西部地區(qū)CDIO理念下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程建設(shè)

摘要：針對西部地區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的特點，討論分析如何實施CDIO人才培養(yǎng)理念，強化教學(xué)活動中的“教、學(xué)、做”合一，指出教師的“教”是前提、學(xué)生的“學(xué)”是主體、學(xué)生的“做”是實踐，介紹本課程組教師在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程建設(shè)中的措施、方法以及取得的成效。

關(guān)鍵詞：CDIO；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法；創(chuàng)新能力

0.引言

當今世界已進入信息化、網(wǎng)絡(luò)化時代。西部地區(qū)特別是青海作為經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，實現(xiàn)青海省對信息化人才培養(yǎng)提出的“以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標”，已成為一個重要的研究課題。計算機科學(xué)與其他學(xué)科之間的互相滲透與融合對復(fù)合型人才的需求日益增加，從科學(xué)技術(shù)發(fā)展方向和構(gòu)建復(fù)合型人才知識結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，我們開設(shè)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程。該課程所討論的知識內(nèi)容和提倡的技術(shù)方法，無論對進一步學(xué)習(xí)計算機領(lǐng)域的其他課程，還是對從事軟件工程的開發(fā)，都有著不可替代的作用。2010年10月，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程被列入青海大學(xué)2010年學(xué)校重點建設(shè)計劃。為了實現(xiàn)青海省對信息化人才的培養(yǎng)目標，我們將CDIO理念引入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的建設(shè)中。

1.CDIO與課程的定位

CDIO工程教育模式是一個嶄新的教育模式，是近年來國際工程教育改革的最新成果，包括個人所具備的科學(xué)和技術(shù)知識以及終生學(xué)習(xí)、團隊交流、系統(tǒng)協(xié)調(diào)等方面的能力。CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate），從“培養(yǎng)什么”和“怎樣培養(yǎng)”兩個根本問題出發(fā)探索教育問題，以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，旨在培養(yǎng)大學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程是計算機科學(xué)課程體系中核心課程之首，作為學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有承上啟下的重要作用。這門課程既包含較多的抽象概念、算法和編程思想，又包含許多前驅(qū)課程的知識，還對程序?qū)嵺`有一定的要求，因此該課程的教學(xué)難度很大；而學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中經(jīng)常感到困難，甚至產(chǎn)生厭學(xué)情緒。此外，學(xué)生對前導(dǎo)課程程序設(shè)計基礎(chǔ)I、程序設(shè)計基礎(chǔ)II學(xué)習(xí)得不夠扎實，尤其對結(jié)構(gòu)體、指針這兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程中常用數(shù)據(jù)類型的認識和理解不夠透徹，這就需要我們在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程教學(xué)過程中，通過具體實踐來彌補。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的傳統(tǒng)教學(xué)模式中，一般都存在“重理論講解、輕實踐應(yīng)用”的現(xiàn)象，教學(xué)難度大，學(xué)生感到在課堂上似乎聽懂了，但是又難以運用學(xué)過的知識解決具體問題，其中一個重要原因在于理論教學(xué)難以系統(tǒng)化表達理論的適用環(huán)境和應(yīng)用效果。久而久之，有的學(xué)生對學(xué)習(xí)逐漸失去興趣，這嚴重阻礙了學(xué)生專業(yè)素質(zhì)、應(yīng)用能力以及創(chuàng)新能力的提高。

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。課程組教師以CDIO教育理念為指導(dǎo)，以“提高課堂教學(xué)質(zhì)量和效果，加強學(xué)生的實踐動手能力”作為突破口，將課堂教學(xué)與實踐教學(xué)融為一體，讓學(xué)生在做中學(xué)，目的是充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情并激發(fā)求知欲望，提高和增強學(xué)生的實踐能力、社會適應(yīng)能力以及創(chuàng)新能力，從而使其適應(yīng)新經(jīng)濟條件下社會對信息技術(shù)人才的需求。

