面向工程教育專業(yè)認證的數(shù)據(jù)結構實驗教學探索

摘? 要： 為了加強工程實踐教育，培養(yǎng)符合企業(yè)界所需要的工程技術人才，很多高等學校的工程類專業(yè)開展了工程教育專業(yè)認證。對于工程教育專業(yè)認證的特殊要求，特別是對于解決“復雜工程問題”的要求，從課程體系構建、教學內容分配和教學評價等方面，提出了數(shù)據(jù)結構實驗教學的改革探索方案。為相似課程的實驗實踐教學改革提供參考和借鑒。

關鍵詞： 數(shù)據(jù)結構實驗;工程教育認證;實驗教學改革;復雜工程問題

中圖分類號： G642? ? 文獻標識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.082

本文著錄格式：張少仲. 面向工程教育專業(yè)認證的數(shù)據(jù)結構實驗教學探索[J]. 軟件，2020，41（10）：310312

【Abstract】： In order to strengthen engineering practice education and cultivate engineering technical talents that meet the needs of enterprises， many engineering majors of colleges and universities have carried out engineering education professional certification. For the special requirements of engineering education professional certification， especially in solving complex engineering problems， from the curriculum system constructing， allocation of teaching content and teaching evaluation， etc.， puts forward the reform of the experimental teaching of data structure to explore solutions for similar courses experimental teaching reform to provide the reference.

【Key words】： Data structure experiment; Engineering education certification; Experiment teaching reform; Complex engineering problem

0? 引言

隨著經(jīng)濟全球化的不斷深入，各國的人才流動，特別是工程類人才，變得越來越頻繁。由于每個國家對工程專業(yè)人才的培養(yǎng)認證方式不同，就促使各國尋求建立一種統(tǒng)一的規(guī)范的工程專業(yè)人才的培養(yǎng)認證體系。在1989年，由來自美、英、加、澳等6個國家的民間工程專業(yè)團體發(fā)起并簽訂了《華盛頓協(xié)議》。各成員國由此認證的工程教育學歷得到互相認可，即畢業(yè)于任何一個成員國并得到此專業(yè)認證的工程技術人員，均應被其他成員國視為已經(jīng)獲得從事初級工程工作的資格[1]。2016年中國成為《華盛頓協(xié)議》的第18個正式成員國。由此我國高校的該項專業(yè)認證就具備了國際通用性，這可促進高校以此標準進行教育教學改革以培養(yǎng)國際認可的工程類人才[2]。工程教育認證標準分別在學生、培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求、持續(xù)改進、課程體系、師資隊伍和支持條件等方面提出了明確的標準與要求，具有規(guī)范完整和與國際接軌等特點[3]。

工程教育認證標準主要倡導三個基本理念，分別是：學生為中心的教育理念;成果導向的教育體系;持續(xù)改進的質量觀。所謂以學生為中心，既是所有的課程體系設置和教學模式設計要以學生獲得的知識、能力、素質能夠達到既定的培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求而設計。也需要營造出不斷學習、持續(xù)發(fā)展的良好氛圍，進而培養(yǎng)學生終身學習的動力和成就感。而成果導向，是指為保證學生學習目標的達成來安排師資隊伍、課程設置和教學實施，并通過畢業(yè)生核心能力和要求來評價專業(yè)教育的有效性，為達到最終結果來設計所有邁向成果的教學活動。持續(xù)改進，則強調專業(yè)教育必須建立高效的質量監(jiān)督控制體系和持續(xù)改進制度，能持續(xù)不斷地跟蹤并改進效果，以促使專業(yè)人才培養(yǎng)質量的不斷提高[4]。

1? 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結構實驗教學現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)結構實驗這門課適用于計算機大類的各個專業(yè)方向，包括但不限于計算機科學與技術專業(yè)方向、軟件工程專業(yè)方向、智能科學與技術專業(yè)方向、網(wǎng)絡工程專業(yè)方向等工科專業(yè)方向。它屬于計算機科學與技術專業(yè)本科生的專業(yè)必修課程。通過實驗課程的編程訓練，可提高學生編程實現(xiàn)算法能力和實踐能力，培養(yǎng)綜合分析問題能力以及應用所學算法等知識解決實際問題的能力，并在編程技術互幫互學中鍛煉溝通和協(xié)作能力。通過實驗教學環(huán)節(jié)，使學生更形象直觀地理解數(shù)據(jù)結構理論課所涉及的基本算法，掌握通過編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)結構主要算法的技能。學生在進行了本課程的實驗訓練后，可具備設計并綜合運用多種數(shù)據(jù)結構與算法來解決復雜工程問題的基本能力[5]。數(shù)據(jù)結構實驗課程的總體教學目標為：

