數據結構輔助教學開題報告.doc

1數據結構CAI當前研究的現狀：當前，計算機早已在我國教育領域廣泛應用，成為教學過程中不可缺少的重要的教學手段，并在影響和改變著傳統(tǒng)的教學觀念與教學模式。通過運行教學軟件來實現教學的過程，稱為計算機輔助教學（ComputerAssistedInstruction，簡稱CAI）。其中，所運行的教學軟件稱為CAI課件（Computer）。不難看出，CAI課件在整個CAI系統(tǒng)中占有重要地位。近年來，隨著多媒體、網絡技術的加入，使傳統(tǒng)的CAI課件制作技術和觀念都發(fā)生了變革。MCAI（MultimediaComputerAssistedInstruction）課件、基于CD-ROM課件向基于web課件轉換的二次開發(fā)分別應運而生?？梢哉f，CAI課件的功能已大大增強。為了積極推動各學科教學的高效運行，我們有必要認清CAI的發(fā)展前景和方向，從而有意識地進行課件創(chuàng)新及其質量的提高，為在21世紀繁榮我國的CAI事業(yè)做出貢獻。一、傳統(tǒng)CAI課件的缺陷1缺乏適應能力。當學生使用一個CAI課件進行學習時，通常只能按照既定步驟順序執(zhí)行，課件各頁面之間的流動是固定的。一旦設計好，就無法改變，且對所有學生都一視同仁。不能根據不同學生的實際情況和學習中的不同階段進行動態(tài)調整，因而也就不能真正做到因材施教。雖然有的課件可預先把學生分成幾個層次進行學習或通過菜單讓學生自己選擇學習內容，但其劃分明顯不細，且不能根據學生的當前水平和學習中的變化去指導學生，生成適合于他們的題目。缺乏適應能力是當前CAI課件的普遍問題。2缺乏交互能力。當前不少CAI課件人機交互能力差，表現在學生使用CAI課件的學習是被動的。學生僅能輸入選擇答案或是填空內容，而不能對一些具有個性思維的問題進行解答，特別是在課堂教學中，一般只能通過教師控制課件流程的操作，學生簡單輸入答案的方式進行。人機交互本應是CAI的優(yōu)勢，但目前卻顯得過于簡單。3缺乏創(chuàng)造能力。當前，創(chuàng)造教育已被公認為是培養(yǎng)高素質創(chuàng)新人才的有效途徑。CAI作為一種輔助教學手段也應為創(chuàng)造教育服務。而目前CAI課件無論從教學過程還是教學形式來看，都顯得單調乏味，缺乏創(chuàng)造性。不外乎知識介紹、操作練習、單元測驗、資料查詢等形式。從內容上看其實質仍是課本搬家、教室搬家。長此以往，將不利于調動學生學習的積極性，更談不上培養(yǎng)學生的創(chuàng)造能力了。4缺乏糾錯能力。由于CAI課件自身對其所示教學內容并不理解，因此判定學生答案的正確與否只能通過課件編制者預先設定的標準來進行。這就造成了課件本身不能根據學生的回答作出評價，同樣，對于出錯的原因以及出錯后所采取的步驟也無法給出相應的解決方案。二、造成CAI課件上述缺陷的原因從CAI課件的理論基礎來看，程序設計思想和行為主義學習理論分另構成其計算機和教育方向上的兩大理論支柱。雖然教育理論在不斷發(fā)展、變化，但迄今為止，以程序教學原理為基礎的CAI課件設計思想仍占有統(tǒng)治地位。在此流程中，每一頁面都要與屏幕界面對應起來，包括所提問題、預想答案、學生回答后的反饋信息等。腳本全部編寫好后，再由算法和具體程序來實現。所以，CAI課件在實際操作中就顯得處處縛手縛腳，缺乏適應能力、交互能力、創(chuàng)造能力和糾錯能力也就不足為奇了。難怪有專家稱：CAI課件既不懂所要教的知識，也不了解所要教的對象，是一位可笑的、不稱職的教師。三、未來CAI的發(fā)展方向綜上所述，傳統(tǒng)CAI課件具有其自身無法克服的缺陷。隨著計算機和各學科技術的飛速發(fā)展，教師和學習者兩方面都對CAI提出了更高的要求。在此形勢下，ICAI應運而生了。ICAI系統(tǒng)（IntelligentComputerAssistedInstructionSystem）即智能計算機輔助教學系統(tǒng)，也稱為智能教學系統(tǒng)（ITS：IntelligentTutoringSystem）。它是將人工智能（AI：ArtificialIntelligence）技術引入CAI系統(tǒng)中，賦予機器以人類高級智能的系統(tǒng)。一個ICAI系統(tǒng)應克服傳統(tǒng)CAI系統(tǒng)的缺陷，從而具備以下功能：1掌握每個學生的學習基礎、水平和能力，以此為依據為不同的學生制定學習計劃，有針對性地進行個別指導，并在學習過程中根據學生進度自動調整學習內容，從而具有適應能力。