新工科驅(qū)動的非計算機專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)模式探討

新工科驅(qū)動的非計算機專業(yè)數(shù)據(jù)構(gòu)造課程教學(xué)形式討論〔〕:

摘要：隨著教育部新工科建立逐步推進，圍繞人工智能、大數(shù)據(jù)等計算機領(lǐng)域新興方向與其他工科專業(yè)穿插交融的進一步深化，復(fù)合專業(yè)培養(yǎng)新形式受到了廣泛的重視。數(shù)據(jù)構(gòu)造作為計算機相關(guān)專業(yè)極為重要的核心課程，對其他非計算機工科專業(yè)學(xué)生在新工科專業(yè)背景下的學(xué)習(xí)同樣起著重要的輔助支撐作用。分析了目前數(shù)據(jù)構(gòu)造課程在非計算機專業(yè)開設(shè)過程中存在的實際問題，提出了具有針對性的教學(xué)形式，有效提升了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)構(gòu)造；非計算機專業(yè)；新工科；教學(xué)形式

本文引用格式：孫玉娥,等.新工科驅(qū)動的非計算機專業(yè)數(shù)據(jù)構(gòu)造課程教學(xué)形式討論[J].教育現(xiàn)代化,2022,6(77):177-179.

一引言

美國計算機學(xué)會(AmericanAssociationforputerMachinery,ACM)以及電氣電子工程師學(xué)會下設(shè)的計算機學(xué)會(IEEEputerSociety,IEEE-CS)早在2022年就發(fā)布了計算機科學(xué)課程體系標準(putingCurricula2022,CC2022)用以標準計算領(lǐng)域國際化本科課程體系的設(shè)計【1】。計算機科學(xué)自身的特點決定了在課程體系設(shè)計過程中需要考慮到學(xué)科本身日新月異的開展以及多領(lǐng)域交融等特性，故在CC2022發(fā)布之后，ACM及IEEE又分別發(fā)布了CS2022，CS2022課程體系【2】。在約20年的時間里，課程體系歷經(jīng)屢次修訂，數(shù)據(jù)構(gòu)造作為核心課程的地位一直沒有發(fā)生任何改變。該課程作為計算機專業(yè)核心課程，對本科學(xué)生的計算思維才能訓(xùn)練以及動手編程才能的培養(yǎng)都起著至關(guān)重要的作用。尤其是數(shù)據(jù)構(gòu)造課程在整個計算機科學(xué)課程體系中起到了承上啟下的關(guān)鍵作用，假設(shè)學(xué)生可以在該課程學(xué)習(xí)過程中打下堅實根底，會對后續(xù)諸如?操作系統(tǒng)?、?數(shù)據(jù)庫原理?、?人工智能?、?軟件工程?等幾乎所有計算機領(lǐng)域?qū)I(yè)課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生極大的幫助。

2022年7月教育部發(fā)布了?教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與理論的通知?，在通知中明確希望高校圍繞新工科進展研究，進而深化工程教育改革，推進新工科的建立與開展【3】。就目前來說，廣闊教育工作者對于新工科的定義及主要內(nèi)涵還存在一定的爭論，但從字面理解新工科的目的一定是指向近年來隨著技術(shù)更新而興起的各種新興工科專業(yè)，如人工智能、大數(shù)據(jù)等原來各高校沒有開設(shè)的專業(yè)，當然新工科也包括了傳統(tǒng)工科相關(guān)專業(yè)的晉級及互相交融。這些都需要引入新的教學(xué)理念以及全新的培養(yǎng)形式支持，從而進一步提升本科教學(xué)質(zhì)量。

目前國內(nèi)已有多所知名高校對原有各相關(guān)工科專業(yè)進展了晉級改造及專業(yè)交融，目的主要是圍繞人工智能、大數(shù)據(jù)、及物聯(lián)網(wǎng)等計算機領(lǐng)域新興方向與本專業(yè)原有內(nèi)容進展結(jié)合并加以拓展。數(shù)據(jù)構(gòu)造課程在電子信息工程、信息管理、機電工程以及機械工程等工科專業(yè)同樣起著至關(guān)重要的作用，課程所涉及的相關(guān)技術(shù)可以為不同專業(yè)提供輔助支撐[4,5]?；诖?，本文將著重討論在新工科日益引起關(guān)注的今天，作為一門計算機專業(yè)極為重要的根底課程?數(shù)據(jù)構(gòu)造?在其他非計算機工科專業(yè)開設(shè)過程中有效提升教學(xué)質(zhì)量的詳細手段。

