融入CDIO理念的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)探索

李燕++代仕芳++蘇杭麗

摘 要： 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的“教”和“學(xué)”均面臨著理論知識如何與項(xiàng)目實(shí)踐相融合的問題。文章基于目前工程教育領(lǐng)域興起的CDIO理念，研究、探索以項(xiàng)目驅(qū)動的方式開展數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)。提出分層組織教學(xué)內(nèi)容、更新教學(xué)方法、拓展教學(xué)實(shí)踐和重新制定考核標(biāo)準(zhǔn)等，將CDIO理念融入課程教學(xué)中，進(jìn)而有效提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)； CDIO； 教學(xué)內(nèi)容； 教學(xué)實(shí)踐； 教學(xué)考核

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）10-70-03

Exploration of the teaching of data structure course by integrating CDIO concept

Li Yan， Dai Shifang， Su Hangli

（College of Information and Engineering， Nanjing University of Finance and Economics， Nanjing， Jiangsu 210023， China）

Abstract： The same problem of how to integrate the theoretical knowledge with practical project exists in the "teaching" and "learning" of data structure course. On the basis of the CDIO concept which is rising in recent engineering education filed， the paper studies to carry out data structure course teaching of project driven. By hierarchically organizing teaching content， continually updating teaching method， greatly expanding teaching practice and reformulating assessment criteria， CDIO concept can be integrated into the teaching process， and then to improve the course teaching quality.

Key words： data structure； CDIO； teaching content； teaching practice； teaching assessment

0 引言

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是信息技術(shù)相關(guān)專業(yè)一門重要的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程[1-2]。該課程理論性相對較強(qiáng)，很多抽象的概念、經(jīng)典算法的描述以及相應(yīng)算法效率的分析都增加了學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的難度。而且很多學(xué)生在學(xué)習(xí)完該門課程后，由于無法將其與實(shí)際的項(xiàng)目實(shí)踐相結(jié)合，進(jìn)而產(chǎn)生了所學(xué)知識無實(shí)用性的看法。

針對這一問題，高校的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程通常都配置了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程環(huán)節(jié)以培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。但在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生動手能力較差，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的收效甚微。造成這種現(xiàn)狀的原因可能與學(xué)生前期程序設(shè)計(jì)語言學(xué)習(xí)不夠深入有一定的關(guān)系，但更主要的原因還是學(xué)生在目前的課堂教學(xué)下對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論知識的理解往往浮于表面不夠透徹，做不到融會貫通、舉一反三，進(jìn)而導(dǎo)致理論與實(shí)踐脫節(jié)。

CDIO是目前興起的一種工程教育理念[3]，它通過將產(chǎn)品研發(fā)的生命周期思想運(yùn)用到工程類教學(xué)實(shí)踐中，讓學(xué)生以主動地、實(shí)踐地方式學(xué)習(xí)工程知識，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)能力、工程實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及綜合應(yīng)用能力?，F(xiàn)今，CDIO理念已經(jīng)被很多高校引入到了工程教學(xué)之中并取得了良好的成效[4-5]。

本文將探索在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)中融入CDIO理念，對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)模式進(jìn)行改進(jìn)，重新組織教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式，改革教學(xué)實(shí)踐設(shè)置和教學(xué)考核標(biāo)準(zhǔn)，使得學(xué)生通過“做中學(xué)”的方式在掌握課程理論知識的基礎(chǔ)上，能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識靈活應(yīng)用于實(shí)踐，進(jìn)而達(dá)到提高數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)成效的最終目標(biāo)。

1 教學(xué)中面臨的問題

在實(shí)際的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)過程中，通常面臨著一些具體問題。

⑴ 教學(xué)內(nèi)容的抽象性。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)內(nèi)容涉及到線性表、棧、隊(duì)列、樹、圖等多種邏輯結(jié)構(gòu)，針對每一種具體的邏輯結(jié)構(gòu)又分別介紹了相應(yīng)的存儲結(jié)構(gòu)并在此基礎(chǔ)上給出了許多算法的描述和效率分析。這些內(nèi)容具有一定的抽象性，使得“教”和“學(xué)”均面臨著很多的困難。

⑵ 教學(xué)方法的滯后性。目前在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)過程中，主要采用的教學(xué)方法還是以教師為主導(dǎo)的知識灌輸模式為主，忽略了學(xué)生的主體地位。即使在配置的實(shí)踐課程中，通常都是在教師針對某一具體算法，給出相應(yīng)的要求和實(shí)現(xiàn)步驟的前提下，讓學(xué)生機(jī)械的編程去實(shí)現(xiàn)算法。這樣的教學(xué)方法使得理論和實(shí)踐產(chǎn)生脫節(jié)，很難調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動性，進(jìn)而影響教學(xué)效果。

⑶ 考核方法的單一性?，F(xiàn)在的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程考核方式大多還是以理論考試為主，這種過于單一的考核方式不僅無法全面反映實(shí)際的教學(xué)效果，還會直接導(dǎo)致學(xué)生對該課程學(xué)習(xí)興趣的缺失。