（1）能夠針對實際問題設計并選擇合適的數(shù)據(jù)結構和方法，設計出結構清晰、正確易讀和復雜度較優(yōu)的算法，從而具備設計并綜合運用多種數(shù)據(jù)結構與算法來解決復雜工程問題的基本能力;

（2）通過數(shù)據(jù)結構算法編程能力訓練，使學生具有工程實踐的實操能力和主動學習能力、勇于開拓新思維使用新方法的創(chuàng)新精神、獨立分析問題并解決問題的基本能力。

（3）在團隊中能夠擔當角色，完成相應職責，并能與團隊成員溝通協(xié)作完成所分配的任務。

2017年修訂的新版工程教育專業(yè)認證把解決“復雜工程問題”作為課程建設的目標和落腳點。而且在工程教育認證標準中，對于“復雜工程問題”的7方面特征，進行了明確說明，具體為具備下述特征（1），同時具備下述特征（2）—（7）的部分或全部：

（1）必須運用深入而復雜的工程原理，經(jīng)過深入的分析才可能得到解決;

（2）涉及多方面的，并可能相互有一定沖突的技術、工程和其它因素;

（3）需要通過建立合適的，具有一定創(chuàng)造性的抽象模型才能解決;

（4）僅靠常用方法不能完全解決;

（5）在專業(yè)工程實踐的標準和規(guī)范中，沒有包含問題所涉及的所有因素;

（6）問題所涉及的各方，其利益不完全一致;

（7）問題具有較高的綜合性，由若干相互關聯(lián)的子問題組成。

但是，目前一些數(shù)據(jù)結構實驗課程的設置未能全面考慮工程教育專業(yè)認證的具體要求，具體表現(xiàn)為單一驗證性實驗較多，設計性和綜合性實驗較少;同時實驗題目的簡單重復缺少變化也是重要問題之一。因此，需要針對工程教育專業(yè)認證的特點和要求，有計劃地、結合行業(yè)要求地制定數(shù)據(jù)結構實驗課程教學計劃，有序地執(zhí)行實驗教學過程，保質保量地完成教學任務。

2? 面向工程教育專業(yè)認證的數(shù)據(jù)結構實驗教學改革

2.1? 課程體系構建

在面向工程教育專業(yè)認證的教學體系中，數(shù)據(jù)結構實驗課程教育與傳統(tǒng)的教學方式不盡相同，具有獨特的前導課程、知識結構及能力要求。這種數(shù)據(jù)結構實驗課程教學的前導課程為：離散數(shù)學、C++程序設計及配套實驗（或其他高級程序設計語言及配套實驗）、數(shù)據(jù)結構。通過這些課程的學習，可以使得學生具有一定的數(shù)學理論基礎、高級程序設計語言的編程能力、算法分析和設計能力、用高級程序設計語言實現(xiàn)算法的基本知識和概念，從而能夠達到數(shù)據(jù)結構實驗課程的學習要求。

2.2? 教學內容分配

在面向工程教育專業(yè)認證的教學體系中，數(shù)據(jù)結構實驗課程教學仍然以實驗、實踐授課方式為主。在工程教育認證標準中，由于解決“復雜工程問題”的能力已經(jīng)成為課程建設的重要目標，所以實驗、實踐的授課內容應該強調設計性和綜合性實驗;同時為了避免實驗內容的簡單重復缺少變化，實驗題目應盡量做到年年不同、人人不同。具體表現(xiàn)為：

2.2.1? 參考競賽試題，設立實驗題庫，實驗題目從題庫抽取

ACM（Association for Computer Machinery）國際大學生程序設計競賽（簡稱ACM-ICPC）是由美國計算機協(xié)會主辦，用于表現(xiàn)大學生創(chuàng)新能力、分析和解決問題能力、團隊合作精神和在壓力下編程能力的年度競賽，是目前世界公認的水平最高規(guī)模最大的國際大學生程序設計競賽。ACM的競賽題目具有如下特點：有實際背景而且實用性和趣味性較強;知識層次考查得比較全面;題目有層次性，可分不同級別;很大部分的題目沒有確定答案，有廣闊的思維空間。將ACM競賽的題目經(jīng)過精心挑選，應用于數(shù)據(jù)結構實驗課程的教學中，形成了與數(shù)據(jù)結構實驗要求相對應的初、中、高三個層級的實驗題集，并以此作為實驗題目。其中初級題目是驗證性實驗題目，中級題目是設計性綜合性題目，而高級題目是復雜的設計性綜合性題目。將傳統(tǒng)的針對算法出實驗題目的實驗教學體系改為以合適的算法解決實際問題的實驗教學體系。通過具體問題描述給出題目，讓學生自主選擇合適的數(shù)據(jù)結構和算法進行求解，加深學生對理論課和算法的理解。同時也改變了傳統(tǒng)實驗授課全員實驗題目統(tǒng)一模式為獨立選擇實驗題目模式，不同層次的學生可以自主選用不同的實驗題目，使不同層次的學生都能得到提高。同時由于實驗題目來源于ACM競賽題，其中相當多的題目屬于設計性和綜合性的實驗，這樣的實驗題目有利于提高學生解決“復雜工程問題”的能力，達到了工程教育專業(yè)認證的要求。

