基于CDIO 的數據結構課程教學模式改革的研究

◎丁柏秀

（作者單位：吉林建筑大學）

引言：CDIO 工程教育模式是麻省理工學院和瑞典皇家工學院等四所大學組成的研究小組自2000 年起，經過四年研究開發出來的一種全能的工程理念．CDIO的四個字母具體含義為：構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動、實踐、課程之間有機聯系的方式學習工程。從2005年開始越來越多的知名大學引入了這一理念，受到好評．從2007 年開始我國開始引進CDIO 模式的工作，對于工程教育尤其是計算機類課程有著顯著的作用。

數據結構是計算機科學與技術及相關專業的核心課程，其前導課程包括：《程序設計語言和離散數學，后續課程有操作系統、編譯原理、數據庫理論、算法分析與設計等，是軟件設計的基礎。數據結構課程有很強的理論性和實踐性要求，對該課程學習的好壞直接影響了后續課程的學習，可見其重要性。將CDIO 引入數據結構課程，能提高學生的學習能力，提高計算機專業人才的就業能力。

一、數據結構課程教學中存在的問題

1.理論和實踐學時安排不合理。目前有些學校仍然采用傳統的教學方式，基本上都是理論學時，只是針對線性表、串、樹、圖、查找排序分別安排一個實驗，實踐學時安排的少，根本不能滿足學生的需求，學生不能深入了解每一部分的原理，更談不上能力培養了。

2.實驗課上未能因材施教。學生的學習水平千差萬別，實驗課上實驗的效果也不相同。如果老師布置的實驗只有一個，只要學生完成了就得分，不能區分出學生的等級。學生知識按部就班完成老師布置的任務，學習創新能力得不到開發，學生的團隊協作和查閱資料和編程能力得不到開發。

3. 實踐過程中老師和學生的角色錯位。在實踐中學生應該占主導地位，讓學生在實踐過程中充分主導整個實踐過程，但是有的學校仍然是老師在實踐課上花大量時間講解，學生只是驗證一下算法的結果。學生的主導地位被代替了，學生缺少了主動學習的積極性。

4.考核機制不能激發學生對實踐的積極性。目前有的學校仍然期末考試成績占70%，實驗和平時表現一共占30%。在有些學生眼里，只要期末考試考好，基本就過了，造成他們對實踐不重視，只重視形式上的實驗報告書寫，而實踐恰恰是開發學生能力的有力工具。實踐能力強的學生分數沒有優勢，無法反映學生真實的實踐水平，對整個課程起不到反饋作用。

二、CDIO 理念下的數據結構課程改革

1.提高教師隊伍的CDIO 素質，提高團隊的教學水平。時刻關注國內外CDIO 理念的發展動向，課程組教師定期參加CDIO培訓，多聽取國外和國內執行CDIO 機制的高校專業人士介紹經驗，提高自己對CDIO 的理解，在充分理解CDIO 理念的基礎上，制定基于CDIO 理念的人才培養方案和課程大綱和授課計劃。轉變觀念，注重學生動手能力的培養，體現在各個環節。

2. 在項目中學習知識。基于CDIO 理念，做到“做中學，學中做”。在講解每個知識點的時候，把知識點的實例給學生展示，讓學生理解該知識點可以用到哪些項目上，對知識點有個直觀的認識。例如：講到圖的拓撲排序、關鍵路徑、最小生成樹和最短路徑問題時，可以給出一個高速公路問題：有M 個城市，有些城市間有雙向高速公路相連，有N 條，每條高速公路有相應的最大載重限制，從某一給定城市出發到達另一目標城市，車輛最多能帶多重的貨物。在理解知識點的基礎上，逐步分析項目的要點，老師引導學生進入項目，學生經過分析，編程，給出結果。教師可以引導學生從實例入手，鍛煉學生從分析實例產品的構成和用戶的實際需求出發，構思并設計合理的數據結構，促進學生對樹型結構的掌握。學生在做的過程中加深了對知識點的理解，達到“做中學、學中做”，在項目中學習。

