基于CDIO理念的数据结构课程体系研究与实践

郭瑞波, 王梦菊

(哈尔滨金融学院 计算机系, 黑龙江 哈尔滨　150086)



基于CDIO理念的数据结构课程体系研究与实践

郭瑞波, 王梦菊

(哈尔滨金融学院 计算机系, 黑龙江 哈尔滨150086)

为了实现数据结构课程的培养目标,针对现有的教学模式提出引入CDIO思想的教学模式。阐述了CDIO大纲的实施标准,将该方法应用于数据结构课程的具体教学环节。对理论课程设计、实践教学项目设计和课程考核方法进行重构,提高学生以工程思想分析问题、解决问题的能力。

CDIO； 数据结构课程； 工程教育

2005年汕头大学工学院率先将CDIO工程教育模式引入中国14],同时根据学院教育目标参照CDIO理念,融入了强调个人能力、团队能力及系统调控能力的工程教育目标[2]。在实施CDIO改革后,工学院本科毕业生的就业率和平均薪酬从广东省的低位一跃成为第一位[3]。成都信息工程学院深入学习理解CDIO模式,提出了以专业建设为主线的教育一体化改革方案,不仅将CDIO教学方法应用于工科专业,而且将该教育方法应用于管理等非工科专业[4],并取得很好的效果。云南大学的软件学院根据软件工程人才培养要求,提出了基于软件工程的SE-CDIO教育模式[5]。清华大学、北京交通大学等高校也成为CDIO国际合作组织亚洲区域中心成员。

数据结构课程是计算机及相关学科的一门专业核心课程,是学习操作系统、编译原理、数据库系统的重要前续课程,也是软件开发的重要基础,既有很强的理论性,又有较高的实践要求。为了适应计算机专业人才需求,提高学生学习能力,本文提出基于CDIO大纲进行数据结构课程改革的方案。

1　数据结构课程综合教学方案设计

数据结构课程的教学目标是培养学生逻辑思维和数据抽象能力[6]。在全球经济一体化的背景下,对工程专业技术人员的需求形成了通用标准,为了融入国际化的发展环境,需要重视学生个人能力、团队能力、系统调控能力及综合创新能力的培养[7-8]。现有的项目教学缺乏连续性、相关性及足够的灵活性和普适性。项目的设计应围绕课程的综合过程,将技能和项目融合在一起。

在教学过程中,先提供简单的验证型项目,使学生掌握基本的实践技能,加深对知识点的理解；然后随着课程的展开,提出具有复杂度和难度的应用问题,并逐渐增加项目深度[9]。在每一次教学任务中,教师对解决实际问题的过程进行指导,注重程序分析、设计、测试、调试和程序错误分析过程[10]；以结构化、模块化、面向对象的教学为核心,强调学生在程序的规律中发掘出软件工程的思想与方法[11]。基于CDIO思想重新规划课程项目,有利于引导学生对课程产生学习兴趣,从而达到能力培养目标。

现有的数据结构课程以理论教学为主,辅以教学实践,不利于学生主动参与到教学过程中。结合CDIO思想改变课堂教学模式,让学生提前预习课程内容,以分组的方式逐次在课堂上进行汇报讲解,学生展示自己对每周课程内容的理解与解题思路。教师观察学生在讲述过程中对知识的掌握程度及创新点,及时进行总结、引导,扩展学生的学习思路与方法。同时加强实践教学环节,指导学生参加开放实验室项目、教师的相关科研项目、校企合作项目及各类相关竞赛,引导学生使用工程实践的方法设计程序和解决问题。

2　数据结构课程教学方法设计

数据结构课程用C语言描述,需要学生熟练使用数学原理与编程工具,即要求学生掌握常见程序的编写、调试程序的方法与意义,还要培养学生使用严谨的逻辑思维工作的风格。此外根据CDIO的人才培养要求[12],还要注重增强学生团队意识与学术道德,培养讲诚信、注重职业道德、富有责任感和良好职业素质的工程技术人才。

