符合工程認(rèn)證要求的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》課程教學(xué)改革

常晨霞，丁晉湘，王萬升

(云南民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,云南 昆明 650500)

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的工程教育質(zhì)量保障制度，也是實(shí)現(xiàn)工程教育國際互認(rèn)和工程師資格國際互認(rèn)的重要基礎(chǔ).工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心就是要確認(rèn)工科專業(yè)畢業(yè)生達(dá)到行業(yè)認(rèn)可的既定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，是一種以培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)出口要求為導(dǎo)向的合格性評價.2006 年，中華人民共和國教育部發(fā)布《關(guān)于成立教育部工程教育認(rèn)證專家委員會的通知》 ，我國開始開展工程教育專業(yè)認(rèn)證工作.2016年，我國正式成為《華盛頓協(xié)議》的第18個成員國，標(biāo)志著我國對工程人才培養(yǎng)的質(zhì)量得到國際認(rèn)同.近年來，大部分高校積極開展工程教育專業(yè)認(rèn)證.“雙一流”的建設(shè)思路更是對大學(xué)培養(yǎng)和學(xué)科建設(shè)提出了任務(wù)要求.專業(yè)認(rèn)證因其“以學(xué)生為中心、以目標(biāo)為導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的建設(shè)思路，“國際互認(rèn)”的最終目標(biāo)，成為建設(shè)“雙一流”的重要指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn).

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》是一門介于數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)軟件和硬件之間的綜合課程是編程的基礎(chǔ)，屬于計(jì)算機(jī)類的核心課程；是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、操作系統(tǒng)等課程的先修課程；也是計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的考研、計(jì)算機(jī)等級考試和程序員考試的必考課程，更是廣泛應(yīng)用于人工智能、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代工業(yè)、科研領(lǐng)域之中.《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》課程內(nèi)容抽象，學(xué)生掌握較為困難，傳統(tǒng)教學(xué)模式為“以教師為主體、教材為中心；以知識傳授為導(dǎo)向，卷面成績?yōu)樵u判”，在該模式的影響下，學(xué)生側(cè)重于理論知識的記憶和書面考試成績的高低，而缺乏運(yùn)用所學(xué)理論知識解決復(fù)雜的實(shí)際工程問題的能力，從而與工程教育專業(yè)認(rèn)證的相關(guān)理念相違背.

1 工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》課程改革

針對傳統(tǒng)授課模式的不足之處，依照工程教育專業(yè)認(rèn)證對學(xué)生的畢業(yè)要求，結(jié)合全國大學(xué)生智能汽車比賽項(xiàng)目主要從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和評價考核3個方面展開.

1.1 教學(xué)內(nèi)容

在原有授課內(nèi)容的基礎(chǔ)之上，對基本概念性、識記性知識點(diǎn)的授課方式改為通過線上慕課視頻的方式開展，并增加智能小車相關(guān)問題提取并實(shí)現(xiàn)教學(xué)環(huán)節(jié).

智能汽車競賽是全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽的創(chuàng)新比賽，是由教育部高等自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會主辦的一項(xiàng)具有導(dǎo)向性、示范性和群眾性的全國競賽.從2006年開始，至今已經(jīng)成功舉辦了15屆.該賽事涵蓋了控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械及車輛工程等多個學(xué)科交叉的競賽，旨在培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識運(yùn)用能力、基本工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識，激發(fā)大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能.學(xué)校自2014年以來已連續(xù)多次參賽并成功承辦2016屆西部賽區(qū)賽事.學(xué)院設(shè)有智能小車實(shí)驗(yàn)室，并配備專門的調(diào)試場地，為本次課程改革的開展提供了有力支撐.

