工程教育專業認證背景下數據結構課程改革探索與分析

李照奎，吳杰宏，王 巖，趙 亮，范純龍，劉 芳

（沈陽航空航天大學 計算機學院，遼寧 沈陽 110136）

0 引 言

在我國，工程教育專業認證是由專門的職業或行業協會同該領域的教育工作者及企業專家一起進行的，針對高等教育本科工程類專業開展的一種合格評價。教育部從2007年開始重點推行“工程教育認證”，旨在提高我國高校的工程教育質量，同時提升我國工程人才的國際競爭力[1]。近年來，結合工程教育專業認證的指標體系[2]，越來越多從事計算機專業教學的學者們紛紛就基于工程教育認證的計算機專業人才培養模式進行了研究與探討。張旭[3]就工程教育認證背景下操作系統教學改革進行了有益的探索，提出了基于網絡學習平臺的多種模式相結合的教學方式。劉永彬等人[4]就工程教育認證下的應用型軟件人才培養模式進行了探索。羅衛蘭等人[5]深入研究了專業認證下的計算機專業課程體系改革。趙姝等人[6]在面向工程教育專業認證背景下，重點對計算機組成與體系結構課程的建設進行了研究。陳淑紅等人[7]對工程教育專業認證驅動下的計算機網絡教學進行了研究。數據結構課程是計算機科學與技術專業、軟件工程專業甚至于其他電氣信息類專業的重要專業基礎課程，它所討論的知識內容和提倡的技術方法，無論對進一步學習計算機領域的其他課程，還是對從事大型信息工程的開發，都是重要而必備的基礎。因此，如何結合工程教育專業認證，更好地對數據結構課程進行改革，從而提高學生分析解決實際工程問題的能力顯得尤為迫切。

1 傳統數據結構教學存在的問題

1.1 過度依賴“PPT加板書”模式

教師通過PPT進行主要內容的講解，針對復雜問題再配以板書講解，通常可以較好地解決教學過程中“教”的過程，但并不能很好地保證“學”的質量，尤其在工程教育專業認證背景下顯得更為突出。

1.2 考核方法單一且低效

傳統教學中，作業與考試主要通過紙質媒介進行，考核方法單一，且效率低下。作業抄襲現象嚴重，考試也只是滿足于算法思想的描述，算法代碼往往無法正常運行。

1.3 實驗環節的優勢與不足

實驗環節是傳統教學中一項可以提高學生實際編程能力的手段，但由于缺乏必要的驗證手段，往往是一名教師應付多個相同版本的檢查，最后變成幾個學生做出一個標準版，其他學生在界面上稍作修改應付檢查。

1.4 成績分析粒度不夠精細

由于考核方式單一，成績統計工作量繁雜，在傳統教學中很難實現成績的細粒度分析，而這往往導致教師不能更好地發現教學中出現的問題，無法及時地發現學生學習中隱含的問題。

2 結合工程教育專業認證的數據結構教學改革

由于專業認證主要是以畢業生的培養質量來衡量教育目標是否能實現。因此首先要梳理數據結構課程與畢業要求之間的關系，進而提出本課程的教學目標，然后再針對教學目標，設置各種培養手段和考核方式。表1是數據結構課程所涉及的畢業要求中指標點與課程教學目標之間的對應關系，表2是基于畢業要求指標點設置的3個教學目標。

從表1中可以看出，專業認證更看重的是工程實踐能力的培養，以及分析解決問題能力的提高。針對傳統教學中的問題，以及工程教育專業認證的指標要求，特從以下幾個方面進行改革。

2.1 采用“課堂加機房”授課模式

針對數據結構理論性和實踐性都很強的特點，采用“課堂加機房”的授課模式，一方面利用傳統的“PPT加板書”模式（課堂部分）來講解理論部分，另一方面通過在機房邊講邊練的方式，來解決學生編程中遇到的具體問題。機房授課方式很好地解決了學生不會編寫可運行代碼、不會調試的頑疾，但帶來的負面影響是上課節奏偏慢，課程進度受到挑戰。因此，機房授課一定要精選算法案例，遇到比較難的問題，要提前發給學生進行預習。總的來說“課堂加機房”模式較好地解決了數據結構課程教學過程中的“教”與“學”的矛盾。

