用案例教学法指导数据结构与算法教学

总结并贯穿所学知识的能力，不能把所学的知识和方法应用到实际问题中去，不会分析问题，不会将抽象问题建立数学模型[6]。

1.3其他方面的原因

先行课程不扎实。高等数学、程序设计和离散数学等为数据结构与算法课程的先导课程。要想学好数据结构与算法，首先要求学生能够较好地掌握这些先导课程，具有一定的学习基础。其中，程序设计课程的学习质量对数据结构与算法课程学习的影响最为明显。由于教学条件、非高考科目等原因，大多数学生进大学前都没有接触过程序设计。因此，第一次学习程序设计时，对计算机语言的许多约定理解得不是很透彻，用计算机解决问题不可能得心应手，更谈不上把所学的知识融会贯通。由于其前导课程掌握不好或没能熟练掌握，导致学习数据结构与算法课程困难是一个比较普遍的现象[7]。

另外，教学学时数少也是一个重要的客观原因。许多高校由于教学改革，对包括本课程在内的许多专业课时都进行了压缩。针对涵盖面广、抽象复杂的课程内容，有些教师为了赶进度不得不仅限于知识点的介绍，没办法深入讲解，帮助学生加深理解。

2三阶式教学设计

针对目前数据结构与算法课程教学中存在的问题，近年来我们团队提出了三阶式教学设计的观点，在教学实践中取得了很好的效果。

三阶式教学设计是将教学设计分为“精选典型案例—设计生动课件激活课堂教学”三个阶段来完成。第一阶段：根据教学内容精选典型的教学案例；第二阶段：将已确定使用的教学案例设计制作成表现力强、生动直观的多媒体课件；第三阶段：研究在实际教学中如何将传统教学与多媒体课件有机结合，适时地进行动态演示，充分调动学生的兴趣，激发学生的求知欲，提高他们的积极性和主动性。

2.1精选典型案例

案例是案例教学的核心，案例选编是一项重要的工作。要选择真实、基础、本质的东西作为教学内容。在选择案例时要注意2个问题，一是要根据教学内容选择案例，也就是说案例中只涉及学生已学过或即将学到的知识；二是根据学生的素质情况，选用难易相当、繁简相宜的案例，切不可好大喜功，贪全求深[8]。

教学案例既可直接选用传统的典型案例，也可自行编写。例如，在讲解栈的应用时，我们直接选用了迷宫求解典型案例。即：使用顺序存储结构下的栈通过“穷举求解”的方法求迷宫中从入口到出口的一条简单路径[9]。

2.2设计生动课件

基于案例的多媒体课件的设计质量是成功进行案例教学的关键。多年来，结合选定案例，制作直观、生动、表现力强的多媒体课件是我们的重要特色之一，并取得了一些成果，部分章节的课件曾获全省多媒体课件比赛大学组一等奖和三等奖，获全国多媒体课件大赛高校组优秀奖。在基于案例的多媒体课件设计过程中，我们着重解决的三个问题是：1) 教学重点与教学难点的分析；2) 如何将静态的教学内容通过动态的多媒体课件“演示”出来，突破教学重点与教学难点；3) 选择合适的课件开发工具，进行课件设计。

这三个问题从表面上看与一般的课件设计没有什么明显的区别，体现不出基于案例的生动课件设计的特点。为了突出我们的特色，现以栈的应用举例——迷宫求解为例介绍我们的三阶式教学设计过程。

案例名称：迷宫求解

方法：穷举求解

多媒体课件设计解决的四个重要问题：

1) 教学重点与教学难点的分析。在迷宫的穷举求解过程，对初学数据结构的学生来说，仅凭教材中的文字表述和老师传统方式的课堂讲解，或另加带有几张静态图片的课件辅助展示，学生还是很难想像穷举求解的过程，常常被探索“下一位置”、纳入“当前路径”、退回到“前一通道块”、从“当前路径”上删除该通道块等一系列的表述搅得晕头转向，当然也就无法完全理解算法的设计思想。因此，动态课件的重头戏在于解决四个方面的问题：一是何为“下一位置”；二是探索的过程中需要不断地进行判断是“通道”还是“墙”，并对探索过的位置进行标记；三是如果当前位置可通过，则纳入“当前路径”——入栈；四是如当前位置“不可通过”，则应从“当前路径”上删除该通道块——出栈。其中，入栈和出栈是两个更为重要的关键问题。

2) 为了突破教学重点与教学难点，基于“迷宫求解”例的动态多媒体采用了穷举法“走”一遍的动态设计方案，即从“入口”开始，一步步从“当前位置”向“下一位置”进行探索，并将整个穷举求解的过程动态、完整地进行一遍模拟，让学生在路径探索的情境中去理解算法的设计思想。

3) 课件开发工具的选择。基于迷宫求解案例的多媒体课件设计方案中最基本的动作是探索“下一位置”、入栈、退回到“前一通道块”、出栈等，这些动作在课件设计中通过运动动画或沿路径的运动动画即可完成。因此，我们选择了著名的二维动画制作软件——Flash进行课件的设计，主要包括复习、数据结构、算法分析(或“走”迷宫)、课后思考等5个场景，整个文件长达15分钟，其中，“走”完迷宫的全过程大概需要7分钟左右的播放时间。图1至图4是从本课件中载取的几个重点、难点画面。其中，图1给学生展示了密宫初始状态与空栈(顺序栈)，这是“探索”开始前的初始状态；图2是“探索”还没有完成但存储路径的顺序栈已满时的状态，这是一种独具特色的设计方案，为了让学生更好地理解“扩容”的概念，我们设计初始状态时特意设计了一个“容量不够”的顺序栈；图3是扩容成功后继续“探索”的画面，目的是让学生理解扩容成功后继续“探索”的过程与扩容前没有什么不同；图4是“探索”完成后的“大结局”画面。

