數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)輔助教學(xué)開題報(bào)告.doc

1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)CAI當(dāng)前研究的現(xiàn)狀：當(dāng)前，計(jì)算機(jī)早已在我國教育領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，成為教學(xué)過程中不可缺少的重要的教學(xué)手段，并在影響和改變著傳統(tǒng)的教學(xué)觀念與教學(xué)模式。通過運(yùn)行教學(xué)軟件來實(shí)現(xiàn)教學(xué)的過程，稱為計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（ComputerAssistedInstruction，簡稱CAI）。其中，所運(yùn)行的教學(xué)軟件稱為CAI課件（Computer）。不難看出，CAI課件在整個(gè)CAI系統(tǒng)中占有重要地位。近年來，隨著多媒體、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的加入，使傳統(tǒng)的CAI課件制作技術(shù)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(zhuǎn)換的二次開發(fā)分別應(yīng)運(yùn)而生?？梢哉f，CAI課件的功能已大大增強(qiáng)。為了積極推動各學(xué)科教學(xué)的高效運(yùn)行，我們有必要認(rèn)清CAI的發(fā)展前景和方向，從而有意識地進(jìn)行課件創(chuàng)新及其質(zhì)量的提高，為在21世紀(jì)繁榮我國的CAI事業(yè)做出貢獻(xiàn)。一、傳統(tǒng)CAI課件的缺陷1缺乏適應(yīng)能力。當(dāng)學(xué)生使用一個(gè)CAI課件進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，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(shè)計(jì)好，就無法改變，且對所有學(xué)生都一視同仁。不能根據(jù)不同學(xué)生的實(shí)際情況和學(xué)習(xí)中的不同階段進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，因而也就不能真正做到因材施教。雖然有的課件可預(yù)先把學(xué)生分成幾個(gè)層次進(jìn)行學(xué)習(xí)或通過菜單讓學(xué)生自己選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，但其劃分明顯不細(xì)，且不能根據(jù)學(xué)生的當(dāng)前水平和學(xué)習(xí)中的變化去指導(dǎo)學(xué)生，生成適合于他們的題目。缺乏適應(yīng)能力是當(dāng)前CAI課件的普遍問題。2缺乏交互能力。當(dāng)前不少CAI課件人機(jī)交互能力差，表現(xiàn)在學(xué)生使用CAI課件的學(xué)習(xí)是被動的。學(xué)生僅能輸入選擇答案或是填空內(nèi)容，而不能對一些具有個(gè)性思維的問題進(jìn)行解答，特別是在課堂教學(xué)中，一般只能通過教師控制課件流程的操作，學(xué)生簡單輸入答案的方式進(jìn)行。人機(jī)交互本應(yīng)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(dāng)前，創(chuàng)造教育已被公認(rèn)為是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的有效途徑。CAI作為一種輔助教學(xué)手段也應(yīng)為創(chuàng)造教育服務(wù)。而目前CAI課件無論從教學(xué)過程還是教學(xué)形式來看，都顯得單調(diào)乏味，缺乏創(chuàng)造性。不外乎知識介紹、操作練習(xí)、單元測驗(yàn)、資料查詢等形式。從內(nèi)容上看其實(shí)質(zhì)仍是課本搬家、教室搬家。長此以往，將不利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，更談不上培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力了。4缺乏糾錯(cuò)能力。由于CAI課件自身對其所示教學(xué)內(nèi)容并不理解，因此判定學(xué)生答案的正確與否只能通過課件編制者預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行。這就造成了課件本身不能根據(jù)學(xué)生的回答作出評價(jià)，同樣，對于出錯(cuò)的原因以及出錯(cuò)后所采取的步驟也無法給出相應(yīng)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(chǔ)來看，程序設(shè)計(jì)思想和行為主義學(xué)習(xí)理論分另構(gòu)成其計(jì)算機(jī)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(xué)原理為基礎(chǔ)的CAI課件設(shè)計(jì)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(yīng)起來，包括所提問題、預(yù)想答案、學(xué)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(shí)現(xiàn)。