智能小車比賽設(shè)立不同的比賽組別，包括攝像頭組、電磁組、直立組、三車編隊(duì)組、越野組等.對于不同組別的參賽隊(duì)伍，按照各組比賽要求，使用特定公司的微控制器作為核心控制模塊，通過增加道路傳感器、設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動電路、設(shè)計(jì)編寫相應(yīng)軟件和組裝整車，制作一個能夠自動識別道路的智能汽車，按照比賽規(guī)則跑完全程，所用時間最少者為優(yōu)勝.智能汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括3個部分：賽車總體機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng).軟件控制系統(tǒng)是汽車的靈魂，以攝像頭組智能汽車軟件控制為例，一般包括信息采集、處理、賽道識別和自動控制4個部分.智能小車相關(guān)問題提取及說明如下：

1) 起始線識別 起始線能否準(zhǔn)確的檢測到，并轉(zhuǎn)化為停車標(biāo)志，是智能車跑完一圈后能否平穩(wěn)停下來的關(guān)鍵.判斷起始線的方法常有數(shù)黑點(diǎn)法、三段黑線法等.

2) PID控制 根據(jù)識別的賽道信息對小車進(jìn)行自動控制，自動控制包括電機(jī)轉(zhuǎn)向控制和直流電機(jī)控制調(diào)節(jié)速度，電機(jī)轉(zhuǎn)向控制算法一般采用 PID 算法，直流電機(jī)控制算法一般采用二維模糊算法和 PID 算法.

3) 賽道識別 在智能車競賽中室內(nèi)賽道主要包括：直線賽道、曲線彎道、交叉路口、環(huán)島和三叉路口等.

4) 二值優(yōu)化 針對于攝像頭組，系統(tǒng)采集到的圖像信息不能直接用來控制智能車，需要將圖像去噪，去除干擾，運(yùn)用二值優(yōu)化算法提取出賽道黑線后，才能用來控制智能車行駛.

5) 無線組網(wǎng) 無線組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能小車比賽的多車編隊(duì)組，通過運(yùn)用無線技術(shù)，一般為藍(lán)牙組網(wǎng)技術(shù)，對3輛車之間的信息進(jìn)行傳遞，使3輛車按照預(yù)先設(shè)置好的順序運(yùn)行.

6) 無線充電 第17屆全國大學(xué)生智能車競賽第5比賽組為無線充電組，要求用于儲能的法拉電容的容量小于等于 2 F，充電電壓小于 12 V.車模上用于控制電路和LED顯示電路的電源可以來自于單獨(dú)供電電池.用于驅(qū)動舵機(jī)、電機(jī)的電源則需要來自于車模上 2 F 儲能電容.

圖1 斑馬起跑線

以起始線識別選題為例，斑馬線起跑線如圖1所示.計(jì)時起始點(diǎn)處有一個寬度為 10 cm 黑色斑馬線，斑馬線使用與賽道黑色邊線一樣的材料制作.車庫賽道元素是在起跑線旁設(shè)置的方形區(qū)域，它的尺寸如圖2所示.智能車通過在車庫/賽道內(nèi)識別起始線達(dá)到出入車庫的目的.比賽開始時停在車庫里的小車實(shí)際檢測到的起始線參考圖3.對于攝像頭組，首先將由COMS攝像頭采集來的賽道信息圖像轉(zhuǎn)成二值化0/1數(shù)組；為了濾除圖像噪聲，需對其進(jìn)行濾波處理；因攝像頭看賽道有一定的角度，故可選擇是否進(jìn)行畸形矯正以還原賽道圖形；為了更好的識別賽道信息，利用圖像邊緣提取算法進(jìn)行邊緣信息提取.之后借助相應(yīng)的算法達(dá)到識別起跑線的目的.一般情況下小車在開始及最終跑完返回所用的起始線識別算法不同，當(dāng)運(yùn)行一周返回時可采用數(shù)黑點(diǎn)法，該方法需要借助棧來實(shí)現(xiàn).

智能汽車提取問題和課程知識結(jié)合點(diǎn)及涉及課程詳見表1.在前期進(jìn)行相關(guān)章節(jié)授課時，引入智能小車相關(guān)問題，圍繞問題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課程知識的對比思考，比如每種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是什么，針對具體的問題應(yīng)采取何種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn).