2.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程建設(shè)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的內(nèi)容可以從概念表述、數(shù)據(jù)模型、設(shè)計算法3個層面描述，同時也顯示了該課程的3個階段：數(shù)學(xué)模型→抽象數(shù)據(jù)類型→數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法。課程組教師按照CDIO理念中“構(gòu)思→設(shè)計→實現(xiàn)→運作”的過程，首先提出將“建設(shè)優(yōu)秀的教師隊伍，組織合理的教學(xué)內(nèi)容，采用科學(xué)的教學(xué)方法，培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型計算機人才”作為課程建設(shè)的目標；然后緊扣課程教學(xué)改革發(fā)展方向，充分體現(xiàn)現(xiàn)代教育思想，制定并修訂該課程的教學(xué)大綱；最后形成80學(xué)時的教學(xué)計劃，其中包括48學(xué)時的課堂講授，32學(xué)時的實驗，實驗課包括基礎(chǔ)實驗和課程設(shè)計。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程建設(shè)過程主要從教師隊伍建設(shè)、課堂教學(xué)、實驗與課程設(shè)計、學(xué)生自主性學(xué)習(xí)等方面開展。

2.1教師隊伍建設(shè)

為保證數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程及實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)工作，我們經(jīng)過幾年實踐，已形成由5名教師組成的授課團隊，他們承擔(dān)該課程的講授和課程設(shè)計指導(dǎo)工作。課程組教師中有副教授1人，講師4人；30歲以上教師2人，20-30歲教師3人；博士1人，碩士研究生4人。教學(xué)梯隊的學(xué)歷結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)、職稱結(jié)構(gòu)基本合理。年輕的教師隊伍表現(xiàn)出較強的團隊精神，具有良好的敬業(yè)精神，是一個團結(jié)向上的集體，能夠保證各項教學(xué)工作順利進行。

課程組教師抓住清華大學(xué)對口支援的幫扶契機，跟隨清華大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)系教師進行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的單科進修學(xué)習(xí)。在進修學(xué)習(xí)過程中，課程組成員以清華大學(xué)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程教學(xué)大綱和計劃為基礎(chǔ)，以CDIO教育理念武裝自己，結(jié)合青海大學(xué)計算機技術(shù)與應(yīng)用系的生源、目標和資源實際情況，與清華大學(xué)教師進行多次討論，制定了較為符合青海大學(xué)計算機技術(shù)與應(yīng)用系學(xué)生的教學(xué)大綱和計劃，為計算機技術(shù)與應(yīng)用系的專業(yè)教學(xué)工作搭建了一個高起點的平臺，實現(xiàn)了該課程教學(xué)“高起快走”的目標，從而極大地提高了課程組全體教師的總體水平。

課程立項以來，課程組教師多次拜名師，訪名校，進行外出培訓(xùn)和交流。通過進修學(xué)習(xí)與交流，課程組全體教師提高了學(xué)術(shù)水平，更新了知識結(jié)構(gòu)，在很多方面獲得較大進步。教師隊伍的知識結(jié)構(gòu)越來越趨于合理化，課程組全部教師已經(jīng)進入專業(yè)學(xué)術(shù)研究的團隊之中。

2.2課堂教學(xué)

當今社會是一個多元化的社會，崇尚個性與創(chuàng)造，而學(xué)生的心理和學(xué)習(xí)習(xí)慣也是多樣化的。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的教學(xué)過程中，我們采用“指導(dǎo)一實踐一反饋”的方式組織教學(xué)，注重啟發(fā)學(xué)生思維，積極探索趣味教學(xué)法與基于項目導(dǎo)向的教學(xué)方法，以激發(fā)學(xué)生的求知欲，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與主動性，引導(dǎo)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問題并逐步解決問題，培養(yǎng)學(xué)生思考問題、分析問題和解決問題的能力。

