肖媚燕 徐東風 周運華

華南農(nóng)業(yè)大學信息學院 廣東廣州 510642

基于CDIO理念的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學模式創(chuàng)新與實踐

肖媚燕 徐東風 周運華

華南農(nóng)業(yè)大學信息學院 廣東廣州 510642

針對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容理論性強而算法抽象難懂的特點，提出將CDIO理念應(yīng)用到該課程教學模式中，改進傳統(tǒng)的教學方法。采用多元化的創(chuàng)新教育模式，提高數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論與實踐相結(jié)合的教學效果，學生在克服基礎(chǔ)課程難點的同時，鍛煉了個人的綜合動手能力、創(chuàng)新能力及團隊協(xié)作能力。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；教學模式；CDIO

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計算機軟件相關(guān)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，它研究計算機科學技術(shù)領(lǐng)域里許多最基本的問題。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計算機程序設(shè)計的重要理論技術(shù)基礎(chǔ)，它不僅是計算機學科的核心課程，而且已成為其他理工專業(yè)的熱門選修課[1]。學生在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中學習如何存儲和處理數(shù)據(jù)，把現(xiàn)實中的非數(shù)值問題轉(zhuǎn)化為計算機可以處理的數(shù)據(jù)，并設(shè)計出高效的事務(wù)處理算法。由于內(nèi)容比較抽象，算法理解比較困難，因此學習起來比較枯燥乏味，一直以來都被學生認為是最難學的課程之一。根據(jù)調(diào)查分析，在普通高校中，能達到教學目的的學生只占30%左右[2]。因此，就如何提高數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的教學效果所開展的教學模式創(chuàng)新與實踐具有十分重要的意義。

1 傳統(tǒng)的教學和實驗?zāi)Ｊ綄?dǎo)致的問題

傳統(tǒng)的看法認為基礎(chǔ)教育應(yīng)該注重個人專業(yè)基礎(chǔ)的培養(yǎng)，在此基礎(chǔ)上，專業(yè)技能實踐和人際溝通技能在后面的學科中再進行培養(yǎng)。此觀念導(dǎo)致的問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)著重理論教學、輕視實踐教學。目前的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學非常重視理論教學，僅從學時上來看，理論學時是實驗學時的兩倍。實際上，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)既要求理論知識的掌握，更強調(diào)學生的實踐能力培養(yǎng)。

(2)形式單一。傳統(tǒng)的教學模式基本上以教師教學、學生學習為主，難以調(diào)動學生主動探討問題的積極性。

(3)重視知識學習，輕視創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。傳統(tǒng)的教學模式強調(diào)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論的學習以及驗證性的實驗，缺乏與現(xiàn)實相結(jié)合的創(chuàng)新性實驗，對算法的理解流于表面，并且影響學生創(chuàng)新能力的提高。

(4)強調(diào)個人學術(shù)能力，團隊協(xié)作能力得不到提高。傳統(tǒng)的實驗?zāi)Ｊ绞菍W生獨立進行學習和實踐，這樣做的優(yōu)點是保證每位學生都能夠掌握到每個知識點，但如果能夠在考慮保留這個優(yōu)點的同時鍛煉學生的團隊協(xié)作能力，就能達到更好的效果。

2 CDIO大綱簡介

CDIO是當今國際高等工程教育的一種創(chuàng)新模式。其具體目的就是為工程教育創(chuàng)造出一個合理的、完整的、通用的、可概括的教學目標，重點將個人的、社會的和系統(tǒng)的制造技術(shù)和基本原理相結(jié)合，使之適合工程學的所有領(lǐng)域。

大綱的最大價值就是其基本原理簡單，有很強的可操作性和廣泛的適應(yīng)性等特征，而且可被任何工程教育項目所采用。

設(shè)計CDIO的教育反映出如下幾大目標：必須掌握基礎(chǔ)技術(shù)中深厚的應(yīng)用知識；培養(yǎng)善于構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)—運作新產(chǎn)品/系統(tǒng)的技能；能完成復(fù)雜的系統(tǒng)工程；能適應(yīng)現(xiàn)代化開發(fā)團隊和開發(fā)環(huán)境[3]。

CDIO工程教育的設(shè)計靈感源于工程產(chǎn)品/系統(tǒng)的生命周期，注重培養(yǎng)學生掌握扎實的工程基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，并在此基礎(chǔ)上將教育過程放到工程領(lǐng)域的具體情境中，通過貫穿整個人才培養(yǎng)過程的團隊設(shè)計和創(chuàng)新實踐訓練，培養(yǎng)專業(yè)基礎(chǔ)扎實、職業(yè)道德高尚的新一代高水平工程師[4]。

通過參與、構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)個人技術(shù)體驗，使學生達到預(yù)想的目標；培養(yǎng)用于構(gòu)建系統(tǒng)的技能，很好地掌握深厚的工程基礎(chǔ)應(yīng)用知識[5]。

