摘? 要： 為了加強(qiáng)工程實(shí)踐教育，培養(yǎng)符合企業(yè)界所需要的工程技術(shù)人才，很多高等學(xué)校的工程類專業(yè)開(kāi)展了工程教育專業(yè)認(rèn)證。對(duì)于工程教育專業(yè)認(rèn)證的特殊要求，特別是對(duì)于解決“復(fù)雜工程問(wèn)題”的要求，從課程體系構(gòu)建、教學(xué)內(nèi)容分配和教學(xué)評(píng)價(jià)等方面，提出了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革探索方案。為相似課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)改革提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn);工程教育認(rèn)證;實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革;復(fù)雜工程問(wèn)題

中圖分類號(hào)： G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.082

本文著錄格式：張少仲. 面向工程教育專業(yè)認(rèn)證的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J]. 軟件，2020，41（10）：310312

【Abstract】： In order to strengthen engineering practice education and cultivate engineering technical talents that meet the needs of enterprises， many engineering majors of colleges and universities have carried out engineering education professional certification. For the special requirements of engineering education professional certification， especially in solving complex engineering problems， from the curriculum system constructing， allocation of teaching content and teaching evaluation， etc.， puts forward the reform of the experimental teaching of data structure to explore solutions for similar courses experimental teaching reform to provide the reference.

【Key words】： Data structure experiment; Engineering education certification; Experiment teaching reform; Complex engineering problem

0? 引言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的不斷深入，各國(guó)的人才流動(dòng)，特別是工程類人才，變得越來(lái)越頻繁。由于每個(gè)國(guó)家對(duì)工程專業(yè)人才的培養(yǎng)認(rèn)證方式不同，就促使各國(guó)尋求建立一種統(tǒng)一的規(guī)范的工程專業(yè)人才的培養(yǎng)認(rèn)證體系。在1989年，由來(lái)自美、英、加、澳等6個(gè)國(guó)家的民間工程專業(yè)團(tuán)體發(fā)起并簽訂了《華盛頓協(xié)議》。各成員國(guó)由此認(rèn)證的工程教育學(xué)歷得到互相認(rèn)可，即畢業(yè)于任何一個(gè)成員國(guó)并得到此專業(yè)認(rèn)證的工程技術(shù)人員，均應(yīng)被其他成員國(guó)視為已經(jīng)獲得從事初級(jí)工程工作的資格[1]。2016年中國(guó)成為《華盛頓協(xié)議》的第18個(gè)正式成員國(guó)。由此我國(guó)高校的該項(xiàng)專業(yè)認(rèn)證就具備了國(guó)際通用性，這可促進(jìn)高校以此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行教育教學(xué)改革以培養(yǎng)國(guó)際認(rèn)可的工程類人才[2]。工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)分別在學(xué)生、培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求、持續(xù)改進(jìn)、課程體系、師資隊(duì)伍和支持條件等方面提出了明確的標(biāo)準(zhǔn)與要求，具有規(guī)范完整和與國(guó)際接軌等特點(diǎn)[3]。

工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)主要倡導(dǎo)三個(gè)基本理念，分別是：學(xué)生為中心的教育理念;成果導(dǎo)向的教育體系;持續(xù)改進(jìn)的質(zhì)量觀。所謂以學(xué)生為中心，既是所有的課程體系設(shè)置和教學(xué)模式設(shè)計(jì)要以學(xué)生獲得的知識(shí)、能力、素質(zhì)能夠達(dá)到既定的培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求而設(shè)計(jì)。也需要營(yíng)造出不斷學(xué)習(xí)、持續(xù)發(fā)展的良好氛圍，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)的動(dòng)力和成就感。而成果導(dǎo)向，是指為保證學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成來(lái)安排師資隊(duì)伍、課程設(shè)置和教學(xué)實(shí)施，并通過(guò)畢業(yè)生核心能力和要求來(lái)評(píng)價(jià)專業(yè)教育的有效性，為達(dá)到最終結(jié)果來(lái)設(shè)計(jì)所有邁向成果的教學(xué)活動(dòng)。持續(xù)改進(jìn)，則強(qiáng)調(diào)專業(yè)教育必須建立高效的質(zhì)量監(jiān)督控制體系和持續(xù)改進(jìn)制度，能持續(xù)不斷地跟蹤并改進(jìn)效果，以促使專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的不斷提高[4]。