1）趣味教學(xué)法。

在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的第一堂課上，教師可以跟學(xué)生一起回憶學(xué)生入學(xué)報到、就餐排隊、加入學(xué)生會、去市里購物和每學(xué)期期末考試時的情景等。通過幾位學(xué)生的發(fā)言，教師可以自然地引出這些活動與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的聯(lián)系，如學(xué)生入學(xué)后填的學(xué)籍表可以用線性表實現(xiàn)；學(xué)生就餐時排隊的過程可以用隊列實現(xiàn)；學(xué)生會的組織機構(gòu)可以用樹實現(xiàn)；去市里購物乘車的路線以及花費的時間，可用圖中的最短路徑實現(xiàn)；而大家所關(guān)心的期末考試成績的查詢與排名情況，則可以通過查找和排序技術(shù)實現(xiàn)。

通過這樣的提問與總結(jié)，我們向?qū)W生一一展示了他們身邊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生覺得該課程與他們的學(xué)習(xí)和生活息息相關(guān)。這也就引出了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的主要內(nèi)容，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。我們在具體內(nèi)容的講解過程中，讓學(xué)生參與其中，如講排序時引入課堂角色扮演，這同時培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；在具體算法的講解過程中，不僅介紹算法本身，而且通過形象生動的動畫演示增強學(xué)生的感性認識。

興趣是學(xué)習(xí)之母。趣味教學(xué)法可以使學(xué)生在一種輕松、愉悅的環(huán)境中學(xué)習(xí)，從而激發(fā)學(xué)生的求知欲，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，幫助學(xué)生培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣和養(yǎng)成濃厚的學(xué)習(xí)興趣。

2）基于項目導(dǎo)向的教學(xué)方法。

在理論課的講解中，主講教師以學(xué)生成績管理案例、景區(qū)旅游管理案例以及航空訂票管理案例的工作步驟為主線，以項目工作任務(wù)為驅(qū)動，將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法中的線性表、棧、隊列、數(shù)組、樹、圖、查找與排序等知識點和一些方法、技能有機融合，讓學(xué)生在問題解決過程中學(xué)習(xí)，從而真正做到通過學(xué)習(xí)該課程建立起數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理的概念，掌握數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)分析、存儲和算法編寫的基本流程、步驟、內(nèi)容及操作方法，具備完成相關(guān)工作的能力。

這種以項目為導(dǎo)向的教學(xué)方法既突出知識的應(yīng)用性，又使得學(xué)生對項目開發(fā)工作的整體框架有更清晰的了解，可以對不同知識水平的學(xué)生，特別是青海少數(shù)民族學(xué)生，進行個性化培養(yǎng)，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)和鍛煉他們的創(chuàng)新精神和實踐能力，使他們都能在不同程度上得到提高和發(fā)展。這種教學(xué)方法能將書本上的知識變“活”，可以幫助學(xué)生更好地理解課堂教學(xué)內(nèi)容，拓展知識面，延伸和擴展課堂教學(xué)，提高學(xué)生的抽象能力、思維能力、算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析能力，從而學(xué)會如何把從書上學(xué)到的知識用于解決實際問題，培養(yǎng)實踐動手能力，充分體現(xiàn)CDIO理念。

此外，課程組教師還積極探索啟發(fā)式教學(xué)法、互動式教學(xué)法、共性化與個性化相結(jié)合教學(xué)法，以激發(fā)學(xué)生的求知欲，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與主動性，引導(dǎo)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問題并逐步解決問題，培養(yǎng)學(xué)生思考問題、分析問題和解決問題的能力。在整個授課過程中，課程組教師注重在學(xué)生的平時學(xué)習(xí)與生活方面多給予關(guān)心和幫助，用愛心撫慰學(xué)生，用情感教育打動學(xué)生的心扉，這樣，學(xué)生在不感到壓力的情況下，在喜愛授課教師的前提下，就會樂于學(xué)習(xí)。