4) 生动效果的设计。适当夸张的表现方式配以恰当的音效将使课件的演示收到意想不到的效果。在进行画面及动画设计时，为了使学生加深对“通道”和“墙”的印象，迷宫图中我们使用了浅蓝色的方块表示“通道”，土黄色的方块表示“墙”；为了强化对“沿原路退回”和“探索遇到了墙”两种情况的理解，我们在已“探索过”但“不在路径上”的“通道”上加上一个可爱的“小脚丫”后再做“沿原路退回”动画，“探索遇到了墙”则采用一个不规则的星形图标进行标识。虽然背景音乐和音效不是一直伴随着课件进行播放的，相反，我们的课件中音乐和音效并不多，但我们却非常重视给一些特定的内容和动画加上能起到画龙点睛作用的背景音乐和特殊的音效，例如，显示概念文本时，我们插入了一段很舒缓且音量很小的乐曲，当“探索到了通道”时，我们会播放1～2秒钟长度的流畅而愉快的音乐片段，当“探索遇到了墙”时，则同步出现一个很短的类似刹车或遇阻的音效。这些效果的设计常常能使学生在观看课件时获得一种不会脱离学习状态的放松感，非常受学生们的欢迎。

2.3激活课堂教学

案例设计好后，教师在教学过程中，要注意案例呈现的时间。分析案例是案例教学中最重要的部分。教师在呈现案例时应营造分析案例的气氛，用循循善诱的语言，启发学生的思维，让他们在教师的引导下，在头脑中不断呈现、叠加、联系、比较、扩大或缩小、分析和综合。

我们在讲解“栈的应用举例——迷宫求解”这一内容时，虽然我们所制作的课件只有15分钟，但我们并不是让课件一打开就一直播放到结束。为了创设情境，营造分析案例的气氛，我们会不断点击“暂停”按钮，留一定的时间给学生思考，启发学生时思考时所提的问题也会注意留给学生一定的思考空间，待学生分析结束后，再点击“播放”按钮继续下面的演示。一般情况下，这段15分钟的课件需要停下来6～8次，全部内容的讲解则需要30分钟左右的时间。在这30分钟的时间里，学生们一直处于主动思考的状态，并能主动积极地回答问题，完全看不到传统教学法中那种困惑的表情和漫不经心的样子。在这样良好的课堂氛围里，教师越讲越有激情，学生越学越有兴趣，激活了课堂教学，实现了教学相长。

3三阶式教学设计的优势与目前存在的问题

3.1优势

三阶式教学设计方案经过三年的教学实践收到了良好的教学效果，得到了师生的一致好评。其优势主要体现在以下两个方面：1) 激活了课堂，调动了学生学习的主动性和积极性，学生从被动接受式学习状态转变为主动探究式学习状态；2) 由于三阶式教学设计的主要成果是多媒体课件，方便交流和推广应用。

3.2存在的问题

1) 数据结构与算法课程中有些教学内容难以选取或设计出满意的教学案例，或部分教学案例确定后难以得到满意的多媒体课件设计方案；

2) 课件设计方案所需要的特殊效果教学型的主讲教师难以实现，技术上的可行性得不到保证。

4结语

实践研究表明，作为一种先进的教学设计理念，三阶式教学设计不仅使数据结构与算法课程的教学研究有了一些突破性的进展，其中的成功经验和成果还能用于其他计算机课程的教学，特别是程序设计类课程的教学实践。

虽然目前三阶式教学设计无论从操作上还是技术上都还存在着一些问题，但我们相信，随着时代的前进，随着课件制作软件的不断升级，新的课件制作技术的不断出现，随我们研究的不断深入，目前存在的这些问题的将会逐步得到解决，其优势将会越来越明显。

参考文献：

[1] SHULMAN J H.Teacher-written cases with commentaries: A teacher-researcher collaboration[C]//SHULMAN.Case methods in teacher education.NY：Teacher College，Columbia University，1992：131-152.

[2] 王青梅,赵革. 国内外案例教学法研究综述[J]. 宁波大学学报:教育科学版,2009,32(3):8-9.

[3] 张仁津,唐翠芳. 加强程序设计技能培养的实践[J]. 贵州师范大学学报:教育科学版,2010(2):120-122.

[4] 钱琴. “数据结构”课程教学的思考[J]. 延安职业技术学院学报,2009,23(5):84-85.

[5] 朱清华. “数据结构”教学改革探索[J]. 湖南科技学院学报,2009,30(9):217-218.

[6] 葛建梅.“数据结构”课程教学方法改革的思考[J]. 中国成人教育,2008(1):147-148.

[7] 李明,温志强. 数据结构教学方法的探究[J]. 中国成人教育,2009(4):150-151.

[8] 李克清. “数据结构”课程中的案例教学初探索[J]. 长江大学学报:自然科学版,2004,1(4):135-136.

[9] 严蔚敏,吴伟民. 数据结构(C语言版)[M]. 北京:清华大学出版社,1997:50-52.

On the Vivid Teaching of Data Structures and Algorithms Directed by Case Study Methodology

TANG Cuifang，ZHANG Renjin

(School of Mathematics and Computer Science, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China)

Abstract：Aiming at the problems existing in the traditional teaching of Data Structures and Algorithms, this paper puts forward a new teaching idea with three phases, Typical case selecting, Vivid CAI designing and Teaching activating, based on analyzing status and functions of case teaching and study methodology in the teaching of programming courses of instructional design. This idea is put into practice in our school in design and reformation of teaching of data structures and algorithms in accordance with the actual situation of students and teachers involved， and helps achieving remarkable teaching effects.

Key words：Data Structure; case teaching; teaching design

(编辑：白杰)

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