建構式教育理論在數據結構教學中的應用論文
論文關鍵詞：數據結構 建構式教育理論 理論教學 實踐教學
論文摘要：在建構式教育理論的指導下，以就業需求為目標，針對數據結構教學中教與學目標不明、學習信心和動力不足、編程基礎薄弱等問題，提出建構式的數據結構教學方法，在實際教學中取得較好的教學效果，這些措施也可作為其他計算機專業課程教學的參考。
近年來，在產業界急需大量軟件開發人員的情況下，普通本科院校計算機專業學生的就業率持續走低。網絡、報紙等媒體對計算機本科教育現狀多有批評，甚至出現了大學不如培訓公司的極端觀點，嚴重影響了學生對專業課程的學習興趣、動力和信心。數據結構是計算機專業的核心基礎課程，上承程序設計語言、離散數學，下啟操作系統、編譯原理等課程，其重要性不言而喻。一方面，數據結構學科具有難度大、抽象層次高、概念繁雜等特點，學生很難掌握，更不要說將抽象理論與就業實踐需求相結合。另一方面，國內主流數據結構教材和相應的傳統教學模式側重于培養學生的計算機學科基礎理論素養，而將如何通過組織數據結構教學活動積極推動就業的問題留給了任課教師[1]。這造成了學生學習數據結構的目標不明、信心和動力不足。筆者面向就業需要明確了數據結構的兩大主要教學目標，并在實際教學過程中實踐建構式教育理論，嘗試解決學生對專業認識不清、學習興趣不足、編程基礎薄弱等問題。一些做法得到了學生的認可和配合，成功地激發了學生的學習主動性、在一定程度上培育了學生的創新精神。
1面向就業需求的數據結構教學目標
教育要服務于社會生產需求。數據結構教學也必須緊扣這一根本目標。本節從滿足就業需要的角度闡明了數據結構教學的兩個主要目標：
1) 培養超越具體程序設計語言技巧的編程技術。
現階段是一個傳統的生產生活方式迅速向電子化、信息化轉變的時期。人們需要開發和維護更多、規模更大的計算機系統來滿足生產和生活的需要[2]。這就決定了具有熟練編程技術的程序員在很長時期內都將受到產業界的青睞。大學對學生編程技術的培養始于程序設計語言的教學，如C語言，Java語言等。但是現今編程語言繁多，各種新概念層出不窮，常常出現學生無所適從或者質疑某門語言課程已經過時無用的現象。甚至很多教師也在爭論講授何種編程語言。筆者看來掌握編程技術(而不僅僅是語言)，回歸編程的本質問題更加重要，無謂地追趕時髦不可取。作為編程語言課程的后續，數據結構教學的重要目標就是幫助學生理解編程的本質、鍛煉編程技術以及學習提高編程技術的方法。
2) 培養圍繞復用的軟件開發方式。
隨著軟件規模的日益增大，軟件開發模式逐漸從“從無到有”的模式過渡到“從有到有”的模式，即復用現有的豐富的軟件資產，開發新的應用系統。事實上，復用的思想已經被廣泛的用于軟件開發實踐之中，從各種各樣的程序庫、軟件開發包、軟件構件、Web服務等各種可復用資產已經簡化了軟件開發的難度、提高了軟件開發的效率也極大地改變了軟件開發的模式。數據結構學科本身就是對軟件復用思想的一種實踐，它通過總結大量軟件系統中反復出現的數據結構(如表、樹、圖、集合等)，定義和實現處理這些數據結構的基本操作，最終達到能夠在不同項目開發中反復應用的目的。這些基本數據結構和算法已經被實現為可復用的產品隨著程序設計語言發布，如C++ STL、C# collections, Java collections等，并得到了廣泛的使用。因此，數據結構教學的另一個重要目標就是引導學生習慣圍繞復用的軟件開發方式，能夠使用和定制已有的數據結構和算法庫。
其他傳統的數據結構教學目標，如培養學生面向實際問題進行算法設計和分析的能力，培養學生計算機學科的基本理論素養和思維方式等也非常重要。但普通本科院校學生對理論內容的接受能力以及將理論和現實就業需求相聯系的能力相對較弱且教學時間有限[3]，筆者認為重點突破本節給出的兩個更具體、更可達的教學目標，并在實現這種具體教學目標的過程中潛移默化地培育學生的計算思維和理論素質，將會取得更佳的效果。
2建構式數據結構教學
