◆张唯　王晓醉

遥感科学与技术专业数据结构教学改革探索*

◆张唯王晓醉

数据结构是遥感科学与技术专业的一门重要基础课程，针对当前教学中出现的知识结构零散，学生学习热情低的现象，结合多年的教学实践经验，以专业应用为目的，从能力本位型教学方法、应用型实践设计和综合性考核评价机制三个方面，对现有遥感科学与技术专业的数据结构课程教学进行调整。通过对2012和2013级学生的调查回访发现，重组后的教学模块和实验方案能够有效调动学生的主观能动性，编程能力的提高能够在后续的考核中得到充分体现，取得良好的教学效果。

能力本位教育；应用型实践；数据结构

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.16.095

1　引言

当代大学教育已经从“知识教育”逐渐向“能力培养”转变，美国工程院更是将分析、实践、创造力等一系列能力等作为面向2020年的工程师必须具备的关键特征［1-2］。但不同的专业有着不同的应用特征［3-4］，同一专业内，根据后续社会角色的不同，应用能力培养的程度也不一样。遥感科学是在地球科学与传统物理学、现代高科技基础上发展起来的一门新兴交叉学科［5］，在遥感的机理研究和数据处理上涉及的数据结构知识较为零散，学生学习的热情不高。在当前能力本位教育［6-11］的大环境下，为培养迎合市场需求的毕业生，有必要对遥感专业的数据结构教学进行改革。

2　遥感专业数据结构教学面临的问题

数据结构课程通常是作为专业基础课程为大学本科一至二年级学生开设，但此时很多专业课程还未完全展开，大部分学生对专业的认识非常粗浅，更无法意识到数据机构本身在后期专业学习中的应用价值。因此，目前的教学工作中存在的问题很多。

首先，学生普遍认为编程不是主要的专业应用，很多遥感的相关分析可以通过软件操作和参数的配置来实现，不需要底层的代码的开发，因而对编程类的课程缺乏必要的认同，学习的积极性减退。

其次，很多学生缺乏计算机思维的锻炼。计算机类课程必须通过一定的实践来获取知识积累。学生如果在前期的C++类基础课程中缺乏必要的实践练习，在数据结构课程中必然会出现眼高手低的现象——能够理解算法的逻辑结构，却无法灵活使用算法和数据结构来解决实际应用问题。

最后，抄袭现象在数据结构课程中表现得尤为突出。由于很多教科书都配有相应的示例代码，而基础的数据结构内容，其代码的变换空间相对较小，因此，学生按照常规的思路进行思考，最后得到的程序也较为一致，尤其是一些简单的模块，教师无法准确判定代码的原创性。

因此，对于遥感专业数据结构课程的教学，首先要帮助学生明确数据结构课程在整个遥感专业学习中的重要性，然后通过有效的实践环节设置，帮助学生建立基本的计算思维模式，进而提升学习的兴趣。

3　遥感专业数据结构教学探索

数据结构知识点模块化重组数据结构的知识点很多，涉及结构和算法两大类，但在遥感专业后续的应用中，需要了解的知识点其实非常有限。因此，可以针对遥感专业的应用，对数据结构课程进行模块化重组，图1展示了数据结构课程的主要知识点。

由图1可知，数据结构中涉及线性、树型和图三类主要的结构，以及相应的排序和搜索算法。从遥感应用的角度而言，线性是用得最多的结构，数组是遥感影像存储的本质，而排序搜索等算法则是后续影像分析的基础。在教学方式的设计上，不应该照搬标准的教学课件，而应该穿插合理的应用实例。以数组的教学而言，传统的授课在介绍特殊矩阵时，给出的通常是从数学定义上的矩阵信息。但采用单波段的影像进行展示，会比单纯的矩阵教学给人的印象更深刻，学生的专业意识也会在无形中增强。如图2所示，从遥感影像中截取部分区域，将其像元信息以二维数组的形式展示，既可以帮助学生提前了解遥感的主要数据存储方式，也巩固了学生对于数组结构的认识。

图2　数组形式存储的遥感影像数据

图3　学生完成的校园导航界面

遥感应用型数据结构实践设计由于数据结构教学的学生大多没有接触遥感的专业知识，对专业的认知度比较低，也无法进行较为深入的专业应用。因此，数据结构课程的实验教学，只能从简单的数据存储和基本运算入手，再辅以相应的实验工具和手段，在提高学生兴趣的前提下，逐步渗透相关专业知识。

1）实验手段的改进。目前市面上数据结构相关书籍都配有相应的示例代码，但由于缺乏必要的步骤指导，很多示例代码往往沦为学生抄袭的帮凶。因此，对实验工具的改善，教师应首先对课本示例代码进行规范化和标准化，根据实习需要的环境配置，录制相关程序的编写视频，确保学生能够根据教程指导，实现代码编写的全过程，并得到合理的运行结果。规范化后的示例代码，不适合再用于实践的考核。但由于数据结构教学的基本内容相对固定，部分代码具有很强的重用性。因此，在进行实践教学设计时，需要在示例代码的基础上，要求学生进行相应的改造工作，或者通过对多个示例模块的重组，来实现新功能的编码。

