基于CDIO理念的數據結構教學模式創新與實踐

肖媚燕 徐東風 周運華

華南農業大學信息學院 廣東廣州 510642

基于CDIO理念的數據結構教學模式創新與實踐

肖媚燕 徐東風 周運華

華南農業大學信息學院 廣東廣州 510642

針對數據結構課程內容理論性強而算法抽象難懂的特點，提出將CDIO理念應用到該課程教學模式中，改進傳統的教學方法。采用多元化的創新教育模式，提高數據結構理論與實踐相結合的教學效果，學生在克服基礎課程難點的同時，鍛煉了個人的綜合動手能力、創新能力及團隊協作能力。

數據結構；教學模式；CDIO

數據結構是計算機軟件相關專業的核心基礎課程，它研究計算機科學技術領域里許多最基本的問題。數據結構是計算機程序設計的重要理論技術基礎，它不僅是計算機學科的核心課程，而且已成為其他理工專業的熱門選修課[1]。學生在數據結構課程中學習如何存儲和處理數據，把現實中的非數值問題轉化為計算機可以處理的數據，并設計出高效的事務處理算法。由于內容比較抽象，算法理解比較困難，因此學習起來比較枯燥乏味，一直以來都被學生認為是最難學的課程之一。根據調查分析，在普通高校中，能達到教學目的的學生只占30%左右[2]。因此，就如何提高數據結構的教學效果所開展的教學模式創新與實踐具有十分重要的意義。

1 傳統的教學和實驗模式導致的問題

傳統的看法認為基礎教育應該注重個人專業基礎的培養，在此基礎上，專業技能實踐和人際溝通技能在后面的學科中再進行培養。此觀念導致的問題主要表現在以下幾個方面：

(1)著重理論教學、輕視實踐教學。目前的數據結構教學非常重視理論教學，僅從學時上來看，理論學時是實驗學時的兩倍。實際上，數據結構既要求理論知識的掌握，更強調學生的實踐能力培養。

(2)形式單一。傳統的教學模式基本上以教師教學、學生學習為主，難以調動學生主動探討問題的積極性。

(3)重視知識學習，輕視創新能力的培養。傳統的教學模式強調數據結構理論的學習以及驗證性的實驗，缺乏與現實相結合的創新性實驗，對算法的理解流于表面，并且影響學生創新能力的提高。

(4)強調個人學術能力，團隊協作能力得不到提高。傳統的實驗模式是學生獨立進行學習和實踐，這樣做的優點是保證每位學生都能夠掌握到每個知識點，但如果能夠在考慮保留這個優點的同時鍛煉學生的團隊協作能力，就能達到更好的效果。

2 CDIO大綱簡介

CDIO是當今國際高等工程教育的一種創新模式。其具體目的就是為工程教育創造出一個合理的、完整的、通用的、可概括的教學目標，重點將個人的、社會的和系統的制造技術和基本原理相結合，使之適合工程學的所有領域。

大綱的最大價值就是其基本原理簡單，有很強的可操作性和廣泛的適應性等特征，而且可被任何工程教育項目所采用。

設計CDIO的教育反映出如下幾大目標：必須掌握基礎技術中深厚的應用知識；培養善于構思—設計—實現—運作新產品/系統的技能；能完成復雜的系統工程；能適應現代化開發團隊和開發環境[3]。

CDIO工程教育的設計靈感源于工程產品/系統的生命周期，注重培養學生掌握扎實的工程基礎理論和專業知識，并在此基礎上將教育過程放到工程領域的具體情境中，通過貫穿整個人才培養過程的團隊設計和創新實踐訓練，培養專業基礎扎實、職業道德高尚的新一代高水平工程師[4]。