2.2 CG系統的引入與題庫的構建

表1 數據結構課程畢業要求中指標點與課程教學目標間對應關系

表2 數據結構課程教學目標

為了提高學生的實際編程能力，提高學生分析、設計及解決問題的能力，數據結構課程采用CG[8]系統實現在線提交作業與在線考試。CG（Coures Grading）系統擁有程序自動評測、相似性比較、并行程序自動評判等功能，是一款具有專業深度、安全可靠的計算機類課程一體化支撐平臺。通過該平臺，數據結構課程團隊基于知識點構建了完整的題庫，該題庫在構建過程中充分考慮了學生畢業要求的指標點，力求更好地完成每個教學目標。設計多分支覆蓋的高質量用例，配合完成程序自動評測，充分驗證學生編寫程序的準確性，極大地提高了學生的編程能力。

2.3 基于CG系統的多種考核方式

課程設置了平時普通作業、平時計分作業、實驗、平時考試及期末考試等多種考核方式。其中平時普通作業由任課教師自由布置，不計入學生的總分。表3是數據結構課程各部分考核的分值分配。 針對平時計分作業，學生可以充分利用課外時間進行編程訓練，無形中拓寬了學生學習的時間長度。CG系統的“相似性比較”功能可以很好地規避抄襲行為的發生，能力強的學生會自然生出學習的自豪感，能力弱的學生由于擔心查重，也變得更加主動。總體上扭轉了傳統教學中平時“放羊”式的學習狀態。 針對實驗環節，類似于平時計分作業，但強調集中在實驗課堂進行，這主要從兩個方面考慮：一方面通過實驗指導，可以更好地解決學生在編程中遇到的問題，另一方面也是教師掌握學生薄弱環節的一種有效途徑。由于同樣采用CG自動評判和相似性比較，極大地減輕了教師的工作量，也較好地避免了抄襲行為的發生，對整體學生能力的提升起到了重要的作用。 針對平時考試和期末考試環節，主要用來考查學生的學習情況，在傳統教學中，由于采用紙質試卷，每場考試從出題、派考、監考、批改及評卷，往往要耗費大量精力，而最關鍵的是由于都在紙上答題，不能更好地考核學生的實際能力。

表3 數據結構課程各部分考核分值分配

2.4 精細粒度的成績分析

由于CG系統的采用，所有成績都可以很容易導出，這里可以包括每次試卷中的每一道題，甚至細化到每一道小題，由于在設計題庫時是按照知識點和教學目標來設計的，因此可以很方便地從多個粒度來進行成績分析；而分析結果，可以更清楚地看出課程的教學效果是否達成教學目標，是否滿足畢設要求對應的指標點。

3 立足于工程教育專業認證的數據結構教學效果分析

針對2017—2018（1）學年2016級的9個班級273名同學，抽樣40%的學生進行達成情況分析，具體的課程畢業要求分解指標點達成情況評價表見表4。本課程支撐的3個指標點達成效果如圖1所示，其中學生運用數據結構的基本原理知識解決圖和二叉排序的實際問題的能力（指標點2-2）及基于算法基本思路、原理設計和實現算法的能力（指標點4-2）相對較好，但學生對概念、原理的掌握不夠靈活，投入的精力也不夠，因而指標點1-3的達成情況不夠理想，說明學生數據結構與算法的邏輯思維能力還需加強。

圖1 課程畢業要求分解指標點達成情況柱狀圖

4 結 語

針對傳統數據結構課程中存在的問題，結合工程教育專業認證背景，對數據結構課程進行了教學改革。通過采用“課堂加機房”授課模式較好地解決了數據結構課程教學過程中的“教”與“學”的矛盾。CG系統的引入與題庫的構建，可以充分驗證學生編寫程序的準確性，極大地提高了學生的編程能力。基于CG系統的多種考核方式全方位地提高了學生分析及解決問題的能力。精細粒度的成績分析可以更清楚地看出課程的教學效果是否達成教學目標，是否滿足畢設要求對應的指標點。從實際運行效果看，課程改革起到了較好的作用，達到了工程教育專業認證中相關指標點要求。

表4 課程畢業要求分解指標點達成情況評價表