CDIO 理念在数据结构课程中的探索与实践.pdf

第12期计算机教育2010年6月25日ComputerEducationNo.12Jun.25,2010124文章编号：1672-5913(2010)12-0124-03中图分类号：G642文献标识码：ACDIO理念在数据结构课程中的探索与实践杨蒙召，顾泽元，刘文强(黑龙江科技学院计算机与信息工程学院，黑龙江哈尔滨，150027)摘要：本文以CDIO教育理念为指导，针对数据结构课程存在的问题提出教学改革的具体措施。在实践教学中，笔者围绕CDIO理念要求具备的能力和素质，探讨以项目为中心、问题式的驱动教学和以实战为动力的教学法，取得了较好的效果。关键词：CDIO；数据结构；实践教学CDIO是当今国际高等工程教育的一种创新模式1。从2000年起，麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学组成的跨国研究获得近千万美元巨额资助，经过四年的探索研究，创立了CDIO工程教育理念。它更注重扎实的工程基础理论和专业知识的培养，通过贯穿整个人才培养过程的团队设计和创新实践环节的训练，培养既有过硬的专业技能，又有良好职业道德的国际化工程师。数据结构是计算机科学与技术专业的一门重要专业基础课，是非数值计算程序设计的基础，也是各种应用软件设计和实现的重要基础。该课的主要教学目的是研究常用数据结构的逻辑结构、存储结构及其支持的运算操作，比较不同数据结构和算法的特点，使学生全面理解数据结构和算法的概念，掌握设计数据结构与算法的主要原理和方法，研究解决常用问题的经典算法，提高学生使用计算机解决问题的能力。针对目前教学中存在的重理论、轻实践等问题，探讨CDIO理念在数据结构课程中应用，对学生的专业技能和工程能力培养都具有重要意义。1CDIO人才培养模式CDIO代表构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)，它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程2。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，要求采用综合的培养方式，使学生在这四个层面达到预定目标。CDIO不仅继承和发展了欧美20多年来工程教育改革的理念，更重要的是系统地提出了具有可操作性的能力培养、全面实施以及检验测评的12条标准。数据结构教学分为理论教学和实践教学两方面，而实践环节至关重要。理论教学可将逻辑思想表达清楚，但逻辑思想的具体实现必须通过实践环节才能完成。实践环节可以巩固和加深学生对课程内容的理解，进一步锻炼学生程序设计的技能，使其感受软件开发的规范，全面提高综合运用知识、分析解决问题的能力、研究性学习能力、工程系统能力和团队协作能力等。这些能力培养完全符合CDIO教学大纲对学生能力的要求，因此针对数据结构的教学现状，以CDIO人才培养理念开展教学改革具有很强的指导意义。2数据结构课程现状分析数据结构的理论教学偏重算法思想形成过程的分析，讲课形式往往流于书本的纯粹算法讲解，不能将实践教学和新颖的知识引入到理论教学中，如结合算法讲解ACM大赛及优秀赛题3-4。而课程本身较强的逻辑性和抽象性决定该课程的难度较大，学生的实践能力不强，总体来说存在如下问题：(1)实践教学中验证性内容偏多，设计性、综合性和探索创新性实验内容偏少，影响学生探讨问题的积极性和创新能力的提高。(2)对理论课程的重视程度高于实践课程，学生完全在教师的安排下学习，缺乏主动性和创新性。作者简介：杨蒙召(1980-)，男，河南鲁山人，讲师，硕士，研究方向为计算机图形学。杨蒙召，等：CDIO理念在数据结构课程中的探索与实践125第12期(3)学生常采用纯程序设计的方法解决问题，没能将理论中的逻辑结构与实际的存储结构和算法设计有机结合起来，对数据结构的理解具有片面性。(4)学习中只单纯讲书本或做实验，没有将一些新颖的知识引入课堂；另外没有适当的方式激发学生的编程兴趣，使学生获得乐趣和成就感。