基于CDIO理念的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程體系研究與實(shí)踐

郭瑞波, 王夢(mèng)菊

(哈爾濱金融學(xué)院 計(jì)算機(jī)系, 黑龍江 哈爾濱　150086)

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基于CDIO理念的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程體系研究與實(shí)踐

郭瑞波, 王夢(mèng)菊

(哈爾濱金融學(xué)院 計(jì)算機(jī)系, 黑龍江 哈爾濱150086)

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的培養(yǎng)目標(biāo),針對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)模式提出引入CDIO思想的教學(xué)模式。闡述了CDIO大綱的實(shí)施標(biāo)準(zhǔn),將該方法應(yīng)用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的具體教學(xué)環(huán)節(jié)。對(duì)理論課程設(shè)計(jì)、實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)和課程考核方法進(jìn)行重構(gòu),提高學(xué)生以工程思想分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

CDIO； 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程； 工程教育

2005年汕頭大學(xué)工學(xué)院率先將CDIO工程教育模式引入中國(guó)14],同時(shí)根據(jù)學(xué)院教育目標(biāo)參照CDIO理念,融入了強(qiáng)調(diào)個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)能力及系統(tǒng)調(diào)控能力的工程教育目標(biāo)[2]。在實(shí)施CDIO改革后,工學(xué)院本科畢業(yè)生的就業(yè)率和平均薪酬從廣東省的低位一躍成為第一位[3]。成都信息工程學(xué)院深入學(xué)習(xí)理解CDIO模式,提出了以專業(yè)建設(shè)為主線的教育一體化改革方案,不僅將CDIO教學(xué)方法應(yīng)用于工科專業(yè),而且將該教育方法應(yīng)用于管理等非工科專業(yè)[4],并取得很好的效果。云南大學(xué)的軟件學(xué)院根據(jù)軟件工程人才培養(yǎng)要求,提出了基于軟件工程的SE-CDIO教育模式[5]。清華大學(xué)、北京交通大學(xué)等高校也成為CDIO國(guó)際合作組織亞洲區(qū)域中心成員。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程是計(jì)算機(jī)及相關(guān)學(xué)科的一門專業(yè)核心課程,是學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)、編譯原理、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的重要前續(xù)課程,也是軟件開(kāi)發(fā)的重要基礎(chǔ),既有很強(qiáng)的理論性,又有較高的實(shí)踐要求。為了適應(yīng)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才需求,提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力,本文提出基于CDIO大綱進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程改革的方案。

1　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程綜合教學(xué)方案設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維和數(shù)據(jù)抽象能力[6]。在全球經(jīng)濟(jì)一體化的背景下,對(duì)工程專業(yè)技術(shù)人員的需求形成了通用標(biāo)準(zhǔn),為了融入國(guó)際化的發(fā)展環(huán)境,需要重視學(xué)生個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)能力、系統(tǒng)調(diào)控能力及綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[7-8]。現(xiàn)有的項(xiàng)目教學(xué)缺乏連續(xù)性、相關(guān)性及足夠的靈活性和普適性。項(xiàng)目的設(shè)計(jì)應(yīng)圍繞課程的綜合過(guò)程,將技能和項(xiàng)目融合在一起。

在教學(xué)過(guò)程中,先提供簡(jiǎn)單的驗(yàn)證型項(xiàng)目,使學(xué)生掌握基本的實(shí)踐技能,加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解；然后隨著課程的展開(kāi),提出具有復(fù)雜度和難度的應(yīng)用問(wèn)題,并逐漸增加項(xiàng)目深度[9]。在每一次教學(xué)任務(wù)中,教師對(duì)解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo),注重程序分析、設(shè)計(jì)、測(cè)試、調(diào)試和程序錯(cuò)誤分析過(guò)程[10]；以結(jié)構(gòu)化、模塊化、面向?qū)ο蟮慕虒W(xué)為核心,強(qiáng)調(diào)學(xué)生在程序的規(guī)律中發(fā)掘出軟件工程的思想與方法[11]?；贑DIO思想重新規(guī)劃課程項(xiàng)目,有利于引導(dǎo)學(xué)生對(duì)課程產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣,從而達(dá)到能力培養(yǎng)目標(biāo)。

