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1、计 算 机 教 育Computer Education第 13 期128 2011 年 7 月 10 日No.13 Jul.10,2011文章编号：1672-5913(2011)13-0128-04中图分类号：G642文献标识码：B数据结构实验教学课程体系研究连远锋，张秀美，李莉(中国石油大学(北京) 计算机科学与技术系，北京 102249)摘要：针对石油专业“数据结构”实验教学中存在的问题，在分析数据结构课程特点、教学现状的基础上，探索了具有鲜明石油特色专业的数据结构实验层次化教学方法。构建该课程面向专业导向的“实验教学体系层次化、实验教学内容专业化、实验教学过程可视化”的教学模式。教学实践
2、表明，此方法能够充分发挥学 生的实验兴趣，对培养学生系统的工程能力和创新能力有明显作用。 关键词：数据结构；实验教学；课程体系；算法数据结构是计算机专业的一门核心课程，是研究非数值计算的程序设计问题中计算机操作对象以及 它们之间的关系和操作等的一门学科。课程概念多， 理论教学抽象，为了使学生更好地理解数据对象、数 据关系在计算机中的存储表示、运算以及执行算法， 必须与实验教学紧密结合。我校的一些具有深厚石油 背景的非计算机类专业，例如勘察、测井、资信以及 测控等专业都开设了数据结构课程；非计算机专业实 践教学过程确实存在一定的困难，主要表现为：学生 对实验课缺乏学习兴趣、理论基础薄弱以及解决实
3、际 问题能力差等。笔者作为该课程的主讲教师，结合自 己在数据结构教学中的一些体会，谈谈自己关于目前 数据结构实验课程体系研究与探索的认识。816 学时的实验课时不等。不同院系所开设的“C语言程序设计”的教学内容与教学要求并不完全一 致。作为学生最先接触的程序设计语言课程，教师由 于课时有限、内容多，使 C 语言的教学内容处于初 级阶段，课堂上讲解基本概念及简单程序的编写占用 了大部分教学时间。由于对数组、结构体、指针等复 杂数据类型讲解不够，导致石油类专业学生对指针和 结构体的认识和理解不深。然而，这些知识点不仅是 数据结构算法实现的重要基础，也是未来工作或深造 学习过程中使用频率很高的内容。
4、因此，在数据结构实验教学中，尽管老师费尽唇舌，学生仍然模糊不清，致使实验效果不理憨，学生甚至丧失了对该课程学习的兴趣与信心。1.2教学内容安排不尽合理目前我校有些院系的 C 语言与 C+语言的实验 教学内容基本相同。部分学生为了满足计算机课程学1数据结构实验教学的现状1.1前导课程知识缺乏现有的数据结构教科书的算法描述语言主要分 为 C 语言版、C+版和 Java 语言版 3 个版本。根据 我校的具体实际情况，C 语言程序设计和 C+面向对 象程序设计被列为数据结构两个主要的前导课程。学 生对它们的熟悉、掌握程度，直接关系到数据结构实 验课程的教学效果。我校有多个院系在大学一年级第 一学期开设
5、 C 语言课程，课时设置为 64 学时，其中分的需要，在一个学期同时学习 C 语言和 C+语言，这导致同学缺乏足够的时间对所学内容进行沉淀和吸收。在数据结构实验内容设置过程中，实验课时没 有根据石油专业具体需求进行合理设置，教师在面向 不同的专业的学生时采用相同的实验案例，学生在练 习的教师指定的题目时只是简单地实现教科书中以章节划分为主的知识点，缺乏处理复杂问题的机会，作者简介：连远锋，男，讲师，研究方向为数字信号处理。2数据结构实验课程体系缺少创新性以及与学生本专业相结合的实验联系。由于只注重了计算机专业课程知识点的验证性实验，而 忽略了非计算机专业学生的专业背景，这使得非计算 机专业学生
6、很难产生“共鸣”，教学效果达不到理想 的目标。2.1加强经典算法及其衍生方法的教学实践在“数据结构”课程实验设计中，由于算法众多，编程实现所有算法是不实际也是不必要的。因此应该重点编程实现典型算法，同时注意讲解该算法在石油 行业的应用以及该算法目前主要的衍生算法。这样一 个典型的算法往往能够起到以点带面的作用，只要掌 握了这些算法的实现方法以及后续的改进策略，就可 以将知识点构筑成立体的知识网，也就掌握相关数据 结构的本质。当然，在选择典型算法的时候，要考虑 算法的代表性、难易程度、综合性等因素。1.3实验环境搭配与专业需求脱节目前我校数据结构的实验环境不能完全适应专业教学发展需要。在 Win
7、dows 操作系统下，课题组 一般采用 Visual C+6.0 作为平台，让学生搭建基于 Console 控制台工程，在命令行的方式下运行。由于 我校具有鲜明的石油特色，特别是在石油的勘探与生 产中需要评估潜在的石油资源，准确直观地定位油气 资源的空间分布及其特征，并需要高效融合卫星影 像、航拍地图、地震勘探、地表地质研究、地下横断 截面影像以及现有井位等信息。这需要开源的可视化 平台以及地理信息系统来满足面向专业的实验需求。 笔者在指导学生上机实验的过程中发现，石油专业学 生普遍反映数据结构上机实验远离当前专业所需要 的开发环境，缺乏友好的图形用户界面，因此对实验 重视程度不够。2.2面向
