高校数据结构与算法课程实验改革与平台建设

王代君　唐麟

【摘 要】针对在数据结构与算法实验教学中如何提高学生的编程和算法设计能力，分析并指出了在实验教学中普遍存在的问题，结合实验课的教学改革，开发实验平台，以期有效激发学生的学习兴趣和积极性，培养动手和创新能力。

【关键词】数据结构与算法 实验改革 平台建设

【中图分类号】 G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2014）07C-0132-03

数据结构与算法实验是计算机专业学生必修基础课数据结构与算法的配套实验课程，是培养学生程序设计技能必不可少的重要环节。其目标之一是培养学生能运用理论知识与算法技术分析解决实际问题，能运用高级程序设计语言编程实现算法。从近年实验情况来看，在上机编写程序实现具体算法时遇到的种种问题，效果不容乐观，学生很难按时完成实验所要求的内容。

一、实验教学存在的问题与分析

数据结构与算法实验是一门实践性很强的技术基础课，经过多年实验教学分析，发现普遍存在如下主要问题：

（一）课程抽象，实验难度大

数据结构具有一定的抽象性，学生面对抽象概念在学习过程中常会遇到困难，基本每本理论教材在呈现概念时都会受到多方面限制，比如篇幅的限制，省略了算法细节部分或只给出伪代码，由学生自己补充，学生需要将算法用程序设计方法实现，完成有一定难度和技巧的程序设计并上机调试运行。对编程基础稍微薄弱的学生来说，就会出现不小的困难。

（二）实验相关资料偏少

由于学生基础薄弱，实验前又没有更多的相关实验资料进行预习，仅靠看课本理论和实验时的几个学时难以完成实验所要求的任务，也就谈不上创新人才的培养。

（三）学生程序设计语言课程基础薄弱

数据结构与算法课程是第四学期开设，对于很多先修课程要求高，高级程序设计语言是大学生进校第一、二学期学习，第一学期学习过程序设计思想，第二学期学习面向对象程序设计思想，由于大部分同学高中没接触过计算机语言学习，对过程程序设计思想还没掌握透，第二学期的面向对象程序设计学习又开始，学习非常吃力；导致常用的一些语法结构，如指针和结构体等内容难于理解。而这些语法恰恰是程序设计语言教学时的难点，也正好是学生完成数据结构实验必须掌握的内容，这给部分学生学习带来了一定困难。

（四）编程语言难

数据结构与算法编程语言描述主要用到C++语言，并大量用到了指针、链表和结构体等运算，这部分内容正好是大多数学生掌握知识点薄弱的环节，导致学生很难用高级语言将教材中的算法描述出来，由于问题的堆积、实验的欠账，容易使学生丧失学习兴趣和信心，导致学生间抄袭程序或实验报告的现象。

（五）编程技巧差

普通学生在低年级只编写过功能单一、结构简单的程序；而从功能单一的简单程序向涉及算法和稍复杂程序的数据结构编写过渡学习时，需循序渐进的方式和细致的引导，紧密结合理论教学。学生一下从简单编程直接到复杂的程序设计，不仅不适应，且设计技巧性较差。

二、实验教学改革目标的提出

根据以上学生实验时出现的诸多问题，特提出该课程的实验改革目标：

一是紧密配合理论教学，通过相关实验，帮助学生加深对数据的逻辑结构、存储结构、算法思想和具体实现等各个环节的整体理解，强化学生“结构——算法——编程”三者密切相关的意识，让学生思考和发现利用数据结构解决实际应用问题的有效方法，从而使学生分析和解决问题的能力得到锻炼和提高。

二是因材施教，让原本不同水平和能力起点的学生通过数据结构实验，能力和水平都有所提高，并且有兴趣有信心学好数据结构课程。

三是培养学生多方面能力，比如团队精神，口头表达能力，对学生全方面发展起到较好的推动作用。

三、调整实验项目内容，使其更加符合学生的认知规律

数据结构与算法实验内容主要是编程实验，提高学生的实践编程能力，巩固和强化理论课的教学效果。为了保证和提高实验教学质量，加深对课堂知识的理解，培养学生动手能力和思维能力，尝试对数据结构与算法实验项目进行重新设计，主要内容有：

针对编程基础较薄弱的学生，我们开发了数据结构与算法实验教学平台，学生在该平台上可获知实验相关的更多内容，通过平台引导学生重点回顾程序设计语言的基础知识，特别是数组和指针等有关操作。通过这些辅助手段，使学生对将要编写程序的一些语法和程序规则有所复习和掌握。还可通过平台对实验原理的动画演示，得到帮助和启发，从而更好更快地完成实验内容。

