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1、基于创新理念的数据结构教学方法探讨摘 要 本文从提高学生创新意识和创新能力出发，介绍了数据结构课程的多种现代化教学模式在教学中的应用，并对数据结构课堂教学的组织与设计、网络教学方案设计以及实验教学设计等方面作了详细的讨论。 关键字 数据结构，网络教学，教学模式， 教学方法，创新 1 引 言 “创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力”， “必须不断推进教育创新”1。因此，创新教育是教育发展的根本，是社会发展的必然。在作为目前教育主战场的课堂教学中进行创新教育的结果如何，将直接影响教育创新整体推进的进程，课堂教学中的创新教育是教育创新的重要组成部分。 数据结构是计算机及相关专业中一门重
2、要的专业基础课程，也是其它理工专业的热门选修课。它涉及数据在计算机中的表示、组织和处理，以及相应结构上的算法设计和初步的算法性能分析技术。其研究思想和研究方法在计算机科学中许多有深度的研究领域得到广泛的应用，为学生今后从事理论研究、应用开发、技术管理工作提供了坚实的理论基础2。但该课程具有相当的抽象性和动态性，容易造成教学低效和学时膨胀。如何使学生更好地掌握最常用的数据结构，理解数据结构内在的逻辑关系，数据与关系在计算机中存储表示以及在这些数据结构上的运算和实际的执行算法，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，是这一门课程的目的和宗旨。 2 教学原则 随着网络技术的日臻成熟，多媒体教学有
3、着传统教学手段无法比拟的优势和特点，它是现代教学改革和未来教学手段发展的方向，利用课件辅助课程教学业已成为高等教育体制改革的一个重要环节3。 多媒体教学有很多优点：它集讲课、习题课、演示算法为一体，具有生动、形象、直观的特点，所显示的版面规范、文字精练、形式多样，多重感官刺激，极大地调动学生听课的积极性，有助于学生很好地理解和掌握所学内容。为了拓宽学生的思路和开阔学生的眼界，除了教材上的知识外，还精选了一些其它参考书中的内容和一些实际应用的内容，用黑板不可能有时间讲，但多媒体教学可以。许多用黑板很难讲解的内容，多媒体可给学生留下深刻的印象。 多媒体教学在讲具体的算法实现方面显得特别优越4，可以
4、先给学生讲解算法，然后给出数据来执行算法，学生一边对照着语句一边执行观察数据的变化，或用动画演示执行过程。尤其对于递归算法，传统的黑板讲解递归算法很不方便，而且算法的执行过程不易理解。采用动画演示递归算法，生动、形象，学生很容易看出何时发生递归调用，何时返回到上一层调用处。 多媒体教学中需要引起注意的一点是教学主体没有变。在教学过程中始终要把握好学生的主体地位，发挥教师的主导作用，避免课件的喧宾夺主。由于借助多媒体教学具有信息量大，呈现快速、表现直观、操作简便的特点，教学活动很容易出现“课件喧宾夺主”的不良倾向。师生依赖荧屏展现，演示成为关注的中心，课件扮演着课堂主角，由此导致教师忽视教学的策
5、略与方法，忽视教学的难点与重点，忽视学生的感受与反应，忽视与学生的情感交流；导致学生只关注屏幕内容而忙于抄录笔记，忽略教师的讲解，也无暇思考问题，所谓“上课”变成“ 看课”。 利用多媒体辅助教学以期达到最佳教学效果。首先必须树立现代化的教育观：把“以教师为主体”、 “课程为中心” 的传统教育观转变为 “以学生为主体” 、 “以学生为中心”的新的教育观，从“以传授知识为主” 转变为以培养学生具有独立获取知识、发现创新知识的能力为主，把学生创新能力的培养放在重要的地位。利用指导法教学、 “启发”式教学来体现 “以教为主导，以学为主体”的教学原则3，教师不再是知识的传递者，而是学习的组织和引导者。在
