支架式教学法在数据结构课程中的实践研究

王卓 陈爱

摘要：本文通过研究基于建构主义学习理论的支架式教学模式，提出了《数据结构与算法》课程支架设计原则，以及数据结构课程中各种支架的构建方法。通过教学实践检验，得出支架式教学模式的实施有效地促进了学生主动的完成知识建构，取得了较好的教学效果。

关键词：数据结构；支架；教学

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）48-0184-03

支架式教学是建构主义的一种教学模式。学习者在支架的支持、引导和协助下进行学习，教师是学生学习活动的指导者和帮助者，而非传统教学模式下的知识传授者。本文在数据结构课程中进行支架式教学的探索与实践，帮助学生形成对知识的主动探索式学习，以提高解决实际问题的能力，使学生即使在课程结束后，也仍然有能力和兴趣继续自我拓展学习。力求改革后的数据结构课程教学具有科学性、创新性、先进性和开放性，更注重学生综合训练和能力培养，符合应用工程型人才的培养要求。

一、支架式教学

在“支架式教学”模式下，学习者在教师的引导下掌握、建构和内化所学的知识技能，从而使他们达到更高的认知水平。在传统的教学模式中，教师是学习的管理者，而在支架式教学模式中，教师通过支架的帮助，让学习者自己逐步掌握管理学习的任务，直至达到学习目标。在“支架式教学”实施的过程中，先由教师提供可能的工具，将学生带入一定的“问题情境”中，然后由教师为学生确立学习目标，借以引发情境的各种可能性，进而不断的探索实验。在开放的学习目标下，起初教师决定学习者探索的总方向，并在探索过程中，不断给以启发、引导和演示，或者提供问题解决的模型，不断增加学生独自面对问题的实践尝试的部分。最后，学生要脱离教师，逐步由自己去决定探索的方向和问题以及选择探索的方式方法，不同的学生可能会探索出不同的方向和不同的问题。

组成支架式教学的主要环节部分：（1）搭建支架。根据一定的学习主题，按“最邻近发展区”的要求将概念框架搭建起来。（2）引入问题情境。设立一定的问题情境，将学生引入其中。（3）独立探索。学生独立探索前，首先由教师演示或介绍概念，然后让学生自己设计探索方式并实践；在探索过程中教师适时提示，刚开始的提示、解释比较具体和详细，随着学生能力的增加逐渐减少辅助，越来越多的增加学习者独立探索的部分。（4）协作学习。学生分小组开展组内讨论学习。在讨论的过程中可以使原来相互矛盾的多种意见、分歧严重的复杂局面逐渐变得明朗、一致起来，总结集体讨论的结果，使得学生们达到对当前所学概念比较全面、正确的理解，最终完成对所学知识的意义建构。（5）效果评价。对学习效果的评价内容主要包括：个人自主学习的能力；个人在小组协作学习时所做出的贡献；个人对所学知识的意义建构的完成情况。评价内容包括学生个人的自我评价和学习小组对个人的学习评价。

二、《数据结构与算法》课程支架设计原则

支架式教学法是基于最近发展区的个性化教学方式，它发生在有效的交互过程中，教学中设计的支架具有一定的特征，其通常具有可调节性、暂时性和渐消性的特点；同时兼顾数据结构课程内容其自身的特点，我们确定了数据结构课程支架的设计原则，在教学中充分发挥其辅助支持作用，尽可能的减少学习障碍，实现学生的独立自主学习，帮助其完成学习任务，并进入新的最近发展区。课程支架具体的设计原则如下。

1.基于最近发展区。根据维果斯基的最近发展区理论，学生的能力水平有两种：第一种是学生当前能力，即当下独自解决任务的能力；第二种是可能的发展水平，即通过教学所获得的潜力。最近发展区就是介于这两者之间的差距。在设计教学支架之前，教师应充分分析当前学生的最近发展区，势必在学习者的最近发展区之内设里，这样才能充分发挥支架的作用。教师为学生提供带有一定难度的教学内容，充分调动学生的积极性、主动性，激发学生学习潜能，提高其跨越最近发展区达到下一发展阶段的水平，同样在此基础之上进行下一个发展区的发展。在数据结构课程的支架教学设计中，要充分考虑“最近发展区”这一重要因素，重视教学支架的搭建过程与方法。

2.引导性。支架不是直接提供学习成果给学习者或是替代其完成教学过程，而是辅助学习者的学习过程。在数据结构教学过程中采用了提出问题—分析问题—解决问题的教学模式，在支架等相关资源的辅助下，引导着学生的学习活动。

3.协作性。协作学习是支架式教学的重要环节之一，它不只是给学习者提供惰性的事实和信息，而是让学习者参与到学习活动中来，促进他们深度参与学习活动，进行探索与实践，在活动中进行有意义的学习。例如，讲解二叉树的非递归遍历算法，学生已经学习了二叉树与栈的概念，并掌握了其基本操作原理，在此基础上，让两个同学合作讲解算法，一个讲解算法，另一个跟随讲解分步骤画出动态执行过程。这样可以加深全班对教学内容的理解和印象，达到较好的教学效果。

4.临时性、渐消性。支架式教学方法的目标是促进学习者的自我规范，使学习者成为自律的、独立的学习者和问题解决者。教师在教学初始阶段根据学生现有的水平、教学内容和教学目标来确定支架的类型并搭建支架，随着教学过程中学生水平的不断提高，支架的层次也不断的提升，支架的总量也逐步减少，直到最终学习者能够独立完成任务。