2允許學生用自然語言與計算機進行人機對話，并能對帶有學生個性特點的問題作出解答，從而具備更好的交互能力3大大拓寬了CAI的模式，例如建立虛擬教室、智能導師系統(tǒng)、教學模擬等。從而使CAI不再是簡單的課本搬家、教室搬家，而具有更多的創(chuàng)造能力。4能診斷學生學習過程中的錯誤，并分析錯誤原因和給出解決方案，在此基礎上逐漸積累經驗，從而具備糾錯能力目前，ICAI系統(tǒng)已經成為國際上計算機輔助教學研究的主要方向，是一個綜合交叉學科。它涉及了計算機、教育兩大學科的許多分支領域，包括程序設計、數據結構、算法分析、軟件工程、人工智能等計算機學科以及認知心理學、教學設計等教育學科。這就給ICAI系統(tǒng)的建造帶來了很大的困難，所以，一般認為，ICAI系統(tǒng)比一般意義上的專家系統(tǒng)更為復雜。此外，隨著網絡技術的加入，ICAI系統(tǒng)將由一個個別化的教學系統(tǒng)向智能遠程教學系統(tǒng)發(fā)展。而虛擬現實（VirtualReality）技術的出現（由多媒體技術與仿真技術相結合而形成的一種交互世界），則使ICAI系統(tǒng)更加完善?？梢哉f，21世紀的CAI將以智能化為其發(fā)展方向，并結合Internet、多媒體等技術，使其更好地服務于教學，服務于教育事業(yè)。2設計數據結構CAI要解決的問題和擬采用的研究方法要解決的問題：認知學習理論與CAI軟件設計認知學習理論，例如信息加工的理論，基本上還是采取客觀主義的傳統(tǒng)，認為世界是由客觀實體、其特征以及客觀事物之間的關系所構成。與行為主義學習理論所不同的是它強調學習者內部的認知過程。教學的目標在于幫助學習者習得這些事物及其特性，使外界客觀事物(知識及其結構)內化為其內部的認知結構。根據認知學習理論對學習的解釋，認為學習的各個內部過程分別是接受、期待、提取信息到短時記憶、選擇性知覺、語義編碼、反應、強化、激發(fā)信息的保持、形成概念。以產品為中心的教學設計過程與CAI軟件設計、開發(fā)過程。伯格曼（R.E.Bergman）和穆爾（T.V.Moore）曾提出的以產品為中心的教學設計過程模式中包含六個主要階段的活動：分析、設計、開發(fā)、生產、創(chuàng)作和批推合法。其中，開發(fā)階段制定的生產文件包括情節(jié)順序板、音頻材料的稿本、圖象的分鏡頭稿本、美工與圖形的草案和管理制作的數據庫等；生產階段是在生產文件基礎上分別制作相應的聲音序列和圖象序列材料、圖表圖形和文字教材；創(chuàng)作階段是通過編碼、試驗和調整三個子活動把已制作好的單個媒體材料整合進完整的產品當中；批準合法階段要把完成的產品與預定的目標相比較、找出問題作最后的修改。對于CAI軟件的開發(fā)，可以將整個過程分為四個階段，分析階段、設計階段、開發(fā)和調試階段以及評價和修改階段。如圖1所示。很顯然，開始軟件的創(chuàng)意和設計之前，首先應當分析軟件的使用對象和學科特點等問題，這就是教學設計系統(tǒng)方法中所闡述的學習需要分析、學習內容分析和學習者分析。（1）教學單元和目標分析。將課程內容細分成多個單元，對每一個教學單元進行分析，明確要達到的目標。（2）教學內容分析。在明確教學目標的情況下，通過教學內容分析，明確使能性目標，即為達到目標預先應具備的知識和技能，從而明確CAI課件應包括的內容；或者應用CAI軟件在整合中所要扮演的角色。（3）制定教學策略。根據已確定的教學目標和教學內容，選擇適當的CAI模式，即在CAI中使用的教學方法。根據教學目標和教學內容以及媒體的特性，選擇適當的媒體，以便收到更好的效果。（4）結構設計。以上幾個方面的因素確定之后，即可對軟件的整體結構進行設計，即教學流程，此時可畫出表現軟件結構的流程圖。（5）編寫腳本。通過以上的分析和設計，設計者對課件要包括的教學內容、教學目標、教學方法、選用的媒體，以及課件的整體結構都已十分清楚，接下來應進行腳本的編寫工作。制作階段的工作是將腳本從紙面上轉換成學生使用的實際材料。具體工作包括：素材準備；素材采集；界面設計；媒體編輯；編寫文字材料。最后，進行測試和調整軟件、進行評價和修改。在這一階段，產生計算機程序，最后生成一個或一套CAI課件，這些課件應能實現預先制定的目標。