所以，CAI課件在實(shí)際操作中就顯得處處縛手縛腳，缺乏適應(yīng)能力、交互能力、創(chuàng)造能力和糾錯(cuò)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(jì)算機(jī)和各學(xué)科技術(shù)的飛速發(fā)展，教師和學(xué)習(xí)者兩方面都對CAI提出了更高的要求。在此形勢下，ICAI應(yīng)運(yùn)而生了。ICAI系統(tǒng)（IntelligentComputerAssistedInstructionSystem）即智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)，也稱為智能教學(xué)系統(tǒng)（ITS：IntelligentTutoringSystem）。它是將人工智能（AI：ArtificialIntelligence）技術(shù)引入CAI系統(tǒng)中，賦予機(jī)器以人類高級智能的系統(tǒng)。一個(gè)ICAI系統(tǒng)應(yīng)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(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、水平和能力，以此為依據(jù)為不同的學(xué)生制定學(xué)習(xí)計(jì)劃，有針對性地進(jìn)行個(gè)別指導(dǎo)，并在學(xué)習(xí)過程中根據(jù)學(xué)生進(jìn)度自動調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容，從而具有適應(yīng)能力。2允許學(xué)生用自然語言與計(jì)算機(jī)進(jìn)行人機(jī)對話，并能對帶有學(xué)生個(gè)性特點(diǎn)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(dǎo)師系統(tǒng)、教學(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)過程中的錯(cuò)誤，并分析錯(cuò)誤原因和給出解決方案，在此基礎(chǔ)上逐漸積累經(jīng)驗(yàn)，從而具備糾錯(cuò)能力目前，ICAI系統(tǒng)已經(jīng)成為國際上計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)研究的主要方向，是一個(gè)綜合交叉學(xué)科。它涉及了計(jì)算機(jī)、教育兩大學(xué)科的許多分支領(lǐng)域，包括程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法分析、軟件工程、人工智能等計(jì)算機(jī)學(xué)科以及認(rèn)知心理學(xué)、教學(xué)設(shè)計(jì)等教育學(xué)科。這就給ICAI系統(tǒng)的建造帶來了很大的困難，所以，一般認(rèn)為，ICAI系統(tǒng)比一般意義上的專家系統(tǒng)更為復(fù)雜。此外，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的加入，ICAI系統(tǒng)將由一個(gè)個(gè)別化的教學(xué)系統(tǒng)向智能遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)發(fā)展。而虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality）技術(shù)的出現(xiàn)（由多媒體技術(shù)與仿真技術(shù)相結(jié)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(jì)的CAI將以智能化為其發(fā)展方向，并結(jié)合Internet、多媒體等技術(shù)，使其更好地服務(wù)于教學(xué)，服務(wù)于教育事業(yè)。2設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)CAI要解決的問題和擬采用的研究方法要解決的問題：認(rèn)知學(xué)習(xí)理論與CAI軟件設(shè)計(jì)認(rèn)知學(xué)習(xí)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(rèn)為世界是由客觀實(shí)體、其特征以及客觀事物之間的關(guān)系所構(gòu)成。與行為主義學(xué)習(xí)理論所不同的是它強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者內(nèi)部的認(rèn)知過程。教學(xué)的目標(biāo)在于幫助學(xué)習(xí)者習(xí)得這些事物及其特性，使外界客觀事物(知識及其結(jié)構(gòu))內(nèi)化為其內(nèi)部的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。根據(jù)認(rèn)知學(xué)習(xí)理論對學(xué)習(xí)的解釋，認(rèn)為學(xué)習(xí)的各個(gè)內(nèi)部過程分別是接受、期待、提取信息到短時(shí)記憶、選擇性知覺、語義編碼、反應(yīng)、強(qiáng)化、激發(fā)信息的保持、形成概念。以產(chǎn)品為中心的教學(xué)設(shè)計(jì)過程與CAI軟件設(shè)計(jì)、開發(fā)過程。伯格曼（R.E.Bergman）和穆爾（T.V.Moore）曾提出的以產(chǎn)品為中心的教學(xué)設(shè)計(jì)過程模式中包含六個(gè)主要階段的活動：分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)、生產(chǎn)、創(chuàng)作和批推合法。