3 CDIO對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學模式創(chuàng)新的啟示

實際上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程既包含抽象的理論，又強調(diào)算法的實踐，實踐能力的培養(yǎng)非常重要；團隊協(xié)作技能是計算機相關(guān)專業(yè)學生的基本技能要求，也不是一朝一夕可以得到，必須從基礎(chǔ)學科開始抓起。尋求新穎的、有趣味的、能調(diào)動學生學習主動性和積極性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教授方法；尋求一種可以在加強基礎(chǔ)教育的同時關(guān)注工程實踐，加強實踐環(huán)節(jié)，同時強調(diào)團隊協(xié)作技能的教授方法，成為從事計算機專業(yè)基礎(chǔ)教學工作的重要目標。CDIO理念在這些方面給我們帶來了很大的啟示。

(1)關(guān)注基礎(chǔ)教育理論學習的同時，強調(diào)實踐環(huán)節(jié)。對實踐教學的重視將在很大程度上提高數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學效果。

(2)多樣化的教學形式。將傳統(tǒng)單一的教學形式多樣化，增加教學的趣味性，有助于提高學生主動學習的積極性。

(3)重視綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。重視理論知識學習的同時，強調(diào)理論與實踐相結(jié)合，多進行與現(xiàn)實生活相結(jié)合的創(chuàng)新性實驗，有助于加深理論知識的理解，加強學生的創(chuàng)新能力。

(4)個人學術(shù)能力和團隊協(xié)作技能并重。在保證個人學術(shù)能力的同時，給學生團隊協(xié)作的機會，充分發(fā)揮集體的潛能。

(5)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計模式的改革。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計是一個獨立的實驗環(huán)節(jié)，是對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程理論教學的延伸和補充，對理論知識的綜合應(yīng)用。因此我們必須選擇適當?shù)慕虒W方法，使其優(yōu)勢達到最大化。

4 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學模式創(chuàng)新的具體措施

借鑒CDIO工程教育理念，我們在現(xiàn)有的理論教學基礎(chǔ)上增加了不同的實驗教學模式，所構(gòu)建的創(chuàng)新型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學模式如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學模式的創(chuàng)新

根據(jù)圖1所示，我們在課堂理論教學的基礎(chǔ)上通過增加課程設(shè)計及開展綜合性設(shè)計性實驗等實踐教學活動，目的是發(fā)揮學生的主動性，加深學生對該課程所學內(nèi)容的進一步理解和鞏固，提高學生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學生的綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新意識[2]。具體措施主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

4.1 以問題導(dǎo)向為主、自學討論為輔的趣味性課堂教學

理論教學是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學的主要手段，但由于刻板的教學方式使得學生的積極性得不到調(diào)動，這是理論教學效果的最大瓶頸。為調(diào)動學生的積極性，可以采取問題導(dǎo)向的方式，或提出一個大問題貫穿數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的整個教學過程，抑或從各行各業(yè)中抽取相關(guān)的各種問題拿到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)各個章目中解決，讓學生帶著問題到書中找答案，由此調(diào)動學生的學習主動性和積極性；為增加課堂教學的趣味性，還可以分組討論的方式解決現(xiàn)實問題，使學生通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的理論學習、查閱課外資料以及學生之間交流分享甚至上臺辯論的方式，增加趣味性，吸引學生融入到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的知識中。

應(yīng)用實例：在進行隊列內(nèi)容的理論教學時，先向?qū)W生提出現(xiàn)實中存在的有趣問題，快要死機的電腦突然像酒醒了似的把沒有執(zhí)行的操作依次執(zhí)行了一遍；銀行柜臺服務(wù)排隊問題；中國移動電話客戶服務(wù)問題……類似這樣的問題是如何用計算機解決的？通過有趣的現(xiàn)實問題引導(dǎo)學生思考。

然后在若干問題中抽取出其中一個問題向?qū)W生演示用隊列解決問題的辦法。在解決問題的同時進行隊列的相關(guān)理論學習。

學生掌握了隊列的相關(guān)理論知識后，把余下的問題交給學生分組討論，通過交流分享、分組辯論以及課下查閱資料的方式共同探討隊列的方法，加深理解。

4.2 以實驗教學為輔助手段，并配以實戰(zhàn)環(huán)境的實踐教學

實踐教學是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學的輔助手段，很大程度上能夠影響數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的教學效果，但往往得不到教師和學生的重視。驗證性實驗應(yīng)作為基本目標要求每位學生必須掌握，在此前提下，多展開綜合性設(shè)計性實驗使理論學習中需解決的現(xiàn)實問題在一定程度上得到實現(xiàn)，這樣才能真正將書本中的經(jīng)典思想、經(jīng)典算法和現(xiàn)實生活中需要解決的問題相結(jié)合，使數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的理論與現(xiàn)實生活的結(jié)合得到生動體現(xiàn)，從而提高數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的教學效果[6]。