3本課題需要重點研究的、關鍵的問題及解決的思路重點研究的是幾個模塊的以及該軟件實際應用問題：（1）棧的應用遞歸算法（漢諾塔）（2）雙鏈表的創(chuàng)建（3）冒泡排序（4）基數排序（5）二分法查找（6）二叉樹遍歷以上是幾個模塊，也就是說要先了解數據結構相關的知識，主要是了解算法的研究，這個對于開發(fā)研究是一種基礎，在開發(fā)中經常遇到回溯算法問題?；厮菟惴ㄒ步性囂椒?，它是一種系統(tǒng)地搜索問題的解的方法?；厮菟惴ǖ幕舅枷胧牵簭囊粭l路往前走，能進則進，不能進則退回來，換一條路再試。用回溯算法解決問題的一般步驟為：一、定義一個解空間，它包含問題的解。二、利用適于搜索的方法組織解空間。三、利用深度優(yōu)先法搜索解空間。四、利用限界函數避免移動到不可能產生解的子空間。問題的解空間通常是在搜索問題的解的過程中動態(tài)產生的，這是回溯算法的一個重要特性。建構主義學習理論在CAI軟件設計中的應用、以學生已有的經驗為基礎，學生的學習過程是一個個性化的學習過程。、教學雙方的地位已經有所轉換，在教學過程中，教師的地位不再是知識傳授者、信息壟斷者身份，而學生的中心地位得到確認。、教學過程從面向課程轉向了面向學生的教學。、從重視學生的行為表現轉向學生內部知識建構。、知識的建構不光表現在學生身上，也體現在教學過程中，教師也有一個知識的建構過程。因而在整個教學過程中不光是學生的學習，教師也同樣在整個教學過程中有一個學習的過程。、知識建構有一定規(guī)律，教師可以利用這些規(guī)律去促進學生學習。教學設計理論的發(fā)展與CAI軟件設計模式的理念轉變綜觀教學設計理論的發(fā)展，從行為主義理論的以知識為中心的教學設計到20世紀90年代以來所風靡的建構主義理論的以學生為中心的教學設計。人們對學習過程的認識逐漸深入，從認為學習是建立一種刺激（S）和反應(R)之間的聯結并予以強化的過程到認為學習的本質并非簡單的S-R聯結而是一個復雜的個體信息加工過程。在20世紀90年代末西方發(fā)達國家開始用行為理論作為教學設計的理論框架，其基本思想是人類行為是人與形成社會和物理環(huán)境的事物以及社會和物理環(huán)境所造就的事物之間的雙向交互的過程。人的意識與行為是辯證的統(tǒng)一體。在這個過程中CAI軟件設計的模式也經歷了一系列轉變。早期地程序教學機是典型的行為主義理論的產物，發(fā)展到操練和練習模式、模擬演示模式，個別授導模式。在信息技術發(fā)展的前提下，CAI軟件設計模式開始向智能導學、研究型學習模式、資源型學習模式、基于網絡的合作型、互助型等模式發(fā)展。這些CAI軟件設計模式的理念轉變更加體現了以學習者為中心，重在發(fā)展學習者的素質和能力的教學設計理論思想。腳本的編制：1.明確教學目的和各教學單元的教學目標。2.根據教學目標，使用的教學內容應準確無誤。3.根據教學目標和教學內容，選擇適當的教學方法(CAI模式)和傳遞教學信息的媒體。4.學習理論的應用。無論采用什么樣的模式，都必須注意學習理論的應用，以提高軟件的教學效果。5.應考慮計算機的輸出和顯示能力。4完成本課題所必須的工作條件(如工具書、實驗設備或實驗環(huán)境條件、某類市場調研、計算機輔助設計條件等等)及解決的辦法參考文獻：1、數據結構(第二版)，嚴蔚敏吳偉民編著，北京：清華大學出版社，19972、數據結構，許卓群等，北京：高等教育出版社，19893、數據結構題集(C語言版)，嚴蔚敏吳偉民編著，北京：清華大學出版社，19994、數據結構（C語言），蔡明志著，北京：科學出版社，19975、數據結構教程蔡自經施伯樂，上海：復旦大學出版社，19846、數據結構陳有祺，南開大學出版社實驗設備設計環(huán)境VC+6.0MSDNwindowsxp系統(tǒng)完成設計的方法步驟1需求分析確定軟件系統(tǒng)的功能，性能，接口等要求。2軟件設計制定系統(tǒng)藍圖，權衡利弊。3軟件實現在計算機上實現。4程序設計用C語言編寫簡潔易懂的程序代碼。5軟件測試黑盒，白盒測試調試軟件的不足，或者BUG。6系統(tǒng)轉換執(zhí)行系統(tǒng)的測試和測試，發(fā)現可能只有最終用戶才能發(fā)現的錯誤。7軟件維護市場調研2005年2006年間一般的該軟件逐漸淘汰，優(yōu)秀的CAI將以智能化為其發(fā)展方向，并結合Internet、多媒體等技術，一個長期穩(wěn)定的軟件，需要考慮的就是智能化的發(fā)展方向，讓軟件具有生命力。AutoDeskAnimat