1? 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)這門課適用于計(jì)算機(jī)大類的各個(gè)專業(yè)方向，包括但不限于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)方向、軟件工程專業(yè)方向、智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)方向、網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)方向等工科專業(yè)方向。它屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生的專業(yè)必修課程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程的編程訓(xùn)練，可提高學(xué)生編程實(shí)現(xiàn)算法能力和實(shí)踐能力，培養(yǎng)綜合分析問(wèn)題能力以及應(yīng)用所學(xué)算法等知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，并在編程技術(shù)互幫互學(xué)中鍛煉溝通和協(xié)作能力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生更形象直觀地理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論課所涉及的基本算法，掌握通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要算法的技能。學(xué)生在進(jìn)行了本課程的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練后，可具備設(shè)計(jì)并綜合運(yùn)用多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法來(lái)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的基本能力[5]。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程的總體教學(xué)目標(biāo)為：

（1）能夠針對(duì)實(shí)際問(wèn)題設(shè)計(jì)并選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和方法，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)清晰、正確易讀和復(fù)雜度較優(yōu)的算法，從而具備設(shè)計(jì)并綜合運(yùn)用多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法來(lái)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的基本能力;

（2）通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法編程能力訓(xùn)練，使學(xué)生具有工程實(shí)踐的實(shí)操能力和主動(dòng)學(xué)習(xí)能力、勇于開(kāi)拓新思維使用新方法的創(chuàng)新精神、獨(dú)立分析問(wèn)題并解決問(wèn)題的基本能力。

（3）在團(tuán)隊(duì)中能夠擔(dān)當(dāng)角色，完成相應(yīng)職責(zé)，并能與團(tuán)隊(duì)成員溝通協(xié)作完成所分配的任務(wù)。

2017年修訂的新版工程教育專業(yè)認(rèn)證把解決“復(fù)雜工程問(wèn)題”作為課程建設(shè)的目標(biāo)和落腳點(diǎn)。而且在工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于“復(fù)雜工程問(wèn)題”的7方面特征，進(jìn)行了明確說(shuō)明，具體為具備下述特征（1），同時(shí)具備下述特征（2）—（7）的部分或全部：

（1）必須運(yùn)用深入而復(fù)雜的工程原理，經(jīng)過(guò)深入的分析才可能得到解決;

（2）涉及多方面的，并可能相互有一定沖突的技術(shù)、工程和其它因素;

（3）需要通過(guò)建立合適的，具有一定創(chuàng)造性的抽象模型才能解決;

（4）僅靠常用方法不能完全解決;

（5）在專業(yè)工程實(shí)踐的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中，沒(méi)有包含問(wèn)題所涉及的所有因素;

（6）問(wèn)題所涉及的各方，其利益不完全一致;

（7）問(wèn)題具有較高的綜合性，由若干相互關(guān)聯(lián)的子問(wèn)題組成。

但是，目前一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置未能全面考慮工程教育專業(yè)認(rèn)證的具體要求，具體表現(xiàn)為單一驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)較多，設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)較少;同時(shí)實(shí)驗(yàn)題目的簡(jiǎn)單重復(fù)缺少變化也是重要問(wèn)題之一。因此，需要針對(duì)工程教育專業(yè)認(rèn)證的特點(diǎn)和要求，有計(jì)劃地、結(jié)合行業(yè)要求地制定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)計(jì)劃，有序地執(zhí)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，保質(zhì)保量地完成教學(xué)任務(wù)。

2? 面向工程教育專業(yè)認(rèn)證的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

2.1? 課程體系構(gòu)建

在面向工程教育專業(yè)認(rèn)證的教學(xué)體系中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程教育與傳統(tǒng)的教學(xué)方式不盡相同，具有獨(dú)特的前導(dǎo)課程、知識(shí)結(jié)構(gòu)及能力要求。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的前導(dǎo)課程為：離散數(shù)學(xué)、C++程序設(shè)計(jì)及配套實(shí)驗(yàn)（或其他高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言及配套實(shí)驗(yàn)）、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。通過(guò)這些課程的學(xué)習(xí)，可以使得學(xué)生具有一定的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)、高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的編程能力、算法分析和設(shè)計(jì)能力、用高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)算法的基本知識(shí)和概念，從而能夠達(dá)到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)要求。

