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數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中棧和隊(duì)列實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)
摘要:數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心課程,對培養(yǎng)計(jì)算機(jī)專業(yè)設(shè)
計(jì)與創(chuàng)新型人才起著關(guān)鍵作用。該課程是理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)的一門
課程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是其教學(xué)中的一個重要環(huán)節(jié)。棧和隊(duì)列是兩種非常重
要的線性結(jié)構(gòu),它們有很多實(shí)際應(yīng)用。為了幫助學(xué)生充分理解、掌握
和靈活運(yùn)用這兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),本文給出一種棧和隊(duì)列的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。
關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案;棧;隊(duì)列
中圖分類號:G642.0文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1674-9324(2016)
24-0274-03
一、引言
實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生從學(xué)習(xí)理論知識到走向社會的橋梁,對提高學(xué)生
綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力有著理論教學(xué)不可替代的特
殊作用口]。特別是主干課程的實(shí)踐教學(xué),它是應(yīng)用型人才培養(yǎng)中的
關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。課內(nèi)實(shí)驗(yàn)是指與理論課相捆綁的實(shí)踐教學(xué),即嵌入到
專業(yè)基礎(chǔ)課或?qū)I(yè)課內(nèi)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)[3]。它是與理論教學(xué)并行實(shí)
施的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),能夠幫助學(xué)生深入理解和掌握所學(xué)的專業(yè)知識。
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是隨著處理對象的復(fù)雜性不斷增加而發(fā)展起來的一門
課程,作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心課程,在專業(yè)人才培養(yǎng)鏈條中占有舉足
輕重的地位[4-7]。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要研究數(shù)據(jù)在抽象視圖和實(shí)現(xiàn)視圖中
的表示和處理方法[8,9]。抽象視圖涉及的是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的理論性部分,
實(shí)現(xiàn)視圖主要體現(xiàn)的是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)踐性,理論指導(dǎo)實(shí)踐,實(shí)踐支撐
理論,因此設(shè)計(jì)有助于課堂理論教學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案是非常有必要的
[10]o它可以解決學(xué)生對所學(xué)知識缺乏必要感性認(rèn)識的問題,將知識
傳授、技能訓(xùn)練、能力培養(yǎng)融于一體,使所學(xué)理論知識在實(shí)驗(yàn)中得到
驗(yàn)證和應(yīng)用[11]O
棧和隊(duì)列是兩種非常重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),它們有非常多的實(shí)際應(yīng)用
并且是實(shí)現(xiàn)其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),因此為了幫助學(xué)生掌握并靈活運(yùn)用
這兩種結(jié)構(gòu),本文給出一種棧和隊(duì)列的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。該方案的設(shè)計(jì)
思路也可以應(yīng)用于其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案的設(shè)計(jì)。
二、認(rèn)識兩種重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一一棧和隊(duì)列
棧和隊(duì)列是兩種運(yùn)算受限的線性表,它們的插入和刪除運(yùn)算都被
限制在表的端點(diǎn)處進(jìn)行,只是具體的受限規(guī)則不一樣[12,13]。
(一)學(xué)習(xí)對象
棧(stack)是運(yùn)算受限的線性表,它被限制在表的一端進(jìn)行插
入和刪除操作。能進(jìn)行插入和刪除的一端稱為棧頂,另一端稱為棧底。
