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基于Python的数据结构课程

更新时间：2019-12-25 07:23:18 大小：108K 上传用户：songhuahua查看TA发布的资源 标签：python数据结构 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

使用Python讲授程序设计课程正成为一种趋势,如果从计算机专业的第一门课程开始就使用Python,则必须考虑后续课程的衔接问题,特别是重要的数据结构课程。文章基于使用Python讲授数据结构课程以及编写基于Python数据结构教材的实践经验,探讨使用Python讲授数据结构课程的优势和劣势,指出发现的重点问题并提供相应解决方法。


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第12 期  
计 算 机 教 育  
Computer Education  
32  
2017 年12 月10 日  
G642  
中图分类号：  
文章编号：1672-5913(2017)12-0032-04  
基于Python 的数据结构课程  
裘宗燕  
（北京大学数学学院，北京100871）  
摘 要：使用Python讲授程序设计课程正成为一种趋势，如果从计算机专业的第一门课程开始就使用  
Python，则必须考虑后续课程的衔接问题，特别是重要的数据结构课程。文章基于使用Python讲授数  
据结构课程以及编写基于Python数据结构教材的实践经验，探讨使用Python讲授数据结构课程的优  
势和劣势，指出发现的重点问题并提供相应解决方法。  
关键词：Python；数据结构课程；教学；内容和方法  
着C 语言的使用日益广泛和Pascal 日渐衰落，越  
来越多的国内外高校改用C 语言教授数据结构课  
程，而后又有其他语言逐渐加入。目前，数据结  
构课程使用的主要语言包括C、C++、Java 等。  
随着越来越多的高校开始使用Python 讲授  
第一门程序设计课程，用Python 讨论数据结构  
的问题也被提上议事日程。为了深入探讨有关情  
况，我们首先回答几个经常听到的问题，网上对  
于这些问题也有许多讨论。  
0 引 言  
越来越多的高校开设了Python 编程课程，  
国际上已有很多学校将Python 作为第一门计算  
机科学技术课的语言，讲授基本编程的思想、概  
念和技术。这种做法不可避免地带来一个问题：  
这门课程怎样与后续课程衔接，首先是怎样与数  
据结构课程衔接。我们使用Python 语言讲授过  
几次计算机基础课，包括基本编程课和数据结构  
课，并编写出版了相关教材[1]，发现用Python  
讲授数据结构课程的现实情况：与原来基于C 语  
言等的课程相比，该课程有哪些优势，又有哪些  
需要特别关注和解决的问题。  
第1 个常见的问题：Python 的表和字典就  
是数据结构课程中讨论的典型数据结构，学习  
Python 编程之后就已经会用了，还需要学习数  
据结构课程吗？我们的回答是，当然需要。一方  
面，数据结构是计算机科学知识体系中最重要的  
环节之一，其核心问题是讨论数据组织和管理的  
思想和技术、计算复杂性的概念和分析等，这些  
都是计算机科学技术领域最重要的基础知识，而  
表、字典等只是传播上述核心知识和技术的媒  
介，是课程所讨论的典型实例，Python 的程序  
设计基础和相关课程既不能提供上述重要知识和  
相关技术，又不可能代替数据结构课程；另一方  
面，要用好Python 语言并发挥其作用，必须理  
解数据结构的一般性知识和Python 的特殊情况，  
编程语言是非常复杂的工具，编程是最复杂的工  
作，缺乏对所用语言的理解是做不好编程的，数  
据结构课程则能帮助学生深入理解Python 的表、  
1 Python与数据结构  
数据结构课程大约于20 世纪70 年代从发  
达国家的计算机科学系起步，最初使用伪代码  
讨论和分析，相关教学和教材很大程度上受到文  
献[2] 的影响。随着高级语言的广泛使用，数据  
结构课程的教学逐渐转向以高级语言作为讨论工  
具。文献[3] 中提出的观点被广泛接受，对数据  
结构课程的发展产生了很大影响。一时之间，绝  
大多数数据结构课程都转向采用Pascal 语言。后  
来，抽象数据类型（ADT）的思想逐渐被数据结  
构教材和课程所采用。20 世纪90 年代以后，随  
作者简介：裘宗燕，男，教授，研究方向为软件理论和技术、程序语义、形式化方法，qzy@ math.pku.edu.cn。  