2.1教学内容突出专业特色

实施CDIO教学大纲[13],在完成统一教学计划的前提下,要给予教师充分的教学自由,每位教师根据所教授的专业特点组织教学内容,教师根据课堂动态灵活教学。计算机科学与技术专业及软件工程专业对学生的培养目标不同,教师在教学过程中应强化学生对自身专业的理解,有助于学生后续专业课程和专业体系的学习。教师备课时必须彻底理解课程内容,做到讲授清晰、教学内容具有系统性和科学性,实践内容能体现相关知识在实际问题中的有机联系。教学过程中要实现预期的教学效果,教师要精确地选择课程内容,提出解决问题的思想、方法和步骤,帮助学生学习如何分析问题、解决问题,逐步建立正确的思维方式和程序设计方法,具备工程师的基本能力。为了更好地体现以学生为主体的教学方法,强调培养学生从实际知识中发现问题、主动思考问题并能应用所学知识探索问题规律,实践环节引导学生全身心投入,使学生亲自动手、动脑解决问题的能力逐步养成。

2.2立体课堂教学

在课堂教学中为了培养学生的兴趣,教师要在教学方法和内容上付出更多的努力。学生自由组成汇报和实验小组,每次课程的汇报内容由教师制定。学生要在汇报前提前演练一遍,由教师审查讲演内容是否完整、提出的问题是否与实际相关、问题的深度是否适当,并提出修改建议,从而保障演讲的质量,使得每一位学生都能有所收获。小组汇报的形式不限,可以是动画、视频、Prezi、幻灯片等,通过多种形象的表达形式引起学生的学习兴趣。教师在课题中起引导的作用,先回顾基础知识,然后引入学生汇报,对汇报内容进行总结、提出相关问题让学生思考,并布置下一次的小组汇报任务。

实践项目的设计要保障CDIO的特色,即构思(C)—设计(D)—实施(I)—运行(O)基础理论贯穿学生学习的整体过程,如图1所示。将实践内容分为验证型实验、综合型实验、设计型实验和创新型实验4个层次。验证型实验是对课程教学内容的体现,侧重加深学生对知识点的理解,掌握基本的实践技能；综合型实验强调对多个知识点融会贯通、综合运用的能力；设计型实验是要求学生利用所学的理论知识点去解决特定的应用问题；创新型实验旨在培养学生创新能力,由旧知识建构新知识。部分项目来自产业第一线,让学生学到团队合作、与客户沟通、管理、成本控制和市场运作等方面的知识和能力,同时要确保各个项目有相同的学习目标。项目复杂性由简至难，如表1所示。

图1　传统教学模式与CDIO教学模式的二维矩阵

增加复杂性➡➡➡活动I—OD—I—OC—D—I—O解决方案已知未知团队个人小组(4—6人)大组(15—20人)持续时间几天几周几个月

2.3提供丰富的教学资源

为了达到CDIO预期的教学效果,课程组教师要努力提供内容结构丰富的教学资源,利用网络信息技术和计算机构建网络教学平台。教学平台包括:

(1) 教师导学区。提供教学资源的展示与下载,提供电子教材、课件教案、课程视频、教学文档等相关资源,将常用的接口代码和模块模板提供给学生参考。

(2) 自主学习区。提供课程复习提纲、在线测试、实验项目、综合试题等模块,学生根据测试结果及时了解自身的学习状况,并能有针对性地学习相关知识,通过完成对应的实验项目可以进一步加深知识间的综合应用。

(3) 讨论答疑区。提供师生交流平台,包括聊天室与学习论坛等形式,以学生之间互相交流学习中遇到的问题和创新思路为主,教师对较难的问题进行指导,但不直接给出解决方案。

(4) 作业管理区。实现学生在线提交作业和教师在线评定作业。教师通过对学生作业的完成情况可以及时掌握学生的学习状态和学习进度,教师对作业的监督能促进学生课后复习，保障课程效果。

设计CDIO教学环境不仅包括网络教学平台,还要提供开放的实验环境,让学生体验办公室的氛围进行项目设计、实施；此外还要让学生走进企业,在真实的社会环境中发挥自己的能力,体验一名真正工程师的工作内容,激发学生的学习欲望。

2.4改变考核机制保障改革效果

传统的课程考核方式由平时成绩(占30%)与期末成绩(占70%)构成。期末考试以试卷形式难以体现出CDIO在“做中学”的工程设计思想。为了突出实践项目的重要性,需要对现有考核方式进行改革。将项目汇报、项目设计引入学生自评、互评模式,教师作为总裁判员将公平客观的评价结果记录为项目考核成绩(占10%)；学生的作业成绩(占10%)；根据完成的实践项目难度,调试结果给出实践成绩(占40%)；期末笔试成绩(占40%)。多样化的考核方式能促进学生自始至终地努力学习,避免了部分学生平时不努力学习、期末死记硬背的状况。教师要客观公正地进行考核评价，及时公布考核结果,以考促学,形成良性互动。