3.重構課程實踐環節。CDIO 模式中的“實現implement”環節，即本課程改革的核心點—實踐教學。實踐教學體系的建立也是工程類高校能力培養的核心點，通常CDIO 項目按規模和范圍劃分為3 級：1 級項目為包含本專業主要核心課程和能力要求的項目；2 級項目為包含一組相關核心課程、能力要求的項目；3 級項目是為單門課程而設的項目，旨在增強理解和培養課程的相關能力數據結構課程的實踐環節包括課內實驗和課程設計。課內實驗和課程設計均來源于可以實際應用的項目。課程設計項目要綜合多個課內實驗的項目的知識點得出，或者把一個知識點擴展成一個大的項目，項目組老師要花時間來設計各個項目，對以前的課內實驗和課程設計進行全面改革。項目最好來源于企業或者具有實際意義的項目。課內實驗要分多個層次：驗證性、綜合性、設計性、創新性。在上課內實驗時，老師注重引導學生提出解決問題的思想、方法和步驟。逐步建立起正確的思維方式和程序設計方法，使其具備工程師的基本能力。整個過程以學生為主，讓學生先發現問題，結合相關知識點，設計合理的數據結構，及輸入輸出模塊，給出初步的解決思路，老師要不停的幫助學生修正思路，直到學生找到解決問題的方法，最后完成編程及代碼的測試，從而完成項目。學生先完成驗證性的實驗，在完成驗證性實驗的基礎上逐步完成綜合性、設計性甚至創新性的實驗，沒完成一個層次的實驗都有一個層次的收獲，隨著解決問題能力的提升，學生最后可以去設計問題再解決或者完成最具挑戰性的創新性項目。讓學生在實際動手的過程中，解決實際問題的能力不斷增強。有了課內實驗的基礎，學生能力得到了提升，課程結束后接著進行課程設計項目。由于課程設計項目是多個知識點的綜合或者某幾個知識點的延伸，難度相對大一些，學生需要花很多時間來解決問題。解決問題的思路與課內實驗是一致的，都是在老師的引導下，學生作為主體，從發現問題，主動思考，找到問題的根源所涉及的相關知識點，聯合各知識點，給出具體解題思路，在老師不斷給修正的前提下，對學生所提的方案加以鼓勵，幫助學生樹立創新意識，讓他們不墨守成規，學會從多角度思考問題，找到正確的解題思路，畫出流程圖，編程調試，得出結果。

4.學生由被動變成主動，團隊合作解決問題。CDIO 能力包括四個方面：技術知識和推理，個人能力職業能力和態度，人際交往能力，在企業和社會環境下構思、設計、實施運行。所以一定要注重CDIO 能力的培養。使學生理解構思—設計—實施—運行一個完整系統的復雜性。無論是完成課內實驗還是課程設計，學生都是主體，并且要團隊合作，分工協作。由于CDIO 強調的項目具有完整性和綜合性，一個學生很難在短時間內完成，因此可以考慮采用分組的形式，由多名學生組成小組，由組長負責安排整個項目的進度。這種團隊的形式最能鍛煉學生的協作精神、溝通能力和領導能力。在項目中學生自由完成組隊，并且分配任務，組長隨時控制項目的組織、控制、實施及銜接。老師要激發學生的學習熱情，讓學生充分參與整個過程。學生需要在網上查閱資料及項目背景知識，上臺展示發現的問題，相關知識點，解決方案，初期的思路，詳細的方案，編程實現及最后的總結。學生在整個過程中充分參與每一環節，提升了自己的個人能力及團隊協作的能力。

5.借助于學校的網絡平臺或者慕課平臺建立數據結構課程，把課程錄成視頻發到平臺上，平臺上有授課計劃、大綱、課程視頻、輔導答疑、討論區，學生上課有沒弄懂的地方可以到平臺上再次學習，還可以向老師提問題，老師看到馬上回復，還可以針對某個問題與同學們討論，加深對問題的理解。

從2015 年開始，學院成立數據結構課程組，定期派老師去CDIO 改革成功學校考察學習，每周三召開組會，學習CDIO 理念，討論改革方案，逐步修改培養方案、教學大綱及授課計劃。本文作者作為本校電氣與計算機學院計算機專業教師，也是課題的主持人，是數據結構課程組重要成員，在2016 年申請了吉林省教育科學規劃課題：基于CDIO 教育理念的應用型計算機科學與技術專業實踐教學模式改革的研究，以我校計算機科學與技術專業2015 級和2016 級作為實踐教學改革試點，以調查研究、理論研究和我院實際教學特色相結合的方法對人才培養方案中實踐教學體系進行合理優化，更新了培養方案、教學大綱、授課計劃等內容，把理論內容進行充實，適當增加相關企業案例和實際案例與理論知識相結合。課內實驗項目和課程設計項目引入實際案例，課內實驗分成了四個層次：驗證性、綜合性、設計性及創新性。增加實例如表1 所示。實驗課上和課程設計中老師充分調動學生積極性，引導學生建立分組，從查閱資料、討論問題，分析問題、設計數據結構，找到解題方案，編程實現，在班級里展示，總結項目內容。通過兩級學生的參與，實驗證明學生應用能力和創新能力均得到提高；采用抽樣調查和比較研究的方法，邊研究、邊實踐、邊推廣，研究過程與教學實踐平行進行的方式進行教學內容、教學方法以及實踐方法的改革實踐，以達到建立科學合理的實踐教學體系和培養模式。經過幾年的CDIO 改革，學生的抽象建模和程序設計能力有明顯提高。有了數據結構學習能力的鍛煉，學生反映很快能進入后續課程的學習，我校計算機科學與技術專業2015 級和2016 級學生整體計算機編程能力、畢業論文質量和就業率較往年有明顯提高。

表1 大綱中增加的實際案例

總結：CDIO 理念在強調學生理論基礎知識的同時，注重培養學生理論應用能力、團隊合作能力及工程系統掌控能力。本文針對在CDIO 理念下的數據結構課程教學改革進行探索，提出了以學生為中心，以項目為驅動，使學生主動學習，不斷提升自我工程素質和分析問題，解決問題的能力，取得了良好的效果。