建构式教育理论在数据结构教学中的应用论文
论文关键词：数据结构 建构式教育理论 理论教学 实践教学
论文摘要：在建构式教育理论的指导下，以就业需求为目标，针对数据结构教学中教与学目标不明、学习信心和动力不足、编程基础薄弱等问题，提出建构式的数据结构教学方法，在实际教学中取得较好的教学效果，这些措施也可作为其他计算机专业课程教学的参考。
近年来，在产业界急需大量软件开发人员的情况下，普通本科院校计算机专业学生的就业率持续走低。网络、报纸等媒体对计算机本科教育现状多有批评，甚至出现了大学不如培训公司的极端观点，严重影响了学生对专业课程的学习兴趣、动力和信心。数据结构是计算机专业的核心基础课程，上承程序设计语言、离散数学，下启操作系统、编译原理等课程，其重要性不言而喻。一方面，数据结构学科具有难度大、抽象层次高、概念繁杂等特点，学生很难掌握，更不要说将抽象理论与就业实践需求相结合。另一方面，国内主流数据结构教材和相应的传统教学模式侧重于培养学生的计算机学科基础理论素养，而将如何通过组织数据结构教学活动积极推动就业的问题留给了任课教师[1]。这造成了学生学习数据结构的目标不明、信心和动力不足。笔者面向就业需要明确了数据结构的两大主要教学目标，并在实际教学过程中实践建构式教育理论，尝试解决学生对专业认识不清、学习兴趣不足、编程基础薄弱等问题。一些做法得到了学生的认可和配合，成功地激发了学生的学习主动性、在一定程度上培育了学生的创新精神。
1面向就业需求的数据结构教学目标
教育要服务于社会生产需求。数据结构教学也必须紧扣这一根本目标。本节从满足就业需要的角度阐明了数据结构教学的两个主要目标：
1) 培养超越具体程序设计语言技巧的编程技术。
现阶段是一个传统的生产生活方式迅速向电子化、信息化转变的时期。人们需要开发和维护更多、规模更大的计算机系统来满足生产和生活的需要[2]。这就决定了具有熟练编程技术的程序员在很长时期内都将受到产业界的青睐。大学对学生编程技术的培养始于程序设计语言的教学，如C语言，Java语言等。但是现今编程语言繁多，各种新概念层出不穷，常常出现学生无所适从或者质疑某门语言课程已经过时无用的现象。甚至很多教师也在争论讲授何种编程语言。笔者看来掌握编程技术(而不仅仅是语言)，回归编程的本质问题更加重要，无谓地追赶时髦不可取。作为编程语言课程的后续，数据结构教学的重要目标就是帮助学生理解编程的本质、锻炼编程技术以及学习提高编程技术的方法。
2) 培养围绕复用的软件开发方式。
随着软件规模的日益增大，软件开发模式逐渐从“从无到有”的模式过渡到“从有到有”的模式，即复用现有的丰富的软件资产，开发新的应用系统。事实上，复用的思想已经被广泛的用于软件开发实践之中，从各种各样的程序库、软件开发包、软件构件、Web服务等各种可复用资产已经简化了软件开发的难度、提高了软件开发的效率也极大地改变了软件开发的模式。数据结构学科本身就是对软件复用思想的一种实践，它通过总结大量软件系统中反复出现的数据结构(如表、树、图、集合等)，定义和实现处理这些数据结构的基本操作，最终达到能够在不同项目开发中反复应用的目的。这些基本数据结构和算法已经被实现为可复用的产品随着程序设计语言发布，如C++ STL、C# collections, Java collections等，并得到了广泛的使用。因此，数据结构教学的另一个重要目标就是引导学生习惯围绕复用的软件开发方式，能够使用和定制已有的数据结构和算法库。
其他传统的数据结构教学目标，如培养学生面向实际问题进行算法设计和分析的能力，培养学生计算机学科的基本理论素养和思维方式等也非常重要。但普通本科院校学生对理论内容的接受能力以及将理论和现实就业需求相联系的能力相对较弱且教学时间有限[3]，笔者认为重点突破本节给出的两个更具体、更可达的教学目标，并在实现这种具体教学目标的过程中潜移默化地培育学生的计算思维和理论素质，将会取得更佳的效果。
2建构式数据结构教学
教学理论研究以及教学实践反馈均表明，学生主动学习的`效果远较被动地接受老师灌输的效果好的多。因此，为实现上述教学目标，在建构式教育理论的指导下，笔者探索并采用了一系列建构式教学措施，激发学生的主动性和兴趣，取得了较好效果。
