面向工程教育专业认证的数据结构实验教学探索

摘  要： 为了加强工程实践教育，培养符合企业界所需要的工程技术人才，很多高等学校的工程类专业开展了工程教育专业认证。对于工程教育专业认证的特殊要求，特别是对于解决“复杂工程问题”的要求，从课程体系构建、教学内容分配和教学评价等方面，提出了数据结构实验教学的改革探索方案。为相似课程的实验实践教学改革提供参考和借鉴。

关键词： 数据结构实验;工程教育认证;实验教学改革;复杂工程问题

中图分类号： G642    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.082

本文著录格式：张少仲. 面向工程教育专业认证的数据结构实验教学探索[J]. 软件，2020，41（10）：310312

【Abstract】： In order to strengthen engineering practice education and cultivate engineering technical talents that meet the needs of enterprises， many engineering majors of colleges and universities have carried out engineering education professional certification. For the special requirements of engineering education professional certification， especially in solving complex engineering problems， from the curriculum system constructing， allocation of teaching content and teaching evaluation， etc.， puts forward the reform of the experimental teaching of data structure to explore solutions for similar courses experimental teaching reform to provide the reference.

【Key words】： Data structure experiment; Engineering education certification; Experiment teaching reform; Complex engineering problem

0  引言

随着经济全球化的不断深入，各国的人才流动，特别是工程类人才，变得越来越频繁。由于每个国家对工程专业人才的培养认证方式不同，就促使各国寻求建立一种统一的规范的工程专业人才的培养认证体系。在1989年，由来自美、英、加、澳等6个国家的民间工程专业团体发起并签订了《华盛顿协议》。各成员国由此认证的工程教育学历得到互相认可，即毕业于任何一个成员国并得到此专业认证的工程技术人员，均应被其他成员国视为已经获得从事初级工程工作的资格[1]。2016年中国成为《华盛顿协议》的第18个正式成员国。由此我国高校的该项专业认证就具备了国际通用性，这可促进高校以此标准进行教育教学改革以培养国际认可的工程类人才[2]。工程教育认证标准分别在学生、培养目标、毕业要求、持续改进、课程体系、师资队伍和支持条件等方面提出了明确的标准与要求，具有规范完整和与国际接轨等特点[3]。

工程教育认证标准主要倡导三个基本理念，分别是：学生为中心的教育理念;成果导向的教育体系;持续改进的质量观。所谓以学生为中心，既是所有的课程体系设置和教学模式设计要以学生获得的知识、能力、素质能够达到既定的培养目标和毕业要求而设计。也需要营造出不断学习、持续发展的良好氛围，进而培养学生终身学习的动力和成就感。而成果导向，是指为保证学生学习目标的达成来安排师资队伍、课程设置和教学实施，并通过毕业生核心能力和要求来评价专业教育的有效性，为达到最终结果来设计所有迈向成果的教学活动。持续改进，则强调专业教育必须建立高效的质量监督控制体系和持續改进制度，能持续不断地跟踪并改进效果，以促使专业人才培养质量的不断提高[4]。

1  传统数据结构实验教学现状

数据结构实验这门课适用于计算机大类的各个专业方向，包括但不限于计算机科学与技术专业方向、软件工程专业方向、智能科学与技术专业方向、网络工程专业方向等工科专业方向。它属于计算机科学与技术专业本科生的专业必修课程。通过实验课程的编程训练，可提高学生编程实现算法能力和实践能力，培养综合分析问题能力以及应用所学算法等知识解决实际问题的能力，并在编程技术互帮互学中锻炼沟通和协作能力。通过实验教学环节，使学生更形象直观地理解数据结构理论课所涉及的基本算法，掌握通过编程实现数据结构主要算法的技能。学生在进行了本课程的实验训练后，可具备设计并综合运用多种数据结构与算法来解决复杂工程问题的基本能力[5]。数据结构实验课程的总体教学目标为：

（1）能够针对实际问题设计并选择合适的数据结构和方法，设计出结构清晰、正确易读和复杂度较优的算法，从而具备设计并综合运用多种数据结构与算法来解决复杂工程问题的基本能力;