2.2? 教學(xué)內(nèi)容分配

在面向工程教育專業(yè)認(rèn)證的教學(xué)體系中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)仍然以實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐授課方式為主。在工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中，由于解決“復(fù)雜工程問(wèn)題”的能力已經(jīng)成為課程建設(shè)的重要目標(biāo)，所以實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐的授課內(nèi)容應(yīng)該強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn);同時(shí)為了避免實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的簡(jiǎn)單重復(fù)缺少變化，實(shí)驗(yàn)題目應(yīng)盡量做到年年不同、人人不同。具體表現(xiàn)為：

2.2.1? 參考競(jìng)賽試題，設(shè)立實(shí)驗(yàn)題庫(kù)，實(shí)驗(yàn)題目從題庫(kù)抽取

ACM（Association for Computer Machinery）國(guó)際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽（簡(jiǎn)稱ACM-ICPC）是由美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)主辦，用于表現(xiàn)大學(xué)生創(chuàng)新能力、分析和解決問(wèn)題能力、團(tuán)隊(duì)合作精神和在壓力下編程能力的年度競(jìng)賽，是目前世界公認(rèn)的水平最高規(guī)模最大的國(guó)際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽。ACM的競(jìng)賽題目具有如下特點(diǎn)：有實(shí)際背景而且實(shí)用性和趣味性較強(qiáng);知識(shí)層次考查得比較全面;題目有層次性，可分不同級(jí)別;很大部分的題目沒(méi)有確定答案，有廣闊的思維空間。將ACM競(jìng)賽的題目經(jīng)過(guò)精心挑選，應(yīng)用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)中，形成了與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)要求相對(duì)應(yīng)的初、中、高三個(gè)層級(jí)的實(shí)驗(yàn)題集，并以此作為實(shí)驗(yàn)題目。其中初級(jí)題目是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)題目，中級(jí)題目是設(shè)計(jì)性綜合性題目，而高級(jí)題目是復(fù)雜的設(shè)計(jì)性綜合性題目。將傳統(tǒng)的針對(duì)算法出實(shí)驗(yàn)題目的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改為以合適的算法解決實(shí)際問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。通過(guò)具體問(wèn)題描述給出題目，讓學(xué)生自主選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法進(jìn)行求解，加深學(xué)生對(duì)理論課和算法的理解。同時(shí)也改變了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)授課全員實(shí)驗(yàn)題目統(tǒng)一模式為獨(dú)立選擇實(shí)驗(yàn)題目模式，不同層次的學(xué)生可以自主選用不同的實(shí)驗(yàn)題目，使不同層次的學(xué)生都能得到提高。同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)題目來(lái)源于ACM競(jìng)賽題，其中相當(dāng)多的題目屬于設(shè)計(jì)性和綜合性的實(shí)驗(yàn)，這樣的實(shí)驗(yàn)題目有利于提高學(xué)生解決“復(fù)雜工程問(wèn)題”的能力，達(dá)到了工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求。

2.2.2? 用在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)評(píng)測(cè)的自動(dòng)化

在線評(píng)測(cè)（online judge）系統(tǒng)是基于Web工作模式的一種實(shí)時(shí)評(píng)測(cè)系統(tǒng)。使用時(shí)用戶可以在線提交代碼，系統(tǒng)自動(dòng)地實(shí)時(shí)地編譯、運(yùn)行，給出評(píng)測(cè)結(jié)果。通過(guò)校園網(wǎng)將其用于程序設(shè)計(jì)類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以不受空間和時(shí)間的限制，隨時(shí)進(jìn)行評(píng)測(cè)，并即刻得到評(píng)測(cè)結(jié)果。這既方便學(xué)生實(shí)驗(yàn)，也提高學(xué)習(xí)過(guò)程的監(jiān)控力度，減輕了教師手工批改作業(yè)的工作負(fù)擔(dān)[6]。傳統(tǒng)的手工批改實(shí)驗(yàn)作業(yè)的任務(wù)非常繁重，而這種在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)作業(yè)進(jìn)行自動(dòng)評(píng)測(cè)，減輕了教師的工作負(fù)擔(dān)，使教師可以把更多精力投入到輔導(dǎo)學(xué)生上面。對(duì)于比較復(fù)雜的設(shè)計(jì)性綜合性實(shí)驗(yàn)題目，如果學(xué)生之間、師生之間有充分的討論和交流，可以豐富、矯正和加深對(duì)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的解決方案。這樣有助于學(xué)生增強(qiáng)解決“復(fù)雜工程問(wèn)題”的能力，也培養(yǎng)了良好的溝通能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。

