虛擬仿真技術(shù)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程教學(xué)的應(yīng)用探索

一、引言隨著信息技術(shù)的突飛猛進，虛擬仿真技術(shù)被越來越多地運用于教育教學(xué)工作。通過信息技術(shù)、智能技術(shù)與實驗教學(xué)的深度融合，實現(xiàn)“網(wǎng)上做實驗”和“虛擬做真實驗”，能夠充分調(diào)動學(xué)生參與實驗教學(xué)的積極性和主動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能，增強學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力。［1］二、教學(xué)現(xiàn)狀在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的傳統(tǒng)教學(xué)和實驗中，針對算法的設(shè)計和實訓(xùn)，學(xué)生普通反映存在一些問題：一是算法的邏輯性強、晦澀難懂；二是算法的執(zhí)行過程抽象、難理解；三是理論知識與實踐操作存在差別、脫節(jié)，所學(xué)理論知識很難融入具體的實踐案例中做到活學(xué)活用；四是教學(xué)過程以提供文本、圖片、視頻等平面媒體為主，缺少交互性和沉浸感等問題。［2］［3］如何有效地改善或解決這些問題也成為每個計算機相關(guān)專業(yè)教師著力解決的事情。數(shù)字化時代，虛擬仿真技術(shù)賦予了教學(xué)方式更多的實用手段。虛擬仿真實驗?zāi)軌蜃寣W(xué)生直觀、形象地感受用戶的操作如何在計算機的硬盤中實現(xiàn)的過程，而不僅是抽象地通過圖片或視頻來進行演示存儲、調(diào)用原理，解決學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)過程中覺得抽象、晦澀等問題。［4］同時，基于實踐案例進行虛擬的仿真實現(xiàn)，能讓學(xué)生深刻體會數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與生活的關(guān)系密不可分，從而提升教學(xué)效果。［5］三、虛擬仿真技術(shù)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程教學(xué)的應(yīng)用探索（一）教學(xué)案例本文以軌道交通線路的計劃為例，構(gòu)建虛擬的地鐵軌道交通圖網(wǎng)，模擬列車實際運行軌跡，讓學(xué)生身臨其境進行時刻表場景設(shè)計。通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中的線性表結(jié)構(gòu)知識，規(guī)劃車站中列車時刻的線性和非線性兩類存儲方法進行虛擬仿真實驗。為了更好地模擬實驗的真實性，并考慮地鐵突發(fā)情況及其定位的應(yīng)用，實現(xiàn)從系統(tǒng)的場景認知、設(shè)備認知、方案分析設(shè)計、設(shè)備部署到系統(tǒng)測試全生命周期開展實踐。在此虛擬仿真實驗系統(tǒng)中，學(xué)生可以直觀、形象地看到在電腦中輸入一個數(shù)據(jù)，編寫一段代碼等相關(guān)的操作如何在計算機的硬盤中實現(xiàn)的過程，而不僅僅是抽象地通過圖片或視頻來進行演示存儲原理，實現(xiàn)了軟件算法與硬件知識的融合。與此同時，基于規(guī)劃軌道交通運營時刻對軌道交通運營線網(wǎng)進行了虛擬的構(gòu)建，學(xué)生身臨其境進行操作，體驗了線性表相關(guān)算法的可視化調(diào)試和分析過程，實現(xiàn)了理論與實際的結(jié)合。有助于促進學(xué)生實踐能力的提升、科學(xué)思維的拓展以及創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。（二）實驗原理1.理論原理（1）線性表的概念，線性結(jié)構(gòu)的特點。列車時刻設(shè)計的邏輯結(jié)構(gòu)可用線性表表示，每個列車的時刻可用一個一維數(shù)組存儲。（2）線性表的順序存儲。邏輯上相鄰的數(shù)據(jù)元素存儲在物理上相鄰的存儲單元中的存儲結(jié)構(gòu)，對應(yīng)于后續(xù)的實驗即是將邏輯上相鄰的時刻表在硬盤中也連續(xù)存儲。（3）線性表的鏈式存儲。結(jié)點在存儲器中的位置是任意的，即邏輯上相鄰的數(shù)據(jù)元素在物理上不一定相鄰。（4）線性表相關(guān)操作。線性表兩種存儲方法的基本操作包括：初始化、插入、刪除、查找。（5）遺傳算法運用于特殊情況處理?；趯W(xué)情分析，授課年級為大學(xué)二年級學(xué)生，對此部分人工智能算法的理解有一定難度。因此，此部分主要為課外拓展部分，開放給學(xué)有余力的學(xué)生進行學(xué)習(xí)。大部分學(xué)生由教師給出算法模塊，能進行算法的使用即可。2.交互式操作步驟以下為各個步驟的詳細說明，見表1。步驟1：啟動后顯示模式選擇界面。