圖2 賽道車庫 圖3 起始線參考圖

表1 智能汽車提取問題和課程知識結(jié)合點(diǎn)及涉及課程對應(yīng)表

常見的幾種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)之后教師發(fā)布項(xiàng)目任務(wù)，任務(wù)分配及要求為：班級分組，每組2～4人，每組選擇一個問題開展研究.要求進(jìn)行問題分析、模型建立、算法設(shè)計(jì)及仿真實(shí)現(xiàn)，算法實(shí)現(xiàn)部分可依托學(xué)院已有的智能小車實(shí)驗(yàn)室，將自己的算法應(yīng)用到實(shí)際車輛上進(jìn)行驗(yàn)證調(diào)試，最后撰寫項(xiàng)目報(bào)告，并在學(xué)期 15～18 周進(jìn)行項(xiàng)目總結(jié)匯報(bào)答辯，匯報(bào)完成后老師進(jìn)行點(diǎn)評總結(jié)及學(xué)生互評.項(xiàng)目報(bào)告內(nèi)容包括問題(背景)描述、方案設(shè)計(jì)；項(xiàng)目實(shí)施包括算法的流程圖、代碼、實(shí)驗(yàn)結(jié)果(實(shí)驗(yàn)平臺介紹)等；評價(或總結(jié))包括實(shí)驗(yàn)效果評價等、小組成員分工說明.項(xiàng)目實(shí)施整個過程與工程認(rèn)證教育畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)對應(yīng)如表2所示.

表2 智能汽車項(xiàng)目實(shí)踐環(huán)節(jié)與工程認(rèn)證指標(biāo)點(diǎn)對應(yīng)表

續(xù)表2

1.2 教學(xué)方法

本課程的傳統(tǒng)教學(xué)方法以講授和程序演示為主，并安排適當(dāng)?shù)恼n堂討論和答疑，講授過程中使用問題導(dǎo)入、啟發(fā)式教學(xué)、類比法、動畫演示、實(shí)例講解等.在以上傳統(tǒng)教學(xué)方法之外，本次教學(xué)改革一方面引入思維導(dǎo)圖、問卷星、雨課堂等工具：借助思維導(dǎo)圖工具可以梳理重要知識點(diǎn)之間的區(qū)別與聯(lián)系，使學(xué)生快速了解知識點(diǎn)的層次結(jié)構(gòu)，便于學(xué)生構(gòu)建知識體系；利用問卷星、雨課堂進(jìn)行隨堂小測驗(yàn)，能及時掌握學(xué)生對知識點(diǎn)的理解運(yùn)用程度.另一方面加入其他教學(xué)方法，以智能小車相關(guān)問題教學(xué)部分為例，還采用了基于項(xiàng)目和問題結(jié)合的教學(xué)方法、分組教學(xué)方法、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法：

在課程上完 12 周之后，對上課班級分成若干組，每組選一名小組長，例如19級電子班一共40人，共分成12個小組，每組2～4人.根據(jù)前期查閱的資料對需要用 C 語言或C++編程解決的問題進(jìn)行細(xì)化和分工，最終每個團(tuán)隊(duì)完成分配任務(wù).

翻轉(zhuǎn)課堂式教學(xué)模式，是指學(xué)生在課后完成知識的學(xué)習(xí)，而課堂變成了老師學(xué)生之間和學(xué)生與學(xué)生之間互動的場所，包括答疑解惑、知識的運(yùn)用等，從而達(dá)到更好的教育效果.本課程要求上課班級同學(xué)在課后進(jìn)行智能汽車知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)，撰寫 PPT， 并在學(xué)期 15～18 周進(jìn)行 PPT 匯報(bào)工作，匯報(bào)完成后老師進(jìn)行點(diǎn)評總結(jié)、同學(xué)進(jìn)行互評.

