项目教学模式指导的“数据结构与算法”教学改革

摘要：“数据结构与算法”是计算机科学技术专业重要的专业课程，该课程的教与学都有相当的难度。近年来，我们在该课程中引入了项目式教学方法，通过精心设计项目，以软件工程思想指导项目式教学过程，将师范教师教育与专业教育相融合等一系列教学改革，取得了显著的教学成效。本文介绍了我院的这些经验。

关键词：数据结构与算法；教学改革；项目；教学模式

中图分类号：G642文献标识码：B

“数据结构与算法”是计算机科学技术相关专业的重要基础课程。该课程是计算机科学技术专业研究生入学考试国家统一考试的统考科目之一，也是设计和实现各种应用软件的重要基础。课程教学效果对学生专业素养的形成具有重要的影响作用。近年来，本课程组围绕课程建设，对“数据结构与算法”课程教学进行了有益的改革与探索。

1课程教学改革的必要性与紧迫性

我校“数据结构与算法”是江西省高等学校首批精品课程，它是一门理论性和实践性都很强的课程。在过去的教学中，一部分老师重理论轻实践，而且由于该课程内容比较抽象，不好讲解，有时教师即使花了很多的时间准备，但由于学生个体的差异，也很难从整体上取得理想的教学效果。从学生的学习态度来看，学生对这门课程的认识仅停留在这门课是研究生入学考试的必考课程，知道这门课程非常重要，但起初并不能体会到这门课程在专业体系中的作用，对它在软件设计与开发中的作用更是缺乏感性认识，学生学习的兴趣有待提高。

“数据结构与算法”作为实践性很强的计算机专业的基础课，教学中必然离不开实践。过去，我们往往采用一般性实验作为课程实践的主要内容，即布置针对本次课堂教学内容的小型练习题，让学生独立完成程序设计与实现。这样的实践主要存在两个方面问题：

(1) 练习题一般为验证型的，所需要用到的知识点就是课堂教学刚讲授过的内容，学生不需要自己去考虑各种可能的解决方案并找到最合适的方法，学生受到的锻炼相对较少。

(2) 学生独立完成小型程序，可以一定程度上锻炼个体的编程能力，但现代软件开发的规模，使得团队合作在大多数情况下成为必须。为了在课程实践环节加强团队协作，尽早地让学生接受软件工程训练，必须对传统的实践环节进行改革。

从2003年起我校全面实行以学科类招生的全面学分制教学体制，为了保证学分制下专业课程的教学质量，学校提出了“以生为本，全面发展”的人才培养模式。对“数据结构与算法”等省校级精品课程提出了新的建设目标，要求以课程教学改革为手段，确实提升课程教学质量，服务于学校人才培养模式改革与实践。为此，课程组在省校级教学研究课题的支助下开展了基于项目的数据结构与算法教学改革与实践。

2基于项目的教学模式

基于项目的教学模式是指基于项目的学习(Project based Learning，PBL)模式。它是以学习/研究某种或多种学科的概念和原理为中心，在真实世界中借助多种资源开展探究活动，并在一定时间内解决一系列相互关联问题的一种教学/学习模式。

2.1项目教学模式构成要素

基于项目的学习模式主要由“内容、活动、情境、结果”四大要素构成。

(1) 内容：学科的核心观念和原理

PBL模式的主要学习内容是在现实生活和真实情境中表现出来的各种复杂的、非预测性的、多学科知识交叉的问题。这种内容的定位体现了当今教育教学改革发展的价值取向，因为它使得师生集中精力，对学科知识核心概念和观点进行深度学习和研究。

(2) 活动：生动有效的学习策略

PBL模式的活动主要是指学生采用一定的技术工具和一定的研究方法对问题求解所采取的探究行动。通常开展

课题支助：江西师范大学实验教改项目，江西省高等学校教学研究课题《“数据结构”综合性课程设计教学改革》，江西省教育厅科技项目#GJJ08155。

这种活动的顺序是：(A)结学生呈现有一定难度的问题；(B)学生通过各种途径搜寻资料，如实地调查研究、上网搜索；(C)对所掌握的资料进行相应的处理、加工并生成一定的信息，从而找到问题的答案。

(3) 情境：特殊的学习环境

PBL模式注重促进学生之间的合作学习，同时也支持学生的个别化学习。PBL模式中的情境作用定位主要表现在：(A)促进个人与个人之间以及个人和社会团体间的合作；(B)鼓励学生使用并掌握技术工具。