2.3實驗與課程設(shè)計

我們在實驗課中提倡同學(xué)之間相互指導(dǎo)，加強學(xué)習(xí)交流，引導(dǎo)大家分享學(xué)習(xí)成果，從而共同進步。在學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的過程中，我們將全班學(xué)生分成若干個學(xué)習(xí)小組，每組3-4人，將班里編程能力好的學(xué)生分插到各組。教師在完成每章教學(xué)內(nèi)容講授后，除了讓每名學(xué)生必須完成基礎(chǔ)實驗外，還會布置幾道題，讓學(xué)生分組討論并在實驗課上分組講解，然后由其他同學(xué)提問，最后教師作總結(jié)。通過這樣的鍛煉，學(xué)生意識到有時只靠一個人的學(xué)習(xí)是不夠全面、不到位的，同學(xué)之間必須互相學(xué)習(xí)，遇到問題互相協(xié)助，共同思考解決方案，這樣才能真正地掌握解決問題的真本領(lǐng)。這種學(xué)習(xí)方式同時也提高了學(xué)生的團隊合作精神，為后續(xù)的課程設(shè)計打下堅實基礎(chǔ)。

在課程設(shè)計中，教師提供多個不同項目化的題目供學(xué)生選擇，這樣可以給予學(xué)生更廣闊的思路實現(xiàn)課程設(shè)計的任務(wù)，從而達到鞏固所學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識的目的。同時，題目多樣化的方式也杜絕了學(xué)生之間互相抄襲現(xiàn)象的產(chǎn)生。學(xué)生以學(xué)習(xí)小組作為一個項目組，按照要求進行構(gòu)思并共同商討設(shè)計思路，然后進行算法設(shè)計，接著由項目組長組織分工，安排組員各自負責(zé)的部分，組員分頭實現(xiàn)算法，最后項目組將各組員的算法實現(xiàn)部分匯總在一起，運作整個項目并撰寫課程設(shè)計報告。在整個課程設(shè)計過程中，學(xué)生在完成自己負責(zé)模塊的同時，還需要不斷地參與討論和設(shè)計其他學(xué)生的模塊，通過這種方式使得自己可以在較短的時間內(nèi)，對該課程的知識進行較全面的復(fù)習(xí)和鞏固。

在驗收課程設(shè)計時，教師會安排開展一個集研究、研討、趣味于一體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程設(shè)計答辯會，并邀請系里教師作為嘉賓出席。整個活動由學(xué)生策劃和設(shè)計并推薦主持人。在課程設(shè)計過程中，學(xué)生經(jīng)過查閱資料、構(gòu)思整體方案、算法設(shè)計、編碼實現(xiàn)、調(diào)試運行和總結(jié)等環(huán)節(jié)并在整個過程中不斷討論和解決問題，每一個環(huán)節(jié)都可以鍛煉學(xué)生的溝通、解決問題以及團隊協(xié)作的能力，讓學(xué)生受益匪淺。這些也充分體現(xiàn)了CDIO整個教育理念的核心內(nèi)容。

2.4學(xué)生自主性學(xué)習(xí)

學(xué)生通過各種實踐環(huán)節(jié)更好地理解了課堂教學(xué)內(nèi)容，拓展了知識面，延伸和擴展了課堂教學(xué)，全面地提高了抽象能力、思維能力、算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析能力、科學(xué)報告的撰寫和表達能力，同時在這個過程中也培養(yǎng)了獨立分析實際問題的能力。此外，我們在作業(yè)批改過程中采用作業(yè)相似度檢測工具，從而杜絕學(xué)生抄襲編程作業(yè)現(xiàn)象的出現(xiàn)，進而培養(yǎng)學(xué)生程序設(shè)計的實踐能力。