2.2.2? 用在線評測系統(tǒng)實現(xiàn)評測的自動化

在線評測（online judge）系統(tǒng)是基于Web工作模式的一種實時評測系統(tǒng)。使用時用戶可以在線提交代碼，系統(tǒng)自動地實時地編譯、運行，給出評測結果。通過校園網(wǎng)將其用于程序設計類課程的實驗教學，可以不受空間和時間的限制，隨時進行評測，并即刻得到評測結果。這既方便學生實驗，也提高學習過程的監(jiān)控力度，減輕了教師手工批改作業(yè)的工作負擔[6]。傳統(tǒng)的手工批改實驗作業(yè)的任務非常繁重，而這種在線評測系統(tǒng)可以對學生的實驗作業(yè)進行自動評測，減輕了教師的工作負擔，使教師可以把更多精力投入到輔導學生上面。對于比較復雜的設計性綜合性實驗題目，如果學生之間、師生之間有充分的討論和交流，可以豐富、矯正和加深對當前實驗問題的解決方案。這樣有助于學生增強解決“復雜工程問題”的能力，也培養(yǎng)了良好的溝通能力和團隊合作精神。

2.3? 教學評價

學生對分數(shù)非常敏感，恰當?shù)膶嶒灣煽冊u分標準有利于激發(fā)學生的學習動力，反之有可能會降低其學習興趣。用在線測評系統(tǒng)對學生提交的程序進行評測，除了可以評測其代碼運行的正確性，還可以對運行時間的長短、占用內存的多少、以及輸入輸出格式等等加以限制。它可以綜合考察學生的編程能力和對算法的靈活運用。我校的數(shù)據(jù)結構實驗已經(jīng)與理論課拆分，成為一門獨立課程，而且比原有實驗課程增加了4學時，共計12次課，24學時，滿分100分。為了使實驗評分標準的制訂對學生具有激勵作用，同時為了與工程教育專業(yè)認證接軌，經(jīng)過新的教學模式的探索，決定采用以完成設計性綜合性實驗題目為主的評分方式。具體如下：

（1）對實驗題目的完成占總分的90%，實驗態(tài)度、溝通能力和實驗報告的評價占10%。

（2）完成初、中、高級題目的分數(shù)占比是1∶2∶4;即完成一個高級題相當于完成2個中級題，完成一個中級題相當于完成2個初級題。

（3）完成2個高級題即可獲得60分，以后每完成1個高級題加15分，加到90分后為止。

該評分標準為學生設立較低的及格目標，使學生更容易進入完成實驗題目的狀態(tài);其次完成1個高級題相當于完成2個中級題，相當于完成4個初級題，這更能激發(fā)學生挑戰(zhàn)更高級別實驗任務的動力，從而積極地完成復雜設計性綜合性實驗任務（高級題）。同時即使12次實驗課中完成12個初級實驗題目，成績也只能是及格多一點，要想取得好成績還遠遠不夠。從而確保了該評分標準在總體上不降低實驗教學的要求。

3? 結論

隨著時代的發(fā)展，國際產(chǎn)業(yè)界對工程類畢業(yè)生有了新的、更高的、相對統(tǒng)一的要求和標準。工程教育專業(yè)認證是其中重要的一類認證措施。面向工程教育專業(yè)認證，提出數(shù)據(jù)結構實驗課程的教學改革方案，可使學生提高解決“復雜工程問題”的能力、團隊合作精神和協(xié)同溝通能力。今后，我們還將繼續(xù)將教學改革深入下去，以期培養(yǎng)國際認可的，高水平、高素質的工程類人才。

參考文獻

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[3]張玉清， 周長兵. 適應工程教育認證要求的計算機科學與技術專業(yè)新工科建設探索與實踐[J]. 高教學刊， 2019（17）： 92-94.

[4]楊彬， 王青正. 工程教育專業(yè)認證背景下的數(shù)據(jù)結構教學改革[J]. 計算機時代， 2020（4）： 61-63， 67.

[5]伍鵬， 謝凱. 數(shù)據(jù)結構教學應注意的幾個問題[J]. 軟件， 2012， 33（5）： 123-124.

[6]王玲芬， 李錫祚. 在線評判在數(shù)據(jù)結構實踐教學中的應用[J]. 計算機教育， 2016（4）： 71-73.