“卓越工程師”背景下《算法與數據結構》課程教學改革與實踐

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

“卓越工程師教育培養計劃”（以下簡稱 “卓越計劃”），是貫徹落實國家中長期教育改革和發展規劃綱要 （2010～2020）的重大改革項目，旨在面向工業界、面向世界、面向未來，培養一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才［1，2］。

長江大學電子信息工程專業于2011年獲批 “湖北省戰略性新興支柱產業計劃項目”（以下簡稱 “信工產”），2013年3月獲批教育部 “卓越計劃”。《算法與數據結構》是電子信息專業軟件方向的重要課程，對培養 “創新型”和“應用型”復合人才具有舉足輕重的地位。然而在實際教學中，《算法與數據結構》課程面臨很多問題，學生普遍感覺難學，教學效果不太理想［3，4］。為了達到培養目標，筆者在課堂教學、實踐教學和考核方式等方面進行教學改革，并在教學實施過程中不斷地修改完善。

1 開展項目驅動型教學，提高學生興趣

CDIO是一種新型的國際化高等工程教育模式，其含義為構思 （Conceive）、設計 （Design）、實現（Implement）和運作（Operate），以工程設計任務為導向，以項目驅動型教學方式培養學生的工程能力。

1．1 以工程任務為主線

《算法與數據結構》是一門理論難度高、實踐性很強的課程［5］。傳統的層層推進的教學方式，易造成學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。

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

以運動會賽事安排系統設計為例，工程項目子模塊名稱及其對應的知識點如表1所示。其中，采用“順序表”存儲學生和賽事基本信息，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，先將錄入的數據暫時存儲在 “隊列”中，再將數據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，先將學生參賽報名信息按班級排序，再轉換成 “樹”數據結構存儲，最后顯示輸出，該模塊涉及到“樹”的基本操作；最后，將上述數據轉換成 “圖”數據結構存儲，編寫相應的算法，實現賽事安排，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的知識點

1．2 啟發式教學方式

1）問題為導向。以工程任務為主線，通過設計合適的問題，引導學生積極、主動的進行探索性的學習，通過解決實際問題獲得知識。設計合理的問題可以引導學生積極思考、主動學習、逐步完善知識結構。表2列舉了筆者設計的部分問題。

表2 問題設置舉例

2）分組教學。將學生分成幾個項目組，每組3人，每組選一個組長。小組成員在組長的帶領下，完成項目的分析、數據結構定義、算法設計、編碼實現和軟件測試等整個軟件開發流程。教師則充當總工程師和技術咨詢的角色，引導學生發現問題、解決問題。通過分組教學的方式，培養學生的團隊協作能力、工程實踐能力和創新能力。

3）互動式教學。預留充足的時間，讓學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，在恰當的時候對學生的實施方案、技術路線和解決方法進行點評。通過互動式教學，讓每個學生參與到教學的各個環節，提高學生學習的主動性。

1．3 提高教師CDIO 能力

教師的素質是CDIO 教學成敗的關鍵。教師應通過參與科研項目、參加項目實訓等方式提高自身的項目經驗。只有這樣，教師才能在教學中游刃有余，將自己親身的項目開發經驗介紹給學生，有效的引導學生以工程師的視角分析問題、解決問題。

2 改革實踐教學，提高動手能力

實踐教學是高校人才培養方案的重要組成部分，是培養學生基本技能、工程能力、創新精神，提高學生綜合素質的重要教學環節［6］。《算法與數據結構》課程實踐教學存在如下問題［7］：課程難度大、學生畏難情緒嚴重；學生編程能力不足且個體差異較大；實驗多以驗證性為主，題目設計不合理；教師人手不夠，現場指導顧此失彼；實驗學時不夠；考核機制不完善。

為了培養學生工程實踐能力，以工程任務為主線，優化調整實驗內容，改變實驗教學方法，將實驗分為基礎性實驗、設計性實驗、綜合性實驗和課程設計4個層次，如表3所示。

表3 《算法與數據結構》多層次實驗體系

基礎性實驗主要利用課外時間自習完成，既能夠解決實驗任務重、實驗學時不夠的矛盾，又能夠充分調動學生的學習積極性和自主性，鍛煉與培養學生基礎編程能力，為后續實驗打下堅實的基礎。設計性實驗和綜合性實驗采用分組的方式進行，既可培養學生的團隊協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個階段的實踐環節的基礎上，最后利用2周集中的時間，開展課程設計，可進一步地培養學生的工程實踐能力和創新能力。

3 改革考核方式，全面評價學生綜合能力

傳統的考核方式期末考試成績占比過大，不利于考核學生的工程實踐能力。為保證教學效果，參照CDIO 標準，綜合考核學生的基本個人能力、人際能力、軟件開發能力和理論知識的掌握程度，設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；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成員的團隊合作能力、實際工程能力、創新能力評定并由組員認可，教師評定分根據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%，采用傳統的考試方式，考核學生對于理論知識的掌握情況、算法設計和編程等實際動手能力。

通過強化教學過程的考核，控制每個教學環節，引導學生提高學習的自主性，培養學生的團隊協作能力、工程實踐能力和創新能力。有效避免學生平時不努力、期末突擊備考的現象，提高教學效果。

4 改革成效

綜合采用以上各項措施，學生學習興趣高漲，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；課程考核成績優良的學生比例從80%提高到95%以上；課程設計成績優良比例從85%提高到92%。學生對教師評價也明顯提高，網上評教均為100分。

5 結語

針對 《算法與數據結構》課程教學中不足，以教育部 “卓越工程師培養計劃”為導向，提出從項目驅動型教學、實踐教學和考核方式等方面對該課程教學進行改革，通過電子信息工程專業 “信工產”和“卓越計劃”等實驗班的幾輪教學實踐檢驗，全面提升了學生的實際工程能力和創新能力，為培養卓越的電子工程工程師奠定了基礎。

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

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

［3］伍鵬，謝凱．數據結構教學應注意的幾個問題 ［J］．軟件，2012，33 （5）：123～124．

［4］伍鵬，謝凱．《數據結構》課程教學思考 ［J］．長江大學學報 （自科版），2011，8 （12）：139～140．

［5］馮瑩瑩，張軍．《數據結構》教學改革探討 ［J］．長江大學學報 （自科版），2012，9 （12）：173～174，177．

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

［7］沈華．數據結構課內實踐教學方案 ［J］．實驗室研究與探索，2013，32 （10）：396～400．