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程以理論教學(xué)為主,輔以教學(xué)實(shí)踐,不利于學(xué)生主動(dòng)參與到教學(xué)過(guò)程中。結(jié)合CDIO思想改變課堂教學(xué)模式,讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)課程內(nèi)容,以分組的方式逐次在課堂上進(jìn)行匯報(bào)講解,學(xué)生展示自己對(duì)每周課程內(nèi)容的理解與解題思路。教師觀察學(xué)生在講述過(guò)程中對(duì)知識(shí)的掌握程度及創(chuàng)新點(diǎn),及時(shí)進(jìn)行總結(jié)、引導(dǎo),擴(kuò)展學(xué)生的學(xué)習(xí)思路與方法。同時(shí)加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),指導(dǎo)學(xué)生參加開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目、教師的相關(guān)科研項(xiàng)目、校企合作項(xiàng)目及各類相關(guān)競(jìng)賽,引導(dǎo)學(xué)生使用工程實(shí)踐的方法設(shè)計(jì)程序和解決問(wèn)題。

2　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)方法設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程用C語(yǔ)言描述,需要學(xué)生熟練使用數(shù)學(xué)原理與編程工具,即要求學(xué)生掌握常見(jiàn)程序的編寫、調(diào)試程序的方法與意義,還要培養(yǎng)學(xué)生使用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S工作的風(fēng)格。此外根據(jù)CDIO的人才培養(yǎng)要求[12],還要注重增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)意識(shí)與學(xué)術(shù)道德,培養(yǎng)講誠(chéng)信、注重職業(yè)道德、富有責(zé)任感和良好職業(yè)素質(zhì)的工程技術(shù)人才。

2.1教學(xué)內(nèi)容突出專業(yè)特色

實(shí)施CDIO教學(xué)大綱[13],在完成統(tǒng)一教學(xué)計(jì)劃的前提下,要給予教師充分的教學(xué)自由,每位教師根據(jù)所教授的專業(yè)特點(diǎn)組織教學(xué)內(nèi)容,教師根據(jù)課堂動(dòng)態(tài)靈活教學(xué)。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)及軟件工程專業(yè)對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)不同,教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)強(qiáng)化學(xué)生對(duì)自身專業(yè)的理解,有助于學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程和專業(yè)體系的學(xué)習(xí)。教師備課時(shí)必須徹底理解課程內(nèi)容,做到講授清晰、教學(xué)內(nèi)容具有系統(tǒng)性和科學(xué)性,實(shí)踐內(nèi)容能體現(xiàn)相關(guān)知識(shí)在實(shí)際問(wèn)題中的有機(jī)聯(lián)系。教學(xué)過(guò)程中要實(shí)現(xiàn)預(yù)期的教學(xué)效果,教師要精確地選擇課程內(nèi)容,提出解決問(wèn)題的思想、方法和步驟,幫助學(xué)生學(xué)習(xí)如何分析問(wèn)題、解決問(wèn)題,逐步建立正確的思維方式和程序設(shè)計(jì)方法,具備工程師的基本能力。為了更好地體現(xiàn)以學(xué)生為主體的教學(xué)方法,強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生從實(shí)際知識(shí)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、主動(dòng)思考問(wèn)題并能應(yīng)用所學(xué)知識(shí)探索問(wèn)題規(guī)律,實(shí)踐環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生全身心投入,使學(xué)生親自動(dòng)手、動(dòng)腦解決問(wèn)題的能力逐步養(yǎng)成。

2.2立體課堂教學(xué)

在課堂教學(xué)中為了培養(yǎng)學(xué)生的興趣,教師要在教學(xué)方法和內(nèi)容上付出更多的努力。學(xué)生自由組成匯報(bào)和實(shí)驗(yàn)小組,每次課程的匯報(bào)內(nèi)容由教師制定。學(xué)生要在匯報(bào)前提前演練一遍,由教師審查講演內(nèi)容是否完整、提出的問(wèn)題是否與實(shí)際相關(guān)、問(wèn)題的深度是否適當(dāng),并提出修改建議,從而保障演講的質(zhì)量,使得每一位學(xué)生都能有所收獲。小組匯報(bào)的形式不限,可以是動(dòng)畫、視頻、Prezi、幻燈片等,通過(guò)多種形象的表達(dá)形式引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師在課題中起引導(dǎo)的作用,先回顧基礎(chǔ)知識(shí),然后引入學(xué)生匯報(bào),對(duì)匯報(bào)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)、提出相關(guān)問(wèn)題讓學(xué)生思考,并布置下一次的小組匯報(bào)任務(wù)。

