工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程改革探索與分析

李照奎，吳杰宏，王 巖，趙 亮，范純龍，劉 芳

（沈陽航空航天大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

0 引 言

在我國，工程教育專業(yè)認(rèn)證是由專門的職業(yè)或行業(yè)協(xié)會同該領(lǐng)域的教育工作者及企業(yè)專家一起進(jìn)行的，針對高等教育本科工程類專業(yè)開展的一種合格評價。教育部從2007年開始重點(diǎn)推行“工程教育認(rèn)證”，旨在提高我國高校的工程教育質(zhì)量，同時提升我國工程人才的國際競爭力[1]。近年來，結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證的指標(biāo)體系[2]，越來越多從事計算機(jī)專業(yè)教學(xué)的學(xué)者們紛紛就基于工程教育認(rèn)證的計算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)模式進(jìn)行了研究與探討。張旭[3]就工程教育認(rèn)證背景下操作系統(tǒng)教學(xué)改革進(jìn)行了有益的探索，提出了基于網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺的多種模式相結(jié)合的教學(xué)方式。劉永彬等人[4]就工程教育認(rèn)證下的應(yīng)用型軟件人才培養(yǎng)模式進(jìn)行了探索。羅衛(wèi)蘭等人[5]深入研究了專業(yè)認(rèn)證下的計算機(jī)專業(yè)課程體系改革。趙姝等人[6]在面向工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，重點(diǎn)對計算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)課程的建設(shè)進(jìn)行了研究。陳淑紅等人[7]對工程教育專業(yè)認(rèn)證驅(qū)動下的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)進(jìn)行了研究。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、軟件工程專業(yè)甚至于其他電氣信息類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，它所討論的知識內(nèi)容和提倡的技術(shù)方法，無論對進(jìn)一步學(xué)習(xí)計算機(jī)領(lǐng)域的其他課程，還是對從事大型信息工程的開發(fā)，都是重要而必備的基礎(chǔ)。因此，如何結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證，更好地對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程進(jìn)行改革，從而提高學(xué)生分析解決實際工程問題的能力顯得尤為迫切。

1 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)存在的問題

1.1 過度依賴“PPT加板書”模式

教師通過PPT進(jìn)行主要內(nèi)容的講解，針對復(fù)雜問題再配以板書講解，通常可以較好地解決教學(xué)過程中“教”的過程，但并不能很好地保證“學(xué)”的質(zhì)量，尤其在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下顯得更為突出。

1.2 考核方法單一且低效

傳統(tǒng)教學(xué)中，作業(yè)與考試主要通過紙質(zhì)媒介進(jìn)行，考核方法單一，且效率低下。作業(yè)抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，考試也只是滿足于算法思想的描述，算法代碼往往無法正常運(yùn)行。

1.3 實驗環(huán)節(jié)的優(yōu)勢與不足

實驗環(huán)節(jié)是傳統(tǒng)教學(xué)中一項可以提高學(xué)生實際編程能力的手段，但由于缺乏必要的驗證手段，往往是一名教師應(yīng)付多個相同版本的檢查，最后變成幾個學(xué)生做出一個標(biāo)準(zhǔn)版，其他學(xué)生在界面上稍作修改應(yīng)付檢查。

1.4 成績分析粒度不夠精細(xì)

由于考核方式單一，成績統(tǒng)計工作量繁雜，在傳統(tǒng)教學(xué)中很難實現(xiàn)成績的細(xì)粒度分析，而這往往導(dǎo)致教師不能更好地發(fā)現(xiàn)教學(xué)中出現(xiàn)的問題，無法及時地發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)中隱含的問題。

2 結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)改革

由于專業(yè)認(rèn)證主要是以畢業(yè)生的培養(yǎng)質(zhì)量來衡量教育目標(biāo)是否能實現(xiàn)。因此首先要梳理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程與畢業(yè)要求之間的關(guān)系，進(jìn)而提出本課程的教學(xué)目標(biāo)，然后再針對教學(xué)目標(biāo)，設(shè)置各種培養(yǎng)手段和考核方式。表1是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程所涉及的畢業(yè)要求中指標(biāo)點(diǎn)與課程教學(xué)目標(biāo)之間的對應(yīng)關(guān)系，表2是基于畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)設(shè)置的3個教學(xué)目標(biāo)。

從表1中可以看出，專業(yè)認(rèn)證更看重的是工程實踐能力的培養(yǎng)，以及分析解決問題能力的提高。針對傳統(tǒng)教學(xué)中的問題，以及工程教育專業(yè)認(rèn)證的指標(biāo)要求，特從以下幾個方面進(jìn)行改革。

2.1 采用“課堂加機(jī)房”授課模式

針對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論性和實踐性都很強(qiáng)的特點(diǎn)，采用“課堂加機(jī)房”的授課模式，一方面利用傳統(tǒng)的“PPT加板書”模式（課堂部分）來講解理論部分，另一方面通過在機(jī)房邊講邊練的方式，來解決學(xué)生編程中遇到的具體問題。機(jī)房授課方式很好地解決了學(xué)生不會編寫可運(yùn)行代碼、不會調(diào)試的頑疾，但帶來的負(fù)面影響是上課節(jié)奏偏慢，課程進(jìn)度受到挑戰(zhàn)。因此，機(jī)房授課一定要精選算法案例，遇到比較難的問題，要提前發(fā)給學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)?？偟膩碚f“課堂加機(jī)房”模式較好地解決了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)過程中的“教”與“學(xué)”的矛盾。

