《數據結構》網絡輔助教學平臺的設計與實現

李莉+田翔華+李豐軍+森干+畢雪華

摘要：該文依托我?！罢n程中心”，滿足學生自主學習的需要，設計并實現了基于校園網的數據結構課程輔助教學系統，并在我校實施應用，為學生的課前預習、課堂教學、課后練習、重點回顧等提供了個性化的教學服務，取得了顯著的效果，提升了教學質量。

關鍵詞：數據結構；網絡輔助教學；自主學習；個性化；教學服務

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）26-0130-03

Abstract： In this paper， basing on "curriculum center" of our school， satisfying students' autonomous learning， we designed and implemented the data structure course aided teaching system Based on campus network， and application in our school， for students to preview before class， classroom teaching， after-school practice， focus on provide personalized teaching service， achieved significant effect， improved the quality of teaching.

Key words： data structure； network assisted instruction； autonomous learning； individualization； teaching service

1 背景

隨著計算機技術和網絡教育的深入發展，尤其是高等教育改革的需求，為解決傳統教學模式易受時間、空間限制，無法滿足教師教學的多層次多樣化和學生個性化學習的需要，我校大力開展“課程中心”的建設，充分利用計算機網絡這一現代化的教學手段，為學生創建一個全面、開放、自主、個性化的教學服務，從而促進學生自主學習，提升教學質量。

數據結構是我校醫學信息管理專業的一門重要專業基礎課程，該課程主要研究非數值計算的程序設計問題，涉及大量的概念、數據模型和算法，是軟件設計與開發的必備基礎。但由于該課程理論和實踐性強、內容豐富且抽象，學生普遍反映存在學生難學、教師難教的困境。因此探索和構建新的教學模式、教學方法是教學組一直以來重點研究的一個課題。經過多年的探索和實踐，在我?！罢n程中心”網絡平臺上提出采用最新的多媒體和web技術設計實現了自主的、多媒體化和交互性強的《數據結構》課程的教學輔助系統，來輔助現有的課堂教學新模式。

2 系統總體設計

近年來，高校校園網的建設和發展極其迅速， 采用B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務器）架構為用戶提供跨平臺、開放的輔助教學系統更具潛力[1]。我校于2013年建設了課程中心網站教學平臺，為進一步加強優質教育資源的開發、普及和共享，提高教育教學質量，允許教學團隊根據課程性質和教學特點等再次開發和設計。本教學組教師采用現代化技術與手段，建設了《數據結構》課程中心，并不斷地進行補充完善，使教學管理人員、課程負責人、上課教師及學生可以隨時隨地登錄課程中心進行管理評估、完善補充課程資源、實現師生互動、自主學習等后端管理及操作應用。

2.1 設計思路和原則

數據結構課程主要研究如何根據實際問題合理地選擇邏輯結構去組織數據，并設計有效的物理存儲結構，實現插入、刪除等基本運算和查找、排序等眾多算法并對其進行分析評價。課程概念多、知識抽象，算法復雜，具有很強的理論性，邏輯性和技巧性[2]。學生普遍認為該課程學起來較枯燥，往往難以理解和接受，算法設計更是感到無從下手，導致他們的學習興趣不高、主動性不強，達不到教學目的。對此我們進行認真分析，以學生為主體，在設計該教學輔助系統時充分考慮并實施在該課程教與學的全過程建立課前預習、課堂教學、課后練習與習題課、上機實踐教學四大教學環節相融合的教學結構。同時，綜合該課程的教學體系、知識架構、教學手段、教學方法和策略以及教學活動安排在網絡輔助教學環境下如何實施，以學生為主體，教師為主導的人性化教育理念、教育模式，遵循完整性、多媒體化、強交互性和學生自主學習的原則來設計開發該輔助教學系統。