(4) 结果：丰富的学习成果

PBL模式强调促进学生掌握丰富的工作技能并将这些技能运用于终身学习中。其成果主要包括：(A)运用知识的技能和策略；(B)特定的技能、计划/部署、态度以及成功开展工作的信念。

2.2项目教学模式操作流程

PBL模式强调的是以学生为中心，强调小组合作学习，要求学生对现实生活中的真实性问题进行探究。通常，其操作流程分为“选定项目—制定计划—活动探究—作品制作—成果交流—活动评价”等六个步骤。

项目的选择由学生来进行，教师在此过程中作为指导者。计划的内容包括学习时间的详细安排和活动计划。活动探究是项目学习的核心或主体部分。制作作品是PBL模式区别于一般活动教学的典型特征，该过程与活动探究交融在一起，在作品制作的过程中，学生运用在学习过程中所获得的知识和技能来完成作品的制作。要求对他们所研究的项目进行描述，并且展示他们的研究成果，作品是学生在项目学习中所获知识和技能的直接反映。

协作是计算机工作者应该具备的基本素质，基于项目的教学模式要求学生以项目小组的形式开展团队合作，共同完成作品的制作，显然这对提高他们的创新能力、团队协作能力都是非常有益的。

正是因为项目协作教学模式的上述显著优点，2005年起，我们就在“数据结构与算法”的教学中引入项目教学模式作为一种课堂教学的辅助手段。利用信息技术支持下的PBL模式辅助教学过程，帮助学生提高解决问题与分析问题的能力，培养信息技术工作者所必须的团队合作精神。实践表明，项目教学模式指导下的教学实践对促进课程建设起到了十分明显的作用。近年来，培养的学生在算法分析与设计方面的能力有了明显的提高，大大提高了“数据结构与算法”课程的教学质量。

3课程教学改革的举措

信息技术的发展，为开展项目教学模式提供了很好的资源平台。近三年，我们围绕项目教学模式在“数据结构与算法”课程上进行了以下的改革举措。

(1) 借助信息技术支持PBL活动设计

建构主义认为，学习者的知识是在一定的情境下，借助他人的帮助，利用必要的学习资源，通过意义自主建构的方式而获得。因此，设计一定的情境和活动是PBL教学设计最重要的一环。我们在“数据结构与算法”课程中以PBL模式流程为主线，来设计教师和学生所从事的各类活动。为帮助学生选定题目，教师除了在日常的课程教学中引导学生选题外，还专门开展专题讲座，目的是引发学生对某一个或若干专题感兴趣，期间也可以给学生感兴趣的专题讲授一些概括性的知识。例如，我们结合数据结构介绍“互联网搜索引擎原理”的讲座后，极大地激发了学生的学习兴趣，老师在这个讲座中可以适当地介绍搜索引擎需要用到的数据结构与算法知识，如模式匹配、散列检索等算法，进一步增强了学生学习“数据结构与算法”的兴趣。

作品展示也是一种有效的激励手段，通过展示一些学生比较好的作品，可以让学生增强自信力。如在讲到线性表一章时，我们给学生演示上一级学生所做的“基于线性表的学生信息管理系统”，对于刚接学完C程序设计接触数据结构的学生来讲，学长们留下的这些好的作品给了他们巨大的榜样，许多学生跃跃欲试，希望自己很快能投入到项目的制作中。

为了便于学生通过网络进行协作学习，我们开发了数据结构网络教学平台如图1所示。借助于网络平台，构建了一个虚拟学习情境。

我们精心设计了与数据结构和算法相关的项目，根据学生的兴趣及其选题，再将学生分成若干个小组，然后指定或由学生推选出各组的组长。组长相当于软件项目中的项目经理，负责整个软件项目的组织协调。学生通过听专题报告、文献查阅，头脑风暴等环节，每个成员提出自己的各种想法并对其他组员的意见进行评价，然后由小组长综合意见，确定本小组的研究项目。