二非計算機專業(yè)數(shù)據(jù)構(gòu)造課程教學(xué)現(xiàn)狀總結(jié)

目前數(shù)據(jù)構(gòu)造課程在各非計算機專業(yè)課程建立中的地位普遍不高，僅作為一般根底類必修課程，與專業(yè)核心課程受到的重視程度仍有差距。筆者根據(jù)多年來授課經(jīng)歷，總結(jié)出了非計算機專業(yè)數(shù)據(jù)構(gòu)造課程教學(xué)過程中存在的三點問題。

〔一〕學(xué)生程序設(shè)計根底薄弱

目前主流數(shù)據(jù)構(gòu)造教材都是依賴于某種特定程序設(shè)計語言對知識點進展介紹，其中以C，C++，JAVA版本的數(shù)據(jù)構(gòu)造教材最為常見。但是無論教學(xué)過程采用哪種語言，扎實的程序設(shè)計功底是理解掌握各個知識點的根底。目前我國很多高校非計算機專業(yè)程序設(shè)計相關(guān)課程在教學(xué)過程中受限于課時量以及授課對象個體才能及努力程度上的差異，很多重要知識點沒有涉及或者學(xué)生理解深度不夠。以C程序設(shè)計語言課程教學(xué)為例，在課程學(xué)習(xí)完畢時很多非計算機專業(yè)學(xué)生僅僅掌握了C語言的根底語法以及指針的根本概念，對于指針的高級應(yīng)用及構(gòu)造體相關(guān)知識都未曾涉及；據(jù)筆者理解很多高校非計算機專業(yè)C++課程教學(xué)僅僅涉及根底語法、封裝、繼承等根本概念，而對于多態(tài)、重載以及泛型等知識點介紹嚴重缺乏。由于編程根底嚴重欠缺，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)構(gòu)造實驗環(huán)節(jié)學(xué)生不知道從何下手。

〔二〕學(xué)生對課程重要性認識不夠且學(xué)習(xí)積極性偏低

非計算機專業(yè)學(xué)生在入學(xué)時常常會通過自己專業(yè)相關(guān)有經(jīng)歷的教師理解本專業(yè)相關(guān)課程的要求以及重要性程度，而這些教師對于數(shù)據(jù)構(gòu)造這類計算機專業(yè)課程內(nèi)容卻知之甚少，甚至?xí)o予學(xué)生一些錯誤的信息，比方"該課程就是程序設(shè)計";，"這門課程非常難學(xué)";等等錯誤觀念。由此造成了學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程之前就有了畏難的情緒，學(xué)習(xí)積極性不高。

〔三〕理論及實驗課時偏少

之前提及蘇州大學(xué)計算機專業(yè)數(shù)據(jù)構(gòu)造課程的課時量為144課時，但目前以筆者理解到的情況，大局部工科專業(yè)數(shù)據(jù)構(gòu)造課程設(shè)置的課時量根本集中在54課時或72課時，其中實驗環(huán)節(jié)僅分配9課時或18課時。講授課時以及實驗課時偏少會導(dǎo)致學(xué)生在程序設(shè)計根底缺乏的前提下對知識點無法做到積極自主的學(xué)習(xí)，只能依賴有限的課堂時間承受知識。久而久之，學(xué)生對于數(shù)據(jù)構(gòu)造課程相關(guān)知識點的理解都會浮于外表，而無法學(xué)以致用。

三非計算機專業(yè)數(shù)據(jù)構(gòu)造及算法課程教學(xué)形式設(shè)計

鑒于以上總結(jié)得到的非計算機專業(yè)數(shù)據(jù)構(gòu)造課程教學(xué)過程中存在的種種問題，我們擬結(jié)合新工科建立開展的需求，結(jié)合目前非計算機專業(yè)現(xiàn)狀提出一系列具有創(chuàng)造性思維的教學(xué)形式，以進步學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，通過提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣實在提升教學(xué)質(zhì)量。需要說明的是，諸如引入通俗易懂實例進展教學(xué)的類比教學(xué)形式等經(jīng)典教學(xué)形式已有很多相關(guān)介紹[6,7]，在這里我們就不一一贅述。

