虚拟仿真技术在数据结构与算法课程教学的应用探索

刘兰兰 邹青宏 谢从晋

一、引言

随着信息技术的突飞猛进，虚拟仿真技术被越来越多地运用于教育教学工作。通过信息技术、智能技术与实验教学的深度融合，实现“网上做实验”和“虚拟做真实验”，能够充分调动学生参与实验教学的积极性和主动性，激发学生的学习兴趣和潜能，增强学生创新创造能力。［1］

二、教学现状

在数据结构与算法的传统教学和实验中，针对算法的设计和实训，学生普通反映存在一些问题：一是算法的逻辑性强、晦涩难懂；二是算法的执行过程抽象、难理解；三是理论知识与实践操作存在差别、脱节，所学理论知识很难融入具体的实践案例中做到活学活用；四是教学过程以提供文本、图片、视频等平面媒体为主，缺少交互性和沉浸感等问题。［2］［3］如何有效地改善或解决这些问题也成为每个计算机相关专业教师着力解决的事情。

数字化时代，虚拟仿真技术赋予了教学方式更多的实用手段。虚拟仿真实验能够让学生直观、形象地感受用户的操作如何在计算机的硬盘中实现的过程，而不仅是抽象地通过图片或视频来进行演示存储、调用原理，解决学生在学习数据结构过程中觉得抽象、晦涩等问题。［4］同时，基于实践案例进行虚拟的仿真实现，能让学生深刻体会数据结构与生活的关系密不可分，从而提升教学效果。［5］

三、虚拟仿真技术在数据结构与算法课程教学的应用探索

（一）教学案例

本文以轨道交通线路的计划为例，构建虚拟的地铁轨道交通图网，模拟列车实际运行轨迹，让学生身临其境进行时刻表场景设计。通过数据结构课程中的线性表结构知识，规划车站中列车时刻的线性和非线性两类存储方法进行虚拟仿真实验。为了更好地模拟实验的真实性，并考虑地铁突发情况及其定位的应用，实现从系统的场景认知、设备认知、方案分析设计、设备部署到系统测试全生命周期开展实践。在此虚拟仿真实验系统中，学生可以直观、形象地看到在电脑中输入一个数据，编写一段代码等相关的操作如何在计算机的硬盘中实现的过程，而不仅仅是抽象地通过图片或视频来进行演示存储原理，实现了软件算法与硬件知识的融合。与此同时，基于规划轨道交通运营时刻对轨道交通运营线网进行了虚拟的构建，学生身临其境进行操作，体验了线性表相关算法的可视化调试和分析过程，实现了理论与实际的结合。有助于促进学生实践能力的提升、科学思维的拓展以及创新意识的培养。

（二）实验原理

1.理论原理

（1）线性表的概念，线性结构的特点。列车时刻设计的逻辑结构可用线性表表示，每个列车的时刻可用一个一维数组存储。

（2） 线性表的顺序存储。逻辑上相邻的数据元素存储在物理上相邻的存储单元中的存储结构，对应于后续的实验即是将逻辑上相邻的时刻表在硬盘中也连续存储。

（3）线性表的链式存储。结点在存储器中的位置是任意的，即逻辑上相邻的数据元素在物理上不一定相邻。

（4）线性表相关操作。线性表两种存储方法的基本操作包括：初始化、插入、删除、查找。

（5）遗传算法运用于特殊情况处理。基于学情分析，授课年级为大学二年级学生，对此部分人工智能算法的理解有一定难度。因此，此部分主要为课外拓展部分，开放给学有余力的学生进行学习。大部分学生由教师给出算法模块，能进行算法的使用即可。

2.交互式操作步骤

以下为各个步骤的详细说明，见表1。

步骤1：启动后显示模式选择界面。有“学习培训”“实验模拟”和“实验考核”三个部分可供选择。学生选择“学习培训”完成理论知识复习任务。

步骤2：学生根据给出的某一条地铁线路的时刻数据，建立轨道交通的逻辑结构，即整理为一张线性表。

步骤3：选择“顺序存储”，学生在算法位置输入初始化线性表的算法，点击算法每一步相应的步骤，右侧虚拟仿真场景会先显示算法的实现原理。学生按照提示将步骤2的线性表输入系统，开始后系统开始虚拟仿真演绎数据从转化到二进制到如何在硬盘中存储的过程。

步骤4：根据虚拟场景提供的要求，将一条列车数据插入保存的顺序表中。学生依据提示输入数据右侧虚拟仿真场景呈现数据的插入在计算机硬盘中的实现过程。学生编写插入算法，每点击一处相应的代码块，右侧的虚拟仿真实验即演示插入算法的实现原理，以及如何在计算机硬盘中的实现过程演示。