教學理論研究以及教學實踐反饋均表明，學生主動學習的`效果遠較被動地接受老師灌輸的效果好的多。因此，為實現上述教學目標，在建構式教育理論的指導下，筆者探索并采用了一系列建構式教學措施，激發學生的主動性和興趣，取得了較好效果。
建構主義認為，學習并非學習者對教師所授知識的被動接受，而是學習者以自身已有知識和經驗為基礎的主動建構過程[4]。知識不僅是通過教師傳授而得到，更是學習者在一定的情境中，利用必要的學習資料，通過同化新知識、順化自身知識結構的方式而獲得。建構主義提倡在教師指導下的、以學習者為中心的學習，也就是說，既強調學習者的認知主體作用，又不忽視教師的指導作用，教師是意義建構的幫助者、促進者，而不僅僅是知識的傳授者與灌輸者。學生是信息加工的主體、是意義的主動建構者，而不僅僅是外部刺激的被動接受者和被灌輸的對象。下面從理論教學和實踐教學兩個方面介紹我們采用的一些教學措施。
2.1理論教學措施
課堂教學是數據結構教學活動的主要部分，充分利用課堂教學時間，激發學生學習數據結構的興趣和信心，幫助學生建立學習數據結構的環節非常重要。我們采用了如下措施：
1) 組織小型討論。
好的開始是成功的一半，好的課堂教學須在上課之初就抓住學生的注意力，讓學生帶著輕松、愉快的心情聽課。我的做法是在課堂的前5分鐘，提出一個學生感興趣的話題，組織若干個有3～5位同學參與的小型討論。到一個學期結束時，每位同學都有至少一次的發言機會。討論的主題可以靈活設置，如時事、技術、社會熱點等。有時，課堂中間學生比較疲憊、注意力下降的時候，也可以穿插一點討論，改善課堂環境。大多數學生非常喜歡這種討論活動，積極參與其中，成為課堂的一部分，從被動上課轉變為喜歡上課。
2) 重建理論知識所針對的問題。
國內的經典數據結構教材側重嚴謹的理論，較少討論各種概念、算法出現的背景以及探討的問題是否仍然具有現實價值。而回答這些問題能夠幫助學生重建理論知識所針對的問題原型，重現解決方案的提出、發展乃至最終成熟的整個過程，更有助于培養學生解決實際問題的能力，養成批判性、創新性思考的習慣。眾所周知，關于樹的存儲方法很多，有雙親表示法，孩子表示法和二叉鏈表表示法[5]，其中以樹的二叉鏈表表示法使用最廣，但其他存儲方法也有其適合的應用。例如，在利用樹表示各個集合，求集合中的等價類時，雙親表示法更為合適。每一個集合都用樹的雙親表示法存儲時，并設樹的根結點的值為集合名，集合中的每個成員都對應一個結點，這樣很容易找到一個元素所屬的子集(順著雙親指針找樹的根結點)。
3) 組織“我來講”活動。
數據結構涉及很多抽象的概念和算法，初學者很難理解。而教師則對理論內容比較精熟，常常傾向于從理論的角度逐步遞進、展開講解，這就增加了學生的學習難度。教師和學生在教學語言上的鴻溝是影響教學效果的一個重要障礙。教師當然可將抽象的理論概念與生活中更形象的概念進行類比，幫助學生理解，也可以將復雜的算法過程用多媒體動畫模擬出來，直觀地展示給學生，幫助學生掌握。但一方面，根據建構主義理論，教師和學生的知識背景不同，由教師設計概念類比語境和算法模擬動畫實際上仍然是基于教師的知識結構對知識點進行的同化和順化，而不是對學生知識體系的直接建構。另一方面，教師的經驗和智慧有其局限性，未必總能夠找到最適合的類比語境和動畫模擬。為此，筆者采用了充分發揮學生智慧的方法，組織“我來講”活動，要求學生通過設計算法的動畫模擬，創建概念的類比語境等方式進行學習，并隨機選擇學生走上講臺對抽象理論概念和復雜算法進行說明。這樣不但能夠調動學生思考問題，還能幫助那些無法完成自我知識體系建構的同學從學生的視角去理解同一個問題。例如，對于n維數組是元素為n-1維數組構成的線性表這一遞歸的類型定義，可采用符號推理的方式，培養學生的理論素養，而同時可鼓勵學生根據自己的理解將抽象理論具體化，建立幫助理解和記憶的現實語境。
2.2實踐教學措施