〔一〕興趣驅(qū)動教學(xué)形式

基于興趣驅(qū)動的教學(xué)形式在之前的研究中已經(jīng)廣泛被教育工作者提及[8]，近年來興起的翻轉(zhuǎn)課堂[9]也被證明是一種提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極嘗試，被廣泛應(yīng)用于大中小學(xué)課堂。但綜觀以上研究后不難發(fā)現(xiàn)，大局部基于興趣驅(qū)動的教學(xué)形式研究仍停留在理論階段，缺乏實在可行的教學(xué)案例供數(shù)據(jù)構(gòu)造課程教師參考。鑒于此，我們試圖提出一種適用于非計算機專業(yè)工科學(xué)生的基于興趣驅(qū)動的教學(xué)形式。我們?nèi)砸攒壍澜煌▽W(xué)院軌道交通信號控制專業(yè)數(shù)據(jù)構(gòu)造課程教學(xué)為例講解我們在課程教學(xué)過程中作出的嘗試，希望可以起到舉一反三的作用。對于非計算機專業(yè)同學(xué)而言，最大的興趣來源于如何應(yīng)用數(shù)據(jù)構(gòu)造課程所學(xué)知識解決本專業(yè)所面臨的實際問題。例如，動態(tài)頻譜分配是下一代智能軌道交通車地?zé)o線通信的重要解決方案之一，而動態(tài)最優(yōu)頻譜分配問題的本質(zhì)可以規(guī)約到數(shù)據(jù)構(gòu)造及算法中提及的NP-hard問題，我們可以通過貪心解決方案求出問題的近似最優(yōu)解。NP-hard問題是與數(shù)據(jù)構(gòu)造課程第一章算法時間復(fù)雜度嚴密相關(guān)的一個概念，這類問題普遍被認為無法在多項式時間內(nèi)獲得問題的準確解。而貪心算法的思想在數(shù)據(jù)構(gòu)造圖這一章被屢次提及，例如Dijkstra最短途徑求解算法、Prim、Kruskal最小生成樹求解算法、Huffman編碼算法等方案都是貪心思想的表達。動態(tài)最優(yōu)頻譜分配是軌道交通專業(yè)前沿性問題，當學(xué)生意識到這些看似沒有聯(lián)絡(luò)的知識點可以求解本專業(yè)前沿問題后，學(xué)習(xí)的興趣及熱情自然而然會被極大調(diào)動。隨后我們再給出求解該問題的根本函數(shù)功能和函數(shù)原型以及核心函數(shù)的設(shè)計，學(xué)生就會自發(fā)編寫代碼對問題進展求解。整個過程學(xué)生不僅掌握了貪心算法設(shè)計思想，對復(fù)雜問題求解的時間復(fù)雜度也有了最為直觀的認識，還在潛移默化中提升了程序設(shè)計才能。

〔二〕基于科研案例的教學(xué)形式

近年來，為了實在深化本科人才培養(yǎng)形式改革、進步教育質(zhì)量、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，很多學(xué)校引入了本科生全程導(dǎo)師制。導(dǎo)師制旨在倡導(dǎo)高程度教師更多地參與本科生指導(dǎo)工作，建立新型師生關(guān)系，挖掘有科研潛力且有意愿繼續(xù)深造的同學(xué)盡早進入導(dǎo)師實驗室從事根底科研活動。很多學(xué)生在參加到導(dǎo)師實驗室后，會誤以為本科階段在課堂上學(xué)習(xí)到的知識非常陳舊，進而失去學(xué)習(xí)相關(guān)根底課程的興趣。出現(xiàn)該問題的主要原因來自于很多根底課程任課教師照本宣科，多年重復(fù)講述一樣的內(nèi)容，無法將課本里的知識點與最新的研究成果結(jié)合?；诖?，筆者提出了基于科研案例的教學(xué)形式的嘗試。

我們以二叉查找樹(BST,BinarySearchTree)為例講解我們在科研案例教學(xué)形式中作出的嘗試。我們結(jié)合了BruceReed在計算機領(lǐng)域頂級JournalofACM發(fā)表的?TheHeightofaRandomBinarySearchTree?[10]作為輔助教學(xué)材料為同學(xué)講解相關(guān)知識點最新的研究進展。通過閱讀相關(guān)文獻，學(xué)有余力的同學(xué)理解了對于包含n個節(jié)點的隨機二叉查找樹的期望樹高可以推導(dǎo)得出E(Hn)=alpha;lnnminus;beta;lnlnn+O(1),其中alpha;=4.311,beta;=1.953的結(jié)論。

施行科研案例教學(xué)對任課教師提出了更高的挑戰(zhàn)，整個教學(xué)過程中要求任課教師絕不能拘泥于課本上有限的知識點，任課教師需要對開設(shè)課程專業(yè)相關(guān)前沿技術(shù)具備足夠的敏銳性，可以開掘出前沿技術(shù)中與數(shù)據(jù)構(gòu)造課程知識點相關(guān)的穿插內(nèi)容，并以通俗易懂的方式為同學(xué)講解。