2.2 CG系統(tǒng)的引入與題庫的構(gòu)建

表1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程畢業(yè)要求中指標(biāo)點(diǎn)與課程教學(xué)目標(biāo)間對應(yīng)關(guān)系

表2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)目標(biāo)

為了提高學(xué)生的實際編程能力，提高學(xué)生分析、設(shè)計及解決問題的能力，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程采用CG[8]系統(tǒng)實現(xiàn)在線提交作業(yè)與在線考試。CG（Coures Grading）系統(tǒng)擁有程序自動評測、相似性比較、并行程序自動評判等功能，是一款具有專業(yè)深度、安全可靠的計算機(jī)類課程一體化支撐平臺。通過該平臺，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程團(tuán)隊基于知識點(diǎn)構(gòu)建了完整的題庫，該題庫在構(gòu)建過程中充分考慮了學(xué)生畢業(yè)要求的指標(biāo)點(diǎn)，力求更好地完成每個教學(xué)目標(biāo)。設(shè)計多分支覆蓋的高質(zhì)量用例，配合完成程序自動評測，充分驗證學(xué)生編寫程序的準(zhǔn)確性，極大地提高了學(xué)生的編程能力。

2.3 基于CG系統(tǒng)的多種考核方式

課程設(shè)置了平時普通作業(yè)、平時計分作業(yè)、實驗、平時考試及期末考試等多種考核方式。其中平時普通作業(yè)由任課教師自由布置，不計入學(xué)生的總分。表3是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程各部分考核的分值分配。 針對平時計分作業(yè)，學(xué)生可以充分利用課外時間進(jìn)行編程訓(xùn)練，無形中拓寬了學(xué)生學(xué)習(xí)的時間長度。CG系統(tǒng)的“相似性比較”功能可以很好地規(guī)避抄襲行為的發(fā)生，能力強(qiáng)的學(xué)生會自然生出學(xué)習(xí)的自豪感，能力弱的學(xué)生由于擔(dān)心查重，也變得更加主動?？傮w上扭轉(zhuǎn)了傳統(tǒng)教學(xué)中平時“放羊”式的學(xué)習(xí)狀態(tài)。 針對實驗環(huán)節(jié)，類似于平時計分作業(yè)，但強(qiáng)調(diào)集中在實驗課堂進(jìn)行，這主要從兩個方面考慮：一方面通過實驗指導(dǎo)，可以更好地解決學(xué)生在編程中遇到的問題，另一方面也是教師掌握學(xué)生薄弱環(huán)節(jié)的一種有效途徑。由于同樣采用CG自動評判和相似性比較，極大地減輕了教師的工作量，也較好地避免了抄襲行為的發(fā)生，對整體學(xué)生能力的提升起到了重要的作用。 針對平時考試和期末考試環(huán)節(jié)，主要用來考查學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，在傳統(tǒng)教學(xué)中，由于采用紙質(zhì)試卷，每場考試從出題、派考、監(jiān)考、批改及評卷，往往要耗費(fèi)大量精力，而最關(guān)鍵的是由于都在紙上答題，不能更好地考核學(xué)生的實際能力。

表3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程各部分考核分值分配

2.4 精細(xì)粒度的成績分析

由于CG系統(tǒng)的采用，所有成績都可以很容易導(dǎo)出，這里可以包括每次試卷中的每一道題，甚至細(xì)化到每一道小題，由于在設(shè)計題庫時是按照知識點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)來設(shè)計的，因此可以很方便地從多個粒度來進(jìn)行成績分析；而分析結(jié)果，可以更清楚地看出課程的教學(xué)效果是否達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，是否滿足畢設(shè)要求對應(yīng)的指標(biāo)點(diǎn)。

3 立足于工程教育專業(yè)認(rèn)證的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)效果分析

針對2017—2018（1）學(xué)年2016級的9個班級273名同學(xué)，抽樣40%的學(xué)生進(jìn)行達(dá)成情況分析，具體的課程畢業(yè)要求分解指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成情況評價表見表4。本課程支撐的3個指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成效果如圖1所示，其中學(xué)生運(yùn)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本原理知識解決圖和二叉排序的實際問題的能力（指標(biāo)點(diǎn)2-2）及基于算法基本思路、原理設(shè)計和實現(xiàn)算法的能力（指標(biāo)點(diǎn)4-2）相對較好，但學(xué)生對概念、原理的掌握不夠靈活，投入的精力也不夠，因而指標(biāo)點(diǎn)1-3的達(dá)成情況不夠理想，說明學(xué)生數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的邏輯思維能力還需加強(qiáng)。

圖1 課程畢業(yè)要求分解指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成情況柱狀圖

4 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中存在的問題，結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證背景，對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程進(jìn)行了教學(xué)改革。通過采用“課堂加機(jī)房”授課模式較好地解決了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)過程中的“教”與“學(xué)”的矛盾。CG系統(tǒng)的引入與題庫的構(gòu)建，可以充分驗證學(xué)生編寫程序的準(zhǔn)確性，極大地提高了學(xué)生的編程能力?；贑G系統(tǒng)的多種考核方式全方位地提高了學(xué)生分析及解決問題的能力。精細(xì)粒度的成績分析可以更清楚地看出課程的教學(xué)效果是否達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，是否滿足畢設(shè)要求對應(yīng)的指標(biāo)點(diǎn)。從實際運(yùn)行效果看，課程改革起到了較好的作用，達(dá)到了工程教育專業(yè)認(rèn)證中相關(guān)指標(biāo)點(diǎn)要求。

表4 課程畢業(yè)要求分解指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成情況評價表