通過參與、構思、設計、實現個人技術體驗，使學生達到預想的目標；培養用于構建系統的技能，很好地掌握深厚的工程基礎應用知識[5]。

3 CDIO對數據結構教學模式創新的啟示

實際上數據結構課程既包含抽象的理論，又強調算法的實踐，實踐能力的培養非常重要；團隊協作技能是計算機相關專業學生的基本技能要求，也不是一朝一夕可以得到，必須從基礎學科開始抓起。尋求新穎的、有趣味的、能調動學生學習主動性和積極性的數據結構課程教授方法；尋求一種可以在加強基礎教育的同時關注工程實踐，加強實踐環節，同時強調團隊協作技能的教授方法，成為從事計算機專業基礎教學工作的重要目標。CDIO理念在這些方面給我們帶來了很大的啟示。

(1)關注基礎教育理論學習的同時，強調實踐環節。對實踐教學的重視將在很大程度上提高數據結構課程的教學效果。

(2)多樣化的教學形式。將傳統單一的教學形式多樣化，增加教學的趣味性，有助于提高學生主動學習的積極性。

(3)重視綜合創新能力的培養。重視理論知識學習的同時，強調理論與實踐相結合，多進行與現實生活相結合的創新性實驗，有助于加深理論知識的理解，加強學生的創新能力。

(4)個人學術能力和團隊協作技能并重。在保證個人學術能力的同時，給學生團隊協作的機會，充分發揮集體的潛能。

(5)數據結構課程設計模式的改革。數據結構課程設計是一個獨立的實驗環節，是對數據結構課程理論教學的延伸和補充，對理論知識的綜合應用。因此我們必須選擇適當的教學方法，使其優勢達到最大化。

4 數據結構教學模式創新的具體措施

借鑒CDIO工程教育理念，我們在現有的理論教學基礎上增加了不同的實驗教學模式，所構建的創新型數據結構教學模式如圖1所示。

圖1 數據結構教學模式的創新

根據圖1所示，我們在課堂理論教學的基礎上通過增加課程設計及開展綜合性設計性實驗等實踐教學活動，目的是發揮學生的主動性，加深學生對該課程所學內容的進一步理解和鞏固，提高學生分析問題、解決問題的能力，培養學生的綜合設計能力和創新意識[2]。具體措施主要表現在以下幾個方面：

4.1 以問題導向為主、自學討論為輔的趣味性課堂教學

理論教學是數據結構教學的主要手段，但由于刻板的教學方式使得學生的積極性得不到調動，這是理論教學效果的最大瓶頸。為調動學生的積極性，可以采取問題導向的方式，或提出一個大問題貫穿數據結構的整個教學過程，抑或從各行各業中抽取相關的各種問題拿到數據結構各個章目中解決，讓學生帶著問題到書中找答案，由此調動學生的學習主動性和積極性；為增加課堂教學的趣味性，還可以分組討論的方式解決現實問題，使學生通過數據結構的理論學習、查閱課外資料以及學生之間交流分享甚至上臺辯論的方式，增加趣味性，吸引學生融入到數據結構的知識中。

應用實例：在進行隊列內容的理論教學時，先向學生提出現實中存在的有趣問題，快要死機的電腦突然像酒醒了似的把沒有執行的操作依次執行了一遍；銀行柜臺服務排隊問題；中國移動電話客戶服務問題……類似這樣的問題是如何用計算機解決的？通過有趣的現實問題引導學生思考。

然后在若干問題中抽取出其中一個問題向學生演示用隊列解決問題的辦法。在解決問題的同時進行隊列的相關理論學習。

學生掌握了隊列的相關理論知識后，把余下的問題交給學生分組討論，通過交流分享、分組辯論以及課下查閱資料的方式共同探討隊列的方法，加深理解。

4.2 以實驗教學為輔助手段，并配以實戰環境的實踐教學

實踐教學是數據結構教學的輔助手段，很大程度上能夠影響數據結構的教學效果，但往往得不到教師和學生的重視。驗證性實驗應作為基本目標要求每位學生必須掌握，在此前提下，多展開綜合性設計性實驗使理論學習中需解決的現實問題在一定程度上得到實現，這樣才能真正將書本中的經典思想、經典算法和現實生活中需要解決的問題相結合，使數據結構的理論與現實生活的結合得到生動體現，從而提高數據結構的教學效果[6]。