2 融入CDIO理念的教學(xué)探索

CDIO是由麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所高校經(jīng)過四年的研究而創(chuàng)立的一種工程教育理念，其中：C（Conceive）表示構(gòu)思，D（Design）表示設(shè)計(jì)，

I（Implement）表示實(shí)現(xiàn)，而O（Operate）則表示運(yùn)作。該理念的核心在于，在工程實(shí)踐過程中讓學(xué)生以積極主動的方式學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)知識，力求達(dá)到理論與實(shí)踐的完美融合。鑒于上述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)中所面臨的各項(xiàng)問題，在課程教學(xué)實(shí)踐中多方位的融入CDIO理念，必定可以有效提升整體的教學(xué)效果。

2.1 分層次的教學(xué)內(nèi)容組織

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)內(nèi)容主要可以分為兩大部分，即基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。具體而言，第一大部分主要是對線性結(jié)構(gòu)（包括線性表、棧、隊(duì)列、串）、介于線性和非線性之間的結(jié)構(gòu)（數(shù)組和廣義表）以及非線性結(jié)構(gòu)（樹和圖）的介紹。這一部分所涉及的一些內(nèi)容比較抽象，實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生容易混淆相關(guān)概念，對算法的理解和分析不夠到位，且很難將算法轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行代碼進(jìn)而影響著理論知識在實(shí)踐中的應(yīng)用。第二大部分的內(nèi)容是基于基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以不同的方式實(shí)現(xiàn)查找和排序這兩種最常用功能。如果前期的基礎(chǔ)不夠牢固，則這一部分知識的學(xué)習(xí)同樣存在困難。

為此，基于CDIO理念，本文首先構(gòu)思以實(shí)際項(xiàng)目為驅(qū)動對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分層組織。對于基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，首先設(shè)計(jì)出具有針對性的實(shí)踐項(xiàng)目，然后從中抽象出解決項(xiàng)目問題所用到的數(shù)學(xué)模型進(jìn)而歸納到一類具體的邏輯結(jié)構(gòu)上。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹邏輯結(jié)構(gòu)的基本概念、如何實(shí)現(xiàn)其在計(jì)算機(jī)中的存儲（也即存儲結(jié)構(gòu)）以及一些基本操作的實(shí)現(xiàn)和性能分析。最后，基于介紹的理論知識，對最初提出的實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。對于查找和排序這兩類基本操作，由于它們在很多實(shí)際項(xiàng)目中經(jīng)常會被用到，因此，在設(shè)計(jì)實(shí)踐項(xiàng)目時將突出對這兩類操作的要求，以項(xiàng)目的實(shí)際需求去推動學(xué)生對這部分知識的學(xué)習(xí)。

以項(xiàng)目為引導(dǎo)的分層次的教學(xué)內(nèi)容組織，不僅使得學(xué)生對在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這門課程中所學(xué)的理論知識脈絡(luò)有了更為清晰的認(rèn)識，而且在項(xiàng)目的驅(qū)動下，學(xué)生在學(xué)習(xí)的時候?qū)⒏哂兄鲃有?、針對性和目?biāo)性，因而對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的教學(xué)效果提升具有積極的推動作用。

2.2 創(chuàng)新性的教學(xué)實(shí)踐拓展

在以項(xiàng)目為驅(qū)動對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新組織的基礎(chǔ)上，本文還提出通過創(chuàng)新性的教學(xué)實(shí)踐來拓展，有效的實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”，使得CDIO理念能真正融入至數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中。

目前的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)中，最常用的實(shí)踐方式是通過設(shè)置對應(yīng)的實(shí)踐課程指導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)理論知識在編程實(shí)踐中進(jìn)行應(yīng)用。但是該方式一方面實(shí)踐程度不夠深入，另一方面僅憑授課教師一人的指導(dǎo)覆蓋面不夠廣。因此，在我們的研究探索中，首先考慮將本科畢業(yè)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)實(shí)踐聯(lián)系起來。作為計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的本科畢業(yè)生，在大四畢業(yè)時通常需要在老師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成一項(xiàng)工程類的畢業(yè)設(shè)計(jì)，而其中很多學(xué)生的畢設(shè)選題會應(yīng)用到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的相關(guān)知識。在這種情況下，可以將正在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的低年級本科生進(jìn)行分組后與大四學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)對接，參與到畢業(yè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中去。這種方式不僅可以讓高年級的學(xué)生引導(dǎo)低年級學(xué)生順利進(jìn)入到項(xiàng)目實(shí)踐中去避免他們剛接觸到項(xiàng)目時的迷惘，同時也使得高年級的學(xué)生通過這樣的結(jié)對增強(qiáng)自己的團(tuán)隊(duì)合作意識。

