基于CDIO理念的数据结构教学模式创新与实践

肖媚燕 徐东风 周运华

华南农业大学信息学院 广东广州 510642

基于CDIO理念的数据结构教学模式创新与实践

肖媚燕 徐东风 周运华

华南农业大学信息学院 广东广州 510642

针对数据结构课程内容理论性强而算法抽象难懂的特点，提出将CDIO理念应用到该课程教学模式中，改进传统的教学方法。采用多元化的创新教育模式，提高数据结构理论与实践相结合的教学效果，学生在克服基础课程难点的同时，锻炼了个人的综合动手能力、创新能力及团队协作能力。

数据结构；教学模式；CDIO

数据结构是计算机软件相关专业的核心基础课程，它研究计算机科学技术领域里许多最基本的问题。数据结构是计算机程序设计的重要理论技术基础，它不仅是计算机学科的核心课程，而且已成为其他理工专业的热门选修课[1]。学生在数据结构课程中学习如何存储和处理数据，把现实中的非数值问题转化为计算机可以处理的数据，并设计出高效的事务处理算法。由于内容比较抽象，算法理解比较困难，因此学习起来比较枯燥乏味，一直以来都被学生认为是最难学的课程之一。根据调查分析，在普通高校中，能达到教学目的的学生只占30%左右[2]。因此，就如何提高数据结构的教学效果所开展的教学模式创新与实践具有十分重要的意义。

1 传统的教学和实验模式导致的问题

传统的看法认为基础教育应该注重个人专业基础的培养，在此基础上，专业技能实践和人际沟通技能在后面的学科中再进行培养。此观念导致的问题主要表现在以下几个方面：

(1)着重理论教学、轻视实践教学。目前的数据结构教学非常重视理论教学，仅从学时上来看，理论学时是实验学时的两倍。实际上，数据结构既要求理论知识的掌握，更强调学生的实践能力培养。

(2)形式单一。传统的教学模式基本上以教师教学、学生学习为主，难以调动学生主动探讨问题的积极性。

(3)重视知识学习，轻视创新能力的培养。传统的教学模式强调数据结构理论的学习以及验证性的实验，缺乏与现实相结合的创新性实验，对算法的理解流于表面，并且影响学生创新能力的提高。

(4)强调个人学术能力，团队协作能力得不到提高。传统的实验模式是学生独立进行学习和实践，这样做的优点是保证每位学生都能够掌握到每个知识点，但如果能够在考虑保留这个优点的同时锻炼学生的团队协作能力，就能达到更好的效果。

2 CDIO大纲简介

CDIO是当今国际高等工程教育的一种创新模式。其具体目的就是为工程教育创造出一个合理的、完整的、通用的、可概括的教学目标，重点将个人的、社会的和系统的制造技术和基本原理相结合，使之适合工程学的所有领域。

大纲的最大价值就是其基本原理简单，有很强的可操作性和广泛的适应性等特征，而且可被任何工程教育项目所采用。

设计CDIO的教育反映出如下几大目标：必须掌握基础技术中深厚的应用知识；培养善于构思—设计—实现—运作新产品/系统的技能；能完成复杂的系统工程；能适应现代化开发团队和开发环境[3]。

CDIO工程教育的设计灵感源于工程产品/系统的生命周期，注重培养学生掌握扎实的工程基础理论和专业知识，并在此基础上将教育过程放到工程领域的具体情境中，通过贯穿整个人才培养过程的团队设计和创新实践训练，培养专业基础扎实、职业道德高尚的新一代高水平工程师[4]。

通过参与、构思、设计、实现个人技术体验，使学生达到预想的目标；培养用于构建系统的技能，很好地掌握深厚的工程基础应用知识[5]。

3 CDIO对数据结构教学模式创新的启示

实际上数据结构课程既包含抽象的理论，又强调算法的实践，实践能力的培养非常重要；团队协作技能是计算机相关专业学生的基本技能要求，也不是一朝一夕可以得到，必须从基础学科开始抓起。寻求新颖的、有趣味的、能调动学生学习主动性和积极性的数据结构课程教授方法；寻求一种可以在加强基础教育的同时关注工程实践，加强实践环节，同时强调团队协作技能的教授方法，成为从事计算机专业基础教学工作的重要目标。CDIO理念在这些方面给我们带来了很大的启示。

