融合MOOC和CDIO理念的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法新型教學(xué)模式

陳軍++李亞娟

【摘 要】針對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程中授課理論晦澀難懂和編程難度較高等特點(diǎn)，基于CDIO 工程教育理念，同時(shí)把MOOC引入到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的日常教學(xué)中，用以改進(jìn)傳統(tǒng)的教學(xué)方法。在此模式下，結(jié)合地方性應(yīng)用型大學(xué)的特點(diǎn)，為塑造具有自我學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐應(yīng)用能力的新型應(yīng)用型人才，提出了一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的新型教學(xué)方法。此方法借助MOOC的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資料，提高了學(xué)生的主觀能動(dòng)性和教師的授課效率，同時(shí)結(jié)合CDIO的實(shí)施細(xì)則，使學(xué)生深入到具體的大型編程實(shí)踐當(dāng)中，培養(yǎng)了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

【關(guān)鍵詞】CDIO；MOOC；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法

1 背景

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法是信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在該專業(yè)的整個(gè)學(xué)習(xí)體系中占有核心的地位。學(xué)生在課程中研究數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和彼此之間的關(guān)系，以及如何有效地組織管理數(shù)據(jù)，從而提高計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的效率。該課程的學(xué)習(xí)也為信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)的后續(xù)課程，如操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)原理和軟件工程等，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]。但是，由于該課程內(nèi)容抽象，不便于理解，很多學(xué)生往往感覺(jué)難以掌握。所以，為改善數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的教學(xué)效果而對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行創(chuàng)新在當(dāng)下具有迫切的需求。為此，我們把MOOC引入到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的日常教學(xué)中，結(jié)合基于CDIO工程教育理念的大型課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生能夠更加深入地掌握相關(guān)的基本理論知識(shí)和基本編程技巧。

2 CDIO

CDIO是由美國(guó)麻省理工學(xué)院、瑞典哥德堡查爾姆斯技術(shù)學(xué)院、瑞典皇家技術(shù)學(xué)院和瑞典林雪平大學(xué)等4所工程技術(shù)大學(xué)提出的一種現(xiàn)代工程教學(xué)理念。其中，CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)行（Operate），是近年來(lái)高校教育改革的最新成果[2-3]。它注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，提供了一整套工程教育的理論和體系，系統(tǒng)地提出了操作性強(qiáng)的實(shí)施方案以及檢驗(yàn)評(píng)價(jià)的12條標(biāo)準(zhǔn)。這使得學(xué)生能夠完整地體驗(yàn)構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)行的全部過(guò)程，從而有效地克服了高校教育中出現(xiàn)的理論與實(shí)踐相脫節(jié)的矛盾。

3 MOOC

大型開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)課程，即MOOC（massive online open courses），是一種參與者分布在各地，通過(guò)教學(xué)視頻的學(xué)習(xí)，以及師生之間的討論與交流，來(lái)獲得課程教育的新興教育形式[4]。它基于互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通訊技術(shù)的蓬勃發(fā)展，給傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式帶來(lái)了巨大的改變。它讓所有人都能免費(fèi)獲得來(lái)自名牌大學(xué)的優(yōu)質(zhì)資源，可以在任何地方、用任何設(shè)備，借助于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)，完成在線作業(yè)和考試。同時(shí)，它在客觀上加快了高校的教學(xué)改革進(jìn)程，也為社會(huì)和普通高校提供優(yōu)質(zhì)課程的共享資源。

4 傳統(tǒng)教學(xué)的弊端

1）傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程，更加注重課堂知識(shí)的傳授，對(duì)于計(jì)算機(jī)學(xué)科類課程中最重要的編程實(shí)踐反而重視不夠。無(wú)論是在學(xué)時(shí)的設(shè)置上，還是在對(duì)教學(xué)效果的考核上，都更加偏重于課堂教學(xué)。

2）在課堂教學(xué)上，教師更多地是照本宣科，直接講解知識(shí)要點(diǎn)，往往難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

3）在有限的編程實(shí)踐教育中，只能面向小型化和碎片化的編程試題，無(wú)法處理大型的面向應(yīng)用的項(xiàng)目。

4）相對(duì)注重學(xué)生獨(dú)立完成任務(wù)的能力，缺少在大型項(xiàng)目中對(duì)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的訓(xùn)練。這固然強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的全面了解，但團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力也是學(xué)生必須掌握的專業(yè)技能之一，需要著重培養(yǎng)。

5 結(jié)合CDIO和MOOC的新型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法教學(xué)模式