除上述方式外，通過與公司的合作使學(xué)生參與到企業(yè)的項(xiàng)目實(shí)踐中，使得學(xué)生真正感受到“學(xué)”能有所“用”，也是我們積極探索的另一種教學(xué)實(shí)踐拓展方式。具體而言，在設(shè)計(jì)課程的驅(qū)動項(xiàng)目之初，可以從企業(yè)的案例著手，選擇有代表性且能體現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)核心教學(xué)內(nèi)容的實(shí)踐項(xiàng)目。在選定之后，可以以專題報告或?qū)嵺`教學(xué)的形式邀請企業(yè)的工程師介紹項(xiàng)目的背景、所需的知識儲備以及實(shí)踐意義，為課程的學(xué)習(xí)奠定良好的開端。在驅(qū)動項(xiàng)目進(jìn)行的過程中，也可以繼續(xù)和企業(yè)保持密切的聯(lián)系，進(jìn)行專業(yè)性的指導(dǎo)。在課程結(jié)束后，可以通過社會實(shí)踐等形式安排學(xué)生進(jìn)入企業(yè)進(jìn)行實(shí)習(xí)，真正做到學(xué)以致用。

這些多渠道創(chuàng)新性的教學(xué)實(shí)踐拓展，可以將工程理念真正的貫徹到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的實(shí)際教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合，達(dá)到提升教學(xué)效果的目標(biāo)。

2.3 多元化的考核方法設(shè)置

目前專業(yè)課程的考核多是以理論考試的方式進(jìn)行的，這種單一的考核方式容易模糊了課程學(xué)習(xí)的焦點(diǎn)，產(chǎn)生高分卻動手能力差的現(xiàn)象。在CDIO理念中，考核的目標(biāo)不僅是學(xué)生對理論知識的掌握情況，更關(guān)注學(xué)生將學(xué)科知識應(yīng)用到項(xiàng)目實(shí)踐的能力，因此，本文提出多元化的考核方式設(shè)置以配合項(xiàng)目驅(qū)動下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)。

總體的考核以平時成績?yōu)榛A(chǔ)，理論考核為輔，項(xiàng)目成績?yōu)橹鞯姆绞竭M(jìn)行。具體而言，平時成績可以占到20%的比例，這里包括課堂考勤、平時練習(xí)、項(xiàng)目進(jìn)行中的協(xié)作情況等；理論考核可以占到30%的比例，理論考試中不僅要包含基本的概念性知識，還要涵蓋算法的設(shè)計(jì)分析以及編程實(shí)現(xiàn)（這一部分可以借助上機(jī)考試完成），另外，考試的時間可以是在期末進(jìn)行，也可以分為若干個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行；項(xiàng)目的成績將占到50%左右，在項(xiàng)目驅(qū)動的教學(xué)下，項(xiàng)目的完成情況將作為一項(xiàng)重要的考核標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)轫?xiàng)目是隨著課程的推進(jìn)逐步完成的，所以項(xiàng)目可以分階段的進(jìn)行驗(yàn)收，一方面可以避免最后工作量過于龐大，另一方面也可以盡量杜絕學(xué)生臨時突擊抄襲的現(xiàn)象。

多元化考核方法的制定，不僅可以隨時跟進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)，以便教師在實(shí)際教學(xué)中對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及教學(xué)進(jìn)度等進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，而且易于培養(yǎng)學(xué)生積極的學(xué)習(xí)心態(tài)、團(tuán)結(jié)協(xié)作的意識以及項(xiàng)目實(shí)踐能力，進(jìn)而促進(jìn)課程教學(xué)效果的提高。

2.4 配套性的課程資源完善

在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程實(shí)踐中融入CDIO理念，相應(yīng)的課程資源需要進(jìn)行配套性的完善。首先要在專業(yè)建設(shè)方案中突出項(xiàng)目工程的重要性，提高實(shí)踐環(huán)節(jié)的比例（學(xué)分）；其次，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教案需要進(jìn)行重新編制，其中要體現(xiàn)項(xiàng)目驅(qū)動下課程內(nèi)容的組織以及教學(xué)方法的選擇；最后，課程的課件、習(xí)題庫等教學(xué)資源均需進(jìn)行相應(yīng)的更新以凸顯CDIO的工程理念。

3 結(jié)束語

本文針對目前數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中所面臨的典型性問題，探索將CDIO理念融入到課程教學(xué)中，并據(jù)此研究對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分層次的組織、拓展教學(xué)實(shí)踐方式、設(shè)置多元化的課程考核標(biāo)準(zhǔn)，以及對教學(xué)資源進(jìn)行相應(yīng)的完善。這一基于CDIO理念的教學(xué)探索已經(jīng)在實(shí)際的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中逐步展開并取得了不錯的成效，相信在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷改進(jìn)后將會積極推動數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及其他計(jì)算機(jī)相關(guān)課程的教學(xué)改革和創(chuàng)新，達(dá)到培養(yǎng)實(shí)用性人才的目標(biāo)。

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