在原有課程內(nèi)容的基礎(chǔ)之上加入智能小車部分，勢必會使原本不多的授課課時更加緊張，所以必須改變原本授課模式，一些基本性、概念性知識的學(xué)習(xí)通過線上觀看慕課視頻的方式進(jìn)行，該部分的學(xué)習(xí)效果通過課前作業(yè)的完成質(zhì)量來衡量.課上主要用來答疑討論及講授知識點(diǎn)的應(yīng)用.

1.3 考核評價方法

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》課程傳統(tǒng)考核評價包括：作業(yè)及出勤、期中考試和期末考試3部分.其中期末成績一般占比70%及以上.這種評價方法著重考試分?jǐn)?shù)，對學(xué)生具體的實(shí)踐操作能力、知識運(yùn)用能力及綜合能力考察不夠.本次改革針對考核評價進(jìn)行調(diào)整，加入更多過程性評價環(huán)節(jié)，以便多元化、多角度、更加全面的考察學(xué)生對知識的掌握程度.

在傳統(tǒng)的考勤及課后作業(yè)、期中成績、期末成績之外，加入課前作業(yè)、課堂測驗(yàn)、、智能小車大作業(yè)考核評價部分，其中除期末考試外的部分稱為過程性評價，占比約為50%～60%(視教學(xué)效果可適當(dāng)調(diào)整).具體操作如下：

1) 考勤與課前、課后作業(yè) 考勤采用釘釘日程動態(tài)二維碼簽到方式，考核占比 5%; 課前作業(yè)和課后作業(yè)學(xué)生完成后需要交給老師審閱，每周2個學(xué)時，作業(yè)量為 2 h，考核占比約10%.

2) 雨課堂測驗(yàn) 雨課堂測驗(yàn)采用選擇題、判斷題和填空題3種形式，對一節(jié)課的知識點(diǎn)進(jìn)行考查，考核占比5%.

3) 智能小車大作業(yè) 結(jié)合全國智能小車競賽項(xiàng)目，以小組為單位布置實(shí)踐類團(tuán)隊(duì)大作業(yè)，讓學(xué)生利用學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法知識，分析解決一個實(shí)際案例問題，編程實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的方案，并編寫項(xiàng)目報(bào)告.團(tuán)隊(duì)大作業(yè)的成果將在討論課上分組匯報(bào)，由組長通過PPT匯報(bào)展示成果，并介紹團(tuán)隊(duì)成員分工，講解設(shè)計(jì)思路、對比多種方法的算法復(fù)雜度、程序運(yùn)行時間等.集翻轉(zhuǎn)課堂、課堂討論、分組合作等形式于一體.考核占比20%.

4) 期中考試 對前半個學(xué)期知識點(diǎn)進(jìn)行考查摸底，占比為10%.

5) 期末考試 閉卷考核方式，對整門課程的知識點(diǎn)進(jìn)行考查，考核占比50%.

2 課程改革實(shí)效性分析

本次教學(xué)改革方案針對2019級電子信息工程、通信工程專業(yè)共計(jì)86人進(jìn)行教學(xué)開展，課程結(jié)束后，一方面以調(diào)查問卷的方式請學(xué)生對本次課程改革進(jìn)行評價：包括課程內(nèi)容及教學(xué)設(shè)計(jì)滿意度評價及本課程對工程教育認(rèn)證畢業(yè)要求的達(dá)成度評價.另一方面從學(xué)生參加智能小車比賽取得成績及參加華為認(rèn)證通過率方面對本次課程改革的實(shí)效性加以佐證.

2.1 課程滿意度調(diào)查

學(xué)生對課程滿意度調(diào)查結(jié)果如圖4所示，從結(jié)果來看，學(xué)生對課程內(nèi)容及教學(xué)設(shè)計(jì)非常滿意占比51.2%及53.5%，滿意占比46.5%及44.2%，總體滿意度達(dá)到97.7%，這說明了廣大學(xué)生對本課程改革方案的認(rèn)可.

