“卓越工程師”背景下《算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)改革與實踐

熊杰，王圓妹，杜紅，謝凱，伍鵬 （長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北荊州434023）

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（以下簡稱 “卓越計劃”），是貫徹落實國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要 （2010～2020）的重大改革項目，旨在面向工業(yè)界、面向世界、面向未來，培養(yǎng)一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才［1，2］。

長江大學(xué)電子信息工程專業(yè)于2011年獲批 “湖北省戰(zhàn)略性新興支柱產(chǎn)業(yè)計劃項目”（以下簡稱 “信工產(chǎn)”），2013年3月獲批教育部 “卓越計劃”?！端惴ㄅc數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》是電子信息專業(yè)軟件方向的重要課程，對培養(yǎng) “創(chuàng)新型”和“應(yīng)用型”復(fù)合人才具有舉足輕重的地位。然而在實際教學(xué)中，《算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程面臨很多問題，學(xué)生普遍感覺難學(xué)，教學(xué)效果不太理想［3，4］。為了達到培養(yǎng)目標，筆者在課堂教學(xué)、實踐教學(xué)和考核方式等方面進行教學(xué)改革，并在教學(xué)實施過程中不斷地修改完善。

1 開展項目驅(qū)動型教學(xué)，提高學(xué)生興趣

CDIO是一種新型的國際化高等工程教育模式，其含義為構(gòu)思 （Conceive）、設(shè)計 （Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate），以工程設(shè)計任務(wù)為導(dǎo)向，以項目驅(qū)動型教學(xué)方式培養(yǎng)學(xué)生的工程能力。

1．1 以工程任務(wù)為主線

《算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》是一門理論難度高、實踐性很強的課程［5］。傳統(tǒng)的層層推進的教學(xué)方式，易造成學(xué)生對知識層次的理解不夠全面。長時間面對一個個孤立且高難度的知識點，容易使學(xué)生在全面建立知識框架之前就對該課程失去興趣。

以一個中等規(guī)模的軟件開發(fā)工程任務(wù)為主線，將以前孤立的教學(xué)內(nèi)容作為子模塊融入到該工程任務(wù)中。學(xué)生通過主動查閱資料、請教老師和同學(xué)等方式，逐步完成各個子模塊的開發(fā)任務(wù)。在該過程中，學(xué)生的求知欲強烈，積極性得到極大的提高。在軟件開發(fā)工程任務(wù)主線的引導(dǎo)下，學(xué)生能夠深刻的理解所學(xué)的各個孤立知識點在整個軟件開發(fā)任務(wù)中的地位和作用，從而做到 “胸有成竹”。

以運動會賽事安排系統(tǒng)設(shè)計為例，工程項目子模塊名稱及其對應(yīng)的知識點如表1所示。其中，采用“順序表”存儲學(xué)生和賽事基本信息，對這些信息的增加、刪除、修改均涉及到 “順序表”的基本操作；采用“鏈表”存儲學(xué)生參賽報名信息，對這些信息的增加、刪除、修改均涉及到 “鏈表”的基本操作；錄入上述信息時，先將錄入的數(shù)據(jù)暫時存儲在 “隊列”中，再將數(shù)據(jù)依次存儲到順序表和鏈表中，該子模塊涉及到 “隊列”的基本操作；該軟件提供查詢功能，可查詢顯示各個賽事報名人員的名單，查詢顯示時，先將學(xué)生參賽報名信息按班級排序，再轉(zhuǎn)換成 “樹”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲，最后顯示輸出，該模塊涉及到“樹”的基本操作；最后，將上述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 “圖”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲，編寫相應(yīng)的算法，實現(xiàn)賽事安排，該模塊涉及到 “圖”的基本操作。

表1 工程項目子模塊及其對應(yīng)的知識點

1．2 啟發(fā)式教學(xué)方式

1）問題為導(dǎo)向。以工程任務(wù)為主線，通過設(shè)計合適的問題，引導(dǎo)學(xué)生積極、主動的進行探索性的學(xué)習，通過解決實際問題獲得知識。設(shè)計合理的問題可以引導(dǎo)學(xué)生積極思考、主動學(xué)習、逐步完善知識結(jié)構(gòu)。表2列舉了筆者設(shè)計的部分問題。

表2 問題設(shè)置舉例

2）分組教學(xué)。將學(xué)生分成幾個項目組，每組3人，每組選一個組長。小組成員在組長的帶領(lǐng)下，完成項目的分析、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義、算法設(shè)計、編碼實現(xiàn)和軟件測試等整個軟件開發(fā)流程。教師則充當總工程師和技術(shù)咨詢的角色，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。通過分組教學(xué)的方式，培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作能力、工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

3）互動式教學(xué)。預(yù)留充足的時間，讓學(xué)生上講臺講解該小組項目的實施過程、分析所遇到的困難和采取的解決措施。該過程中，其他同學(xué)可積極提問，或提出自己的見解。教師則充當點評者的角色，在恰當?shù)臅r候?qū)W(xué)生的實施方案、技術(shù)路線和解決方法進行點評。通過互動式教學(xué)，讓每個學(xué)生參與到教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，提高學(xué)生學(xué)習的主動性。

