CDIO理念下的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程實踐教學(xué)改進探索

張小剛

（塔里木大學(xué)　信息工程學(xué)院，新疆　阿拉爾　843300）

?

CDIO理念下的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程實踐教學(xué)改進探索

張小剛

（塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300）

摘要：“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程是我校計算機專業(yè)重要課程之一，也是理論抽象程度較高的課程，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實踐教學(xué)對鞏固和綜合運用理論知識至關(guān)重要.本文通過國內(nèi)外兩所高校數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程實踐教學(xué)的比較，針對我校數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實踐教學(xué)中存在的弊端，借鑒現(xiàn)代高等工程教育CDIO模式的理念，結(jié)合多年的教學(xué)實踐經(jīng)驗，提出了“任務(wù)驅(qū)動”教學(xué)法來改進我校數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實踐教學(xué)，提高學(xué)生對知識的綜合運用能力.

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；實踐教學(xué)改進；任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法

2015年9月我被國家留學(xué)基金委派往渥太華大學(xué)工程學(xué)院進行高等教育教學(xué)法研修，歷時3個月.研修過程中，我對渥大電子工程與計算機學(xué)院數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程進行了隨堂聽課，與我校數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)比較后，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)我校學(xué)生綜合運用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及相關(guān)算法知識解決實際問題的能力明顯不足，認為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實踐教學(xué)部分很有必要進行改進.由于《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》是計算機專業(yè)一門重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，介于數(shù)學(xué)、計算機硬件和軟件三者之間，涉及數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)和操作實現(xiàn)、查找和排序技術(shù)，是非數(shù)值計算程序設(shè)計和編譯程序、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)系統(tǒng)及其他系統(tǒng)程序和大型應(yīng)用程序的應(yīng)用基礎(chǔ).該課程涉及面廣，內(nèi)容繁雜，一直被學(xué)生認為是一門難學(xué)、難懂的課程.通過研究分析，我們發(fā)現(xiàn)造成這種現(xiàn)象的原因主要集中在兩點，一是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及依附于其上的各種算法比較抽象，有一定的難度，理論課堂講解過程中學(xué)生難以理解.二是由于現(xiàn)階段國內(nèi)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程以傳授知識、利用偽代碼描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為主，以一定的編程實踐為輔的教學(xué)模式強調(diào)理論教學(xué)，導(dǎo)致實踐環(huán)節(jié)不夠，造成學(xué)生動手設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法并編程解決問題的能力較差.

1　中外數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實踐教學(xué)比較

現(xiàn)將國內(nèi)我校與渥大電子工程與計算機學(xué)院數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)進行比較.

1.1國內(nèi)高校數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實踐課程介紹

國內(nèi)我校一般將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上機實踐操作分為兩種方法，一種是課堂實驗，包括為了掌握基本的教學(xué)內(nèi)容和驗證當前所學(xué)知識點的驗證型實驗和為了培養(yǎng)基本問題求解能力需要運用多個相關(guān)知識點解決問題的綜合型實驗；第二種是為了靈活運用所學(xué)知識解決實際問題的設(shè)計型實驗（課程設(shè)計），課程設(shè)計一般放在教學(xué)內(nèi)容完成后，單設(shè)課程設(shè)計實驗課用兩周時間來完成.

在國內(nèi)高校日常教學(xué)中，課程實踐一般都是布置針對本次課堂教學(xué)內(nèi)容的小型練習(xí)題進行實驗，讓學(xué)生獨立完成程序設(shè)計與實現(xiàn).這樣的實踐主要存在兩方面問題：第一，練習(xí)題所需要用到的知識點就是課堂教學(xué)剛講授過的內(nèi)容，學(xué)生只要直接拿來用就可以.這種實踐是驗證性的，比較簡單直接，對學(xué)生自主性和創(chuàng)新性訓(xùn)練設(shè)計思想鍛煉較少.第二，學(xué)生獨自完成小型程序，雖然可以在一定程度上鍛煉編程能力，但這個鍛煉的層次和涉及面都比較窄.部分數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)只有在處理大規(guī)模輸入的復(fù)雜問題時才能體現(xiàn)出優(yōu)勢，編寫小型程序很難使學(xué)生真正認識到該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存在的意義［1］.

1.2渥太華大學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實踐課程介紹

這次在加拿大渥太華大學(xué)進行教學(xué)法的學(xué)習(xí)，通過跟蹤渥太華大學(xué)教授數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)，發(fā)現(xiàn)他們對實踐環(huán)節(jié)特別重視，實踐課占到了總課程的一半以上.他們授課分為Lecture（32學(xué)時，主要集中在秋學(xué)期），Tutorial（討論課，8周，8學(xué)時），Laboratory（隨堂實驗，32學(xué)時，大多在晚上，秋學(xué)期），Comprehensiveexperiment（四周時間，冬學(xué)期）等多種形式.