正是由于它插入和刪除操作上的限制使得它具有了一種獨(dú)特的“后
進(jìn)先出”(LIFO)的特性。棧的LIFO特性使得它具有非常多的應(yīng)用,
如:符號平衡問題、中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)換為后綴表達(dá)式問題、后綴表達(dá)式
的計(jì)算問題、函數(shù)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)(包括遞歸函數(shù)的實(shí)現(xiàn))、在股票市場
中查找劃分、Web瀏覽器中的網(wǎng)頁訪問歷史、文本編輯器中的撤銷序
列等。此外,棧還是其他很多算法的輔助數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的
組成部分。
隊(duì)列(queue)也是一種運(yùn)算受限的線性表,它被限制在表的一
端進(jìn)行插入操作,在表的另一端進(jìn)行刪除操作。進(jìn)行插入操作的一端
稱為隊(duì)尾,進(jìn)行刪除操作的一端稱為隊(duì)首。正是由于它插入和刪除操
作上的限制使得它具有了一種獨(dú)特的“先進(jìn)先出”(FIFO)的特性。
隊(duì)列的FIFO特性使得它具有非常多的應(yīng)用,如:操作系統(tǒng)中的作業(yè)
調(diào)度、異步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、多道程序設(shè)計(jì)等。此外,隊(duì)列還是其他很多算
法的輔助數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組成部分。
(二)學(xué)習(xí)目標(biāo)
學(xué)習(xí)這兩種重要的線性結(jié)構(gòu)需要學(xué)生重點(diǎn)消化的知識點(diǎn)有:(1)
棧/隊(duì)列的概念、類型定義及基本操作的定義和實(shí)現(xiàn);(2)棧/隊(duì)列的
結(jié)構(gòu)特性;(3)棧/隊(duì)列的靈活應(yīng)用。
為了配合棧和隊(duì)列的理論教學(xué),幫助學(xué)生理解和掌握上述知識點(diǎn),
我們需要精心設(shè)計(jì)棧和隊(duì)列的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。
三、棧和隊(duì)列的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)
(一)實(shí)驗(yàn)題目設(shè)計(jì)
根據(jù)棧和隊(duì)列的學(xué)習(xí)目標(biāo)和遵循循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)和教學(xué)原則,實(shí)
驗(yàn)題目被分為以下三個層次:基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)題目、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)題目和加
強(qiáng)理解型實(shí)驗(yàn)題目。
所謂基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)是指圍繞課程講授的棧/隊(duì)列的物理實(shí)現(xiàn)和其基
本運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)來設(shè)置的實(shí)驗(yàn)題目。設(shè)計(jì)基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)的目的是,通過實(shí)
踐的方式驗(yàn)證課堂上講授的重要知識點(diǎn),給學(xué)生切身的感受,擺脫
“紙上談兵”的感覺,這種立體的感受有助于學(xué)生深入理解和掌握這
些知識點(diǎn)。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生能分別運(yùn)用棧/隊(duì)列解決簡單應(yīng)用問
題。這類實(shí)驗(yàn)題目主要是用來引導(dǎo)和加強(qiáng)學(xué)生對棧/隊(duì)列的靈活運(yùn)用。
設(shè)計(jì)加強(qiáng)理解型實(shí)驗(yàn)的目的是強(qiáng)化學(xué)生對棧和隊(duì)列的結(jié)構(gòu)特性的理
解和體會。為了達(dá)到這個目的,加強(qiáng)理解型實(shí)驗(yàn)題目的設(shè)計(jì)思路有兩
個方面:(1)引導(dǎo)學(xué)生去思考并解決這樣兩個問題:能否利用棧的
LIFO特性來實(shí)現(xiàn)隊(duì)列的FIFO特性?能否利用隊(duì)列的FIFO特性來實(shí)
現(xiàn)棧的LIFO特性?(2)讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)其他更為復(fù)雜的棧和隊(duì)列。
在棧的理論教學(xué)過程中可以開設(shè)棧的基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn),在棧的理論教
學(xué)結(jié)束后可以開設(shè)棧的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn),在隊(duì)列的理論教學(xué)過程中可以開
設(shè)隊(duì)列的基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn),在隊(duì)列的理論教學(xué)結(jié)束后可以開設(shè)隊(duì)列的設(shè)計(jì)