（2）通过数据结构算法编程能力训练，使学生具有工程实践的实操能力和主动学习能力、勇于开拓新思维使用新方法的创新精神、独立分析问题并解决问题的基本能力。

（3）在团队中能够担当角色，完成相应职责，并能与团队成员沟通协作完成所分配的任务。

2017年修订的新版工程教育专业认证把解决“复杂工程问题”作为课程建设的目标和落脚点。而且在工程教育认证标准中，对于“复杂工程问题”的7方面特征，进行了明确说明，具体为具备下述特征（1），同时具备下述特征（2）—（7）的部分或全部：

（1）必须运用深入而复杂的工程原理，经过深入的分析才可能得到解决;

（2）涉及多方面的，并可能相互有一定冲突的技术、工程和其它因素;

（3）需要通过建立合适的，具有一定创造性的抽象模型才能解决;

（4）仅靠常用方法不能完全解决;

（5）在专业工程实践的标准和规范中，没有包含问题所涉及的所有因素;

（6）问题所涉及的各方，其利益不完全一致;

（7）问题具有较高的综合性，由若干相互关联的子问题组成。

但是，目前一些数据结构实验课程的设置未能全面考虑工程教育专业认证的具体要求，具体表现为单一验证性实验较多，设计性和综合性实验较少;同时实验题目的简单重复缺少变化也是重要问题之一。因此，需要针对工程教育专业认证的特点和要求，有计划地、结合行业要求地制定数据结构实验课程教学计划，有序地执行实验教学过程，保质保量地完成教学任务。

2  面向工程教育专业认证的数据结构实验教学改革

2.1  课程体系构建

在面向工程教育专业认证的教学体系中，数据结构实验课程教育与传统的教学方式不尽相同，具有独特的前导课程、知识结构及能力要求。这种数据结构实验课程教学的前导课程为：离散数学、C++程序设计及配套实验（或其他高级程序设计语言及配套实验）、数据结构。通过这些课程的学习，可以使得学生具有一定的数学理论基础、高级程序设计语言的编程能力、算法分析和设计能力、用高级程序设计语言实现算法的基本知识和概念，从而能够达到数据结构实验课程的学习要求。

2.2  教学内容分配

在面向工程教育专业认证的教学体系中，数据结构实验课程教学仍然以实验、实践授课方式为主。在工程教育认证标准中，由于解决“复杂工程问题”的能力已经成为课程建设的重要目标，所以实验、实践的授课内容应该强调设计性和综合性实验;同时为了避免实验内容的简单重复缺少变化，实验题目应尽量做到年年不同、人人不同。具体表现为：

2.2.1  参考竞赛试题，设立实验题库，实验题目从题库抽取

ACM（Association for Computer Machinery）国际大学生程序设计竞赛（简称ACM-ICPC）是由美国计算机协会主办，用于表现大学生创新能力、分析和解决问题能力、团队合作精神和在压力下编程能力的年度竞赛，是目前世界公认的水平最高规模最大的国际大学生程序设计竞赛。ACM的竞赛题目具有如下特点：有实际背景而且实用性和趣味性较强;知识层次考查得比较全面;题目有层次性，可分不同级别;很大部分的題目没有确定答案，有广阔的思维空间。将ACM竞赛的题目经过精心挑选，应用于数据结构实验课程的教学中，形成了与数据结构实验要求相对应的初、中、高三个层级的实验题集，并以此作为实验题目。其中初级题目是验证性实验题目，中级题目是设计性综合性题目，而高级题目是复杂的设计性综合性题目。将传统的针对算法出实验题目的实验教学体系改为以合适的算法解决实际问题的实验教学体系。通过具体问题描述给出题目，让学生自主选择合适的数据结构和算法进行求解，加深学生对理论课和算法的理解。同时也改变了传统实验授课全员实验题目统一模式为独立选择实验题目模式，不同层次的学生可以自主选用不同的实验题目，使不同层次的学生都能得到提高。同时由于实验题目来源于ACM竞赛题，其中相当多的题目属于设计性和综合性的实验，这样的实验题目有利于提高学生解决“复杂工程问题”的能力，达到了工程教育专业认证的要求。