有“學(xué)習(xí)培訓(xùn)”“實驗?zāi)M”和“實驗考核”三個部分可供選擇。學(xué)生選擇“學(xué)習(xí)培訓(xùn)”完成理論知識復(fù)習(xí)任務(wù)。步驟2：學(xué)生根據(jù)給出的某一條地鐵線路的時刻數(shù)據(jù)，建立軌道交通的邏輯結(jié)構(gòu)，即整理為一張線性表。步驟3：選擇“順序存儲”，學(xué)生在算法位置輸入初始化線性表的算法，點擊算法每一步相應(yīng)的步驟，右側(cè)虛擬仿真場景會先顯示算法的實現(xiàn)原理。學(xué)生按照提示將步驟2的線性表輸入系統(tǒng)，開始后系統(tǒng)開始虛擬仿真演繹數(shù)據(jù)從轉(zhuǎn)化到二進制到如何在硬盤中存儲的過程。步驟4：根據(jù)虛擬場景提供的要求，將一條列車數(shù)據(jù)插入保存的順序表中。學(xué)生依據(jù)提示輸入數(shù)據(jù)右側(cè)虛擬仿真場景呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的插入在計算機硬盤中的實現(xiàn)過程。學(xué)生編寫插入算法，每點擊一處相應(yīng)的代碼塊，右側(cè)的虛擬仿真實驗即演示插入算法的實現(xiàn)原理，以及如何在計算機硬盤中的實現(xiàn)過程演示。步驟5：根據(jù)虛擬場景提供的要求，將刪除順序表中一條列車數(shù)據(jù)。學(xué)生編寫刪除算法，每點擊一處相應(yīng)的代碼塊，右側(cè)的虛擬仿真實驗即演示刪除算法的實現(xiàn)原理，以及如何在計算機硬盤中的實現(xiàn)過程演示。步驟6：查詢某一班次的列車。輸入查詢的關(guān)鍵算法，虛擬仿真系統(tǒng)提供待查找值在硬盤中的順序表的查詢過程。步驟7：選擇“鏈式存儲”，在算法位置輸入初始化線性表的算法，點擊算法每一步相應(yīng)的步驟，虛擬仿真場景會先顯示算法的實現(xiàn)原理。學(xué)生按照提示將步驟2的線性表輸入系統(tǒng)，點擊“開始”按鈕。系統(tǒng)開始虛擬仿真演繹數(shù)據(jù)從轉(zhuǎn)化到二進制到如何在硬盤中存儲的過程。步驟8：根據(jù)虛擬場景提供的要求，將一條列車數(shù)據(jù)插入保存的鏈表中。學(xué)生依據(jù)提示輸入數(shù)據(jù)右側(cè)虛擬仿真場景呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的插入在計算機硬盤中的存儲過程場景演示。學(xué)生編寫鏈表的插入算法，每點擊一處相應(yīng)的代碼塊，虛擬仿真實驗即演示插入算法的實現(xiàn)原理，以及如何在計算機硬盤中的實現(xiàn)過程演示。步驟9：根據(jù)虛擬場景提供的要求，將刪除鏈表中一條列車數(shù)據(jù)。學(xué)生編寫刪除算法，每點擊一處相應(yīng)的代碼塊，虛擬仿真實驗即演示刪除算法的實現(xiàn)原理，以及如何在計算機硬盤中的實現(xiàn)過程演示。步驟10：根據(jù)虛擬場景提供的要求，將查詢鏈表中一條列車數(shù)據(jù)。學(xué)生編寫查詢算法，每點擊一處相應(yīng)的代碼塊，虛擬仿真實驗即演示查找算法的實現(xiàn)原理，以及如何在計算機硬盤中的實現(xiàn)過程演示。步驟11：所有的步驟完成之后，點擊運行按鈕，系統(tǒng)模擬仿真所有時刻列車在地鐵線路上運行的場景。步驟12：“實驗考核”部分通過作答選擇題測試對相關(guān)算法原理的理論認知，通過虛擬仿真感受數(shù)據(jù)的存儲及修改過程，通過算法的編寫和演示過程，掌握順序表和單鏈表相關(guān)的基本操作。并生成實驗報告，上傳系統(tǒng)。（三）評價反思教師對學(xué)生進行評價時，主要對前面實驗的結(jié)果、報告、自測題等方面對學(xué)生的實驗成績進行綜合考核。實驗報告主要包括兩部分：（1）記錄學(xué)生在實驗中成績、實驗操作效果和統(tǒng)計信息，如動畫演示任務(wù)的完成、各部分操作次數(shù)、軌道交通時刻的規(guī)劃等。（2）學(xué)生填寫心得體會、整理實驗過程、記錄思考過程。與此同時，從評價的多元化考慮，不僅有教師對學(xué)生的評價，也在系統(tǒng)上設(shè)置了學(xué)生對教師、課程以及實驗過程的評價。尊重學(xué)生在教育評價中的主體地位，引導(dǎo)學(xué)生積極評價自身的學(xué)習(xí)成果和學(xué)習(xí)表現(xiàn)，并客觀評價參與教育的共同體的教學(xué)活動。四、結(jié)語基于軌道交通運營時刻規(guī)劃構(gòu)建了虛擬的仿真場景，不僅使不同水平的學(xué)生都能在實驗中發(fā)揮作用，承擔相應(yīng)的綜合設(shè)計實驗任務(wù)，促進學(xué)生之間的交流與協(xié)作，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)以及解決實際問題的能力，還使學(xué)生通過實驗過程深刻體會數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與生活的關(guān)系密不可