地理信息科学专业《数据结构》课程教学改革与实践

刘远刚　何贞铭　蔡永香　龙颖波

摘要：大多数高校地理信息科学（Geographic Information Science，简称GIS）专业的《数据结构》课程教学都照搬了计算机专业的教学模式，忽视了GIS专业的特色。针对该问题，该文提出了若干的教学改革措施，包括：（1）修订符合地理信息科学专业人才培养目标的教学大纲；（2）结合GIS专业问题开展基于案例驱动模式的教学内容与教学方法改革；（3）借助MOOC平台开展实践课程的翻转课程教学。通过教学实践，取得了较好的教学效果，并形成了一套具有GIS专业特色的教学资源。

关键词：数据结构；地理信息科学；教学改革

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）17-0096-02

1概述

《数据结构》是一门研究计算机中非数值问题的数据组织与编排方式的综合性基础课程，内容涉及数学、计算机软件和计算机硬件等多个专业领域。自20世纪70年代起，国内外高校普遍将该课程列为计算机相关专业本科必修课程。由于数据结构在计算机相关领域的重要地位，长期以来一直作为众多高校地理信息科学（Geographic Information Science，简称GIS）专业的一门必修课程，但很少院校能够结合GIS专业本身特点进行授课。以我校GIS专业为例，自2000年创办以来，一直将《数据结构》作为学科基础课，总共设有64学时，其中上机20学时，并在课程结束后安排有为期2周的《数据结构课程设计》，足见对该课程的重视。但多年来，该课程教学内容基本照搬了计算机专业现有教材，未体现GIS专业“特色”。同时，很多GIS专业学生对该课程存在畏难情绪，学生的上机实习和实际应用能力明显不足，总体学习效果不够理想。因此，有必要围绕GIS专业人才培养的目标对该课程所存在问题进行教学改革。

2教学改革的措施

2.1围绕GIS专业培养目标修订课程教学大纲

GIS专业主要是向城市、资源、环境、交通、住房、土地和基础设施等部门及相关领域培养能够从事与GIS有关的设计、应用研究、技术开发等工作的复合型人才。根据专业培养目标，有必要在《数据结构》课程教学过程中融入GIS学科的基本概念和空间思维方式，让学生较早地接触专业知识，树立良好的专业思想，为后续专业课程的学习打下良好基础，并且加强《数据结构》与GIS核心专业课程的联系与衔接，增强整个课程体系的系统性。《数据结构》课程内容丰富，难点多，逻辑性强，非常抽象，对计算机语言掌握的程度要求较高。相对计算机专业而言，地理信息系统专业学生的计算机基础比较薄弱，而一般院系也不能安排更多的课时授课，因而内容上要有所取舍。而GIS技术本身就涉及许多数据结构方面知识，如矢量、栅格数据的组织、空间索引和最短路径算法等，数据结构中关于线性表、树、图等基本的知识是解决此类问题的基础。对于这些内容需要作为重点教授，并给学生充分的上机实践时间。另外，还可以结合GIS技术特点和应用特征，对教学内容进行合理补充。如GIS技术中的数据集管理问题本质上可视为一种对线性表的操作，以此为例阐述线性表的基本知识和实现方法，能更好地实现与相关GIS专业课程的衔接。对于另外一些计算机专业可能作为选修的内容，如最短（优）路径分析，对于GIS专业反而很重要，因此不仅要介绍，而且要结合具体案例进行重点介绍。因此，首先应该围绕GIS专业培养目标对教学内容进行合理的取舍、补充、重新定位，拟定新的教学大纲，体现GIS专业的特色。

2.2结合GIS专业问题实施基于案例驱动的教学

结合GIS专业中的实际应用问题，将《数据结构》的知识点按照“GIS应用案例引入——数据结构及其操作——GIS案例分析与实现”的案例驱动模式进行展开。教学过程中，每个知识点或章节使用一个有趣的“GIS问题案例”起头，由该案例逐步引入新的数据结构概念和模型，然后结合程序设计语言给出该数据结构的存储表示及各种基本操作的实现，并进一步分析此案例的解决方法，最终利用所设计的数据结构来解决案例中的实际问题。将GIS专业问题与《数据结构》课程知识相结合的案例驱动教学模式基本思路如图1所示。

《数据结构》的理论知识，如表、树、图等，在GIS专业中都有经典的应用案例，在相关的GIS专业软件中也有具体的体现。如表1所示，拟定了几个具有代表性的可以结合GIS专业问题的进行讲解的数据结构理论知识点。通过案例驱动的方式改革数据结构的授课内容，可以使传统的面向计算机专业的数据结构知识点真正的融入到GIS专业的教学中来，并发挥其在GIS专业人才培养过程中的基础性作用。

2.3借助MOOC平台开展实践课程的翻转课程教学

目前《数据结构》课程教学的大多数教学内容仍采用“教师讲授为主和上机练习为辅”的教学模式，也就是在课堂内进行知识的传授，而在上机时进行知识的内化。这种教学模式存在明显不足，尤其是上机效果不够理想。数据结构相关知识比较抽象，理论性较强，对相关知识点进行充足的课堂讲授是必要的。但是，根据以往教学经验发现上机学时明显不足。每次上机，很多学生还没有进人状态就下课了，导致学生无法充分消化课堂上讲授的理论知识，对相关知识点的理解似是而非，不能有效提高动手实践能力，甚至导致很多同学畏惧编程。总之，理论与实践教学严重脱节。如上所述，本文将基于案例驱动模式开展面向GIS专业问题的《数据结构》教学，增强了课程的应用性和实践性，实践环节将变得更加关键。MOOC是一种“在线”课程，不需要学生在规定的时间内集中到课堂，而是随时随地，只要通过互联网就能够观看到教学视频，这对于学习效能而言是极大的提高，这样学生可以更充分地利用自己的空闲时间，更好地规划个人的学习。因此，课程组借助学校提供的MOOC平台建设课程的上机实践教学资源，通过平台提供的教学工具分发上机任务，跟踪学生上机学习过程，回答学生上机过程所遇到的难题，最后收集和批改學生的上机作业。并且采用翻转课堂的模式，让部分较好地完成上机作业的学生课堂上进行汇报或讨论，实现知识的深度内化。通过这种MOOC平台辅助下的翻转课堂模式，可拓展实践课的时空范围，实践过程不再受上机课时的局限，为学生的上机实践提供更宽松的学习环境和更丰富的指导材料。同时，通过细化教学过程的考核指标，建立相关的奖励机制，提高上机作业在整个课程考核成绩中所占比重，实现对实践教学过程的监控，激发学生学习的主动性，提高学生的学习效率。

3小结

以本校GIS专业2014、2015和2016级学生为授课对象，实施了三轮的教学改革实践。通过教学过程的GIS专业化改革，提高了该课程的专业性和趣味性，有利于降低学生学习《数据结构》的难度，有效地调动了学生学习的积极性，并为学生学习本专业其他后继课程奠定了良好的基础。其他相关课程老师的反馈也表明面向GIS专业进行教学内容的专业化改革可有利于学生尽早建立GIS学科概念，树立积极的专业思想，增强GIS专业课程体系的系统性。同时，我们在教学过程中逐步积累了一套面向GIS专业的《数据结构》课程教学大纲、教案、讲义、课件等教学资源，尤其是编著了一套富有GIS专业特色的上机实践教材，录制了配套的辅导视频，对实践教学效果的提高起到了巨大的作用。在此过程中，也建设了一支具有GIS专业特色的《数据结构》课程教师队伍，为本专业《数据结构》及其相关课程的教学工作提供了强大的师资保障。