5.趣味性。数据结构课程内容算法部分较枯燥，教师要给予学生支持性的反应，肯定学生的能力，减少其挫败感和危机感。在支架式教学中教师要激活和保持学生的兴趣、注意力，使教学内容看起来较简单、有趣，让学生能够体验到成功，获得成就感。

6.多样性。支架的形式是多种多样的，具体包括范例、问题、图表和工具等形式。

范例支架，它是一种学习成果，是符合学习目标要求的，它是在特定的学习主题中包含了其中最重要的探索步骤或最典型的成果形式。范例展示的方法可以防止教学过程中过多的冗长和模糊不清的阐述，帮助学生更轻松的理解教学内容。问题支架，是教师在教学过程中最常使用的支架类型，根据“最近发展区”的理论，教师设计的问题支架要尽可能的贴近学生的知识水平与能力水平；图表支架，包括多种类型的图形和表格，图表是一种采用可视化的形式对信息进行描述和说明，它更适合学习者的高级思维活动，比如解释、分析、综合和评价等；工具支架，它主要是在以学为主的教学活动环节中，为保证教学过程的顺利实施，所提供的认知、会话、协作、展示平台等相关工具。在数据结构课程中，我们通过动画和相应的教具来辅助演示算法的执行过程，反映其中数据结构的变化以及内存的演变过程。

三、数据结构课程支架的构建

我们重视支架的搭建过程，就是希望通过我们的教学，能够适时地唤醒学生头脑中已经具有的相关知识和经验，让这些必要的相关知识经验突显出来，使学生意识到所学习过的、所掌握的知识经验的重要性，以及其与即将构建的新知识之间具有的重要联系，从而为学生学习掌握新知识做准备。所以支架的作用就是引导学习者在未知的知识空间逐步攀升，不断的由原来的知识水平向更高的水平发展，帮助学习者顺利穿越“最近发展区”，以获得更进一步的发展。

1.范例。它是在特定的学习主题中包含了其中最重要的探索步骤或最典型的成果形式。范例展示的方法可以防止教学过程中过多的冗长和模糊不清的阐述，帮助学生更轻松的理解教学内容。范例并不局限于电子文档等有形实体，也可以是操作的技巧和过程。优秀的范例可以在技术方面和主题上引导、协助学生的学习。教师在教学中展示这种非实体的范例时，可以将操作步骤与语言说明结合起来，在重要的部分和步骤重点强调。

教学案例1：二叉树遍历递归实现向非递归实现的转化。二叉树遍历操作的递归实现程序思路清晰，结构简单，易于理解，但其执行效率较低。为了提高程序的执行效率，可以考虑采用非递归方式来实现二叉树的遍历算法。教师首先讲解先序遍历的非递归实现，重点讲解利用栈记录回溯点的方法，之后让学生用同样的方法，模仿实现中序和后序遍历的非递归实现，其中在后序遍历实现时，教师提示学生需要解决根两次入栈的问题。

2.问题。问题是教师在教学过程中最常使用的支架类型，教师要具备能够在教学过程中自然的、及时的提供此类支架的能力。同时教师要能够预见到学生可能遇到的问题和困难，设计对应的、适当的问题支架。

教学案例2：一颗完全二叉树上有1001个节点，求其叶子结点的个数为多少？a.完全二叉树的定义、特征是什么？b.该二叉树包括的结点类型有哪些？是否具有度为1的结点？c.二叉树的性质4的内容是什么？d.二叉树的性质3的内容是什么？

教学案例3：编写函数实现返回给定的二叉树在中序遍历下的最后一个结点。a.二叉树中序遍历的过程是什么？b.最后遍历的结点的位置是否有特定的位置？c.根据二叉树链表的结构如何找到这个特定的结点？

同学们根据上述的分析可以分步骤编程实现函数，并完善程序，调试运行后得出结果，进一步验证代码的正确性。

3.图表。图表是采用可视化的形式对信息进行描述和说明，它更适合学习者的高级思维活动。数据结构教学内容抽象，算法过程复杂，单纯的文字描述枯燥且不易理解，而在教学中使用大量的图表形式，可以更直观的体现教学内容。

4.动画。一些算法在对数据处理过程时逻辑性强、复杂度高，较难用语言和板书表达清晰。比如，树形结构的算法，在实际中大量使用了递归函数，虽然递归函数形式简洁，但具体执行过程解释起来较烦琐，因而可在课件中直观展示算法运行过程中数据结构抽象的改变过程以及内存数据的改变状态，这对学生深入理解教材内容、掌握基本的数据结构及相应算法的实现有很好的帮助。

四、结语

该教学方案在实施过程中，重点难点的教学内容课堂理解率平均提高了16.7%，课堂的教学气氛和交流互动更加热烈，学生基本能独立完成实验任务，极大地提高了自信心和成就感。学生通过该课程的学习，在算法设计、编程实现和解决实际应用问题方面的能力均有不同程度的提高。支架式教学模式以建构主义理论为基础，通过教师搭建的系列教学支架，促使学生主动参与到课堂教学中。教师是课题的组织者，利用适时组织学生独立探索、协作学习等手段完成对知识的意义建构，训练和提高了学生的自学能力。改革后的数据结构课程教学具有科学性、创新性、先进性和开放性，更注重学生综合训练和能力培养，符合应用工程型人才的培养要求。

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