8、专业学生的课程群建设目前，国内高校在数据结构教学研究中的实验教 学方法、教学模式和教学内容优化等方面取得了一些 实践性成果，但在课程综合体系建设方面仍然有一些 不足1。我校非计算机专业实验教学时尤其要强调数 据结构与其他相关课程，特别是石油信息科学之间的紧密衔接，并将离散数学、数据库、地理信息系统、并行计算等课程的主要知识点分散、穿插、融入到数据结构的教学中，从而优化整个课程体系结构。课题 组在上机实验之前，在课堂上以程序实例的形式剖析 C 语言中的指针、结构体和函数等知识点，尤其要在 学生难理解、容易混淆和犯错误的地方，布置涉及这 些知识点的课外编程作业，通过作业批改发现问题后 集中重点讲解
9、。2.3 建立面向不同专业实验考核方式针对不同院系制订合理的数据结构实验考核指1.4实验过程流于形式数据结构课程本身较强的逻辑性和抽象性决定该课程的难度较大，学生首先从心理上畏惧数据结 构，害怕实践，拿到实验任务到上机实习，常常茫然 不知如何动手。实验教学过程中缺乏合适的监督管理 和奖惩制度，大多数学生因程序设计基本功不扎实， 当任务无法按时完成时就采取抄袭方式交差，企图蒙 混过关。在实验过程中常出现这种现象：当某个题目 暂时无人做出来时，同学们还能静下心来实践；当某 位同学做出来以后，结果程序很快就会传播，部分同 学再也“无心恋战”了。因此，有的学生一学期下来 做了多次实验，自己却一个程序也
10、未能调试通过，逐 渐养成了“坐享其成”的习惯，久而久之，对编程失 去兴趣，根本就不会编程序调程序，程序设计的能力 也就可想而知了。标，加大对学生实验环节的考核力度，杜绝学生“等”、“要”、“靠”。在实验环节的考核中，概念基础层题目一般要求 1 周内完成，综合型题目一般要求 23 周内完成，对于综合型题目，学生先按 34 人分 成一组，确定小组成员的角色与任务，每人完成一个 模块，通过统一的实验环境接口组成一个完整的程 序，最后随机抽取小组中的一名代表讲解编程的设计 思路，演示程序执行情况。在这个过中程中教师提供 必要的与测井、勘探数据处理相关的学习资料、参考计 算 机 教 育Computer
11、Education1302011方法等，为学生完成任务提供智力支持，使学生透彻地理解各种数据对象的特点，学会数据的组织方法和 实现方法，选择合适的数据结构，甚至改造基本的 数据结构，并进一步培养基本的良好的程序设计能 力。学生要在规定的时间请辅导教师验收实验题，过 期不验收，视为自动放弃，本次实验题没有成绩。第 3 层次，数据结构可视化实验。可视化实验是一个面向工作的开发技能提高过程。以期缩短学生在 数据结构上机实验与当前主流专业软件集成开发环 境之间的距离。第 4 层次，基于 CUDA 的创新性实验。我校地 质勘探专业的教学中，地震数据处理一直是主要教学 内容，尤其是叠前深度偏移、地震相干数
12、据体分析等 内容更是教学过程中的重点和难点。然而，随着地震 采集技术的进步，地震数据量越来越大，对处理速度 的要求也越来越高，这就对高性能计算设备提出了更 高的要求。由于 GPU 拥有大规模的并行处理单元， 因此它特别适合于需要进行密集型数据处理和并行 计算的地震数据处理。在 GPU 计算领域，CUDA 提供了一个良好的并 行计算软件开发环境，得到了 GPU 计算软件开发者 的普遍青睐。由于 CUDA 提供 C 语言编程接口，因 此在勘探专业的数据结构实验教学中，针对专业问题 给学生自主设计并行算法的选择的空间，引导学生深 化现有问题，鼓励学生提出新的问题，分析新问题以 及解决新问题。2.4实
13、验教学体系层次化以往的实践教学中实验大都由教师按教材单元 统一组织进行，先理论后实践，实践只是对理论知识 的简单验证，教师只关心学生是否来做实验，而不关 注学生的专业实验需求、实验的效果如何。结果是学 生对实验越来越没兴趣，不利于学生创新意识的培养 和实践能力的提高。针对数据结构课程抽象性强、难 度大的特点，构建一个渐进式、层次化的实践教学体 系势在必行。我们尝试着按基础性 C 语言实验、结 合面向对象思想的 C+实验、数据结构可视化实验和 基于 CUDA 的创新性实验 4 个层次构建“数据结构” 课程的实验教学体系，如图 1 所示。2.5可视化数据结构实验框架研究俗话说，“万事开头难”。如果
14、要求学生从头开始编写程序，学生常感到无从下手，浪费了宝贵的教 学时间，因此有必要为学生提供一个辅助的开发环 境。数据结构实验环境是数据结构计算机辅助教学 软件的重要组成部分2。为了达到实验教学过程可 视化目的，我们设计了可视化数据结构实验框架。 学生利用框架，只须将精力集中在实现数据结构模 型本身就可以利用本实验框架达到可视化的效果， 把抽象的数据结构在屏幕上通过图形用户界面形式 显示出来，这样学生可以在不需要实现可视化的代码 的情况下实现可视化数据结构实验，既增加了学习 兴趣，又提高了学习效率3。可视化实验框架采用 模型、视图和控制器框架，通过 MVC 模式将数据 结构中的集合关系、线性关系