數據結構是幫助具有基本編程語言基礎的學生錘煉編程技術的關鍵課程。它揭示了程序設計的基本面，即如何處理相互之間存在一種或多種數據關系的數據元素所構成的集合、如何設計算法并分析算法的優劣。若沒有相應的配套實驗指導學生如何將理論應用于實際問題，只是泛泛而談、紙上談兵，學生容易迷失在數據結構的一連串復雜概念和算法之中，而不知道學習數據結構的意義何在。為實現教學目標，筆者鎖定實驗內容設置和實驗考核等兩個關鍵環節，實踐了如下措施，取得了較好效果。
2.2.1實驗內容設置
實驗內容設置是進行實踐教學的最重要部分。從覆蓋知識點的角度看，實驗內容須面向數據結構教學目標，即實驗內容須能夠鍛煉學生的編程技巧，如算法設計、調試、測試以及調優等能力，還能夠讓學生體會到圍繞復用開展軟件開發的威力以及思路。從覆蓋教育對象的角度來看，實驗內容須面向大多數同學并充分考慮優秀同學，即實驗內容須劃分不同的層次，讓大多數學生能夠很容易入手，并讓有能力、有余力的學生能夠不斷地深入，直至形成綜合型課程設計。
基于以上考慮，并借鑒同行經驗，筆者開展三個層次的實驗教學活動，一是要求所有學生都完成的實驗內容，要求學生采用不同的數據結構實現同一個問題并進行對比分析，例如，分別使用靜態數組和動態分配的連續內存區實現順序表，使用整型、字符型數組或者鏈表實現長整數的乘法，使用帶頭結點或不帶頭結點的循環鏈表模擬約瑟夫環等；二是組織程序設計競賽，讓部分學有余力的同學能夠在算法設計、程序實現和調試、優化等方面得到鍛煉和提高；三是設計綜合型課程設計鍛煉學生解決問題的綜合能力，并通過適當分組，培養學生團隊協作精神和能力，鍛煉學生解決問題的綜合能力的目標，最終達到以點帶面全面提高學生能力的目的。
2.2.2實驗考核手段
考核手段在教學環節中至關重要。考核手段是學生學習和鍛煉自身能力的風向標。為保證每位同學都能積極完成實驗并有所收獲，避免抄襲和敷衍的現象，筆者采取了綜合型的考核手段。其一，提交實驗成果，即程序及其運行結果；其二，記錄實驗過程、分析實驗結果以及總結實驗得失的實驗報告，對實驗報告進行選優講評，培養學生撰寫科學實驗報告的能力；其三，每位同學必須面向教師講解自己編寫的程序，包括主要思路和細節性語法，優秀的同學可走上講臺宣講自己的實驗方案和程序設計技巧。這就基本杜絕了學生相互之間抄襲程序和實驗報告的現象，使得學生真正能夠思考問題，并盡力動手完成實驗。綜合上述三種手段的綜合型考核方法既能夠達到督促大部分同學完成實驗、鍛煉動手能力目的，又能夠達到培養優秀同學的目的。特別地，優秀同學宣講活動能夠使學生觀摩到如何從學生的視角從無到有的解決問題的過程，這能夠培養學生解決實際問題的信心并激發其學習積極性。
3應用中遇到的問題
建構式教學模式在應用和推廣過程中遇到的主要問題來自三個方面。其一，目前學生的課業負擔較重，習慣于被動“填鴨”而不習慣于主動“求索”，這是推動和開展建構式教學模式的主要障礙。其二，建構式教學活動，需要師生的密切交流，但現有師資不足難以滿足實際需求。一個可能的解決方法是綜合多門課程和多個老師，建構整體的知識框架和學習體系，避免課程教學中的重復勞動，提高師資的利用率。另一個可能的解決方法是利用互聯網技術，建立在線教學園地。其三，建構式教學模式仍然處于探索階段，各學科缺乏建構式教學素材。從筆者在實踐教學的體驗來看，應盡量從學生的學習背景和能力成長規律出發而不僅僅是從學科背景出發，為學生建構知識體系設計更平滑的路線。
4結語
筆者提出將“培養超越具體程序設計語言技巧的編程技術”和“培養圍繞復用的軟件開發方式”作為普通本科院校的數據結構教學目標，在建構式教育理論的指導下，設計并實踐了一系列建構式教學措施，分析了應用建構式教學模式所遇到的一些問題。
未來將開展兩個方面的工作。一是通過問卷調查、統計分析等手段定量地分析建構式教學方法的實際效果；二是創造和積累建構式教學素材，如研究數據結構課程設計過程中不同類型學生的知識建構路線，挖掘并推廣其中優秀的知識建構方法。
參考文獻：
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