2.2.2  用在线评测系统实现评测的自动化

在线评测（online judge）系统是基于Web工作模式的一种实时评测系统。使用时用户可以在线提交代码，系统自动地实时地编译、运行，给出评测结果。通过校园网将其用于程序设计类课程的实验教学，可以不受空间和时间的限制，随时进行评测，并即刻得到评测结果。这既方便学生实验，也提高学习过程的监控力度，减轻了教师手工批改作业的工作负担[6]。传统的手工批改实验作业的任务非常繁重，而这种在线评测系统可以对学生的实验作业进行自动评测，减轻了教师的工作负担，使教师可以把更多精力投入到辅导学生上面。对于比较复杂的设计性综合性实验题目，如果学生之间、师生之间有充分的讨论和交流，可以丰富、矫正和加深对当前实验问题的解决方案。这样有助于学生增强解决“复杂工程问题”的能力，也培养了良好的沟通能力和团队合作精神。

2.3  教学评价

学生对分数非常敏感，恰当的实验成绩评分标准有利于激发学生的学习动力，反之有可能会降低其学习兴趣。用在线测评系统对学生提交的程序进行评测，除了可以评测其代码运行的正确性，还可以对运行时间的长短、占用内存的多少、以及输入输出格式等等加以限制。它可以综合考察学生的编程能力和对算法的灵活运用。我校的数据结构实验已经与理论课拆分，成为一门独立课程，而且比原有实验课程增加了4学时，共计12次课，24学时，满分100分。为了使实验评分标准的制订对学生具有激励作用，同时为了与工程教育专业认证接轨，经过新的教学模式的探索，决定采用以完成设计性综合性实验题目为主的评分方式。具体如下：

（1）对实验题目的完成占总分的90%，实验态度、沟通能力和实验报告的评价占10%。

（2）完成初、中、高级题目的分数占比是1∶2∶4;即完成一个高级题相当于完成2个中级题，完成一个中级题相当于完成2个初级题。

（3）完成2个高级题即可获得60分，以后每完成1个高级题加15分，加到90分后为止。

该评分标准为学生设立较低的及格目标，使学生更容易进入完成实验题目的状态;其次完成1个高级题相当于完成2个中级题，相当于完成4个初级题，这更能激发学生挑战更高级别实验任务的动力，从而积极地完成复杂设计性综合性实验任务（高级题）。同时即使12次实验课中完成12个初级实验题目，成绩也只能是及格多一点，要想取得好成绩还远远不够。从而确保了该评分标准在总体上不降低实验教学的要求。

3  结论

随着时代的发展，国际产业界对工程类毕业生有了新的、更高的、相对统一的要求和标准。工程教育专业认证是其中重要的一类认证措施。面向工程教育专业认证，提出数据结构实验课程的教学改革方案，可使学生提高解决“复杂工程问题”的能力、团队合作精神和协同沟通能力。今后，我们还将继续将教学改革深入下去，以期培养国际认可的，高水平、高素质的工程类人才。

参考文献

[1]孙涵， 陈兵. 计算机科学与技术专业工程教育专业认证探究[J]. 工业和信息化教育， 2016（4）： 50-54.

[2]朱斐. 面向工程教育专业认证的《软件项目管理》实验教学探索[J]. 软件， 2018， 39（12）： 187-190.

[3]张玉清， 周长兵. 适应工程教育认证要求的计算机科学与技术专业新工科建设探索与实践[J]. 高教学刊， 2019（17）： 92-94.

[4]杨彬， 王青正. 工程教育专业认证背景下的数据结构教学改革[J]. 计算机时代， 2020（4）： 61-63， 67.

[5]伍鹏， 谢凯. 数据结构教学应注意的几个问题[J]. 软件， 2012， 33（5）： 123-124.

[6]王玲芬， 李锡祚. 在线评判在数据结构实践教学中的应用[J]. 计算机教育， 2016（4）： 71-73.