其中，開發(fā)階段制定的生產(chǎn)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(shù)據(jù)庫等；生產(chǎn)階段是在生產(chǎn)文件基礎(chǔ)上分別制作相應(yīng)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(yàn)和調(diào)整三個(gè)子活動把已制作好的單個(gè)媒體材料整合進(jìn)完整的產(chǎn)品當(dāng)中；批準(zhǔn)合法階段要把完成的產(chǎn)品與預(yù)定的目標(biāo)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(gè)過程分為四個(gè)階段，分析階段、設(shè)計(jì)階段、開發(fā)和調(diào)試階段以及評價(jià)和修改階段。如圖1所示。很顯然，開始軟件的創(chuàng)意和設(shè)計(jì)之前，首先應(yīng)當(dāng)分析軟件的使用對象和學(xué)科特點(diǎn)等問題，這就是教學(xué)設(shè)計(jì)系統(tǒng)方法中所闡述的學(xué)習(xí)需要分析、學(xué)習(xí)內(nèi)容分析和學(xué)習(xí)者分析。（1）教學(xué)單元和目標(biāo)分析。將課程內(nèi)容細(xì)分成多個(gè)單元，對每一個(gè)教學(xué)單元進(jìn)行分析，明確要達(dá)到的目標(biāo)。（2）教學(xué)內(nèi)容分析。在明確教學(xué)目標(biāo)的情況下，通過教學(xué)內(nèi)容分析，明確使能性目標(biāo)，即為達(dá)到目標(biāo)預(yù)先應(yīng)具備的知識和技能，從而明確CAI課件應(yīng)包括的內(nèi)容；或者應(yīng)用CAI軟件在整合中所要扮演的角色。（3）制定教學(xué)策略。根據(jù)已確定的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，選擇適當(dāng)?shù)腃AI模式，即在CAI中使用的教學(xué)方法。根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容以及媒體的特性，選擇適當(dāng)?shù)拿襟w，以便收到更好的效果。（4）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。以上幾個(gè)方面的因素確定之后，即可對軟件的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即教學(xué)流程，此時(shí)可畫出表現(xiàn)軟件結(jié)構(gòu)的流程圖。（5）編寫腳本。通過以上的分析和設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者對課件要包括的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方法、選用的媒體，以及課件的整體結(jié)構(gòu)都已十分清楚，接下來應(yīng)進(jìn)行腳本的編寫工作。制作階段的工作是將腳本從紙面上轉(zhuǎn)換成學(xué)生使用的實(shí)際材料。具體工作包括：素材準(zhǔn)備；素材采集；界面設(shè)計(jì)；媒體編輯；編寫文字材料。最后，進(jìn)行測試和調(diào)整軟件、進(jìn)行評價(jià)和修改。在這一階段，產(chǎn)生計(jì)算機(jī)程序，最后生成一個(gè)或一套CAI課件，這些課件應(yīng)能實(shí)現(xiàn)預(yù)先制定的目標(biāo)。3本課題需要重點(diǎn)研究的、關(guān)鍵的問題及解決的思路重點(diǎn)研究的是幾個(gè)模塊的以及該軟件實(shí)際應(yīng)用問題：（1）棧的應(yīng)用遞歸算法（漢諾塔）（2）雙鏈表的創(chuàng)建（3）冒泡排序（4）基數(shù)排序（5）二分法查找（6）二叉樹遍歷以上是幾個(gè)模塊，也就是說要先了解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)的知識，主要是了解算法的研究，這個(gè)對于開發(fā)研究是一種基礎(chǔ)，在開發(fā)中經(jīng)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(jìn)則進(jìn)，不能進(jìn)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(gè)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(shù)避免移動到不可能產(chǎn)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(chǎn)生的，這是回溯算法的一個(gè)重要特性。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論在CAI軟件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用、以學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程是一個(gè)個(gè)性化的學(xué)習(xí)過程。、教學(xué)雙方的地位已經(jīng)有所轉(zhuǎn)換，在教學(xué)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(xué)生的中心地位得到確認(rèn)。、教學(xué)過程從面向課程轉(zhuǎn)向了面向?qū)W生的教學(xué)。、從重視學(xué)生的行為表現(xiàn)轉(zhuǎn)向?qū)W生內(nèi)部知識建構(gòu)。、知識的建構(gòu)不光表現(xiàn)在學(xué)生身上，也體現(xiàn)在教學(xué)過程中，教師也有一個(gè)知識的建構(gòu)過程。因而在整個(gè)教學(xué)過程中不光是學(xué)生的學(xué)習(xí)，教師也同樣在整個(gè)教學(xué)過程中有一個(gè)學(xué)習(xí)的過程。