3CDIO理念下数据结构创新性改革探索针对存在的问题，围绕CDIO人才培养模式，我校数据结构课程组进行了多次教学研讨和实践改革，对教学的各个环节进行了创新研究和探索，取得了很好的效果。3.1以项目为中心的实践教学为了提高学生综合运用所学专业知识分析、解决实际问题的能力，我们在教学中采用以项目为导向的教学。项目教学是师生通过共同实施一个完整的项目工作而进行的教学活动，它将学习者融入有意义的任务完成过程中，让学生有目标地自主学习；同时要求学生通过自己的实践进行知识建构和技能训练5。教师根据学生的状况、教学目的和内容，结合知识点，制定具有实用性的项目。按照软件开发的过程，首先提出项目任务设想，与学生一起讨论项目的目标和任务。然后确定项目完成的功能，使学生带着明确的目的汲取知识，减少学习的盲目性。随着教学内容的展开，教师依据综合项目安排大部分子项目内容的讲授。最后指导学生以个人或小组的形式进行项目扩展和链接，生成一个综合项目。例如，在学习数据结构的“图”时，我们和学生共同分析，将我校的教学主楼、实验中心、宿舍、图书馆、篮球场、食堂和公园抽象成7个结点，根据路线长度和彼此连接情况，构建一个带权无向图；然后以邻接表的方式进行存储；据此设计了一个“校园导游信息系统”，以实现遍历校园、求得关键路径和最短路径等导游信息。这样的教学设计让学生亲身融入到有意义的项目分析和设计中，学习更有兴趣和目的性，提高了工程系统设计能力。3.2以问题为驱动的实践教学编写程序就是解决一个问题，而“问题”又是创新的起点，是激发学习兴趣、诱发学习动机的理想载体。因此，实践内容的设计必须以问题求解为主线索，体现分析、设计能力的培养。针对每个教学单元的重要知识点，教师选择有代表性、难度适中、综合性的典型算法，合理设计“问题”，以点带面，使学生在面对实际问题时学会分析问题、设计解决问题的方案，编程、上机、调试，在实验中掌握在某种数据结构下数据组织、加工、处理的方法，进一步理解算法的设计，锻炼编程和调试程序的能力，提高创新意识。例如，在学习数据结构的循环链表时，教学一开始，教师首先描述一个有趣的“Josephu问题”。根据人数n和整数m，如何得到出队编号的序列呢？学生分组讨论，思考怎样解决问题；随后，教师提出循环队列的思想可以解决这个问题，把n个人构成一个单循环链表，然后对其遍历，就很容易理解了。教师随即讲解循环链表思想和类C语言算法，在实验课中引导学生编程解决Josephu问题。这样的教学极大激发了学生的学习兴趣，使其不仅学好了数据结构知识，而且提高了分析和解决实际问题的能力。3.3以实战为动力的实践教学如何将学习由被动变为主动，由枯燥变为兴趣，是一个很重要的问题。我校将实践教学形式多样化，引入不同级别的程序设计大赛，避免单一呆板的教学，让学生有的放矢，提高学习的参与性和能动性。我们鼓励学生参加每年一次的校级大学生程序设计大赛和全国大学生ITAT程序设计大赛，对取得较好名次的学生给予适当奖励，加强学习实战性。近年来，我们多次组织队伍参加ACM大赛，连续两年取得优异成绩，今年又申请获得了2010年黑龙江省ACM程序设计大赛的举办权。通过宣传，学生认识到ACM大赛的价值和意义，今年参加ACM大赛的队伍较往年有明显增加。我们还特别在大学生实训基地提供硬件环境，并讲解ACM大赛常见试题和题型、数据结构和算法分析的重点知识，帮助学生取得优异成绩。竞赛大大拓展了学生的视野，提高了学生编程和学习数据结构的热情，使学习生动有趣。另外，鉴于ACM竞赛试题本身的有趣性、实际性和价值性，结合数据结构基本实验和设计型实验的要求，我们还从ACM竞赛试题中精心挑选相关题目，或将原有实验题目改造为试题形式，形成与数据结构实验要求相对应的试题集。这样学生可以在平时的学习和实验中接触到ACM试题，对编程能力的提高和将来参加比赛都有直接益处。通过以上措施，我们将实验教学中以算法为主线改为以竞赛实战为主线的体系结构，加深学生对基本概念和基础知识的理解，牢固掌握所学知识。计算机教育ComputerEducation1262010总之，按照CDIO理念的四个层次要求，我们培养了学生掌握技术基础知识和个人编程的能力，完善了学生的协作能力和工程系统分析能力。