(1)关注基础教育理论学习的同时，强调实践环节。对实践教学的重视将在很大程度上提高数据结构课程的教学效果。

(2)多样化的教学形式。将传统单一的教学形式多样化，增加教学的趣味性，有助于提高学生主动学习的积极性。

(3)重视综合创新能力的培养。重视理论知识学习的同时，强调理论与实践相结合，多进行与现实生活相结合的创新性实验，有助于加深理论知识的理解，加强学生的创新能力。

(4)个人学术能力和团队协作技能并重。在保证个人学术能力的同时，给学生团队协作的机会，充分发挥集体的潜能。

(5)数据结构课程设计模式的改革。数据结构课程设计是一个独立的实验环节，是对数据结构课程理论教学的延伸和补充，对理论知识的综合应用。因此我们必须选择适当的教学方法，使其优势达到最大化。

4 数据结构教学模式创新的具体措施

借鉴CDIO工程教育理念，我们在现有的理论教学基础上增加了不同的实验教学模式，所构建的创新型数据结构教学模式如图1所示。

图1 数据结构教学模式的创新

根据图1所示，我们在课堂理论教学的基础上通过增加课程设计及开展综合性设计性实验等实践教学活动，目的是发挥学生的主动性，加深学生对该课程所学内容的进一步理解和巩固，提高学生分析问题、解决问题的能力，培养学生的综合设计能力和创新意识[2]。具体措施主要表现在以下几个方面：

4.1 以问题导向为主、自学讨论为辅的趣味性课堂教学

理论教学是数据结构教学的主要手段，但由于刻板的教学方式使得学生的积极性得不到调动，这是理论教学效果的最大瓶颈。为调动学生的积极性，可以采取问题导向的方式，或提出一个大问题贯穿数据结构的整个教学过程，抑或从各行各业中抽取相关的各种问题拿到数据结构各个章目中解决，让学生带着问题到书中找答案，由此调动学生的学习主动性和积极性；为增加课堂教学的趣味性，还可以分组讨论的方式解决现实问题，使学生通过数据结构的理论学习、查阅课外资料以及学生之间交流分享甚至上台辩论的方式，增加趣味性，吸引学生融入到数据结构的知识中。

应用实例：在进行队列内容的理论教学时，先向学生提出现实中存在的有趣问题，快要死机的电脑突然像酒醒了似的把没有执行的操作依次执行了一遍；银行柜台服务排队问题；中国移动电话客户服务问题……类似这样的问题是如何用计算机解决的？通过有趣的现实问题引导学生思考。

然后在若干问题中抽取出其中一个问题向学生演示用队列解决问题的办法。在解决问题的同时进行队列的相关理论学习。

学生掌握了队列的相关理论知识后，把余下的问题交给学生分组讨论，通过交流分享、分组辩论以及课下查阅资料的方式共同探讨队列的方法，加深理解。

4.2 以实验教学为辅助手段，并配以实战环境的实践教学

实践教学是数据结构教学的辅助手段，很大程度上能够影响数据结构的教学效果，但往往得不到教师和学生的重视。验证性实验应作为基本目标要求每位学生必须掌握，在此前提下，多展开综合性设计性实验使理论学习中需解决的现实问题在一定程度上得到实现，这样才能真正将书本中的经典思想、经典算法和现实生活中需要解决的问题相结合，使数据结构的理论与现实生活的结合得到生动体现，从而提高数据结构的教学效果[6]。

应用实例：在进行树和二叉树的实践教学时，在掌握了树和二叉树理论知识的前提下，每位学生都要把书中的经典算法予以验证性的实现。

掌握了书中的经典算法后，将其整合到现实中的问题：网上流行的心理测试系统，对如何将心理测试转化为计算机可以处理的数据进行分析并进行一定程度上的实现，将其作为综合性设计性实验，由学生自主完成，完成程度也由学生自行掌握。