Lecture一般是教授講課，類似與我們的課堂教學(xué)，十幾個、幾十個學(xué)生聽.學(xué)生可以隨時提出問題打斷教授講課，主要講授基本原理和知識點.

Tutorial一般就是小組討論，通常是由教學(xué)助理帶領(lǐng)學(xué)生對Lecture里教授講的東西進行討論、學(xué)習(xí)，形式比較隨意，氣氛很好，學(xué)生發(fā)言很積極.

Laboratory就是實驗課程，根據(jù)課程的不同在不同的實驗室完成，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要在機房完成.實驗課主要是由實驗助理講授實驗內(nèi)容，學(xué)生再根據(jù)要求完成實驗，課堂上可以隨時向助理提問，學(xué)生之間可以商量.

Comprehensiveexperiment就是課程設(shè)計，一般有四周時間，通常在實驗室進行，時間段放在考試之前.實驗室在學(xué)生實驗時間全部開放，上班時間都可以去，直到實驗完成得到實驗助教的認可（實驗助教每天下午去）.綜合實驗課程一般由教授給出題目，要求學(xué)生根據(jù)興趣進行自由分組，一般不超過4人，分組后學(xué)生進行討論、分工，體現(xiàn)自己獨立完成工作的基礎(chǔ)上合作完成總?cè)蝿?wù)，由實驗助教打分認可，該成績作為考試總成績的一部分體現(xiàn)出來.

2　改進措施

通過與國內(nèi)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程實踐教學(xué)的比較，發(fā)現(xiàn)渥太華大學(xué)工程學(xué)院教學(xué)過程中能充分發(fā)揮學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，這一點給我留下了很深的印象.通過借鑒他們的教學(xué)理念和教學(xué)思路，同時結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程本身特點及國內(nèi)我校學(xué)生的實際情況，就我校加強數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實踐教學(xué)提出以下改進措施.

2.1借鑒CDIO理念加強實踐課程設(shè)計

CDIO意思即構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實施（Implement）與運行（Operate），作為2000年以來興起的一種新的工程人才培養(yǎng)理念，CDIO強調(diào)工程專業(yè)學(xué)生個人的綜合知識運用和終身學(xué)習(xí)能力、團隊合作和人際交往能力必須在真實的工程實踐中鍛煉和培養(yǎng)［2］.基于當前工程教育中存在的重理論輕實踐的現(xiàn)狀，CDIO模式通過構(gòu)思、設(shè)計、實施及運作過程來保證學(xué)生工程能力的培養(yǎng)，該工程能力包含學(xué)生的工程知識掌握能力、終生學(xué)習(xí)能力、團隊合作交流能力和大系統(tǒng)掌控能力.

就教學(xué)方法而言，CDIO堅持把工程科學(xué)基礎(chǔ)和工程專業(yè)知識緊密地揉合在一起進行教學(xué)，強調(diào)實踐、強調(diào)設(shè)計、強調(diào)過程，通過這些訓(xùn)練，可使學(xué)生將所學(xué)知識和所需知識有機地融合在一起，全面地提高自己.實踐設(shè)計要求必須加強實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)才能內(nèi)化所學(xué)知識，加強實際解決問題能力的培養(yǎng)［3］，因此，在CDIO理念的指導(dǎo)下，通過對以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為核心的任務(wù)設(shè)計與實現(xiàn)過程的訓(xùn)練，可以培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及程序設(shè)計等課程的知識、能力與方法，切實提高自己分析問題、任務(wù)建模、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、算法設(shè)計、程序?qū)崿F(xiàn)、調(diào)試測試等環(huán)節(jié)的水平與能力［4］.

2.2引入“任務(wù)驅(qū)動”法進行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)綜合實驗

借鑒CDIO的實踐設(shè)計理念，針對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點和綜合實驗綜合運用的要求，采用“任務(wù)驅(qū)動”法設(shè)計綜合實驗課程.

“任務(wù)驅(qū)動”法就是將傳統(tǒng)灌輸式教學(xué)的以教師為主導(dǎo)的教學(xué)方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐越鉀Q問題、完成任務(wù)為主的以學(xué)生為主的師生互動的教學(xué)方法，充分調(diào)動和發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，要求每個學(xué)生根據(jù)自己的問題，運用所學(xué)的知識和自己的經(jīng)驗提出方案、解決問題［5］.我們設(shè)計的任務(wù)驅(qū)動教學(xué)實踐環(huán)節(jié)包括“提出任務(wù)－分解任務(wù)－完成任務(wù)－展示、評判－分析、探討、修改”5個階段.

第一階段：提出任務(wù).這部分教師給出任務(wù)背景，把本實驗題目背景知識連同主要知識點提取出來，并融入到每個具體的任務(wù)中，教師一般只給任務(wù)書而不提供指導(dǎo)書.班級同學(xué)根據(jù)興趣分成任務(wù)小組，以3-5人為一個分組，適當調(diào)整優(yōu)勢互補，分工合作，工作圍繞這些任務(wù)的實施展開.提出的任務(wù)應(yīng)與現(xiàn)實生活緊密相關(guān)，能充分調(diào)動學(xué)生的積極性.例如：停車場管理，超市收費模擬與分析、校園地圖信息查詢等任務(wù).這一部分要注意“任務(wù)”的明確性和可操作性.