2.2 系統功能設計

首先數據結構課程本身具有抽象、知識點繁雜、實踐性強等特點，加之我校學生的生源特點，存在知識體系差異，尤其是不同民族之間。使得數據結構課程教學的突出難點是知識的抽象性和動態性，傳統的以教師為主體的教學模式和單一的教學方法難以克服教學中存在的問題，為了更好地滿足學生個體需求差異；教師根據實際教學及時調整補充教學資源和信息；同時，方便管理者進行管理與評估考核。我們在開發和設計本系統時，確定了整個網絡輔助教學平臺的功能模塊，如圖1所示。

該輔助教學系統不僅發布課程大綱、教學日歷、教案首頁續頁、多媒體課件、視頻、課后作業與習題等基本內容，還精心設計算法動畫演示以及仿真跟蹤執行，對部分知識點設計制作微課開展教學，建立師生、生生的互動進行在線答疑、討論論壇等。同時及時更新該課程相關前沿研究動態，內地高校精品課程教學視頻。極大地豐富教學網絡資源，提高學習興趣，增強信心，拓展學生自主學習的途徑和方法。

2.3 開發工具

在開發工具的選擇上，我們考慮該輔助教學系統在校園網上的運行速度和運行效率，兼顧技術領先、實用性、安全穩定等因素，提出基于B/S（Browser/Server 瀏覽器/服務器）模式進行架構，采用Visual Studio.Net和SQL Server數據庫進行開發設計，算法動畫演示采用Flash、HTML等技術實現，仿真執行采用Visual C++開發設計，系統架構合理、實現簡單，使《數據結構》課程輔助教學平臺能讓學生自主的學習活動不再受時空限制，能以最大信息量、最方便的方式實現師生間、學生之間的資源共享、學習交流。endprint

3 主要功能模塊的設計與實現

《數據結構》輔助教學系統主要是對課堂教學的重要補充和延伸，面向不同的學生個體，在課堂教學的學習過程中，對知識的接受和掌握難免存在個體差異，為了更好的輔助學生滿足其個性化學習的需求，該系統圍繞學生自主進行課前預習、課堂學習、課后練習、重點復習、上機實驗等環節設置了自主學習、檢測訓練、提問討論三大模塊。其中自主學習模塊以頁面導航方式提供了豐富全面的教學資源，可以滿足多層次個性化教與學的需求，為學生提供了一個內容豐富、知識全面、形式生動、趣味性強的教學輔助平臺。

1） 學生可以提前查看課程簡介、教材與參考書籍、教學日歷、教案首頁、續頁等相應的教學資料；

2） 學生可對下節課要學習的內容進行課前預習，引導學生把握知識體系、重點難點并激發其帶著問題主動聽課、認真聽課的興趣；

3） 對課堂學習沒有很好掌握或者理解的內容，可以選擇課后觀看視頻或者微課對知識點進一步學習；

4） 針對較復雜的算法，學生也可以反復觀看算法動畫演示，并對算法執行過程進行跟蹤測試，幫助學生理解掌握算法的思想和具體實現；

5） 學生可根據教學進度獲悉實驗教學的安排及實驗內容、實驗要求與目的，提前分析和理解問題，進行實驗設計與小組討論。

3.1 微課教學

微課于2008年首創，其核心組成內容是片段教學視頻，以半結構化、主題化的教學單元應用[3]。鑒于《數據結構》課程中部分抽象難以理解的知識點，我們采用繪聲繪影、錄屏等現代教育技術精心設計制作了以知識點為主題、片長10分鐘左右的教學微課，輔助課堂教學，滿足不同學生對不同知識點的個性化學習，即可在課后進行查缺不漏，又能重點復習鞏固某個知識點，從而促進學生有效地自主學習。

3.2 算法動畫演示

《數據結構》是講述數據組織、儲存和算法原理等理論知識為主，課程中有很多復雜的、較難理解的算法。我們知道對于理解復雜數據結構算法的最好方法就是用直觀、形象、動態的方式展現它們的行為動作，這樣把復雜抽象的教學內容形象化，即達到了教學目的，又豐富了課堂教學形式，提高了學生的學習興趣。因此，我們采用Flash和HTML5技術制作開發了多種數據結構和算法的交互式動畫。

