CDIO教育模式在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法教學(xué)中的應(yīng)用

1968年，高德納（Donald E. Knuth）出版了經(jīng)典的《計算機(jī)編程藝術(shù)》，提出了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法的概念，從此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法與軟件編程緊密聯(lián)系，讓程序設(shè)計人員也登上了藝術(shù)的殿堂?？梢哉f，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法在當(dāng)今各種應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件的開發(fā)中都具有舉足輕重的地位。我們每天手持的移動通訊設(shè)備，工作學(xué)習(xí)用的筆記本電腦，信息訪問的萬維網(wǎng)都有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法應(yīng)用其中。因此，國內(nèi)外高校的軟件工程和計算機(jī)等專業(yè)都把數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法作為一門核心的專業(yè)基礎(chǔ)課程進(jìn)行教學(xué)，為后續(xù)的相關(guān)課程的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。

一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法教學(xué)中存在的問題

國內(nèi)多數(shù)高校在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的教學(xué)中依然采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，一般存在以下一些問題。

第一，師資方面。教師普遍具有高學(xué)歷及較強(qiáng)的科研能力，所以課堂上的講授以理論知識為基礎(chǔ)，學(xué)科發(fā)展為導(dǎo)向，追求專業(yè)知識的完備性，不問軟件行業(yè)的需求。

第二，講授方法。教師在授課過程中容易只專專注于自顧自地講解教材上的抽象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及算法思想，不顧及學(xué)生的接受程度和融入課堂的積極性，更忽視學(xué)生課后學(xué)以致用的實踐能力的培養(yǎng)，從而陷入“教師講，學(xué)生被動接受”，甚至是“教師講，學(xué)生睡”的填鴨式教學(xué)誤區(qū)[1]。

第三，人才培養(yǎng)。缺乏與軟件產(chǎn)業(yè)界的聯(lián)系，依然把講授理論放在首位，忽視工程實踐性和應(yīng)用環(huán)節(jié)，不利于學(xué)生對課程內(nèi)容的掌握和工程實踐能力的培養(yǎng)。

第四，教材內(nèi)容。內(nèi)容偏向理論，更新緩慢，由于內(nèi)容較抽象，學(xué)生閱讀后，通常只能停留在理解層面，難以付諸工程實踐。

第五，實驗環(huán)節(jié)。相對薄弱，通常實驗的目的為驗證書上的理論知識，缺乏創(chuàng)新能力和綜合分析、解決問題能力的培養(yǎng)。

第六，素質(zhì)培養(yǎng)。本門課程涉及的內(nèi)容比較多，課上不可能涵蓋所有知識點。學(xué)生由于惰性，多數(shù)只是掌握書本理論，機(jī)械地實踐后，不再更多地領(lǐng)悟?qū)I(yè)知識背后的思想。同時，缺乏團(tuán)隊合作意識，不能及時分享學(xué)習(xí)心得，導(dǎo)致專業(yè)素質(zhì)提高的緩慢。

二CDIO工程教育模式在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法中的實施方法

針對這樣的情況，哈爾濱理工大學(xué)軟件學(xué)院從2007年就開始研究CDIO教學(xué)模式的相關(guān)理論，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的教學(xué)中取得了初步的研究成果?！癈DIO”是構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實施（Implement）、運行（Operate）4個英文單詞的首字母縮寫，它是“做中學(xué)”原則和“基于項目的教育學(xué)習(xí)”的集中體現(xiàn)，是當(dāng)今國際高等工程教育的一種創(chuàng)新模式[2]。我們學(xué)院CDIO工程化的教學(xué)理念的具體踐行方法如下。

1建設(shè)具備高水平工程化素質(zhì)的教師隊伍

注重教師自身工程素質(zhì)的提高，使其能夠勝任CDIO課程體系的教育模式[3]。完善與國內(nèi)外著名企業(yè)開展師資培訓(xùn)與交流合作的機(jī)制，一方面選派專職教師到企業(yè)研修，豐富專業(yè)教師的工程實踐經(jīng)歷和經(jīng)驗，獲取最新的技術(shù)信息，保證學(xué)生學(xué)以致用。另一方面建設(shè)由企業(yè)高級工程技術(shù)人員組成的兼職教師隊伍，解決教師隊伍工程實踐經(jīng)驗薄弱的問題，提高工程教育教師隊伍的整體素質(zhì)。

2以培養(yǎng)軟件卓越工程師為目標(biāo)

基于CDIO的理念，我院提出“基于校企合作\"2+1+1\"模式軟件卓越工程師教育培養(yǎng)的研究與實踐”。面向軟件行業(yè)，面向未來軟件工程的需求和對未來軟件工程師的素質(zhì)要求，培養(yǎng)造就一大批能夠適應(yīng)和支撐軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展、實踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具有追求卓越的精神和態(tài)度、具有國際競爭力的高質(zhì)量軟件卓越工程師，建立社會主義市場經(jīng)濟(jì)條件下的現(xiàn)代高等工程教育體系。

3以學(xué)以致用為導(dǎo)向

學(xué)院每門專業(yè)課程的設(shè)置都是為了更好地培養(yǎng)軟件卓越工程師。軟件行業(yè)素有更新快的特點，而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法這門課程是未來軟件工程師以不變應(yīng)對日新月異軟件技術(shù)的內(nèi)功。在教學(xué)中強(qiáng)調(diào)課程的重要性，在學(xué)習(xí)每一部分內(nèi)容前，首先明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，告訴學(xué)生在什么地方應(yīng)用，讓同學(xué)們帶著目的、本著學(xué)以致用的原則來汲取知識，減少學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的迷茫，切實提高學(xué)生分析和解決實際問題的能力。

