基于CDIO理念的數(shù)據(jù)結構課程體系研究與實踐

郭瑞波, 王夢菊

(哈爾濱金融學院 計算機系, 黑龍江 哈爾濱　150086)

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基于CDIO理念的數(shù)據(jù)結構課程體系研究與實踐

郭瑞波, 王夢菊

(哈爾濱金融學院 計算機系, 黑龍江 哈爾濱150086)

為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)結構課程的培養(yǎng)目標,針對現(xiàn)有的教學模式提出引入CDIO思想的教學模式。闡述了CDIO大綱的實施標準,將該方法應用于數(shù)據(jù)結構課程的具體教學環(huán)節(jié)。對理論課程設計、實踐教學項目設計和課程考核方法進行重構,提高學生以工程思想分析問題、解決問題的能力。

CDIO； 數(shù)據(jù)結構課程； 工程教育

2005年汕頭大學工學院率先將CDIO工程教育模式引入中國14],同時根據(jù)學院教育目標參照CDIO理念,融入了強調個人能力、團隊能力及系統(tǒng)調控能力的工程教育目標[2]。在實施CDIO改革后,工學院本科畢業(yè)生的就業(yè)率和平均薪酬從廣東省的低位一躍成為第一位[3]。成都信息工程學院深入學習理解CDIO模式,提出了以專業(yè)建設為主線的教育一體化改革方案,不僅將CDIO教學方法應用于工科專業(yè),而且將該教育方法應用于管理等非工科專業(yè)[4],并取得很好的效果。云南大學的軟件學院根據(jù)軟件工程人才培養(yǎng)要求,提出了基于軟件工程的SE-CDIO教育模式[5]。清華大學、北京交通大學等高校也成為CDIO國際合作組織亞洲區(qū)域中心成員。

數(shù)據(jù)結構課程是計算機及相關學科的一門專業(yè)核心課程,是學習操作系統(tǒng)、編譯原理、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的重要前續(xù)課程,也是軟件開發(fā)的重要基礎,既有很強的理論性,又有較高的實踐要求。為了適應計算機專業(yè)人才需求,提高學生學習能力,本文提出基于CDIO大綱進行數(shù)據(jù)結構課程改革的方案。

1　數(shù)據(jù)結構課程綜合教學方案設計

數(shù)據(jù)結構課程的教學目標是培養(yǎng)學生邏輯思維和數(shù)據(jù)抽象能力[6]。在全球經濟一體化的背景下,對工程專業(yè)技術人員的需求形成了通用標準,為了融入國際化的發(fā)展環(huán)境,需要重視學生個人能力、團隊能力、系統(tǒng)調控能力及綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[7-8]。現(xiàn)有的項目教學缺乏連續(xù)性、相關性及足夠的靈活性和普適性。項目的設計應圍繞課程的綜合過程,將技能和項目融合在一起。

在教學過程中,先提供簡單的驗證型項目,使學生掌握基本的實踐技能,加深對知識點的理解；然后隨著課程的展開,提出具有復雜度和難度的應用問題,并逐漸增加項目深度[9]。在每一次教學任務中,教師對解決實際問題的過程進行指導,注重程序分析、設計、測試、調試和程序錯誤分析過程[10]；以結構化、模塊化、面向對象的教學為核心,強調學生在程序的規(guī)律中發(fā)掘出軟件工程的思想與方法[11]。基于CDIO思想重新規(guī)劃課程項目,有利于引導學生對課程產生學習興趣,從而達到能力培養(yǎng)目標。

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)結構課程以理論教學為主,輔以教學實踐,不利于學生主動參與到教學過程中。結合CDIO思想改變課堂教學模式,讓學生提前預習課程內容,以分組的方式逐次在課堂上進行匯報講解,學生展示自己對每周課程內容的理解與解題思路。教師觀察學生在講述過程中對知識的掌握程度及創(chuàng)新點,及時進行總結、引導,擴展學生的學習思路與方法。同時加強實踐教學環(huán)節(jié),指導學生參加開放實驗室項目、教師的相關科研項目、校企合作項目及各類相關競賽,引導學生使用工程實踐的方法設計程序和解決問題。

2　數(shù)據(jù)結構課程教學方法設計

數(shù)據(jù)結構課程用C語言描述,需要學生熟練使用數(shù)學原理與編程工具,即要求學生掌握常見程序的編寫、調試程序的方法與意義,還要培養(yǎng)學生使用嚴謹?shù)倪壿嬎季S工作的風格。此外根據(jù)CDIO的人才培養(yǎng)要求[12],還要注重增強學生團隊意識與學術道德,培養(yǎng)講誠信、注重職業(yè)道德、富有責任感和良好職業(yè)素質的工程技術人才。