2.2 工程教育畢業(yè)要求達(dá)成度調(diào)查

工程教育畢業(yè)要求達(dá)成度結(jié)果如圖5所示，對照工程教育專業(yè)認(rèn)證對畢業(yè)生的要求，學(xué)生對參加本課程學(xué)習(xí)后所獲的的能力進(jìn)行選擇，圖中所列為畢業(yè)要求中具有代表性的九點(diǎn).從圖中可以看出：在獲得工程知識、問題分析、設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案、使用現(xiàn)代工具能力等方面很多學(xué)生給予認(rèn)可，但工程與社會方面選擇率相對較低，該要求具體為能夠基于工程相關(guān)背景知識進(jìn)行合理分析，評價專業(yè)工程實(shí)踐和復(fù)雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任.理工科課程改革本身與社會、體育、法律等文科類相關(guān)內(nèi)容結(jié)合較少，這也為我們提供了其他改革思路，例如結(jié)合思政建設(shè)、社會案例等進(jìn)行相關(guān)課程內(nèi)容的開展.從調(diào)查結(jié)果顯示，本次課程改革實(shí)現(xiàn)了培養(yǎng)對學(xué)生獲得工程知識、問題分析、設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案、研究、使用現(xiàn)代工具、個人和團(tuán)隊(duì)、溝通、終身學(xué)習(xí)的能力.

圖4 課程滿意度調(diào)查結(jié)果

圖5 工程教育畢業(yè)要求達(dá)成度調(diào)查結(jié)果

2.3 改革課程對學(xué)生參加智能小車比賽、認(rèn)證考試的促進(jìn)

本次課程改革結(jié)合全國大學(xué)生智能小車比賽，從比賽中進(jìn)行問題提取、題目設(shè)計(jì)，通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟悉比賽規(guī)則、通過方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)論證達(dá)到比賽要求，以學(xué)促賽、以賽促學(xué).參加本課程學(xué)習(xí)的學(xué)生參加2021年度智能小車比賽并取得全國二等獎的好成績.本次課程改革很好的提升了學(xué)生工程教育認(rèn)證要求的相關(guān)能力，在擁有相關(guān)能力的基礎(chǔ)上，2021年我院電子信息工程、通信工程專業(yè)學(xué)生積極參加華為安全HCIA、大數(shù)據(jù)HCIP、數(shù)據(jù)通信HCIA、云計(jì)算HCIA的認(rèn)證考試，并取得不錯成績，其中HCIA-云計(jì)算的通過率更是達(dá)到了95%以上.

3 結(jié)語

本項(xiàng)目依據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證要求，結(jié)合全國大學(xué)生智能車競賽對《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》課程進(jìn)行改革，重構(gòu)理論——實(shí)踐知識框架，優(yōu)化課程內(nèi)容，使課程體系與相關(guān)工程實(shí)踐更加吻合.在教學(xué)過程中始終堅(jiān)持以學(xué)生為中心，對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行全程跟蹤和進(jìn)程式評估，實(shí)時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和方法，從受眾出發(fā)提高教學(xué)質(zhì)量.在教學(xué)方法方面，融入傳統(tǒng)教學(xué)、項(xiàng)目教學(xué)、問題教學(xué)、任務(wù)驅(qū)動、頭腦風(fēng)暴、小組匯報(bào)、翻轉(zhuǎn)課堂等課程改革模式、實(shí)現(xiàn)課堂——工程一體化、理論——實(shí)踐一體化，全面提升學(xué)生的科研能力、團(tuán)隊(duì)溝通能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力.在教學(xué)模式方面，實(shí)行“課堂教學(xué)為主”“自主學(xué)習(xí)為輔”和“以學(xué)促賽、以賽促學(xué)”的教學(xué)模式相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生理論應(yīng)用于實(shí)踐，實(shí)踐促進(jìn)理論創(chuàng)新的思維能力以及解決復(fù)雜工程問題的能力，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，解決合格人才供給不足的矛盾.