4结语CDIO理念在强调学生理论基础知识的同时，注重培养学生理论应用能力、团队合作能力及工程系统掌控能力。本文针对当前数据结构课程教学过程中存在的问题，结合CDIO教学理念对学生的要求，探讨了以项目为中心、问题式驱动教学和以实战为动力的教学法，激发学生的学习兴趣，培养学生的CDIO能力，取得了很好的教学效果。参考文献：1顾佩华,沈民奋,李升平,等.从CDIO到EIP-CDIO:汕头大学工程教育与人才培养模式探索J.高等工程教育研究,2008(1):12-20.2陶勇芳,商存慧.CDIO大纲对高等工科教育创新的启示J.中国高教研究,2006(11):81-83.3郭韶升,张炜.数据结构课堂教学研究与实践J.机械管理开发,2007(10):153-154.4张桂芬.数据结构实验教学的改革与探索J.高教论坛,2008(3):103-104.5查建中.论“做中学”战略下的CDIO模式J.高等工程教育研究,2008(3):1-9.DiscussionandPracticeofCDIOIdeaintheCourseofDataStructureYANGMeng-zhao,GUZe-yuan,LIUWen-qiang(DepartmentofComputerScience,HeilongjiangInstituteofScience&Engineering,Harbin150027,China)Abstract:AttheguideofCDIOeducationalidea,itsdiscussedsomeproblemsofdatastructurecourseandpresentssomeconcretemethodstoreformthecourseinthearticle.Inthepracticeteaching,thispaperstatesabilitieswhichCDIOrequiresstudentstoacquireanddiscussesthreeteachingmethodssuchasitem-centered,question-driven,contest-oriented,etc.Thepracticeresulttellsustheseteachingreformscanacquireabettereffect.Keywords:CDIO；datastructure；practiceteaching(编辑：张玥)(上接123页)了拾球智能机器人、多媒体播放器、可编程逻辑控制器等优秀的作品。3结语嵌入式系统是一门实践与理论相结合的课程，本课程研究主要通过鼓励、引导学生多参与实践，通过在实践中学，通过实践加深理论知识等方法，达到学生对基本理论和开发方法的掌握，培养适应社会需要的人才。实践证明，本课程的教学富有成效，取得较好的效果。参考文献：1佚名.CDIO简介.2010-02-03./vNews.asp?typeID=30&parentID=29.2李岩,王小玉,孙永春.嵌入式系统教学研究J.电气电子教学学报,2006,28(3):45-47.3伍宗富,陈日新,王建君.基于Web的开放实验教学管理系统J.高校实验室工作研究,2007(2):78-80.4田泽.嵌入式系统开发与应用实验教程M.北京:北京航空航天大学出版社,2004.5郑灵翔.嵌入式Linux系统设计M.北京:北京航天航空大学出版社,2008.ResearchofEmbeddedSystemTeachingBasedonCDIOModeLIJian-qiang,WANGZhi-qiang,XUELi-ping(CollegeofComputerScienceandSoftwareEngineering,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,China)Abstract:Asembeddedsystemcourseiscombinationwiththeoryandpractice,theabilityofpracticeisdeveloped