第二階段：任務(wù)分解.學(xué)生通過分析分給自己的任務(wù)，了解任務(wù)的背景知識，所需知識點，規(guī)劃解決任務(wù)的方案和步驟等.每一個任務(wù)小組要根據(jù)自己的研究任務(wù)制定研究方案，并將任務(wù)分配到個人，并做好研究準備工作.在此階段教師以指導(dǎo)教師的身份出現(xiàn)，通過巡回指導(dǎo)觀察學(xué)生操作情況.

第三階段：完成任務(wù).將整個小組的大任務(wù)根據(jù)人數(shù)分成多個小任務(wù)，并將具體任務(wù)模塊化，小組內(nèi)部對每個任務(wù)進行分析、研究、討論，進行概括和總結(jié)，從中得出小組內(nèi)部的結(jié)論，提出組內(nèi)設(shè)計方案，并分給個人逐個完成，在完成過程中同學(xué)之間可以合作，學(xué)生完成這些任務(wù)的同時，無形中提高了他們的動手能力和合作精神.

第四階段：展示、評判.學(xué)生在展示過程中應(yīng)給出各種具體情況的測試案例，包括項目的準備、項目實施過程中遇到和解決的各種疑難問題、自己所負責(zé)模塊的運行效果等等.展示方式可以是小論文、多媒體演示、實驗報告、程序運行模塊等，但應(yīng)該包括任務(wù)內(nèi)容（做什么），算法說明（怎么做），即為解決問題所需要用到的算法和重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，測試結(jié)果（測試方法和結(jié)果），應(yīng)列出不同算法在同一指標下的性能表現(xiàn).應(yīng)包括測試輸入、測試目的、正確輸出、實際輸出、錯誤原因等等.

第五階段：分析、探討、修改.展示完成后，教師和別的小組的同學(xué)根據(jù)展示進行分析、討論，給出評判和建議，學(xué)生根據(jù)評判和建議進行修改.這一部分除了對測試結(jié)果進行分析外，還要求學(xué)生不局限于題目要求使用的算法，探討更多解決問題的途徑，或者提出自己的見解，給出可能的改進算法建議.學(xué)生通過這一階段工作可以了解自己及別的小組的任務(wù)完成情況，對比、分析，得到啟迪，提高自己分析和解決問題的能力［6］.

3　結(jié)束語

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實踐教學(xué)是該課程教學(xué)的重要組成部分，作者通過在渥太華大學(xué)工程學(xué)院跟班聽課，發(fā)現(xiàn)與國外對比國內(nèi)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)有所欠缺，尤其是實踐設(shè)計環(huán)節(jié)偏少，導(dǎo)致學(xué)生動手設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法并解決實際問題能力較差.特此分析后，結(jié)合CDIO卓越工程師培養(yǎng)能力、知識、態(tài)度一體化，強調(diào)系統(tǒng)性、綜合性、實踐性與創(chuàng)新性相結(jié)合的理念，針對國內(nèi)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實踐課程教學(xué)提出一種以“任務(wù)驅(qū)動”的小組合作實踐設(shè)計教學(xué)模式.該模式從任務(wù)提出，任務(wù)分解，任務(wù)完成，任務(wù)展示、評判，任務(wù)分析、探討、修改五個環(huán)節(jié)融合了任務(wù)驅(qū)動和小組合作方式，對引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣、提高“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程實踐教學(xué)效果具有促進作用.

參考文獻：

〔1〕張銘，耿國華，陳衛(wèi)衛(wèi)，胡學(xué)鋼.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程教學(xué)實施方案［J］.中國大學(xué)教學(xué)，2011（3）：56-60.

〔2〕陶勇仿，商存惠.CDIO大綱對高等工科教育創(chuàng)新的啟示［J］.中國高教研究，2006（11）：81-83.

〔3〕李曼麗.用歷史解讀CDIO及其應(yīng)用前景［J］.清華大學(xué)教育研究，29（5）：78-86.

〔4〕教育部高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會.高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)核心課程教學(xué)實施方案［M］.北京：高等教育出版社，2009.

〔5〕陸靜霞.任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法的探索與實踐—以數(shù)字電路實驗教學(xué)為例［J］.農(nóng)機化研究，2006（4）：218-219.

〔6〕陳越，何欽銘，馮雁.“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”綜合性課程設(shè)計教學(xué)探索與實踐［J］.計算機教育，2008（8）：54-55.

中圖分類號：TP311

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）05-0020-02

收稿日期：2016-02-06

基金項目：國家留學(xué)基金委2015（第5期）高等教育教學(xué)法出國研修項目（工程類）