建构主义认为，学习并非学习者对教师所授知识的被动接受，而是学习者以自身已有知识和经验为基础的主动建构过程[4]。知识不仅是通过教师传授而得到，更是学习者在一定的情境中，利用必要的学习资料，通过同化新知识、顺化自身知识结构的方式而获得。建构主义提倡在教师指导下的、以学习者为中心的学习，也就是说，既强调学习者的认知主体作用，又不忽视教师的指导作用，教师是意义建构的帮助者、促进者，而不仅仅是知识的传授者与灌输者。学生是信息加工的主体、是意义的主动建构者，而不仅仅是外部刺激的被动接受者和被灌输的对象。下面从理论教学和实践教学两个方面介绍我们采用的一些教学措施。
2.1理论教学措施
课堂教学是数据结构教学活动的主要部分，充分利用课堂教学时间，激发学生学习数据结构的兴趣和信心，帮助学生建立学习数据结构的环节非常重要。我们采用了如下措施：
1) 组织小型讨论。
好的开始是成功的一半，好的课堂教学须在上课之初就抓住学生的注意力，让学生带着轻松、愉快的心情听课。我的做法是在课堂的前5分钟，提出一个学生感兴趣的话题，组织若干个有3～5位同学参与的小型讨论。到一个学期结束时，每位同学都有至少一次的发言机会。讨论的主题可以灵活设置，如时事、技术、社会热点等。有时，课堂中间学生比较疲惫、注意力下降的时候，也可以穿插一点讨论，改善课堂环境。大多数学生非常喜欢这种讨论活动，积极参与其中，成为课堂的一部分，从被动上课转变为喜欢上课。
2) 重建理论知识所针对的问题。
国内的经典数据结构教材侧重严谨的理论，较少讨论各种概念、算法出现的背景以及探讨的问题是否仍然具有现实价值。而回答这些问题能够帮助学生重建理论知识所针对的问题原型，重现解决方案的提出、发展乃至最终成熟的整个过程，更有助于培养学生解决实际问题的能力，养成批判性、创新性思考的习惯。众所周知，关于树的存储方法很多，有双亲表示法，孩子表示法和二叉链表表示法[5]，其中以树的二叉链表表示法使用最广，但其他存储方法也有其适合的应用。例如，在利用树表示各个集合，求集合中的等价类时，双亲表示法更为合适。每一个集合都用树的双亲表示法存储时，并设树的根结点的值为集合名，集合中的每个成员都对应一个结点，这样很容易找到一个元素所属的子集(顺着双亲指针找树的根结点)。
3) 组织“我来讲”活动。
数据结构涉及很多抽象的概念和算法，初学者很难理解。而教师则对理论内容比较精熟，常常倾向于从理论的角度逐步递进、展开讲解，这就增加了学生的学习难度。教师和学生在教学语言上的鸿沟是影响教学效果的一个重要障碍。教师当然可将抽象的理论概念与生活中更形象的概念进行类比，帮助学生理解，也可以将复杂的算法过程用多媒体动画模拟出来，直观地展示给学生，帮助学生掌握。但一方面，根据建构主义理论，教师和学生的知识背景不同，由教师设计概念类比语境和算法模拟动画实际上仍然是基于教师的知识结构对知识点进行的同化和顺化，而不是对学生知识体系的直接建构。另一方面，教师的经验和智慧有其局限性，未必总能够找到最适合的类比语境和动画模拟。为此，笔者采用了充分发挥学生智慧的方法，组织“我来讲”活动，要求学生通过设计算法的动画模拟，创建概念的类比语境等方式进行学习，并随机选择学生走上讲台对抽象理论概念和复杂算法进行说明。这样不但能够调动学生思考问题，还能帮助那些无法完成自我知识体系建构的同学从学生的视角去理解同一个问题。例如，对于n维数组是元素为n-1维数组构成的线性表这一递归的类型定义，可采用符号推理的方式，培养学生的理论素养，而同时可鼓励学生根据自己的理解将抽象理论具体化，建立帮助理解和记忆的现实语境。
2.2实践教学措施
数据结构是帮助具有基本编程语言基础的学生锤炼编程技术的关键课程。它揭示了程序设计的基本面，即如何处理相互之间存在一种或多种数据关系的数据元素所构成的集合、如何设计算法并分析算法的优劣。若没有相应的配套实验指导学生如何将理论应用于实际问题，只是泛泛而谈、纸上谈兵，学生容易迷失在数据结构的一连串复杂概念和算法之中，而不知道学习数据结构的意义何在。为实现教学目标，笔者锁定实验内容设置和实验考核等两个关键环节，实践了如下措施，取得了较好效果。
2.2.1实验内容设置