在实践教学过程中，采用实战形式的上机环境，目前已采用ACM评判系统作为学生的上机环境，提供了学生做题的各种统计，以及学生之间的竞赛和完成情况比较等功能，给学生造成做题压力，从而转化为动手实践的动力。

4.3 多样化选题方式为前提、分组项目形式为驱动的课程设计

课程设计是对数据结构知识的总结和综合运用，好的课程设计能够使学生达到对理论知识举一反三、熟能生巧的效果。传统的课程设计题目过于单一，学生各做各的，答案雷同、应付式交作业的现象比比皆是。为提高课程设计的教学效果，应采取多样化的题目，并采取项目形式对学生进行分组，每组解决不同的题目，各组分别进行项目设计、构思和分工实施等操作，各不相同的任务迫使学生必须用学到的数据结构知识独立解决问题，而项目形式让学生在完成各不相同任务的同时，项目实施专业能力和团队协作能力得到很好的锻炼，这也是对计算机领域每位学生基本技能的要求。

应用实例：完成数据结构的所有理论教学后，给予学生一定的时间完成数据结构课程设计。

相对于传统的固定题目形式，我们采用了题目多样化的方式，即提供多个不同项目化的题目给学生选择，给予学生更广阔的思路去巩固和理解数据结构的理论知识，同时也杜绝了抄袭现象。

由选择相同题目的学生组成一个项目组，共同探讨和完成这个项目，人数控制在5人左右，由学生自主分工各自负责不同部分，合作完成课程设计。学生在完成自己负责模块的同时，也需参与讨论和设计其他同学的模块，这样可以达到在较短的时间内对知识较全面的复习和巩固。

最后在验收课程设计时，采取演讲报告的形式，由全班同学共同做出评估，达到全面复习的效果。

5 结束语

数据结构教学模式、方法和策略需要不断地发现和改善，使学生通过数据结构课程的学习，真正掌握用计算机存储和处理现实问题中非数值型数据的能力，掌握生存于计算机领域的基本技能。CDIO大纲理念对数据结构教学模式有着很好的启示和指导，它的理念对数据结构教学模式的改进还需要不断地去探索和发现，并且在实践中得到很好的体现。在实际教学中，还需要掌握传统和创新的平衡，不能偏离数据结构教学目的的初衷。

[1] 严蔚敏,吴伟民.数据结构(C语言版)[M].北京:清华大学出版社,2009.

[2] 李竹林,杜利锋,刘兴平.基于CDIO教学理念的数据结构课程设计方法[J].延安大学学报(自然科学报),2010,3.

[3] 陶勇芳,商存慧.CDIO大纲对高等工科教育创新的启示[J].中国高教研究,2006,11.

[4] 王硕旺,洪成文.CDIO:美国麻省理工学院工程教育的经典模式[J].理工高教研究,2009,12.

[5] Edward F Crawley. Creating the CDIO Syllabus, a Universal Template for Engineering Education. 32nd ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference. November 6-9, 2002, Boston, MA.

[6] 孙爱东,杨秋妹,肖媚燕.多层次的“数据结构”实践教学模式探讨[J].计算机教育,2009,12.

Innovation and practice of data structure teaching mode based on CDIO idea

Xiao Meiyan, Xu Dongfeng, Zhou Yunhua
South China agricultural university, Guangzhou, 510642, China

According to the highly abstract and over-theoretical features of data structure, it is putted forward that CDIO idea is applied to the teaching mode of data structure and improves traditional teaching method. Diversif cation of the innovative teaching mode is used to improved the theoretical and practical teaching effect of data structure. Students not only overcome diff culties of the basic course, but also improve their practical, innovative and teamwork abilities.

data structure; teaching mode; CDIO

2011-09-08

肖媚燕，硕士，实验师。

广东省教育科学研究项目(编号：2010tjk013)；华南农业大学2010年度教学成果奖培育项目；广东省高等教育学会实验室管理专业委员会研究基金项目(编号：2010056)。