2.1教學內容突出專業(yè)特色

實施CDIO教學大綱[13],在完成統(tǒng)一教學計劃的前提下,要給予教師充分的教學自由,每位教師根據(jù)所教授的專業(yè)特點組織教學內容,教師根據(jù)課堂動態(tài)靈活教學。計算機科學與技術專業(yè)及軟件工程專業(yè)對學生的培養(yǎng)目標不同,教師在教學過程中應強化學生對自身專業(yè)的理解,有助于學生后續(xù)專業(yè)課程和專業(yè)體系的學習。教師備課時必須徹底理解課程內容,做到講授清晰、教學內容具有系統(tǒng)性和科學性,實踐內容能體現(xiàn)相關知識在實際問題中的有機聯(lián)系。教學過程中要實現(xiàn)預期的教學效果,教師要精確地選擇課程內容,提出解決問題的思想、方法和步驟,幫助學生學習如何分析問題、解決問題,逐步建立正確的思維方式和程序設計方法,具備工程師的基本能力。為了更好地體現(xiàn)以學生為主體的教學方法,強調培養(yǎng)學生從實際知識中發(fā)現(xiàn)問題、主動思考問題并能應用所學知識探索問題規(guī)律,實踐環(huán)節(jié)引導學生全身心投入,使學生親自動手、動腦解決問題的能力逐步養(yǎng)成。

2.2立體課堂教學

在課堂教學中為了培養(yǎng)學生的興趣,教師要在教學方法和內容上付出更多的努力。學生自由組成匯報和實驗小組,每次課程的匯報內容由教師制定。學生要在匯報前提前演練一遍,由教師審查講演內容是否完整、提出的問題是否與實際相關、問題的深度是否適當,并提出修改建議,從而保障演講的質量,使得每一位學生都能有所收獲。小組匯報的形式不限,可以是動畫、視頻、Prezi、幻燈片等,通過多種形象的表達形式引起學生的學習興趣。教師在課題中起引導的作用,先回顧基礎知識,然后引入學生匯報,對匯報內容進行總結、提出相關問題讓學生思考,并布置下一次的小組匯報任務。

實踐項目的設計要保障CDIO的特色,即構思(C)—設計(D)—實施(I)—運行(O)基礎理論貫穿學生學習的整體過程,如圖1所示。將實踐內容分為驗證型實驗、綜合型實驗、設計型實驗和創(chuàng)新型實驗4個層次。驗證型實驗是對課程教學內容的體現(xiàn),側重加深學生對知識點的理解,掌握基本的實踐技能；綜合型實驗強調對多個知識點融會貫通、綜合運用的能力；設計型實驗是要求學生利用所學的理論知識點去解決特定的應用問題；創(chuàng)新型實驗旨在培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力,由舊知識建構新知識。部分項目來自產業(yè)第一線,讓學生學到團隊合作、與客戶溝通、管理、成本控制和市場運作等方面的知識和能力,同時要確保各個項目有相同的學習目標。項目復雜性由簡至難，如表1所示。

圖1　傳統(tǒng)教學模式與CDIO教學模式的二維矩陣

增加復雜性???活動I—OD—I—OC—D—I—O解決方案已知未知團隊個人小組(4—6人)大組(15—20人)持續(xù)時間幾天幾周幾個月

2.3提供豐富的教學資源

為了達到CDIO預期的教學效果,課程組教師要努力提供內容結構豐富的教學資源,利用網絡信息技術和計算機構建網絡教學平臺。教學平臺包括:

(1) 教師導學區(qū)。提供教學資源的展示與下載,提供電子教材、課件教案、課程視頻、教學文檔等相關資源,將常用的接口代碼和模塊模板提供給學生參考。

(2) 自主學習區(qū)。提供課程復習提綱、在線測試、實驗項目、綜合試題等模塊,學生根據(jù)測試結果及時了解自身的學習狀況,并能有針對性地學習相關知識,通過完成對應的實驗項目可以進一步加深知識間的綜合應用。

(3) 討論答疑區(qū)。提供師生交流平臺,包括聊天室與學習論壇等形式,以學生之間互相交流學習中遇到的問題和創(chuàng)新思路為主,教師對較難的問題進行指導,但不直接給出解決方案。

