数据结构与算法分析立体化教学模式探索

华 伟，张 典，姜官男，徐自励

（1.四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065；2.中国民航总局第二研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

数据结构与算法分析作为本科核心课程，与现代信息社会密切相关。然而，由于本课程理论性强、概念抽象, 需要较扎实的数学基础[1]，在学习过程中，学生不容易理解，会产生畏难情绪；传统的全程讲授方式，需要学生长时间集中注意力，易导致学生课堂疲劳[2]。由于知识的连贯性强，前面的知识未掌握，后面的知识就可能听不懂，有些学生会因此丧失学习兴趣。部分学生缺乏主动思考的能力，尚未养成主动学习的习惯，有消极依赖心理，学习效率低，不能适应大学的学习进度。部分学生对数据结构与算法分析课程兴趣不足，不是缺乏刻苦钻研精神，而在于没有找到适合的方法。如何改变这种令人困扰的现状，提高教学质量，是本课程教学改革的难点，也是笔者进行教学探索的主要目的。

1 基于“全方位立体化”教学模式

“全方位立体化”教学模式以“小组合作”为核心，由全方位辅助教学、开放式课程考核共同组成，将学生学习兴趣的提高和知识体系的构建作为突破口，改变教师和学生的角色意识，帮助学生进行自主学习，成为教学方式改革的关键。应改变传统的授课模式，将教师的角色从知识的传授者变为引导者。在有限的课堂教学时间内，要打破按照章节安排详细介绍每个知识点的惯例，注重介绍课程内容相关的知识架构。由教师引导学生搭建知识网络，帮助学生自主学习，要求学生从被动地接受知识，变为深入思考，找出问题，主动学习。

1.1 小组合作

为使课程充满挑战性、趣味性，教师给学生布置小组任务，通过挑战自我、培养兴趣的助力，使学生具有自主深度学习的动力，真正做到主动学习。

教师在课堂上搭建知识网络，提出小组任务，设置小组协同完成和个体独自完成相结合，涉及个人思考的问题要求每位成员独立完成；记录项目具体分工，鼓励学生适度竞争，激发学生的自主学习[3]。

学生参与不同的学习小组，共同完成小组项目设计并在课堂上展示小组成果；学生为了准备课堂报告和有效参与课堂讨论，课下以小组合作方式进行大量检索、阅读、思考；学生课堂上按照教师的要求，以小组设计报告方式展示成果，进行课堂讨论；教师在学生已有工作的基础上，按照课程安排拓展题目深度和难度，布置新的任务，让学生继续挖掘项目涉及的学习内容。

在循环往复的项目设计过程中，学生发现学科中的问题，进行自主学习，研究能力、口头表达能力、团队协作能力、独立思考能力等都得到实质性的提高。学生与教师共同参与讨论、点评的评价机制给学生带来学习的压力和动力。

1.2 全方位立体辅助教学

由于采用小组项目设计、讨论总结的方式，必然会有大量问题无法在课堂得到圆满解决。为了使学生适应“小组合作”教学模式，笔者采取了全方位立体教学的方式进行补充。选修本课程的学生加入本课程的课程中心网站，可以得到本课程的教学内容、教学要求、推荐书目、发布公告、教学动态等信息。教师采取的其他辅助手段有QQ群、文献检索集中培训、小组讨论、个别辅导、随堂测验、实验等。其中，针对学习中的难点，在网站上提供辅导资料，供学生自主学习，通过QQ群及时进行辅导；对于普遍性的问题，教师在网站上公布相应解决方案；当学生要求面对面的辅导时，可以在每周固定时间预约单独辅导。这些手段的使用获得良好效果。

1.3 课程考核

在“小组合作”教学模式下，应改变课程考核机制，以过程考核为重点，设置小组完成任务、线上作业、课堂测试占课程考核的比例，以激发学生参与小组合作，共同完成任务的动力。

设置小组任务是对理论知识的延展，与生活实例相结合，使学生开拓思维，提升综合能力。教师不但对小组学习结果进行评价，更要重视学生在小组学习过程中的合作意识与学习效果。教师分阶段与各小组成员交流，了解进展，一方面督促学生自主学习、协作学习，另一方面及时发现学生遇到的困难，帮助解决问题。此外，“小组合作”模式建立在多角度评价体系基础上。教师打分、学生自评、学生互评等多角度评价体系，增强了学生信心，有利于互相学习，逐步加深对课程知识的理解与掌握。

1.4 教学实例

针对小组合作授课模式，通过布置小组项目任务的形式，从学生感兴趣的实际问题入手，教师把抽象的理论概念融入学生的小组项目，辅助学生进行深度学习的两个实例，探讨进行理工课程教学模式的改变以及效果，从而提高学生的兴趣。在解决小组设计问题的过程中，强化学生对概念的理解，让学生主动参与到教学活动中，提高教学效果。

1.4.1 实例一

题目：用数组（顺序表）、链表实现学生个人基本信息的操作（要求信息包含姓名、性别、学院、班级、学号等；信息的录入包含插入、查询、修改、删除等操作），现场演示程序的实现。对比顺序表与链表来解决学生个人基本信息处理问题的优缺点。