應用實例：在進行樹和二叉樹的實踐教學時，在掌握了樹和二叉樹理論知識的前提下，每位學生都要把書中的經典算法予以驗證性的實現。

掌握了書中的經典算法后，將其整合到現實中的問題：網上流行的心理測試系統，對如何將心理測試轉化為計算機可以處理的數據進行分析并進行一定程度上的實現，將其作為綜合性設計性實驗，由學生自主完成，完成程度也由學生自行掌握。

在實踐教學過程中，采用實戰形式的上機環境，目前已采用ACM評判系統作為學生的上機環境，提供了學生做題的各種統計，以及學生之間的競賽和完成情況比較等功能，給學生造成做題壓力，從而轉化為動手實踐的動力。

4.3 多樣化選題方式為前提、分組項目形式為驅動的課程設計

課程設計是對數據結構知識的總結和綜合運用，好的課程設計能夠使學生達到對理論知識舉一反三、熟能生巧的效果。傳統的課程設計題目過于單一，學生各做各的，答案雷同、應付式交作業的現象比比皆是。為提高課程設計的教學效果，應采取多樣化的題目，并采取項目形式對學生進行分組，每組解決不同的題目，各組分別進行項目設計、構思和分工實施等操作，各不相同的任務迫使學生必須用學到的數據結構知識獨立解決問題，而項目形式讓學生在完成各不相同任務的同時，項目實施專業能力和團隊協作能力得到很好的鍛煉，這也是對計算機領域每位學生基本技能的要求。

應用實例：完成數據結構的所有理論教學后，給予學生一定的時間完成數據結構課程設計。

相對于傳統的固定題目形式，我們采用了題目多樣化的方式，即提供多個不同項目化的題目給學生選擇，給予學生更廣闊的思路去鞏固和理解數據結構的理論知識，同時也杜絕了抄襲現象。

由選擇相同題目的學生組成一個項目組，共同探討和完成這個項目，人數控制在5人左右，由學生自主分工各自負責不同部分，合作完成課程設計。學生在完成自己負責模塊的同時，也需參與討論和設計其他同學的模塊，這樣可以達到在較短的時間內對知識較全面的復習和鞏固。

最后在驗收課程設計時，采取演講報告的形式，由全班同學共同做出評估，達到全面復習的效果。

5 結束語

數據結構教學模式、方法和策略需要不斷地發現和改善，使學生通過數據結構課程的學習，真正掌握用計算機存儲和處理現實問題中非數值型數據的能力，掌握生存于計算機領域的基本技能。CDIO大綱理念對數據結構教學模式有著很好的啟示和指導，它的理念對數據結構教學模式的改進還需要不斷地去探索和發現，并且在實踐中得到很好的體現。在實際教學中，還需要掌握傳統和創新的平衡，不能偏離數據結構教學目的的初衷。

[1] 嚴蔚敏,吳偉民.數據結構(C語言版)[M].北京:清華大學出版社,2009.

[2] 李竹林,杜利鋒,劉興平.基于CDIO教學理念的數據結構課程設計方法[J].延安大學學報(自然科學報),2010,3.

[3] 陶勇芳,商存慧.CDIO大綱對高等工科教育創新的啟示[J].中國高教研究,2006,11.

[4] 王碩旺,洪成文.CDIO:美國麻省理工學院工程教育的經典模式[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] 孫愛東,楊秋妹,肖媚燕.多層次的“數據結構”實踐教學模式探討[J].計算機教育,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，碩士，實驗師。

廣東省教育科學研究項目(編號：2010tjk013)；華南農業大學2010年度教學成果獎培育項目；廣東省高等教育學會實驗室管理專業委員會研究基金項目(編號：2010056)。