實驗與課程設(shè)計使學(xué)生不僅能夠較早地了解計算機科學(xué)的最新發(fā)展方向和科學(xué)研究的方法，而且能夠?qū)W會如何利用所學(xué)知識解決實際問題。對于教材未涉及的內(nèi)容，學(xué)生通過自己查資料完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高了文獻查閱能力和科研能力。這種過程也真正體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位，將被動學(xué)習(xí)和無興趣學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)和積極學(xué)習(xí)的過程。此外，教師還讓學(xué)生積極參與到教師的科研中，激發(fā)學(xué)生對知識的渴求，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。正是有了這些方面的能力訓(xùn)練，一些學(xué)生在大三還申請到了大學(xué)生國家創(chuàng)新性實驗項目與青海大學(xué)創(chuàng)新性實驗項目。

總之，通過CDIO理念下的實驗與課程設(shè)計訓(xùn)練，學(xué)生提高了組織數(shù)據(jù)及編寫大型程序的能力，復(fù)習(xí)和鞏固了前導(dǎo)課程程序設(shè)計基礎(chǔ)I、程序設(shè)計基礎(chǔ)II。此外，學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程的同時，還學(xué)習(xí)了Java程序設(shè)計課程。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計環(huán)節(jié)，一部分學(xué)生還用Java語言實現(xiàn)編程，既鞏固數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識，又熟練地掌握Java語言，為大三上學(xué)期更好地學(xué)習(xí)本專業(yè)的課程打下良好基礎(chǔ)。

3.建設(shè)成效

課程組教師對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程進行了近2年多時間的建設(shè)，在充分把握國內(nèi)外專業(yè)教育的最新動態(tài)、吸納融合本學(xué)科最新研究成果和實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，不斷更新和豐富課程內(nèi)容并有效運用典型算法分析方法、多媒體教學(xué)等現(xiàn)代化教學(xué)手段和工具，最終在教學(xué)資源、教學(xué)方法、課程改革等多方面取得了可喜成績。

在教學(xué)素材庫建設(shè)方面，課程組教師完成了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程教學(xué)大綱、課件、實驗指導(dǎo)書的修訂和習(xí)題庫、試題庫的建設(shè)；在教學(xué)改革與研究效果方面，課程組教師在2年內(nèi)公開發(fā)表4篇有關(guān)教學(xué)改革和教學(xué)研究的論文，其中2篇EI檢索，1篇國家核心，1篇省內(nèi)核心；在申請教改項目及獲批方面，申請并獲批1項青海省教育廳教改項目，1項青海大學(xué)教改項目；在教師獲獎方面，5名教師獲得青海大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計）優(yōu)秀指導(dǎo)教師，1名教師獲得青年教師小島獎勵金，1名教師獲得“135高層次人才培養(yǎng)工程”創(chuàng)新教學(xué)科研骨干人才；2008級、2009級、2010級學(xué)生申請并獲批3項國家大學(xué)生創(chuàng)新型實驗計劃項目、3項青海大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項目及2項清華大學(xué)攜手Google助力西部教育科技創(chuàng)新項目。

根據(jù)青海大學(xué)課程建設(shè)規(guī)劃及課程建設(shè)管理辦法，教務(wù)處對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程進行驗收評審。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程順利通過驗收并獲得“青海大學(xué)精品課程”稱號，此外還被列入青海大學(xué)2012年學(xué)校重點建設(shè)計劃項目。

4.結(jié)語

在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的建設(shè)過程中，我們深入體現(xiàn)和貫徹CDIO“做中學(xué)”的理念，針對教學(xué)設(shè)計、課堂授課、實踐輔導(dǎo)、學(xué)生自我學(xué)習(xí)等環(huán)節(jié)進行課程建設(shè)，把握整體教學(xué)效果，最終以“做”衡量學(xué)生的水平，并且在整個教學(xué)過程中融入感情，實施和諧教育的教學(xué)方式。實踐表明，這種教學(xué)方式能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，開闊學(xué)生的創(chuàng)新視野，使其專業(yè)素養(yǎng)及團隊合作等方面的能力得到提高，同時也增強了自信心和責(zé)任感。