型實(shí)驗(yàn)和加強(qiáng)理解型實(shí)驗(yàn)題目。表1給出了具體的實(shí)驗(yàn)安排。
學(xué)生必須在相關(guān)內(nèi)容的理論教學(xué)過程中利用自己的課外時(shí)間完
成全部基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)題目,教師根據(jù)學(xué)時(shí)安排選擇1?2道設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)
題目讓學(xué)生在上機(jī)課上完成,未選擇的題目應(yīng)向?qū)W生提供完整的源代
碼和設(shè)計(jì)說明。相關(guān)內(nèi)容的理論教學(xué)結(jié)束后,學(xué)生必須利用自己的課
外時(shí)間完成加強(qiáng)理解型實(shí)驗(yàn)題目中的第1題和第2題,剩下兩題可以
選做。
(二)教學(xué)方法
因?yàn)槿N類型實(shí)驗(yàn)的要求、難易程度不同,因此在學(xué)生參與形式、
教師參與程度、教師參與方式等方面需要區(qū)別對待。表2給出了對三
種類型實(shí)驗(yàn)在上述這幾個方面的設(shè)計(jì)。
基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)要求每位學(xué)生利用課外時(shí)間獨(dú)立完成,教師全程參與
指導(dǎo)。所謂全程參與指導(dǎo)是指從算法基本思想到算法實(shí)現(xiàn)的各個環(huán)節(jié)
(包括編程技巧、程序調(diào)試與測試等)都要參與指導(dǎo)。參與方式多種
多樣,例如利用QQ等即時(shí)通訊工具進(jìn)行指導(dǎo),約定時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行
答疑,等等。
設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)要求每位學(xué)生在上機(jī)課上獨(dú)立完成,教師前期參與指
導(dǎo)。所謂前期參與指導(dǎo)是指教師參與學(xué)生在算法設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的討論,教
師可以給出提示,同時(shí)鼓勵學(xué)生設(shè)計(jì)不同的算法。參與方式是面對面
的交流。
加強(qiáng)理解型實(shí)驗(yàn)要求每位學(xué)生利用課外時(shí)間獨(dú)立完成,教師后期
參與指導(dǎo)。所謂后期參與指導(dǎo)是指教師在收齊學(xué)生提交的源碼和設(shè)計(jì)
報(bào)告后,對其進(jìn)行分析總結(jié),并將總結(jié)結(jié)果以班級為單位采用面對面
的方式反饋給學(xué)生。
(三)考核方法
對三種類型的實(shí)驗(yàn)采用不同的考核辦法。表3給出了這方面的設(shè)
計(jì)。
對基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)不做專門考核的原因是學(xué)生基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)完成的好
壞會直接影響設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和加強(qiáng)理解型實(shí)驗(yàn)的完成,因此對其他兩種
類型實(shí)驗(yàn)的考核間接考核了基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)。
對設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的考核分兩個部分:一是本次上機(jī)課上實(shí)驗(yàn)的完成
情況,包括程序是否調(diào)試成功、程序的運(yùn)行結(jié)果是否正確,代碼編寫
的質(zhì)量等;二是本次上機(jī)課結(jié)束后提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完成情況,包括
內(nèi)容是否完成、書寫是否規(guī)范等。
對加強(qiáng)理解型實(shí)驗(yàn)的考核主要是考核學(xué)生提交的源代碼和設(shè)計(jì)
報(bào)告的完成質(zhì)量。
設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的成績占總實(shí)驗(yàn)成績的70%,加強(qiáng)理解型實(shí)驗(yàn)的成績
占總實(shí)驗(yàn)成績的30%o
四、結(jié)語
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一門理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)的課程,其理論教學(xué)環(huán)節(jié)與
實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)相輔相成。棧和隊(duì)列是兩種重要的線性結(jié)構(gòu),為了提高
它們的教學(xué)效果,增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對其理論教學(xué)的促進(jìn)作用,本文提出
了一種棧和隊(duì)列的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。該方案的設(shè)計(jì)思路同樣適用于其他
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)。
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