建立规范的考核标准与考核制度,使得教师和学生有章可循。为了确保CDIO思想的正确实施,还需要对教师建立监督机制。以教学督导、同行教师评价、学生座谈等形式构成对教师工作的监督。

3　在教学过程中实践CDIO思想

为了在教学过程中完整地体现CDIO思想,重新设计了数据结构课程的教材和课件。出版和使用“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材:《数据结构(C语言描述)》《数据结构习题与实训教程(C语言描述)》。此外根据CDIO思想设计的“数据结构”课件在全国课件大赛中获得三等奖。使用网络教学平台,将课件、教案、实验内容与素材进行信息发布。学生按模块完成实验项目后通过网络平台上传作业,教师在线批改作业。教师能及时掌握学生的学习状态和完成状况。

2013级、2014级计算机科学与技术及电子商务专业使用CDIO方法进行教学改革实践。在实验实训部分,“数据结构习题与实训教程(C语言描述)”课程根据CDIO思想组建任务模块,每一个模块添加数据结构各章的知识点,完成1～2章的教学活动后,学生要完成综合实验模块任务,总结出遇到的问题和解决方案。例如在“查找”一章中,不讲解本章的知识点，先让学生根据原有的C语言知识对两组数据(有序数据和无序数据)编程查找关键字K,要求效率高、使用的时间少。学生分组进行实践,完成后教师引导学生对每组的算法及时间复杂度进行分析对比,找出最优的算法特点。通过总结特点引出本章的知识点,即无序数据适合使用顺序查找或快速查找、有序数据适合用折半查找。学生通过实践了解到在工程中的构思、设计、实现和运行的4个阶段,让学生体会到一个整体项目是如何被划分为多个模块进行设计和完成的。

4　结语

数据结构由于在计算机科学及其相关专业课程体系中的重要性,近30年来一直是计算机类专业课程建设的重点。在数据结构课程中引入CDIO思想,其目标在于培养学生个人能力而不是让学生仅掌握一门技术。重构的数据结构课程注重引导学生进行自主学习和深入思考,在课程中强化工程师素养训练。

References)

[1] 查建中.论“做中学”战略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究,2008(3):1-6，9.

[2] 顾佩华,沈民奋,李升平,等.从CDIO到EIP-CDIO:汕头大学工程教育与人才培养模式探索[J].高等工程教育研究,2008(1):12-20.[3] 顾佩华,包能胜,康全礼,等.CDIO在中国(上)[J].高等工程教育研究,2012(3):24-40.

[4] 顾佩华,包能胜,康全礼,等.CDIO在中国(下)[J].高等工程教育研究,2012(5):34-45.

[5] 李彤,张璇,王旭,等.SE-CDIO工程教育模式的探索与实践[J].高等工程教育研究,2014(1):52-57.

[6] 杨晓波,陈邦泽.“数据结构”教学平台建设方案及应用效果[J].实验室研究与探索,2014,31(10):162-165.

[7] 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):81-83.

[8] 曾国强,吴刚,李勍,等.联合实验室培养电子类卓越工程师模式实践与探索[J]. 实验技术与管理,2015,32(8):34-36.

[9] Paul H,Charles M C,Geoffrey C.Group design-build-test projects as the core of an integrated curriculum in product design and development[J].Engineering Education,2010,5(2):50-58.

[10] 余艳,刘燕丽,李琳娜.数据结构实践教学内容设置的分析与思考[J].实验技术与管理,2014,31(4):170-173.

[11] 杨晓波,陈邦泽.数据结构课程实践教学体系研究[J]. 实验技术与管理,2013,30(8):165-166,170.

[12] 胡兴志,丁飞己,王纪坤.从CDIO教学大纲变动看CDIO课程改革[J].高等工程教育研究,2015(3):189-192.

[13] 查建中,徐文胜,顾学雍,等.从能力大纲到集成化课程体系设计的CDIO模式:北京交通大学创新教育实验区系列报告之一[J].高等工程教育研究,2013(2):10-13.

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

黑龙江省高等教育教学改革项目(JG2014010764)

郭瑞波(1978—),女,黑龙江哈尔滨,硕士,讲师,研究方向为计算机教学和云计算.

G642.0

A

1002-4956(2016)10-0213-03