实验内容设置是进行实践教学的最重要部分。从覆盖知识点的角度看，实验内容须面向数据结构教学目标，即实验内容须能够锻炼学生的编程技巧，如算法设计、调试、测试以及调优等能力，还能够让学生体会到围绕复用开展软件开发的威力以及思路。从覆盖教育对象的角度来看，实验内容须面向大多数同学并充分考虑优秀同学，即实验内容须划分不同的层次，让大多数学生能够很容易入手，并让有能力、有余力的学生能够不断地深入，直至形成综合型课程设计。
基于以上考虑，并借鉴同行经验，笔者开展三个层次的实验教学活动，一是要求所有学生都完成的实验内容，要求学生采用不同的数据结构实现同一个问题并进行对比分析，例如，分别使用静态数组和动态分配的连续内存区实现顺序表，使用整型、字符型数组或者链表实现长整数的乘法，使用带头结点或不带头结点的循环链表模拟约瑟夫环等；二是组织程序设计竞赛，让部分学有余力的同学能够在算法设计、程序实现和调试、优化等方面得到锻炼和提高；三是设计综合型课程设计锻炼学生解决问题的综合能力，并通过适当分组，培养学生团队协作精神和能力，锻炼学生解决问题的综合能力的目标，最终达到以点带面全面提高学生能力的目的。
2.2.2实验考核手段
考核手段在教学环节中至关重要。考核手段是学生学习和锻炼自身能力的风向标。为保证每位同学都能积极完成实验并有所收获，避免抄袭和敷衍的现象，笔者采取了综合型的考核手段。其一，提交实验成果，即程序及其运行结果；其二，记录实验过程、分析实验结果以及总结实验得失的实验报告，对实验报告进行选优讲评，培养学生撰写科学实验报告的能力；其三，每位同学必须面向教师讲解自己编写的程序，包括主要思路和细节性语法，优秀的同学可走上讲台宣讲自己的实验方案和程序设计技巧。这就基本杜绝了学生相互之间抄袭程序和实验报告的现象，使得学生真正能够思考问题，并尽力动手完成实验。综合上述三种手段的综合型考核方法既能够达到督促大部分同学完成实验、锻炼动手能力目的，又能够达到培养优秀同学的目的。特别地，优秀同学宣讲活动能够使学生观摩到如何从学生的视角从无到有的解决问题的过程，这能够培养学生解决实际问题的信心并激发其学习积极性。
3应用中遇到的问题
建构式教学模式在应用和推广过程中遇到的主要问题来自三个方面。其一，目前学生的课业负担较重，习惯于被动“填鸭”而不习惯于主动“求索”，这是推动和开展建构式教学模式的主要障碍。其二，建构式教学活动，需要师生的密切交流，但现有师资不足难以满足实际需求。一个可能的解决方法是综合多门课程和多个老师，建构整体的知识框架和学习体系，避免课程教学中的重复劳动，提高师资的利用率。另一个可能的解决方法是利用互联网技术，建立在线教学园地。其三，建构式教学模式仍然处于探索阶段，各学科缺乏建构式教学素材。从笔者在实践教学的体验来看，应尽量从学生的学习背景和能力成长规律出发而不仅仅是从学科背景出发，为学生建构知识体系设计更平滑的路线。
4结语
笔者提出将“培养超越具体程序设计语言技巧的编程技术”和“培养围绕复用的软件开发方式”作为普通本科院校的数据结构教学目标，在建构式教育理论的指导下，设计并实践了一系列建构式教学措施，分析了应用建构式教学模式所遇到的一些问题。
未来将开展两个方面的工作。一是通过问卷调查、统计分析等手段定量地分析建构式教学方法的实际效果；二是创造和积累建构式教学素材，如研究数据结构课程设计过程中不同类型学生的知识建构路线，挖掘并推广其中优秀的知识建构方法。
参考文献：
[1] 教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会. 高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告暨专业规范(试行)[M]. 北京:高等教育出版社,2006:8-101.
[2] 蔡敏,郑尚志,梁宝华.“数据结构”课程教学改革之我见[J]. 计算机教育,2009(4):50-51.
[3] 揭安全,李云清,杨庆红,等. 项目教学模式指导的“数据结构与算法”教学改革[J]. 计算机教育,2008(22):21-23.
[4] 郝长胜,贾茹. 运用建构主义理论构建程序设计基础的新型教学结构[J]. 计算机教育,2007(1):24-25.
[5] 严蔚敏,吴伟民. 数据结构(C语言版)[M]. 北京:清华大学出版社,2008:135-136.
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