(2) 采用软件工程思想指导项目教学模式

在项目教学模式中，我们按照软件工程的思想，要求学生进行需求分析、确定时间计划，确定行动方案、确定最终作品的形式、确定小组内的任务分工，教师负责审定教学计划、并进行必要的修改。值得一提的时，刚开始进行项目教学模式改革时教师的工作量是非常大的，每个教师在完成教学工作的同时，还要额外地完成多个项目的指导。但经过一届的教学后，上一届留下的资源可以给下一届学生借鉴，上一届学生中选拔的优秀学生可以作为我们开展项目教学的“助理教师”，让他们参与项目的审定，一方面节省了任课教师大量的时间，另一方面大大提高了这批学生的实际工作能力。

项目组在确定题目后，在“助教”和老师的共同参与下开展项目制定项目实施计划，开展项目研究，定期提交项目阶段性的研究成果或文档报告，并在工作室定期介绍项目组的阶段性成果。

(3) 师范教育技能与专业教育相融合

为了提高师范生教师教育技能，我们还要求学生在汇报时精心制作演示文稿，精心准备，在规定的时间内完成项目介绍，这种将师范教育技能的培养融合到专业课程的教学中的做法收效很好。对于每个项目组进行项目成品汇报时，要求汇报人以教师的角度来向大家介绍本项目组的成果，同时要求其展示软件项目的成品，通过这种训练方式，使得学生在讲述一个问题时，不经意地就会站在教师的角度去考虑问题，通过一段时间的煅炼，很多学生的教师教育技能得到了很大的提高。很多受过这种训练的学生在参加省校师范生教师教育技能大赛上获奖。很多学生表示，这种训练比起他们单纯地接受教育学原理教育的效果要好得多。

除了教师指定项目外，学生也可自定项目。例如，一次我们布置了一道算法设计习题如下：给定一个w*h的方阵。每个小方块可能有也可能没有游戏块。如图2所示。

需要判断任意给定两个游戏块是否有一条路线连通。并且这条路满足以下两个条件：①它必须由直线段构成，每条线段只能是横向或竖向。②它不能穿过任意的游戏块(允许路径暂时的离开方阵)。

部分学生在完成这道习题后，主动提交了一份设计一个动态演示该算法的程序设计项目报告。程序采用Java语言编写，用图形界面模拟广度优先搜索路径的过程。图3是该项目作品演示搜索过程的一个界面。

图中所示的卡通人物在算法自动生成的游戏方格中可以动态演示从入口到出口采用广度优先搜索路径的过程。在汇报该项目时，这些学生还制作了讲解用的演示文稿，整个汇报层次清晰，让很多同学受益蜚浅。通过这个项目，学生不仅对数据结构中的广度优先算法有了深刻的理解，更为重要的是，通过Java语言开发，锻炼了学生的软件开发能力，使他们尽可能早地接受到了软件工程训练。

(4) 改革成绩评价机制，充分调动学生的学习主动性

为了让学生有激情参与到项目教学模式中来，我们改革了传统的教学成绩评定机制，期末理论成绩考试只占总成绩的50%，另外50%成绩来源于学生的项目实践成绩。学院建有的机器人开放实验室，实验室成员从数据结构与算法方法具有较强动手能力的学生中选拔。学校ACM程序设计竞赛队的成员也基本上来自其中的优秀学生。在课程项目中表现突出的学生有更多的机会参与到学院各类横向或纵向课题的研究梯队。以上激励措施，极大的调动了学生的学习主动性。

5教学改革效果

近3年来，在“数据结构与算法”教学综合改革中，我们以项目教学模式为指导，在“数据结构与算法”教学中精心设计项目，以软件工程理论为指导，使学生从低年级开始就对软件工程思想有了较深的感性认识。强化师范生的教师教育技能训练，率先将师范技能训练融合到专业课程的教学中，取得了非常好的教学成效，学生直接参与制作的《数据结构课件》获江西省高校第三届优秀多媒体课件大赛一等奖。通过这种项目训练，不仅加深了学生对课程理论知识的理解，更为重要的是，学生学会了协作与探究学习。近年来，学生多次在全国机器人大赛中获奖，设计的软件作品多次获得电子大赛奖励，这些成绩的取得都与学校积极开展教学研究，改革课堂教学方法，将理论与实际应用相结合，注重启发式教学，注意学生创新能力的培养等举措直接相关。

以上工作使得“数据结构与算法”课程的教学质量从质的方面得到了很大的提高。达到了教师满意、学生受益的双重教学效果。课程组为此获江西省高等学校第10批优秀教学成果二等奖。

参考文献

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