字典等组合类型。因此，基于Python 的数据结  
构课程教学需要兼顾这两方面的需求。  
（1）清晰介绍数据结构课程的基本理论内容。  
这些内容与具体语言无关，包括数据结构和算法  
的基本概念，相应的理论问题（复杂性等），数  
据结构的基本构造技术，各种典型数据结构的原  
理、性质、基本使用和基本实现技术等。  
第2 个常见的问题：用Python 语言讨论数  
据结构的可行性。依据我们的理解和经验来判  
断，这种做法确实可行。目前，国际上已经出版  
了许多使用Python 语言讲授数据结构相关内容  
（2）基于 Python 语言讨论数据结构的实现技  
术，既要体现一般的数据结构技术，又要充分发  
挥Python 的优点，展示有用的设计和Python 编  
程技术，还应说明在Python 程序里使用数据结  
构解决问题时可能遇到的问题、分析和思考的方  
法、解决问题的方法等。  
的教材，如在亚马逊网站上可以查到文献[4-6]，  
但是国内至今未出版中文翻译版本。我们已经  
使用Python 讲授过几次数据结构课程，并编写  
出版了相关教材[1]。此外，还可以找到国外同行  
研究这个问题的论文，如文献[7]，也可以找到  
国外一些知名高校发布的有关使用Python 讲授  
CS2 的消息[8]。这些情况都说明，使用Python  
讲授数据结构课程的做法是可行的。当然，不同  
语言有各自的特点，应用于同一门课程时，也需  
要考虑其特点，扬长避短。如前所述，这门课程  
应该是数据结构基础知识和Python 的结合，用  
Python 讲授数据结构既有优势，又有劣势。  
第3 个常见的问题：学习数据结构课程对于  
使用Python 开发程序（软件）有特殊意义吗，特  
别是使用Python 语言讨论的课程？对此，我们  
的回答是肯定的。因为除了讲授计算机科学技术  
的一般性作用之外，这门课程还对提升学生使用  
Python 工作的能力产生重要影响，主要体现在以  
下3 个方面。  
（3）认真分析Python 语言中的各种组合数据  
结构（作为理论数据结构的具体实现）的想法、  
具体设计和实现，各方面的实际性质、优缺点、  
使用时需要注意的问题等。  
用Python 讲授数据结构课程有许多优势，  
最重要的优势来自Python 语言设计的很多特征  
可以在数据结构课程中发挥作用。  
（1）Python 的面向对象机制可以作为ADT  
（抽象数据类型）的具体体现，用于实现各种数据  
结构和支持封装。类定义中的实例方法可用于实  
现数据结构操作；继承用于扩充已定义的部件，  
实现扩充（或部分修改）的新数据结构等。  
（2）Python 的生成器函数可用于实现各种容  
器结构都需要的遍历操作，使自定义的容器类型  
可以平滑地纳入Python 语言的基本编程模型。  
（3）Python 变量、参数和对象属性都没有类  
型限制，因此Python 里定义的函数和对象方法  
都具有通用性，能操作任何满足需要的对象且只  
要求被操作对象提供所需操作，自定义数据结构  
能保存任何类型的数据元素。  
（1）有助于学生理解Python 程序的行为，理  
解怎样写好Python 程序。  
（2）帮助学生在使用Python 编程的过程中作  
出正确的设计选择，并为这些选择提供本质性的  
判断根据。例如，保存一批数据时，选用标准类  
型的表或字典，还是自己开发专门结构，并知悉  
原因；向表中加入元素应该用哪个操作等。  
（3）有助于识别程序中的效率陷阱。Python  
程序中很容易创建各种复杂数据对象，这种便利  
如果使用不当，很可能严重影响程序的效率和可  
用性。  
（4）由于上述通用性，教科书里、课堂上和  
学生工作中开发的各种组件，如函数、类等，只  
要定义合适，就能作为辅助性数据结构直接用于  
后续工作，用于实现更复杂的数据结构和操作，  
或直接支持数据结构的应用。这使学生能看到从  
简单到复杂的软件开发过程，看到自己编写的程  
序能真正得到应用，更有成就感。  
2 用Python讲授数据结构课程的目标、  
优势和困难  
用Python 讲授数据结构也存在一些困难，  
主要困难源自Python 语言的高级和抽象。做算  
法（程序）的复杂性分析时，首先要确定基本  
操作和基本数据单元，它们必须具有O(1) 复杂  
基于Python 的数据结构课程的教学目标应  
包含以下3 方面。  

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