2.3? 教學(xué)評(píng)價(jià)

學(xué)生對(duì)分?jǐn)?shù)非常敏感，恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)分標(biāo)準(zhǔn)有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，反之有可能會(huì)降低其學(xué)習(xí)興趣。用在線測(cè)評(píng)系統(tǒng)對(duì)學(xué)生提交的程序進(jìn)行評(píng)測(cè)，除了可以評(píng)測(cè)其代碼運(yùn)行的正確性，還可以對(duì)運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短、占用內(nèi)存的多少、以及輸入輸出格式等等加以限制。它可以綜合考察學(xué)生的編程能力和對(duì)算法的靈活運(yùn)用。我校的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)與理論課拆分，成為一門獨(dú)立課程，而且比原有實(shí)驗(yàn)課程增加了4學(xué)時(shí)，共計(jì)12次課，24學(xué)時(shí)，滿分100分。為了使實(shí)驗(yàn)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的制訂對(duì)學(xué)生具有激勵(lì)作用，同時(shí)為了與工程教育專業(yè)認(rèn)證接軌，經(jīng)過(guò)新的教學(xué)模式的探索，決定采用以完成設(shè)計(jì)性綜合性實(shí)驗(yàn)題目為主的評(píng)分方式。具體如下：

（1）對(duì)實(shí)驗(yàn)題目的完成占總分的90%，實(shí)驗(yàn)態(tài)度、溝通能力和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的評(píng)價(jià)占10%。

（2）完成初、中、高級(jí)題目的分?jǐn)?shù)占比是1∶2∶4;即完成一個(gè)高級(jí)題相當(dāng)于完成2個(gè)中級(jí)題，完成一個(gè)中級(jí)題相當(dāng)于完成2個(gè)初級(jí)題。

（3）完成2個(gè)高級(jí)題即可獲得60分，以后每完成1個(gè)高級(jí)題加15分，加到90分后為止。

該評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為學(xué)生設(shè)立較低的及格目標(biāo)，使學(xué)生更容易進(jìn)入完成實(shí)驗(yàn)題目的狀態(tài);其次完成1個(gè)高級(jí)題相當(dāng)于完成2個(gè)中級(jí)題，相當(dāng)于完成4個(gè)初級(jí)題，這更能激發(fā)學(xué)生挑戰(zhàn)更高級(jí)別實(shí)驗(yàn)任務(wù)的動(dòng)力，從而積極地完成復(fù)雜設(shè)計(jì)性綜合性實(shí)驗(yàn)任務(wù)（高級(jí)題）。同時(shí)即使12次實(shí)驗(yàn)課中完成12個(gè)初級(jí)實(shí)驗(yàn)題目，成績(jī)也只能是及格多一點(diǎn)，要想取得好成績(jī)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。從而確保了該評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)在總體上不降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。

3? 結(jié)論

隨著時(shí)代的發(fā)展，國(guó)際產(chǎn)業(yè)界對(duì)工程類畢業(yè)生有了新的、更高的、相對(duì)統(tǒng)一的要求和標(biāo)準(zhǔn)。工程教育專業(yè)認(rèn)證是其中重要的一類認(rèn)證措施。面向工程教育專業(yè)認(rèn)證，提出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革方案，可使學(xué)生提高解決“復(fù)雜工程問(wèn)題”的能力、團(tuán)隊(duì)合作精神和協(xié)同溝通能力。今后，我們還將繼續(xù)將教學(xué)改革深入下去，以期培養(yǎng)國(guó)際認(rèn)可的，高水平、高素質(zhì)的工程類人才。

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