、知識建構(gòu)有一定規(guī)律，教師可以利用這些規(guī)律去促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)。教學(xué)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展與CAI軟件設(shè)計(jì)模式的理念轉(zhuǎn)變綜觀教學(xué)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展，從行為主義理論的以知識為中心的教學(xué)設(shè)計(jì)到20世紀(jì)90年代以來所風(fēng)靡的建構(gòu)主義理論的以學(xué)生為中心的教學(xué)設(shè)計(jì)。人們對學(xué)習(xí)過程的認(rèn)識逐漸深入，從認(rèn)為學(xué)習(xí)是建立一種刺激（S）和反應(yīng)(R)之間的聯(lián)結(jié)并予以強(qiáng)化的過程到認(rèn)為學(xué)習(xí)的本質(zhì)并非簡單的S-R聯(lián)結(jié)而是一個(gè)復(fù)雜的個(gè)體信息加工過程。在20世紀(jì)90年代末西方發(fā)達(dá)國家開始用行為理論作為教學(xué)設(shè)計(jì)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(gè)過程中CAI軟件設(shè)計(jì)的模式也經(jīng)歷了一系列轉(zhuǎn)變。早期地程序教學(xué)機(jī)是典型的行為主義理論的產(chǎn)物，發(fā)展到操練和練習(xí)模式、模擬演示模式，個(gè)別授導(dǎo)模式。在信息技術(shù)發(fā)展的前提下，CAI軟件設(shè)計(jì)模式開始向智能導(dǎo)學(xué)、研究型學(xué)習(xí)模式、資源型學(xué)習(xí)模式、基于網(wǎng)絡(luò)的合作型、互助型等模式發(fā)展。這些CAI軟件設(shè)計(jì)模式的理念轉(zhuǎn)變更加體現(xiàn)了以學(xué)習(xí)者為中心，重在發(fā)展學(xué)習(xí)者的素質(zhì)和能力的教學(xué)設(shè)計(jì)理論思想。腳本的編制：1.明確教學(xué)目的和各教學(xué)單元的教學(xué)目標(biāo)。2.根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，使用的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)準(zhǔn)確無誤。3.根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法(CAI模式)和傳遞教學(xué)信息的媒體。4.學(xué)習(xí)理論的應(yīng)用。無論采用什么樣的模式，都必須注意學(xué)習(xí)理論的應(yīng)用，以提高軟件的教學(xué)效果。5.應(yīng)考慮計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)設(shè)備或?qū)嶒?yàn)環(huán)境條件、某類市場調(diào)研、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)條件等等)及解決的辦法參考文獻(xiàn)：1、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(第二版)，嚴(yán)蔚敏吳偉民編著，北京：清華大學(xué)出版社，19972、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，許卓群等，北京：高等教育出版社，19893、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)題集(C語言版)，嚴(yán)蔚敏吳偉民編著，北京：清華大學(xué)出版社，19994、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（C語言），蔡明志著，北京：科學(xué)出版社，19975、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教程蔡自經(jīng)施伯樂，上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，19846、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)陳有祺，南開大學(xué)出版社實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)環(huán)境VC+6.0MSDNwindowsxp系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)制定系統(tǒng)藍(lán)圖，權(quán)衡利弊。3軟件實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。4程序設(shè)計(jì)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(diào)試軟件的不足，或者BUG。6系統(tǒng)轉(zhuǎn)換執(zhí)行系統(tǒng)的測試和測試，發(fā)現(xiàn)可能只有最終用戶才能發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤。7軟件維護(hù)市場調(diào)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(jié)合Internet、多媒體等技術(shù)，一個(gè)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