(4) 作業(yè)管理區(qū)。實現(xiàn)學生在線提交作業(yè)和教師在線評定作業(yè)。教師通過對學生作業(yè)的完成情況可以及時掌握學生的學習狀態(tài)和學習進度,教師對作業(yè)的監(jiān)督能促進學生課后復習，保障課程效果。

設計CDIO教學環(huán)境不僅包括網絡教學平臺,還要提供開放的實驗環(huán)境,讓學生體驗辦公室的氛圍進行項目設計、實施；此外還要讓學生走進企業(yè),在真實的社會環(huán)境中發(fā)揮自己的能力,體驗一名真正工程師的工作內容,激發(fā)學生的學習欲望。

2.4改變考核機制保障改革效果

傳統(tǒng)的課程考核方式由平時成績(占30%)與期末成績(占70%)構成。期末考試以試卷形式難以體現(xiàn)出CDIO在“做中學”的工程設計思想。為了突出實踐項目的重要性,需要對現(xiàn)有考核方式進行改革。將項目匯報、項目設計引入學生自評、互評模式,教師作為總裁判員將公平客觀的評價結果記錄為項目考核成績(占10%)；學生的作業(yè)成績(占10%)；根據(jù)完成的實踐項目難度,調試結果給出實踐成績(占40%)；期末筆試成績(占40%)。多樣化的考核方式能促進學生自始至終地努力學習,避免了部分學生平時不努力學習、期末死記硬背的狀況。教師要客觀公正地進行考核評價，及時公布考核結果,以考促學,形成良性互動。

建立規(guī)范的考核標準與考核制度,使得教師和學生有章可循。為了確保CDIO思想的正確實施,還需要對教師建立監(jiān)督機制。以教學督導、同行教師評價、學生座談等形式構成對教師工作的監(jiān)督。

3　在教學過程中實踐CDIO思想

為了在教學過程中完整地體現(xiàn)CDIO思想,重新設計了數(shù)據(jù)結構課程的教材和課件。出版和使用“十二五”普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材:《數(shù)據(jù)結構(C語言描述)》《數(shù)據(jù)結構習題與實訓教程(C語言描述)》。此外根據(jù)CDIO思想設計的“數(shù)據(jù)結構”課件在全國課件大賽中獲得三等獎。使用網絡教學平臺,將課件、教案、實驗內容與素材進行信息發(fā)布。學生按模塊完成實驗項目后通過網絡平臺上傳作業(yè),教師在線批改作業(yè)。教師能及時掌握學生的學習狀態(tài)和完成狀況。

2013級、2014級計算機科學與技術及電子商務專業(yè)使用CDIO方法進行教學改革實踐。在實驗實訓部分,“數(shù)據(jù)結構習題與實訓教程(C語言描述)”課程根據(jù)CDIO思想組建任務模塊,每一個模塊添加數(shù)據(jù)結構各章的知識點,完成1～2章的教學活動后,學生要完成綜合實驗模塊任務,總結出遇到的問題和解決方案。例如在“查找”一章中,不講解本章的知識點，先讓學生根據(jù)原有的C語言知識對兩組數(shù)據(jù)(有序數(shù)據(jù)和無序數(shù)據(jù))編程查找關鍵字K,要求效率高、使用的時間少。學生分組進行實踐,完成后教師引導學生對每組的算法及時間復雜度進行分析對比,找出最優(yōu)的算法特點。通過總結特點引出本章的知識點,即無序數(shù)據(jù)適合使用順序查找或快速查找、有序數(shù)據(jù)適合用折半查找。學生通過實踐了解到在工程中的構思、設計、實現(xiàn)和運行的4個階段,讓學生體會到一個整體項目是如何被劃分為多個模塊進行設計和完成的。

4　結語

數(shù)據(jù)結構由于在計算機科學及其相關專業(yè)課程體系中的重要性,近30年來一直是計算機類專業(yè)課程建設的重點。在數(shù)據(jù)結構課程中引入CDIO思想,其目標在于培養(yǎng)學生個人能力而不是讓學生僅掌握一門技術。重構的數(shù)據(jù)結構課程注重引導學生進行自主學習和深入思考,在課程中強化工程師素養(yǎng)訓練。

References)

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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

黑龍江省高等教育教學改革項目(JG2014010764)

郭瑞波(1978—),女,黑龍江哈爾濱,碩士,講師,研究方向為計算機教學和云計算.

G642.0

A

1002-4956(2016)10-0213-03