算机专业的骨干、核心课程，也是大多数学校研究生入学考试的必考课程，因此，对于该课程的教学，不仅要从理论上进行探讨，还要从内容组织、教学方法等方面进行研究。
　　《数据结构》是计算机科学与技术专业、软件工程及相关专业的一门重要专业基础课。也是大多数学校研究生入学考试的必考课程。结合陕西省获奖作品《栈的应用》，我们提出了从教学内容组织、教学方法、实验教学和考核方法四个方面进行微课及教学改革的方案，并在教学中进行了实施。选用较为适宜的教学方法和比较科学、先进的教学手段，有利于培养学生实践能力和创新精神;构建“自学指导，课外训练、实践实验技能训练”三大课外自主学习体系建设，建立网络教学资源库，教学效果良好。
　　参考文献：
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　　[3]刘平山，张瑞霞，周娅.微课移动学习系统设计与教学实践[J].当代教育理论与实践，2016，8（5）：85-87.
　　[4]王海艳，骆健，基于微课的《数据结构》多元化教材建设研究[J].教育教学论坛，2017（25）：205-206.
　　[5]赵庆聪，基于翻转课堂的数据结构课程实验教学模式研究[J].大学教育，2016（02）：9-10.
　　[6]刘晓静，王晓英.基于翻转课堂的数据结构与算法课程教学实践[J].微型电脑应用，2015（31）：18-19.
　　[7]张瑞霞，文益民，周娅，等.数据结构课程微课设计与应用研究[J].计算机教育，2015（16）：59-62.
　　[8]唐世刚，钟万林.互动式教学模式构建研究[J]教育理论与实践，2013（18）：42-43.
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