〔三〕適度延伸的教學(xué)形式

對于計算機專業(yè)學(xué)生，數(shù)據(jù)構(gòu)造屬于算法設(shè)計與分析課程的先修課程。算法設(shè)計與分析同樣是計算機相關(guān)專業(yè)的核心課程，扎實的算法設(shè)計與分析功底是從事計算機相關(guān)各種工作的堅實根底。在非計算機專業(yè)學(xué)生求職過程中，算法根底也是許多知名公司面試會涉及的內(nèi)容；從科研角度來看，算法設(shè)計與分析是從事人工智能相關(guān)跨學(xué)科領(lǐng)域研究必須掌握的內(nèi)容。由于非計算機工科專業(yè)學(xué)生間的根底差異較大，局部程度較好的學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中受限于課程設(shè)置緣故，盡管才能完全到達甚至超出了計算機專業(yè)學(xué)生程度，卻無法接觸到后續(xù)課程。鑒于此，本人在教學(xué)過程中提出了針對學(xué)生才能差異化的適度延伸教學(xué)形式。

我們以時間復(fù)雜度以及排序這兩章的知識為例進展討論。大局部教師在時間復(fù)雜度相關(guān)內(nèi)容的講解過程中只會涉及O記號，但對O記號的物理含義卻不加以深化闡述。以致于大局部計算機專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)完數(shù)據(jù)構(gòu)造課程后甚至無法斷定"在不加以特殊說明的情況下，算法的時間復(fù)雜度是指算法在最壞情況下的時間復(fù)雜度";的表述是否正確。但假設(shè)在時間復(fù)雜度相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)過程中，課程教師可以將?算法導(dǎo)論?中對漸進上界O記號的數(shù)學(xué)表述(詳見定義1)及圖示，以及漸進緊確界Theta;和漸進下界Omega;符號的涵義加以講解并進展比照，學(xué)生對于該局部知識的理解將會更加透徹。在排序章節(jié)涉及排序算法繁多，每一種排序算法均對應(yīng)最好、平均以及最壞三種情況下的時間性能分析。以快速排序為例，快速排序的平均時間復(fù)雜度為1.39nlgn+O(n)isin;O(n2)，而在最好情況下O(nlgn)isin;O(n2)同樣成立，故我們才可以使用漸進上界O記號去涵蓋最好、平均、最壞三種情形下的時間復(fù)雜度描繪。基于此，我們認為適度延伸的教學(xué)形式可以極大彌補非計算機專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中知識點的缺失，使得學(xué)生理解問題更加深化。

定義1:假設(shè)g(n)和f(n)是定義在正整數(shù)集合上的兩個函數(shù)，那么f(n)=O(g(n))表示存在兩個正的常數(shù)c和n0，使得當nge;n0時都滿足0le;f(n)le;c-g(n).

四結(jié)語

圍繞計算機與其他工科專業(yè)穿插交融的深化，數(shù)據(jù)構(gòu)造作為計算機專業(yè)核心課程在各非計算機工科專業(yè)建立中同樣起到了至關(guān)重要的作用。本文針對非計算機專業(yè)數(shù)據(jù)構(gòu)造課程教學(xué)中存在的實際問題，提出了興趣驅(qū)動、科研案例以及適度延伸等教學(xué)形式，并證明在教學(xué)過程中可以有效提升非計算機專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻

【1】WangZ.TheResearchonTeachingIdeasof"DataStructureandAlgorithm";inNon-puterMajor[M]//AdvancesinputerScienceandEducation.Springer,Berlin,Heidelberg,2022:249-254.

【2】s://./binaries/content/assets/education/cs2022_chinese.pdf

【3】://./srcsite/A08/s7056/202207/t20220703_308464.html

【4】徐新.基于案例驅(qū)動的數(shù)據(jù)構(gòu)造課程教學(xué)方法研究[J].計算機教育,2022,(3):44-47.

【5】李凡長等．多維度協(xié)同教育理論與方法[M]．科學(xué)出版社.2022.

【6】Lawrence,R.Teachingdatastructuresusingpetitivegames[J].IEEETransactionsonEducation,2022,47(4):459-466.

【7】Lokare,V.T.,Jadhav,P.M.AHolisticApproachforTeachingDataStructureCourseintheDepartmentofInformati