實(shí)踐項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要保障CDIO的特色,即構(gòu)思(C)—設(shè)計(jì)(D)—實(shí)施(I)—運(yùn)行(O)基礎(chǔ)理論貫穿學(xué)生學(xué)習(xí)的整體過(guò)程,如圖1所示。將實(shí)踐內(nèi)容分為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)4個(gè)層次。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)是對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容的體現(xiàn),側(cè)重加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解,掌握基本的實(shí)踐技能；綜合型實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)對(duì)多個(gè)知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通、綜合運(yùn)用的能力；設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)是要求學(xué)生利用所學(xué)的理論知識(shí)點(diǎn)去解決特定的應(yīng)用問(wèn)題；創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)旨在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力,由舊知識(shí)建構(gòu)新知識(shí)。部分項(xiàng)目來(lái)自產(chǎn)業(yè)第一線,讓學(xué)生學(xué)到團(tuán)隊(duì)合作、與客戶溝通、管理、成本控制和市場(chǎng)運(yùn)作等方面的知識(shí)和能力,同時(shí)要確保各個(gè)項(xiàng)目有相同的學(xué)習(xí)目標(biāo)。項(xiàng)目復(fù)雜性由簡(jiǎn)至難，如表1所示。

圖1　傳統(tǒng)教學(xué)模式與CDIO教學(xué)模式的二維矩陣

增加復(fù)雜性???活動(dòng)I—OD—I—OC—D—I—O解決方案已知未知團(tuán)隊(duì)個(gè)人小組(4—6人)大組(15—20人)持續(xù)時(shí)間幾天幾周幾個(gè)月

2.3提供豐富的教學(xué)資源

為了達(dá)到CDIO預(yù)期的教學(xué)效果,課程組教師要努力提供內(nèi)容結(jié)構(gòu)豐富的教學(xué)資源,利用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)。教學(xué)平臺(tái)包括:

(1) 教師導(dǎo)學(xué)區(qū)。提供教學(xué)資源的展示與下載,提供電子教材、課件教案、課程視頻、教學(xué)文檔等相關(guān)資源,將常用的接口代碼和模塊模板提供給學(xué)生參考。

(2) 自主學(xué)習(xí)區(qū)。提供課程復(fù)習(xí)提綱、在線測(cè)試、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、綜合試題等模塊,學(xué)生根據(jù)測(cè)試結(jié)果及時(shí)了解自身的學(xué)習(xí)狀況,并能有針對(duì)性地學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí),通過(guò)完成對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以進(jìn)一步加深知識(shí)間的綜合應(yīng)用。

(3) 討論答疑區(qū)。提供師生交流平臺(tái),包括聊天室與學(xué)習(xí)論壇等形式,以學(xué)生之間互相交流學(xué)習(xí)中遇到的問(wèn)題和創(chuàng)新思路為主,教師對(duì)較難的問(wèn)題進(jìn)行指導(dǎo),但不直接給出解決方案。

(4) 作業(yè)管理區(qū)。實(shí)現(xiàn)學(xué)生在線提交作業(yè)和教師在線評(píng)定作業(yè)。教師通過(guò)對(duì)學(xué)生作業(yè)的完成情況可以及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和學(xué)習(xí)進(jìn)度,教師對(duì)作業(yè)的監(jiān)督能促進(jìn)學(xué)生課后復(fù)習(xí)，保障課程效果。

設(shè)計(jì)CDIO教學(xué)環(huán)境不僅包括網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái),還要提供開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,讓學(xué)生體驗(yàn)辦公室的氛圍進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)施；此外還要讓學(xué)生走進(jìn)企業(yè),在真實(shí)的社會(huì)環(huán)境中發(fā)揮自己的能力,體驗(yàn)一名真正工程師的工作內(nèi)容,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望。

2.4改變考核機(jī)制保障改革效果

傳統(tǒng)的課程考核方式由平時(shí)成績(jī)(占30%)與期末成績(jī)(占70%)構(gòu)成。期末考試以試卷形式難以體現(xiàn)出CDIO在“做中學(xué)”的工程設(shè)計(jì)思想。為了突出實(shí)踐項(xiàng)目的重要性,需要對(duì)現(xiàn)有考核方式進(jìn)行改革。將項(xiàng)目匯報(bào)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)引入學(xué)生自評(píng)、互評(píng)模式,教師作為總裁判員將公平客觀的評(píng)價(jià)結(jié)果記錄為項(xiàng)目考核成績(jī)(占10%)；學(xué)生的作業(yè)成績(jī)(占10%)；根據(jù)完成的實(shí)踐項(xiàng)目難度,調(diào)試結(jié)果給出實(shí)踐成績(jī)(占40%)；期末筆試成績(jī)(占40%)。多樣化的考核方式能促進(jìn)學(xué)生自始至終地努力學(xué)習(xí),避免了部分學(xué)生平時(shí)不努力學(xué)習(xí)、期末死記硬背的狀況。教師要客觀公正地進(jìn)行考核評(píng)價(jià)，及時(shí)公布考核結(jié)果,以考促學(xué),形成良性互動(dòng)。