1） FLASH交互動畫的設計制作

我們利用Flash幀動畫技術，根據算法思想創設動畫情景、動畫元素，對課程中的復雜算法進行了算法思想的動畫演示，給學生以較強的視覺沖擊，從而吸引學生，激發學生的學習興趣。如圖2所示，講授快速排序之冒泡排序算法時，我用一個生活中排隊的小實例來模擬冒泡排序的思想及實現過程，然后讓學生自己去觀察、發現、總結描述冒泡排序的思想。

此外，我們還利用Flash中面向對象的腳本語言Actionscript編寫程序來模擬計算機內存中是如何完成算法執行過程的，同時，允許學生進行數據測試，分步執行，來進一步觀察算法思想及執行過程，將算法從直觀的動畫實現過渡到抽象的計算機內部實現過程，從而引入數據結構的組織、存儲和操作運算，讓學生進一步掌握算法思想，理解算法的原理。如圖3所示，（a）為冒泡排序交互動畫的初始狀態，（b）為用戶輸入待排序的記錄關鍵詞后，模擬數據在計算機內存中的存儲，然后單擊開始或單步按鈕就可以進行算法的動畫演示。

2） HTML5動畫的設計制作

近年來，算法的動畫演示趨于輕量級、頁面化、易使用等方面發展，因此使用Flash技術設計制作的動畫演示系統需要安裝Flash插件，可視化環境要求較高，某些情況下給輔助教學帶來了些許不便。而新一代的HTML5標準增添了圖形的繪制、多媒體等新元素及功能，我們可以用HTML5畫布（canvas）元素在JavaScript中設計制作圖形動畫，并可以在瀏覽器中直接運行，方便學生課前課后隨時隨地使用web瀏覽器進行自主學習，也方便任課教師在不同的教學環境下正常授課。如圖4所示：（a）為冒泡排序算法動畫演示的初始頁面；（b）為動畫演示的效果展示，并分別給出每一趟排序的結果。

3.3 算法仿真執行

算法的動畫演示對于學生學習、掌握算法的思想原理起到了重要的作用，但是要求學生理解教材中的算法偽代碼時，很多同學就感到抽象，難以想象，理解起來困難重重。因此，我們針對課程中部分難度較大的算法進行了仿真以及跟蹤測試。采用Visual C++作為開發工具，調用windows API設計制作圖形界面，完成圖形編程，MFC基本類實現算法的動態演示，利用多線程技術來控制算法的動畫演示、源碼跟蹤和執行。同時，允許用戶單步執行算法，進行算法的模擬仿真，理解算法源碼。

如圖5所示，在同一界面中不但給出了算法測試數據、算法源碼以及算法動畫演示，還對算法的每一行源碼進行了詳實地解釋。這樣通過對底層的內存和磁盤等硬件資源的模擬，允許算法的單步執行，有助于讓學生加深對算法思想及內部實現機制的理解，掌握算法原理，理解算法源碼并進行算法描述與分析。同時，可以引導學生自主、探究式學習，強化結構、算法、編程相結合的教學模式，為后期的實驗教學和學生自主編程打下夯實的理論基礎。

4 結束語

《數據結構》網絡輔助教學平臺從實際教學出發，為學生提供了一個全面、開放、自主、個性化的教學服務，是現有的課堂教學模式的重要補充和延伸拓展，實踐證明，此系統的設計開發有助于激發學生的學習興趣和主動性，培養學生養成課前預習、課后復習、回顧重點難點的好習慣，促進學生自主學習；也使課堂教學更加具體生動，更富有吸引力，進而提升了教學質量。然而，我們對該課程的教學探索和實踐并沒有停止，還需要在今后做出更多的嘗試和完善。

參考文獻：

[1] 王民川. 基于B/S結構的教學資源平臺的設計與實現[J]. 福建電腦， 2009， 25（3）：124-125.

[2] 嚴蔚敏， 吳偉民. 數據結構（C語言版）[M]. 北京： 清華大學出版社， 2012.

[3] 劉銳， 王海燕. 基于微課的“翻轉課堂”教學模式設計和實踐[J]. 現代教育技術， 2014， 24（5）：26-32.endprint