4以案例為中心的教學(xué)

為了切實提高學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣和解決實際問題的能力，依據(jù)CDIO工程化模式提出的“做中學(xué)”和“以案例為導(dǎo)向”的教學(xué)方法，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程本身具有抽象難于理解的特點，結(jié)合應(yīng)用相應(yīng)理論的有實際意義的案例進(jìn)行教學(xué)，使學(xué)生能夠有目標(biāo)地學(xué)習(xí)和實踐，更好地掌握、完善和運用理論知識。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法相關(guān)知識點及案例設(shè)置如下表1所示。

5以實戰(zhàn)平臺為驅(qū)動力實踐教學(xué)

鼓勵學(xué)生參加軟件編程競賽，激發(fā)學(xué)生的強(qiáng)烈的求知欲和自我學(xué)習(xí)興趣。通過各種級別的比賽，豐富了實踐教學(xué)的形式，讓學(xué)生可以有針對性地學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生的參與性和主動性。我們鼓勵學(xué)生參加校、省級ACM比賽、全國軟件專業(yè)人才設(shè)計與開發(fā)大賽軟件大賽和全國大學(xué)生ITAT程序設(shè)計大賽等比賽。通過這些實戰(zhàn)比賽，有效地提高了學(xué)生的工程實踐能力，取得了很好的效果。本院學(xué)生在過去的三年里，在相關(guān)比賽中已經(jīng)取得非常優(yōu)異的成績。通過比賽獲得證書的同學(xué)，編程能力會有超出常人的進(jìn)步，增加了他們就業(yè)的砝碼，大賽獲獎同學(xué)現(xiàn)在有的在百度、騰訊、華為等大公司工作，很好地適應(yīng)了工作環(huán)境。我們學(xué)院這兩年也組織了兩屆ACM程序設(shè)計大賽，通過大賽向廣大同學(xué)宣傳了軟件設(shè)計比賽和相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的知識，提高了他們學(xué)習(xí)這門課程的熱情，更好地走上軟件卓越工程師之路。在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，除了安排綜合案例的設(shè)計之外，我們也從競賽的試題中選擇適合學(xué)生設(shè)計的題目，提高他們解決實際問題的能力，有效地夯實了他們的基本功。

6提高軟件工程專業(yè)素質(zhì)

首先，我們注重培養(yǎng)學(xué)生良好的軟件開發(fā)習(xí)慣。在相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的實施過程中，要養(yǎng)成加注釋、“見名知意”、代碼的可讀性等良好習(xí)慣。其次，注重軟件工程思想的培養(yǎng)，很重要的一個思想就是“分而治之”，問題定義、功能劃分、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)選取、算法設(shè)計、編碼和測試基本解決軟件設(shè)計問題的工程化思想要時刻牢記。同時，還要培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊意識，讓大家懂得分享知識的重要性，課下相互討論，彌補(bǔ)思路上的盲點。我們?yōu)閷W(xué)生建立了網(wǎng)上的QQ群，如軟件學(xué)院ACMer、哈理工大學(xué)軟件設(shè)計群等。這些平臺的搭建使學(xué)生更好地交流，培養(yǎng)了他們與人溝通的能力。最后，最重要的一點就是激發(fā)學(xué)生主動獲取知識的求知欲，最重要的是我們用CDIO教育理念和培養(yǎng)軟件卓越工程為目標(biāo)完成教學(xué)之后，學(xué)生癡迷于鍵盤和鼠標(biāo)，真正獲取了能夠捕食的“漁”和“獵槍”———工程實踐的能力。

三教學(xué)效果

變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生的參與度和主動性，明確了學(xué)習(xí)動機(jī)，學(xué)習(xí)效率大幅度提高。學(xué)生在課堂上積極主動地思考，課下能夠主動找老師提出自己的設(shè)計方案，同老師討論案例問題的優(yōu)化思路。能夠在老師的指導(dǎo)下，參與到實戰(zhàn)性的程序競賽中，把學(xué)到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的知識應(yīng)用到其中。通過2009和2010級兩屆學(xué)生的培養(yǎng)，使他們夯實了成為軟件卓越工程師的基本功，為后續(xù)專業(yè)方向課程（如：J2EE、NET、嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)等）的開設(shè)打下堅實的基礎(chǔ)，學(xué)生們也可以更快地在掌握相關(guān)方向，設(shè)計出相應(yīng)軟件。在CDIO工程化的教育理念下，學(xué)生的主觀創(chuàng)新能力得到充分提高。在創(chuàng)新實驗設(shè)計中有的同學(xué)將案例“旅游信息導(dǎo)航系統(tǒng)”拓展為“智能旅游一站式服務(wù)系統(tǒng)”，拓展了目前軟件的功能，有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]金靜，楊朝霞.現(xiàn)代教學(xué)模式與CDIO理念在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中的實踐[J].高等教育，2011（5）：144-146.

[2]顧佩華，沈民奮，李升平.從CDIO到EIP-CDIO：汕頭大學(xué)工程教育與人才培養(yǎng)模式探索[J].高等工程教育研究，2008（1）：12-20.

[3]于波，李陽陽. CDIO工程教育模式在Windows CE嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].大慶社會科學(xué)， 2010（6）：