建立規(guī)范的考核標(biāo)準(zhǔn)與考核制度,使得教師和學(xué)生有章可循。為了確保CDIO思想的正確實(shí)施,還需要對(duì)教師建立監(jiān)督機(jī)制。以教學(xué)督導(dǎo)、同行教師評(píng)價(jià)、學(xué)生座談等形式構(gòu)成對(duì)教師工作的監(jiān)督。

3　在教學(xué)過(guò)程中實(shí)踐CDIO思想

為了在教學(xué)過(guò)程中完整地體現(xiàn)CDIO思想,重新設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教材和課件。出版和使用“十二五”普通高等教育本科國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材:《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(C語(yǔ)言描述)》《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)習(xí)題與實(shí)訓(xùn)教程(C語(yǔ)言描述)》。此外根據(jù)CDIO思想設(shè)計(jì)的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課件在全國(guó)課件大賽中獲得三等獎(jiǎng)。使用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái),將課件、教案、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與素材進(jìn)行信息發(fā)布。學(xué)生按模塊完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上傳作業(yè),教師在線批改作業(yè)。教師能及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和完成狀況。

2013級(jí)、2014級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)及電子商務(wù)專業(yè)使用CDIO方法進(jìn)行教學(xué)改革實(shí)踐。在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)部分,“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)習(xí)題與實(shí)訓(xùn)教程(C語(yǔ)言描述)”課程根據(jù)CDIO思想組建任務(wù)模塊,每一個(gè)模塊添加數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)各章的知識(shí)點(diǎn),完成1～2章的教學(xué)活動(dòng)后,學(xué)生要完成綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K任務(wù),總結(jié)出遇到的問(wèn)題和解決方案。例如在“查找”一章中,不講解本章的知識(shí)點(diǎn)，先讓學(xué)生根據(jù)原有的C語(yǔ)言知識(shí)對(duì)兩組數(shù)據(jù)(有序數(shù)據(jù)和無(wú)序數(shù)據(jù))編程查找關(guān)鍵字K,要求效率高、使用的時(shí)間少。學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)踐,完成后教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)每組的算法及時(shí)間復(fù)雜度進(jìn)行分析對(duì)比,找出最優(yōu)的算法特點(diǎn)。通過(guò)總結(jié)特點(diǎn)引出本章的知識(shí)點(diǎn),即無(wú)序數(shù)據(jù)適合使用順序查找或快速查找、有序數(shù)據(jù)適合用折半查找。學(xué)生通過(guò)實(shí)踐了解到在工程中的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行的4個(gè)階段,讓學(xué)生體會(huì)到一個(gè)整體項(xiàng)目是如何被劃分為多個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和完成的。

4　結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由于在計(jì)算機(jī)科學(xué)及其相關(guān)專業(yè)課程體系中的重要性,近30年來(lái)一直是計(jì)算機(jī)類專業(yè)課程建設(shè)的重點(diǎn)。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中引入CDIO思想,其目標(biāo)在于培養(yǎng)學(xué)生個(gè)人能力而不是讓學(xué)生僅掌握一門技術(shù)。重構(gòu)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程注重引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和深入思考,在課程中強(qiáng)化工程師素養(yǎng)訓(xùn)練。

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Research and practice of Data Structure course system based on CDIO

Guo Ruibo, Wang Mengju

(Department of Computer Science，Harbin Finance University，Harbin 150086，China)

In order to achieve the training goal for the Data Structure course, and in view of the existing teaching mode, CDIO ( Conceive, Design, Implement, Operate)idea of teaching mode is put forward, the standards for the implementation of CDIO curriculum are described, and the teaching mode is applied to the real teaching for Data Structure course. As the theoretical course design, practical teaching project design and the course evaluation method are restructured, the students’ ability to analyze and solve problems by engineering thinking is improved.

CDIO； Data Structure course； engineering education

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.053

2016-04-13

黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目(JG2014010764)

郭瑞波(1978—),女,黑龍江哈爾濱,碩士,講師,研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)教學(xué)和云計(jì)算.

G642.0

A

1002-4956(2016)10-0213-03