（1）用户体验层：该层面向用户展示服务事项，通过流程服务中心的模式，将所有的用户体验整合起来，从而实现真正的“一站式”服务效果。

2）专业知识的渗透。针对学生专业认知度高的特点，结合遥感的专业特色设计实习内容，会有助于提升学生的学习兴趣。哈弗曼树是数据结构课程在树型结构中重点介绍的内容。传统哈夫曼树教学时，大多采用文本信息的压缩作为主要的数据源。考虑到海量遥感数据同样需要压缩存储，可以将数据量较大的单波段遥感影像作为原始数据，要求学生采用通用的编程工具，在读取影像数据的基础上，对影像数据的像元值进行统计。然后根据像元的统计结果，建立相应的哈夫曼树。同时，将哈夫曼树的编码信息存入遥感影像数据中，通过比较压缩前后的影像数据大小，加深对哈弗曼编码的印象。

此外，选择一些辨识度高的趣味游戏，抽取其中某些环节，简化后融入实习内容，也可能收到较好的效果。如采用AOV网络来实现游戏情节的策划，基于地图导航的路径分析实验等，都是较能激发学生兴趣的实习案例。如图3所示为学生完成的结合遥感图像显示和图的最短路径分析功能的校园导航系统界面。通过遥感影像的显示，帮助学生熟悉数组结构，通过导航规划巩固最短路径算法的学习。

3）实习指导的加强。目前的数据结构实践教学以学生编程为主，鉴于有些学生对课程设计题目无从下手的情况，可以适当增加一些编程的操作教学学时，帮助学生搭建相应的框架，或辅导学生进行必要的算法设计。同时，统一的教学也可以避免重复工作，对学生中出现的一些相同的问题，教师可以集中归纳后统一解答，也节省了教学的时间。对于编程实践的指导，应尽量采用小班教学，确保学生的问题能够得到及时解答。从以往的教学经验来看，很多学生都是由于有问题没处解答，逐渐积累后对编程失去兴趣的。因此，在实践课程教学中，教师应该摒弃过去等学生来问的传统，主动询问学生的实习进度，必要时甚至可以将学生的提问次数与实习成绩适当挂钩。

图4　2012级和2013级学生的课程考试情况

图5　2012和2013级遥感专业学生数据结构实习考核情况

数据结构综合考评机制经过多个班次的教学实践发现，传统的数据机构实践学习中，半数以上学生能够在规定时间内完成实习的基本要求，但仅有1成左右的学生对实习指导书中的提高要求部分进行尝试。同时在实习过程中，学生呈现较为明显的两级分化：小部分学生与教师的交流充分，开发进展很快；但大部分学生很少问教师问题，而习惯于在同学内部交流，或者干脆不交流，导致教师无法准确掌握学生的进度。因此，虽然通过课程和实习的学习，学生的编程能力有不同程度的提升，但提升的幅度与学生的主动性呈正比。个别学生能够通过实习得到明显的提升，但班级整体的提升效果并不明显。因此，数据结构课程教学的考核，应该将学生的主动性、与教师的交流程度以及在学习过程中的创新性纳入考核范畴，督促学生多实践、多交流，才能实现真正的提高。

4　教学实践效果

遵照上述教学改革的策略，在2013级学生的数据结构课程教学中，对模块化教学方式、应用型实践设计方法以及综合性考核评价机制三个方面进行适度调整，对比2012级和2013级学生的课程考试情况（如图4所示）可以发现，优秀和良好的比率有了明显的上升，而不及格率有了大幅度的下降。这说明采用面向专业应用的模块化教学方法后，学生的学习效果有了较为明显的增强。

2012级和2013级学生的课程实习情况对比（如图5所示）也可以说明，改革后的教学方法基本上杜绝了实习中的不及格情况，学生都能够动手完成相关的实习内容，对课堂知识的巩固和实践水平的提高有较大的帮助。

5　结语

数据结构知识体系相对基础，对于非计算机专业的学生而言，只有学以致用，适应社会角色需求，才能成功吸引他们的注意力。因此，数据结构教学应该向模块化、专业化方向进行更加深入的改革，进而适应社会发展的需要。

［2］艾明耀，潘励，张丰，等.卓越工程师能力考核探讨与分析：以“GIS原理课程设计”为例［J］.测绘通报，2014（11）：123-126.

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［7］杨金玲，曲建光，曹先革，等.基于应用技术型大学战略转型的GIS实践教学体系构建［J］.测绘工程，2015（2）：78-80.

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［11］张安定，衣华鹏，崔青春.《遥感原理》研究性教学的探索与实践［J］.测绘通报，2005（12）：59-61.

Exploration of Module Teaching of Data Structure for Remote Sensing Science Department

//ZHANG Wei， WANG Xiaozui

Data structure is an important basic course in Remote Sensing Science and Technology Department. According to the years of teaching experiences， this paper studied the modular teaching method of data structure course， the design ideas of practices for application， and the comprehensive evaluation mechanisms for this discipline.

competence-based education； practices for application；data structure

G642.0

B

1671-489X（2016）16-0095-03

*遥感科学与技术专业综合试点改革（G1320311616）。

作者：张唯，中国地质大学（武汉）信息工程学院副教授，研究方向为地理信息系统教育（430074）；王晓醉，通讯作者，武汉大学科学技术发展研究院编辑，研究方向为地理信息系统（430072）。