應(yīng)用實例：在進行樹和二叉樹的實踐教學時，在掌握了樹和二叉樹理論知識的前提下，每位學生都要把書中的經(jīng)典算法予以驗證性的實現(xiàn)。

掌握了書中的經(jīng)典算法后，將其整合到現(xiàn)實中的問題：網(wǎng)上流行的心理測試系統(tǒng)，對如何將心理測試轉(zhuǎn)化為計算機可以處理的數(shù)據(jù)進行分析并進行一定程度上的實現(xiàn)，將其作為綜合性設(shè)計性實驗，由學生自主完成，完成程度也由學生自行掌握。

在實踐教學過程中，采用實戰(zhàn)形式的上機環(huán)境，目前已采用ACM評判系統(tǒng)作為學生的上機環(huán)境，提供了學生做題的各種統(tǒng)計，以及學生之間的競賽和完成情況比較等功能，給學生造成做題壓力，從而轉(zhuǎn)化為動手實踐的動力。

4.3 多樣化選題方式為前提、分組項目形式為驅(qū)動的課程設(shè)計

課程設(shè)計是對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識的總結(jié)和綜合運用，好的課程設(shè)計能夠使學生達到對理論知識舉一反三、熟能生巧的效果。傳統(tǒng)的課程設(shè)計題目過于單一，學生各做各的，答案雷同、應(yīng)付式交作業(yè)的現(xiàn)象比比皆是。為提高課程設(shè)計的教學效果，應(yīng)采取多樣化的題目，并采取項目形式對學生進行分組，每組解決不同的題目，各組分別進行項目設(shè)計、構(gòu)思和分工實施等操作，各不相同的任務(wù)迫使學生必須用學到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識獨立解決問題，而項目形式讓學生在完成各不相同任務(wù)的同時，項目實施專業(yè)能力和團隊協(xié)作能力得到很好的鍛煉，這也是對計算機領(lǐng)域每位學生基本技能的要求。

應(yīng)用實例：完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的所有理論教學后，給予學生一定的時間完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計。

相對于傳統(tǒng)的固定題目形式，我們采用了題目多樣化的方式，即提供多個不同項目化的題目給學生選擇，給予學生更廣闊的思路去鞏固和理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的理論知識，同時也杜絕了抄襲現(xiàn)象。

由選擇相同題目的學生組成一個項目組，共同探討和完成這個項目，人數(shù)控制在5人左右，由學生自主分工各自負責不同部分，合作完成課程設(shè)計。學生在完成自己負責模塊的同時，也需參與討論和設(shè)計其他同學的模塊，這樣可以達到在較短的時間內(nèi)對知識較全面的復(fù)習和鞏固。

最后在驗收課程設(shè)計時，采取演講報告的形式，由全班同學共同做出評估，達到全面復(fù)習的效果。

5 結(jié)束語

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學模式、方法和策略需要不斷地發(fā)現(xiàn)和改善，使學生通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的學習，真正掌握用計算機存儲和處理現(xiàn)實問題中非數(shù)值型數(shù)據(jù)的能力，掌握生存于計算機領(lǐng)域的基本技能。CDIO大綱理念對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學模式有著很好的啟示和指導(dǎo)，它的理念對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學模式的改進還需要不斷地去探索和發(fā)現(xiàn)，并且在實踐中得到很好的體現(xiàn)。在實際教學中，還需要掌握傳統(tǒng)和創(chuàng)新的平衡，不能偏離數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學目的的初衷。

[1] 嚴蔚敏,吳偉民.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(C語言版)[M].北京:清華大學出版社,2009.

[2] 李竹林,杜利鋒,劉興平.基于CDIO教學理念的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計方法[J].延安大學學報(自然科學報),2010,3.

[3] 陶勇芳,商存慧.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.

[4] 王碩旺,洪成文.CDIO:美國麻省理工學院工程教育的經(jīng)典模式[J].理工高教研究,2009,12.

[5] Edward F Crawley. Creating the CDIO Syllabus, a Universal Template for Engineering Education. 32nd ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference. November 6-9, 2002, Boston, MA.

[6] 孫愛東,楊秋妹,肖媚燕.多層次的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”實踐教學模式探討[J].計算機教育,2009,12.

Innovation and practice of data structure teaching mode based on CDIO idea

Xiao Meiyan, Xu Dongfeng, Zhou Yunhua
South China agricultural university, Guangzhou, 510642, China

According to the highly abstract and over-theoretical features of data structure, it is putted forward that CDIO idea is applied to the teaching mode of data structure and improves traditional teaching method. Diversif cation of the innovative teaching mode is used to improved the theoretical and practical teaching effect of data structure. Students not only overcome diff culties of the basic course, but also improve their practical, innovative and teamwork abilities.

data structure; teaching mode; CDIO

2011-09-08

肖媚燕，碩士，實驗師。

廣東省教育科學研究項目(編號：2010tjk013)；華南農(nóng)業(yè)大學2010年度教學成果獎培育項目；廣東省高等教育學會實驗室管理專業(yè)委員會研究基金項目(編號：2010056)。