6、教学方法和教学体系上采用与传统教学截然不同的现代教学模式，将多种现代教学模式应用于课堂和网络教学中。 3 现代教学模式 教学模式是教学基础理论的具体化，也是教学具体经验的概括化。目前，国内外有影响的现代教学模式主要有5： （l）掌握学习模式：强调个别化教学，利用及时反馈和强化作为控制教学的有效手段，而编写得当的习题是获得反馈的重要途径。研究表明：个别化教学的学生的平均分比群体教学高两个标准差，前者绝大部分学生考试成绩达到优良，而后者则只有少数。 （2）发现学习模式：首先提出问题，带着问题意识观察具体事实，然后再上升到一般的概念。 （3）范例教学模式：教师用特例具体直观地阐明“个体”的具体特征；
7、根据范例“个体”的知识推论特点，分析掌握整个 “类别”事物的特征，使对“个体”的认识上升为对“ 类别”的认识，从而掌握其规律和范畴；再范例地获得关于世界的关系的经验，认识更为抽象或总结性的规律。 （4）最优化教学模式：一个好的最优化教学方案的形成的基本过程是：分析教学目的与教学任务；分析学生学习情况与教师自我分析；学时分析；选择已知条件下最佳教学任务的综合性手段与方案；对教学质量进行评价。 传统的教学方法和手段，制约了以上教学模式的推广应用。CAI，尤其是网络 MCAI 系统的建立和以可视化为特征的多媒体技术的应用，有利于综合这些模式的长处，创建各种现代教学模式。 4 课堂教学设计 4.1 教
8、学目标分析 根据最优化教学模式，设计一个好的最优化教学方案，首先要对教学对象的情况进行分析，了解学生的基础知识掌握程度、使用计算机的能力等实际情况，在课堂教学、网络多媒体辅助教学系统的设计和使用过程中要做到心中有数、有的放矢。否则讲课时只是一味灌输教材内容，不管学生理解和掌握了多少。即使教师讲得头头是道，多媒体辅助教学系统做的再好，也不会获得理想的效果。由于 “数据结构”所涉及的算法大多采用数组和指针来描述，而后者对非计算机专业的学生来说则相对较难，需要对 c 语言中指针的概念补充讲解。所以对计算机专业和非计算机专业的学生的课堂与网络教学上就采用不同的侧重点，在实验设计上，考虑到非计算机专业比
9、计算机专业的学生在计算机操作能力和编程能力上要弱些，对前者综合实验题目不能出得太难。因此必须对学生的实际情况了解清楚，根据学生的逻辑推理能力、直观想象能力和对数据结构的相关基础知识的实际掌握情况等组织教学，充分应用掌握学习模式，达到“个别化”教学的目的， 4.2 课堂教学方案设计 （1）讲授内容安排 根据数据结构教学大纲及指定教材的要求，对教学内容去粗取精，提炼出该课程、每章、每节的框架体系，从数据结构的逻辑结构、存储结构和数据的运算三个方面去组织教学内容，要重点突出，简洁明了而不求面面俱到。在了解学生实际情况的基础上进行分析研究，预见学生会对哪些内容感到困难，在学习中会出现什么问题，这样才能
10、做到有的放矢。 （2）教学策略应用 积累知识，重视直觉：直觉是人类重要的思维形式之一，它并不是一种凭空而来的毫无根据的主观臆断，即所谓的“第六感觉”，而是建立在丰富的实践经验和宽厚的知识积累之上，运用直观透视和空间整合方法所作出的直觉判断1。 数据结构中平衡二叉树的生成过程中平衡调整规律（LL 型平衡旋转、RR 型平衡旋转、 LR 型平衡旋转、RL 型平衡旋转）是学生不容易掌握的，尤其是 LR、RL 型平衡旋转需要进行两次旋转（顺时针方向、逆时针方向） 。在传统的讲解中经常是教师讲得费劲，学生听得困难。经过长时间的探索，现在的讲解方法变为：在讲解 L 旋转，即顺时针方向旋转时，特意将左手（Le
11、ft）伸出，然后慢慢形成拳头，而形成拳头的过程中手指的弯曲方向正好是顺时针旋转方向；同样在讲解 R 旋转，即逆时针方向旋转时，特意将右左手（ Right）伸出，然后慢慢形成拳头，而形成拳头的过程中手指的弯曲方向正好是逆时针旋转方向。反复几次，学生终于顿悟：L型顺时针旋转方向，就是左手手指弯曲的方向；R 型逆时针旋转方向，就是右手手指弯曲的方向。因此将原来抽象的顺时针、逆时针旋转调整规律简化为直观形象的“左右手原则”。这种方法的调整，不仅极大的提高了教学效果，同时加强了学生直觉思维的培养。 个别化教学：在课堂讲授中教师起到的是提纲挈领、组织和引导的作用。明确一次课的目的，解决什么问题，通过什么途