在實(shí)際操作過(guò)程中，我們選擇網(wǎng)上已有的優(yōu)秀的MOOC資源，讓學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，而教師在課程學(xué)習(xí)中的主要任務(wù)是強(qiáng)調(diào)并鞏固學(xué)習(xí)內(nèi)容的重點(diǎn)難點(diǎn)。這樣，教師可以把更多的時(shí)間和精力集中在面對(duì)面的交流答疑中，這將有效地激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)性和提升學(xué)習(xí)的效率。在借助MOOC完成基本知識(shí)和基本技能的學(xué)習(xí)后，教師可以把主要的精力放在學(xué)生的實(shí)踐中，即基于CDIO教學(xué)理念的大型課程設(shè)計(jì)的完成上。如圖1所示，這可以促使學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)中做到理論與實(shí)際相結(jié)合。

圖1 新型教學(xué)模式

為此，我們采取了下述幾條具體措施來(lái)配合我們的教學(xué)模式改革：

1）選擇適合本校學(xué)生水平層次的MOOC課程，以學(xué)生學(xué)號(hào)為用戶名進(jìn)行注冊(cè)，并在MOOC平臺(tái)上與其他用戶一起進(jìn)行學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，需要學(xué)生全程參與MOOC教學(xué)過(guò)程中的視頻觀看，在線測(cè)試與課后編程作業(yè)。

2）視頻觀看在課前完成，其中與重點(diǎn)難點(diǎn)相關(guān)的內(nèi)容在課堂上由教師再次進(jìn)行進(jìn)一步地講解；在線測(cè)試與課后編程作業(yè)在上機(jī)實(shí)踐課上完成，并由教師進(jìn)行后續(xù)的解答。上述過(guò)程需要極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主性，可以在學(xué)生中指定若干個(gè)學(xué)習(xí)小組，進(jìn)行課后的討論與復(fù)習(xí)。

3）在MOOC學(xué)習(xí)結(jié)束后，教師將基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的內(nèi)容，布置幾個(gè)項(xiàng)目，以貫徹CDIO中“以項(xiàng)目為導(dǎo)向”和“在做中學(xué)習(xí)”的理念。以5個(gè)學(xué)生為一組，分組完成項(xiàng)目。這樣每個(gè)小組的成員不僅需要完成自己的任務(wù)，也需要與其他同學(xué)進(jìn)行配合，共同完成整個(gè)項(xiàng)目。

4）在CDIO的模式下，整個(gè)項(xiàng)目主要分成4個(gè)部分進(jìn)行：

（1）構(gòu)思（Conceive）：學(xué)生明確項(xiàng)目的目標(biāo)，方法以及相關(guān)理論知識(shí)，并完成相應(yīng)的前期準(zhǔn)備工作；

（2）設(shè)計(jì)（Design）：學(xué)生對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行規(guī)劃，分解整個(gè)項(xiàng)目，明確各自任務(wù)，完善實(shí)施方案；

（3）實(shí)現(xiàn)（Implement）：在此過(guò)程中，不僅需要靈活運(yùn)用已有理論知識(shí)和編程技能來(lái)完成自己負(fù)責(zé)的模塊，也要了解參與其他學(xué)生設(shè)計(jì)的模塊，增強(qiáng)彼此之間的協(xié)作能力；

（4）運(yùn)行（Operate）：通過(guò)在全體師生面前演示項(xiàng)目和公開(kāi)報(bào)告，展示各個(gè)小組的成果。

以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程中“查找”這一章為例。在課前，需要學(xué)生觀看相關(guān)的MOOC視頻。在課上，重點(diǎn)講解折半查找和平衡二叉樹(shù)這兩個(gè)重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容，并指導(dǎo)學(xué)生完成相應(yīng)代碼編寫(xiě)的練習(xí)。最后，讓學(xué)生們分組完成“學(xué)生成績(jī)查詢系統(tǒng)”或“火車時(shí)刻查詢系統(tǒng)”等大型項(xiàng)目，并公開(kāi)作項(xiàng)目報(bào)告。

6 小結(jié)

在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的教學(xué)中，我們針對(duì)當(dāng)前教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，把MOOC和CDIO教學(xué)理念相結(jié)合，提出了一種新型教學(xué)模式：利用已有的優(yōu)質(zhì)MOOC資源幫助學(xué)生掌握基本理論知識(shí)和基本編程技巧，利用CDIO教學(xué)理念指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)和大型課程設(shè)計(jì)。不過(guò)，如何掌握兩者的平衡，是我們?cè)趯?lái)的教學(xué)過(guò)程中需要進(jìn)一步面對(duì)的問(wèn)題。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李春葆.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教程[M].4版.北京：清華大學(xué)出版社，2013.

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[3]楊蒙召，顧澤元，劉文強(qiáng).CDIO 理念在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中的探索與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2010，12：124-126.

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[責(zé)任編輯：湯靜]