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计算思维在数据结构中的实践探索

作者：孟凡荣，张斌，杨雷

来源：《教育教学论坛》2015年第10期

孟凡荣，张斌，杨雷

（东北大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳110819）

摘要：随着计算机网络时代的到来，计算思维的概念应运而生。培养计算思维能力的实践

更为重要。许多高校都努力实践如何将计算思维的能力培养融入到平日的课程教学中。本文讨

论计算思维与数据结构的关系，从计算思维的抽象与自动化的本质出发，以数据结构中的数据

对象建模和问题数学建模以及算法的计算机实现为线索，对如何在数据结构课程的教学中进行

计算思维能力的培养进行了深入探讨。

关键词：计算思维能力；数据结构；问题求解；模型及算法

中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：1674-9324（2015）10-0117-04

基金项目：此课题为2012年度辽宁省普通高等教育本科教学改革研究项目

作者简介：孟凡荣，男，讲师，博士，主要研究方向为网络路由算法和信息安全；张斌，

男，教授，博士生导师，主要研究方向为WEB服务技术及应用；杨雷，男，副教授，博士，主

要研究方向为WEB服务技术及应用。

一、引言

随着计算机网络时代的到来，计算思维的概念应运而生。按照计算思维的倡导者Wing教授

的观点，计算思维代表着一种普遍的态度和一类普适的技能，不仅仅是计算机科学家，每一个

人都应热心于它的学习和运用。自从计算思维的概念提出以后，计算思维与理论思维、实验思

维并称为三大科学思维。数据结构课程是计算机科学与技术专业的一门专业基础课，是计算机

算法设计与分析、操作系统、数据库原理、软件工程等课程的重要的前导课程。该课程的任务

是学会从分析与解决问题入手，能够合理选定数据的逻辑结构、组织数据，并为所加工的数据

选取适宜的存储结构，完成其基本操作算法，初步掌握算法的时间与空间复杂性的分析方法，

同时进行复杂程序设计的训练，编写符合软件工程规范的软件，将数据结构的基础知识应用于

实践。近年来，许多高校都努力实践将计算思维的能力培养融入到平日的课程教学中。本文从

计算思维与数据结构的关系，应用数据抽象和问题抽象、建立数据对象模型和问题对象模型，

应用计算机实现问题求解的算法等三个方面探讨如何在数据结构课程的教学中进行计算思维能

力的培养。

二、计算思维与数据结构

计算思维具有概念化、技能化、思维化、数学与工程思维的互补性、普适性等重要特征。

计算思维的精髓是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为。计算

思维通过抽象和分解来完成复杂的任务或设计复杂的系统；通过选择合适的方式来对问题陈述

并建立数学模型；通过采取保护、冗余、容错、纠错和恢复等措施解决具体的技术问题；利用

启发式推理来寻求问题的解答，并利用海量数据进行快速的计算。计算思维的核心思想是基于

计算的思维，如何计算是实现计算思维能力的关键。而实现计算的有效工具是应用计算机。计

算思维是借助于计算机而实现的思维，正如电动机的出现引发了自动化思维，计算机的出现催

生了计算思维。数学和计算机已成为计算思维应用中不可分割的重要工具。有了计算机，计算

思维就有了用武之地。采用计算思维可以使我们把一个看似复杂困难的问题转化为一个简单易

解的问题加以解决。所以说，计算思维是一种科学思维，是人类的一种进步思维。计算机科学

与技术专业一般包括计算机科学、计算机工程、软件工程和信息技术等专业。数据结构课程与

计算机高级程序设计语言、算法设计与分析课程一起构成程序设计基础、算法与复杂性领域的

核心知识单元。一方面，数据结构课程是高级程序语言课程的后续强化程序设计训练，另一方

面，它又是算法设计与分析课程的前导基础知识训练。数据结构课程教学内容包括理论教学和

实践教学。理论教学主要包括数据的线性结构、树形结构、图形结构和集合类型的选取、组织

和应用。其中，线性结构包括线性表、栈和队列、数组和字符串等；树结构主要包括二叉树、

线索树、排序树、一般树等；图结构主要包括无向图、有向图、带权图、一般图等；集合类型

主要包括查找、排序和文件等。数据结构实践课程是数据结构课程的重要组成部分。教学计划

是一个整体。实践教学体系是整体教学计划的一部分，也是一个与理论教学体系有机结合的、

相对独立的完整结构体系。理论课程体系主要体现专业结构、知识结构的培养目标要求，从而

确定理论课程的知识领域、核心知识单元和知识点。而实践课程体系主要体现能力结构的培养

目标要求，由能力结构确定实践课程体系的各个单元的目标结构和具体指标。数据结构