15、、树状关系和图状关 系等数据模型本身和可视化部件有机结合起来。根 据我校勘探、地质等不同石油专业现有的实际集成图 1 数据结构层次化实验框架第 1 层次，基础性 C 语言实验。针对教科书某种数据结构的基本运算如插入、删除、查找等算法设 计实验项目，其目的是让学生掌握基本概念基础知识 和基本操作，通过实验学会如何从算法转变为程序。 如队列结构的基础实验可以是队列的插入(入队算法) 或删除运算(出队算法)。第 2 层次，结合面向对象思想的 C+实验。在一 个实验项目中封装某种数据结构的一些基本运算函 数，提高学生抽象分析能力。如线性表结构的 C+ 实验包括链表的创建、插入、删除、遍历等基本函数。教
16、师根据“调试问题”以及“结合专业思考”的内容可以及时做出针对性解答并向学生提出问题，教会他开发环境以及相应的专业需求，我们提供两种实验框架备选：方案一，选用 Visual C+6.0 + MFC 实 现“数据结构”中所有经典算法的实验框架，共计21 个；方案二，采用 Visual C+9.0 + QT4.0。由于 地理信息系统在石油勘探、生产开发、设备管理、 管道管理、运输管理、销售规划以及地面建设方面具 有广泛的应用，因此我们提供的 QGIS 作为基础开发 框架。2.6 实践教学过程工程化信息科学工作者应具备科学的工作方法和良好 的工作作风，使学生从实验课每个实践环节得到应有 的工程训练。特
17、别是在问题分析、抽象设计阶段，可 以采用“任务驱动式”教学，以“任务书”的形式将 设计问题下达给学生，要求学生按照软件工程的开发 流程进行实践。我们将由课题组印制的具有统一格式 的实验文档下发给学生，在实验报告中规定了实验题 目的描述内容，包括专业问题描述、实验目的、实验 内容及要求、需求分析、概要设计、界面设计、详细 设计、测试数据、程序调试问题以及结合专业思考等。们举一反三，促进学生的思维向新和深的层次发展，加深他们对所学知识的理解。3结语数据结构实验是培养具有扎实的计算机理论知识和创新能力的应用型人才的重要环节。我校石油特 色鲜明，呈现多学科协调发展的学科专业布局。如何在专业跨度大、工学
18、背景强、学时相对少的情况下，“数据机构”课程实验教学工作仍然能够取得良好的效果，是当前具有挑战性的课题。本文结合自身实验教学的经验，根据石油专业的特点，通过合理、有效、系统地组织实验内容、强化试验考核以及开发可视化实验环境平台来强化理论教学的效果、提高学生分析 问题和解决问题的能力。从我校的数据结构教学实践 看，采取了这些措施和方法后，巩固了同学“献身石 油的理想”、增强了自信心、激发了学习数据结构的 兴趣，真正实现了“教”和“学”的良好互动，提高 了教学质量。参考文献：1 张铭,许卓群,杨冬青,等. 数据结构课程的知识体系和教学实践J. 计算机教育,2004(2):89-91.2 周红鹃,胡
19、学钢,田卫东. 面向多层次用户的可视化数据结构实验环境研究J. 吉林大学学报:信息科学版,2005(23):130-134.3 徐本柱,胡学钢,王浩,等. 基于 MVC 模式的可视化数据结构实验框架C/中国计算机学会. 全国软件与应用学术会议 (NASAC)论文集. 北京:北京航空航天大学,2004: 87-91.Research on Curriculum System of Data Structure Experiment TeachingLIAN Yuanfeng, ZHANG Xiumei, LI Li(Department of Computer Science and Techn
20、ology, China University of Petroleum, Beijing 102249, China)Abstract: Concerning the existing problems of petroleum specialty in Data Structure experiment teaching, thispaper investigates the hierarchical experimental teaching method based on the distinctive characteristic of petroleum specialty for
21、 Data Structure. A teaching mode based on “specialty oriented” is established which combines “experimental teaching system hierarchy, experimental teaching content specialization, experimental teaching process visualization”. Practice indicates that it can be feasible in bringing students experimental interesting and make apparent function in cultivating students engineering capability and innovation ability.Key words: Data Structure; experimental teaching; curriculum system; algorithm(编辑：白杰)