12、径达到这个目的。对易懂的内容可以点到为止，重点难点精讲细讲，细节内容可由教材和配套的多媒体软件体现。所谓重点是指数据结构中的重要概念、重要算法思想等。对这部分内容，一定要结合多种教学方式和手段去讲深讲透，引导学生理解概念的含义，掌握算法的实质，在此基础上，寻找解决问题的方法。所谓难点，是指学生不易理解和容易出错的地方。确定课程的难点内容，教师要调查了解，以抽查作业以及课堂提问、电子邮件等形式来获取反馈信息，充分发挥学习模式的优势。在难点确定之后，要分析究竟难在何处。是因为概念抽象不易掌握，还是因为算法思想复杂不易理解，或是容易混淆不易区别？然后研究解决问题的方法。对于抽象的东西应该形象化、直观
13、化地进行讲解，对于复杂的内容应注意其条理性，对于易于混淆的内容宜尽量采用对比法加于区别，做到化难为易。 问题驱动：问题驱动3是指学生在教师创设的情境下应用已有知识提出新问题、解决新问题的过程，也是学生高度自主学习的过程。教师在讲课时，要体现教学思想，引入3W 的教学理念，采用发现学习模式，应用启发式教学。为了在课堂上激发学生的学习热情，发挥学生的学习积极性，同时更好地把理论知识与实际应用结合起来，在讲每一种基本的数据结构之前，准备一些实际应用的例子，让学生一边逐步学习理论知识，一边思考如何应用。比如在学习线性表之前，举几个常用的线性表的应用实例，让学生在学习的过程中考虑一个简单的计算器的实现。
14、让学生带着问题去学习，使学生的学习热情提高了。What 是让学生明确学些什么，拓展学生的知识面。通过经常提出问题，让学生思考并回答，以跟上教师的思路，活跃课堂气氛，创造轻松活泼的学习情境，留给学生想象的空间，提高学生的思维能力、自学能力和创新能力。提出的问题要自然、尖锐、具有逻辑性。How就是如何做的意思。对问题的分析要简明、透彻，防止烦琐杂乱；解决问题要切实准确；要引导学生积极思考。要做到这一点，必须考虑：讲解一个问题时，怎样引导学生动脑筋，可以先不给出结论，让学生自己考虑问题。Why 是让学生能够知道为什么这样做。注意教给学生提出问题、分析问题和解决问题的方法，最终达到学生自行探究问题的目
15、的。提出一个问题比解决一个问题更重要，因为解决问题也许是一个数学上或实验上的技能而己，而提出新的问题、新的可能性却需要创造性的想象力。因此问题驱动是学生思维高速运转的过程，它将极大地强化学生的源动力，激发学生浓烈的探求欲望及学习兴趣，使学生进入一个积极思考的活跃状态。 范例教学：课堂讲授应符合学生的认知规律，从感性到理性，从理性到实践，从直观到抽象，再从抽象到具体实践，范例教学在数据结构的算法思想讲解中能发挥其无法比拟的优势。对数据结构中的主要算法和一些抽象的概念，可以尽量先从直观意义或具体实例解释着手，让学生更容易理解。因此在教学过程中宜多画图，多举例，多解释。这种从特殊到一般，从具体到抽象
16、的方法在数据结构中的很多内容都可以这样处理。例如：讲解队列的概念时，可通过日常生活中的购物排队的过程来反映队列中插入、删除的原则，再结合计算机中的操作队列、打印队列的应用来说明。对二叉树的遍历的算法过程可通过一个特定的二叉树的例子说明其遍历思想，再推广到一般的二叉树的情况等等。 大胆想象，勇于实践：在数据结构中的内部排序一章里讲授了各种经典的排序算法，其中在讲解折半插入排序时，启发学生：该算法的核心是利用有序表的折半查找，而折半查找的核心就是 mid=int(low+high)/2， 即 mid=int(low+high)*0.5。此时请同学想象：如果将 0.5 换成其它数字如何？如果变为 0.618 结果又会怎样？在几分钟的议论后，进行总结分析：0.618 就是我们平时所说的黄金分割线，将 0.5 换成 0.618 后不妨称为黄金分割算法。而黄金分割理论上应该是最佳位置，黄金分割算法理应比折半插入算法优化。为此，请学生编写程序对