步骤5：根据虚拟场景提供的要求，将删除顺序表中一条列车数据。学生编写删除算法，每点击一处相应的代码块，右侧的虚拟仿真实验即演示删除算法的实现原理，以及如何在计算机硬盘中的实现过程演示。

步骤6：查询某一班次的列车。输入查询的关键算法，虚拟仿真系统提供待查找值在硬盘中的顺序表的查询过程。

步骤7：选择“链式存储”，在算法位置输入初始化线性表的算法，点击算法每一步相应的步骤，虚拟仿真场景会先显示算法的实现原理。学生按照提示将步骤2的线性表输入系统，点击“开始”按钮。系统开始虚拟仿真演绎数据从转化到二进制到如何在硬盘中存储的过程。

步骤8：根据虚拟场景提供的要求，将一条列车数据插入保存的链表中。学生依据提示输入数据右侧虚拟仿真场景呈现数据的插入在计算机硬盘中的存储过程场景演示。学生编写链表的插入算法，每点击一处相应的代码块，虚拟仿真实验即演示插入算法的实现原理，以及如何在计算机硬盘中的实现过程演示。

步骤9：根据虚拟场景提供的要求，将删除链表中一条列车数据。学生编写删除算法，每点击一处相应的代码块，虚拟仿真实验即演示删除算法的实现原理，以及如何在计算机硬盘中的实现过程演示。

步骤10：根据虚拟场景提供的要求，将查询链表中一条列车数据。学生编写查询算法，每点击一处相应的代码块，虚拟仿真实验即演示查找算法的实现原理，以及如何在计算机硬盘中的实现过程演示。

步骤11：所有的步骤完成之后，点击运行按钮，系统模拟仿真所有时刻列车在地铁线路上运行的场景。

步骤12：“实验考核”部分通过作答选择题测试对相关算法原理的理论认知，通过虚拟仿真感受数据的存储及修改过程，通过算法的编写和演示过程，掌握顺序表和单链表相关的基本操作。并生成实验报告，上传系统。

（三）评价反思

教师对学生进行评价时，主要对前面实验的结果、报告、自测题等方面对学生的实验成绩进行综合考核。实验报告主要包括两部分：（1）记录学生在实验中成绩、实验操作效果和统计信息，如动画演示任务的完成、各部分操作次数、轨道交通时刻的规划等。（2）学生填写心得体会、整理实验过程、记录思考过程。

与此同时，从评价的多元化考虑，不仅有教师对学生的评价，也在系统上设置了学生对教师、课程以及实验过程的评价。尊重学生在教育评价中的主体地位，引导学生积极评价自身的学习成果和学习表现，并客观评价参与教育的共同体的教学活动。

四、结语

基于轨道交通运营时刻规划构建了虚拟的仿真场景，不仅使不同水平的学生都能在实验中发挥作用，承担相应的综合设计实验任务，促进学生之间的交流与协作，培养学生的综合素质以及解决实际问题的能力，还使学生通过实验过程深刻体会数据结构与生活的关系密不可分。在进行轨道线路编排的时候，考虑学生本身知识掌握的情况，只设计一条线路的时刻编排。但在实际生活中，轨道交通的线路多达十多条，且不同的线路网之间有交叉，节假日或天气原因等还可能出现晚点等情况，因此今后应考虑在此基础上逐步增加贴合实际情况的轨道交通情况，给学生提供贴合实际的更多虚拟模拟场景。

参考文献：

［1］陈彬，郜振华，徐宏，等.我国虚拟仿真实验教学的研究现状分析及对策建议［J］.中国现代教育装备，2023（15）：30-32.

［2］刘兰兰，谢从晋，邹青宏.智慧教育背景下“数据结构与算法”课程建设［J］.科学与信息化，2023（14）：128-130.

［3］董卫萍，蔡尚真.新工科背景下混合教学模式探究——以“数据结构”课程为例［J］.绍兴文理学院学报，2020（6）：6.

［4］连远锋，张鑫，庄永琪，等.数据结构与算法可视化调试虚拟仿真实验系统设计［J］.实验技术与管理，2023，40（5）：122-129.

［5］刘嘉昕，游珍，黄捷文，等.基于庐山三维场景的图算法虚拟仿真系统研究［J］.计算机与现代化，2020（012）：000.

［基金项目：2023年重庆市高等教育教学改革研究项目，项目名称：智慧教育背景下《数据结构与算法》课程建设与实践，项目编号：234135。］

责任编辑  朱守锂