1．3 提高教師CDIO 能力

教師的素質(zhì)是CDIO 教學(xué)成敗的關(guān)鍵。教師應(yīng)通過參與科研項目、參加項目實訓(xùn)等方式提高自身的項目經(jīng)驗。只有這樣，教師才能在教學(xué)中游刃有余，將自己親身的項目開發(fā)經(jīng)驗介紹給學(xué)生，有效的引導(dǎo)學(xué)生以工程師的視角分析問題、解決問題。

2 改革實踐教學(xué)，提高動手能力

實踐教學(xué)是高校人才培養(yǎng)方案的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生基本技能、工程能力、創(chuàng)新精神，提高學(xué)生綜合素質(zhì)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)［6］?！端惴ㄅc數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程實踐教學(xué)存在如下問題［7］：課程難度大、學(xué)生畏難情緒嚴重；學(xué)生編程能力不足且個體差異較大；實驗多以驗證性為主，題目設(shè)計不合理；教師人手不夠，現(xiàn)場指導(dǎo)顧此失彼；實驗學(xué)時不夠；考核機制不完善。

為了培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力，以工程任務(wù)為主線，優(yōu)化調(diào)整實驗內(nèi)容，改變實驗教學(xué)方法，將實驗分為基礎(chǔ)性實驗、設(shè)計性實驗、綜合性實驗和課程設(shè)計4個層次，如表3所示。

表3 《算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》多層次實驗體系

基礎(chǔ)性實驗主要利用課外時間自習完成，既能夠解決實驗任務(wù)重、實驗學(xué)時不夠的矛盾，又能夠充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習積極性和自主性，鍛煉與培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)編程能力，為后續(xù)實驗打下堅實的基礎(chǔ)。設(shè)計性實驗和綜合性實驗采用分組的方式進行，既可培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作能力和工程實踐能力，也可在一定程度上克服教師人手不足的問題。在上述3個階段的實踐環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，最后利用2周集中的時間，開展課程設(shè)計，可進一步地培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

3 改革考核方式，全面評價學(xué)生綜合能力

傳統(tǒng)的考核方式期末考試成績占比過大，不利于考核學(xué)生的工程實踐能力。為保證教學(xué)效果，參照CDIO 標準，綜合考核學(xué)生的基本個人能力、人際能力、軟件開發(fā)能力和理論知識的掌握程度，設(shè)計出多元化的考核機制。該課程的考核方式如下：平時成績，占10%，包括出勤和作業(yè)；過程考核成績，占60%，過程考核成績由項目自評分和教師評定分2部分組成，項目自評分由組長根據(jù)成員的團隊合作能力、實際工程能力、創(chuàng)新能力評定并由組員認可，教師評定分根據(jù)各小組對項目的完成情況、項目陳述的效果、項目工作報告等進行評定；期末考試成績，占30%，采用傳統(tǒng)的考試方式，考核學(xué)生對于理論知識的掌握情況、算法設(shè)計和編程等實際動手能力。

通過強化教學(xué)過程的考核，控制每個教學(xué)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生提高學(xué)習的自主性，培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作能力、工程實踐能力和創(chuàng)新能力。有效避免學(xué)生平時不努力、期末突擊備考的現(xiàn)象，提高教學(xué)效果。

4 改革成效

綜合采用以上各項措施，學(xué)生學(xué)習興趣高漲，上課出勤率明顯提高，接近100%；課堂上積極思考、回答問題，課堂氣氛更加活躍；課程考核成績優(yōu)良的學(xué)生比例從80%提高到95%以上；課程設(shè)計成績優(yōu)良比例從85%提高到92%。學(xué)生對教師評價也明顯提高，網(wǎng)上評教均為100分。

5 結(jié)語

針對 《算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)中不足，以教育部 “卓越工程師培養(yǎng)計劃”為導(dǎo)向，提出從項目驅(qū)動型教學(xué)、實踐教學(xué)和考核方式等方面對該課程教學(xué)進行改革，通過電子信息工程專業(yè) “信工產(chǎn)”和“卓越計劃”等實驗班的幾輪教學(xué)實踐檢驗，全面提升了學(xué)生的實際工程能力和創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)卓越的電子工程工程師奠定了基礎(chǔ)。

［1］林建．談實施 “卓越工程師培養(yǎng)計劃”引發(fā)的若干變革 ［J］．中國高等教育，2010 （17）：30～32．

［2］林建．“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”專業(yè)培養(yǎng)方案研究 ［J］．清華大學(xué)教育研究，2011，32 （2）：47～55．

［3］伍鵬，謝凱．數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)應(yīng)注意的幾個問題 ［J］．軟件，2012，33 （5）：123～124．

［4］伍鵬，謝凱．《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)思考 ［J］．長江大學(xué)學(xué)報 （自科版），2011，8 （12）：139～140．

［5］馮瑩瑩，張軍．《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教學(xué)改革探討 ［J］．長江大學(xué)學(xué)報 （自科版），2012，9 （12）：173～174，177．

［6］余厚全，吳凌云，陳永軍．電子信息類專業(yè)實驗教學(xué)的幾點思考 ［J］．實驗室研究與探索，2009，28 （6）：102～104．

［7］沈華．數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課內(nèi)實踐教學(xué)方案 ［J］．實驗室研究與探索，2013，32 （10）：396～400．