每个实验内容以章节为单位安排，依据实验教学目的，针对计算机相关专业所要达到的不同实验教学目标，以及考虑学生个体差异，每个实验项目都设置基础必做题和附加选做题两部分内容。这两类实验都需要紧密结合理论教学。必做题相对简单，目的在于帮助学生掌握基础知识。对于该部分题目，学生容易完成，能提高学生学习积极性并增强学习信心；选做题针对学有余力的学生，各个实验项目中的必做题均设计详细的实验准备内容，用于引导学生更好地进行实验前预习准备工作；主要在于培养和鼓励学生的学习兴趣和扩大知识面，进一步培养学生应用能力和创新意识，保证基础弱的同学学习兴趣，也提高了编程能力强的同学动手能力。例如，与线性表一章理论教学相配合的实验项目是多项式加减法，这个实验是对线性链表的建立、插入、删除、遍历等进行综合运算，对数据结构与算法第一实验内容来说稍有难度，可作为选作题或增加实验学时。在与栈一章理论教学相配合的实验项目是迷宫，这部分实验内容要求掌握回溯法和栈的基本运算等知识，有一定难度；用括号匹配作为必做题，能培养学生独立钻研，有助于学生解决问题能力的训练。

四、实验教学方法探究

实验前学生必须先预习和熟悉实验教学平台，了解实验内容的目的和要求，理解算法，描述语言的语法，查看相关资料，写预习报告。

通过多年实验教学中实验完成情况分析，软件工程专业的学生语言掌握较好，大部分学生能按时完成实验项目，其它专业的学生实验完成情况较差；由此，实验编程语言可以因学生而异，除软件工程专业的学生采用面向对象程序设计C++外，其它专业主要采用C语言描述，并且可增加前期语言学习时间。只有编程语言掌握扎实，数据结构与算法实验才能很好地完成。

开发数据结构与算法实验网络教学平台系统，该平台主要包含有课程介绍、在线课程、互动学习、下载资料等模块。有针对性地对每一个实验项目进行详细讲解和实验原理分析的动画演示，将抽象的数据结构问题制作为教学动画，借助形象的案例理解抽象的概念。教学内容利用Web页面为基本元素出现在站点中，学生通过访问站点来进行交互式学习。以辅助学生自主学习为主要目的，解决学生实验时无从下手的局面，启发学生思维，促进学生程序设计能力的提高。平台系统流程图如图1所示。

在线课程是教学平台核心部分，也是学生对数据结构与算法实验加深理解的重要环节，该平台从实验预习，到实验原理算法的演示，再通过在线课堂的视频教学、在线测试题训练及各种原理进行拓展教学。为了方便学生学习较抽象的数据结构与算法，能顺利进行程序编写，该教学平台还包含有18个flash动画用于原理算法演示，主要包括栈和队列、线性表、递归、查找与排序、树、图等内容，每个flash动画都有实验原理及主要代码实现过程，能更加形象展示数据结构的原理。例如：栈是一种先进后出的数据结构，在对栈原理进行动画设计时，根据用数组实现栈的特点，采取对栈先进行初始化的代码模块来对栈进行初始化，之后运行相应代码模块观察压栈出栈过程，同时还能观察到栈中数据的变化。在大部分flash动画演示过程中，flash页面左侧是代码部分，能体现当前执行的代码，并与右侧的动画演示及讲解分析一一对应。演示过程中如用户需要重新开始，还可点击“重新开始”按钮。这些flash动画演示将代码与动画有机的结合在一起，将抽象的代码转换为有形的动画，大大方便学生学习和对实验内容的理解。

如对栈原理进行动画演示的flash点击界面中压栈代码动画效果，该动画效果包括等待入栈的数字入栈的动画效果和位于等待区域的数字前移的动画效果。等待入栈的数字、入栈的动画效果和位于等待区域的数字前移的动画效果如图3所示。

图3 压栈的动画效果图

该平台互动学习是一个教师和学生互动的场所，实现动态交互的功能，教师能添加、更改、删除各种资源，学生、教师可以查看各种资源库里的资源。同时，学生可从平台上下载练习题和测试练习题资料，练习题有主要算法描述，可帮助学生进一步理解每个章节的算法原理，测试练习题有自动报错功能。

五、改革数据结构实验考核方式

让学生对以前所做实验作一个分析和总结。具体操作方案如下：首先将学生自由分组，小组成员共同从以前做过的实验项目选做题中选择一个进行程序的分析设计和编码实现，要求考虑程序的编写规范，程序的执行效率等方面。考核时，由实验教师从该小组随机抽取学生到讲台进行讲解和演示，根据程序完成情况和学生演示情况，决定该小组成员的平均得分，而每位学生的具体得分由小组成员内部根据该学生在该程序实现中的工作情况决定。通过这种方式，能培养学生的团队意识，达到互学互助的效果，同时也锻炼了学生的表达能力。

数据结构与算法实验环节教学改革的创新之处在于依托一门编程语言以及所开发的实验教学平台，因材施教，根据不同专业实际情况，综合考虑进行实验项目、实验内容和实验准备的合理设置，帮助学生在实验课上找到自己的最好学习方式，提高实验教学质量。

【参考文献】

[1]吴兵.高校计算机文化基础课程网络学习题库的研发[J].实验技术与管理，2011（2）

[2]朱洪浩.数据结构课程“工程化”实践教学模式研究[J].赤峰学院学报（自然科学），2013（15）

[3]马晓波，王翠茹.《数据结构》实践教学改革探讨[J].内蒙古农业大学学报（社会科学版），2010（02）

[4]赵耀红，孙宇.数据结构实验教学的实践与探索[J].长春大学学报，2012（04）

[5]汪萍，陆正福.《数据结构与算法实验》的教学实践与探索[J].实验科学与技术，2011（3）