学生个人基本信息录入系统是学生经常接触以及使用的软件，引导学生了解结合数据结构知识在这些问题中的应用，分析顺序表和链表在不同情况下的优缺点，使学生了解数据结构知识之间的关联性。在实现这些程序的过程中，学生掌握了顺序表和链表的知识；应用知识的过程中，也将抽象的知识转化成现实中的实例，加深了对知识的理解，有效地激发了学生的学习兴趣。

随着解决问题过程的深入，仅有课本上的数据结构知识还是不够的，还必须进行编程实践，实现数据存储、插入、删除、查找等操作，在实现这些操作的过程中，更加直观地观察到顺序表和链表是如何完成对数据的操作。小组内的学生通过互相帮助，共同努力完成这个课题，不仅提高了学生的学习效率，更培养了学生之间团结互助的精神。

1.4.2 实例二

教师针对学生特点，设计非标准答案类型题目，改变以试题考核学生的方式。该题目从课程中选出最感兴趣的一个知识点展示。

题目：结合基本知识点，以小组形式讨论，理解并个性化展示，形式不限。从学生的选题情况来看，内容涵盖了各章节的知识点，例如链表与顺序表、BST（二叉检索树）、栈的应用、内排序等。学生完成的形式也丰富多彩：以小说的形式，描述了以数据结构为根基的魔幻森林，需要执行顺序表和链表相应正确的操作在数据结构的魔幻森林里进行探险；利用栈操作实现表达式的PPT，编程实现了一个计算器；二叉树还原方法在线教学视频；采访纪实，采用记者提问专家回答的方式讲述顺序表的优缺点以及在顺序表中学生信息管理系统实现；以漫画形式生动地展示二叉树的遍历方式；写成论文的形式等。

这些作品充分展示了学生的想象力、创造力。开放式考核方式减少了学生的畏难情绪，提高了学生的兴趣，培养学生灵活运用知识解决实际问题的能力，改变思维定式，激发想象力。积极查阅资料、主动思考有助于培养出基础知识扎实，且具有独立思考能力的优秀学生。

2 教学效果的考察

“全方位立体化”教学模式是有关教与学的乐观主义教学模式，是一种群体教学与个别教学相结合的形式，维持了班级授课制为主体的组织教学形式；全方位立体化教学、小组学习等模式最大限度地让每个学生参与，从学习时间重新分配，到发挥各自的优势，给予学生更多的自由度，使学生能够根据自己的步调调整学习节奏，做到学习向学生的回归，体现以学生为主体的教学模式转变。教师转变自身角色，从教学活动的主导者转变为学生学习的合作者，以共同学习和探讨的方式参与学生的学习，使学生的学习主动性得到充分发挥。

“全方位立体化”教学模式是属于促进学习者发生有意义学习的信息化教学模式[4]。从问卷调查结果可以看出学生每周自主进行该课程的预习时间与复习时间超过两小时以上分别占了74%和68%，有效地促进学生自主地进行有意义的学习，见图1。

图1 学生每周预习及复习时间饼状图

3 教学反思与问卷调查

数据结构与算法分析课程的教学改革实践，从经验型教学走向研究型教学，需要不断提高自身的教学水平[5]。

教学录像可以完整地记录教师在课堂教学中的表现，课后可以检查内容安排是否合理，观察和学生之间的互动，发现课堂教学过程中的问题，及时改进教学安排。例如，学生连续上两节课，第二节课部分学生会有注意力难以集中的现象。在第二节课开始时，教师用5分钟左右的时间进行课堂小测试，学生讨论答案，互相批改，不仅巩固知识，也有助于学生产生新的兴奋点，尽快回归到学习状态。

教师应换位思考，从学生心理层面，站在学生的立场理解学习新知识时遇到困难的焦虑，选择学生接受和喜欢的授课方式，解决学生问题。

通过问卷调查的统计结果表明大多数学生持支持态度。有的学生说：“同学之间形成小组互助，我认为对于这门课的学习有很大的帮助，尤其是一起做小组任务的时候，大家会一起讨论，交换想法，能够拓展我们的思维。”还有学生认为“教学方式非常新颖，有不错的教学效果，能够调动学生的积极性，主动学习知识，反复研读教材，而且每节课都会复习上节课的内容，这一点我觉得很好，可以查漏补缺，加深印象。”详情见表1。

学生反映课堂的教学方式还需要进一步改善，例如希望提高时间利用效率，鼓励学生提问，加强讨论活跃度，提高课堂讨论中学生的参与度。

表1 问卷调查结果

4 结 语

四川大学为贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》，深化教育教学改革，提高人才培养质量，以培养具有深厚的人文底蕴、扎实的专业知识、强烈的创新意识、宽广的国际视野的国家栋梁和社会精英为人才培养目标，鼓励教师不仅要传授知识，更要教会学生运用知识、创造知识，要引导学生发现、分析和解决问题，使学生具有扎实的专业知识基础，掌握科学的思维方式，具备独立思考能力、创新创业能力、协作和社会担当能力[6]。其中，数据结构与算法分析是电子通信类重要的基础课程，“全方位立体化”教学模式的探索，小班研讨教学，充分体现了教学与科研相统一的现代高等教育思想，能够调动学习者的主体力量和自我教育潜能[7]，激发了学生主动学习，主动思考的热情，学生的出勤率和考试成绩明显提高，教学效果明显改善。教学改革是一项持久而重要的任务，需要师生的共同努力。