和 薇

摘要:CDIO教學(xué)模式是一種倡導(dǎo)“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目的教育和學(xué)習(xí)”的新型教學(xué)模式。本文將CDIO理念引入大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的學(xué)習(xí)中,著重介紹了在課堂中利用課堂講授、課堂討論和課后作業(yè)等方式對“項(xiàng)目”的理解,以及在教學(xué)中通過課程實(shí)踐對“做中學(xué)”的體會。

關(guān)鍵詞:CDIO教學(xué)模式;數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);項(xiàng)目

中圖分類號:G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

CDIO原本是工程教育領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)概念,它是構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(jì)(Design)、實(shí)現(xiàn)(Implement)、運(yùn)作(Operate)的集合體,是2001年由瑞典查爾姆斯技術(shù)學(xué)院、瑞典林克平大學(xué)、美國麻省理工學(xué)院、瑞典皇家技術(shù)學(xué)院合作開發(fā)的一個(gè)新型工程教育平臺。它以工程項(xiàng)目(包括產(chǎn)品、生產(chǎn)流程和系統(tǒng))從研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為整體,讓學(xué)生主動地參與到理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)化過程中來,是一種倡導(dǎo)“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目的教育和學(xué)習(xí)”的新型教學(xué)模式。CDIO既注重抽象理論知識的“教”和“學(xué)”,又強(qiáng)調(diào)了教學(xué)過程中“做”的重要意義;既增強(qiáng)了學(xué)生的動手能力,又培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識、項(xiàng)目設(shè)計(jì)的能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的精神。CDIO教學(xué)模式應(yīng)用于我國的一些高校,已經(jīng)取得了初步成果。比如清華大學(xué)工業(yè)工程系的顧學(xué)雍教授就曾創(chuàng)造性地將CDIO方法運(yùn)用于“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”和“數(shù)據(jù)庫原理”兩門課中,取得了突出的成效。筆者也在本院計(jì)算機(jī)專業(yè)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的建設(shè)過程中遵循CDIO原則,進(jìn)行了一系列教學(xué)實(shí)踐與探索。

1CDIO能力培養(yǎng)大綱

CDIO模式以構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作為主線,將基礎(chǔ)知識、個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作與社會環(huán)境融合在一起,注重理論與實(shí)踐的結(jié)合。圖1為CDIO大綱的主要內(nèi)容。

大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)也是實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科專業(yè),借鑒CDIO大綱對工程師的培養(yǎng)目標(biāo),我們對于專業(yè)性人才的培養(yǎng)也應(yīng)該首先立足于加強(qiáng)學(xué)生對專業(yè)基礎(chǔ)性知識的學(xué)習(xí)和基本技能的掌握,倡導(dǎo)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合,在實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能與合作溝通的能力,最終讓畢業(yè)生滿足企業(yè)對人才的需求并服務(wù)于社會。

2“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的重要性

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”是整個(gè)計(jì)算機(jī)學(xué)科體系的一門核心課程,也是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的專業(yè)必修課。學(xué)好這門課程,不僅可以為軟件開發(fā)奠定良好的編程基礎(chǔ),也可以培養(yǎng)學(xué)

生良好的編程思想和編程風(fēng)格。這門課程主要介紹各種離散結(jié)構(gòu),如表、樹、圖、集合等在計(jì)算機(jī)內(nèi)的存儲和處理,以及各種常用算法及其應(yīng)用。課程除了要求學(xué)生有較好的離散數(shù)學(xué)基礎(chǔ)外,還應(yīng)至少掌握一門程序設(shè)計(jì)語言(Pascal、C、C++、Java等)。因?yàn)檎n程既包含抽象的理論,又強(qiáng)調(diào)算法的實(shí)踐,所以一直以來都被學(xué)生認(rèn)為是最難學(xué)的課程之一。

3基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)

CDIO教育模式要求學(xué)生基于工程項(xiàng)目的全生命周期進(jìn)行學(xué)習(xí)與實(shí)踐,項(xiàng)目最好來源于企業(yè)的真實(shí)題目或結(jié)合教師的科研課題組織和設(shè)計(jì),以項(xiàng)目作為基礎(chǔ)知識傳授與基本技能掌握的載體?？紤]到“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程一般開設(shè)在計(jì)算機(jī)專業(yè)大學(xué)本科二年級,此時(shí)學(xué)生剛剛學(xué)習(xí)了一至兩門程序設(shè)計(jì)語言,對編程語言的運(yùn)用還處在初級階段,還沒有經(jīng)過軟件工程的系統(tǒng)培訓(xùn),所以教師在設(shè)計(jì)項(xiàng)目時(shí),還必須講究方式方法,結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況來組織教學(xué)。

3.1課堂講授

課堂講授是貫徹CDIO教學(xué)大綱,學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識的主要方法,要求教師對“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程中所有的知識點(diǎn)、重點(diǎn)及難點(diǎn)有很好的設(shè)計(jì)。在講授教學(xué)內(nèi)容時(shí),教師可以適當(dāng)?shù)匾脤?shí)際項(xiàng)目,引導(dǎo)學(xué)生體會產(chǎn)品從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施到運(yùn)作的完整過程。

比如在講解樹結(jié)構(gòu)時(shí),引入ERP企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)中的BOM(Bill of Material)物料清單的實(shí)例。BOM是一種描述配套件結(jié)構(gòu)的零件表,包括所有子件、零件、原材料的清單以及制造一個(gè)配件需要的所有物料數(shù)量。BOM是制造業(yè)信息系統(tǒng)的一個(gè)核心部分,在ERP系統(tǒng)的MRP分析、制定生產(chǎn)計(jì)劃、采購及銷售控制及生產(chǎn)過程控制等環(huán)節(jié)都具有重要的作用,設(shè)計(jì)合理的BOM結(jié)構(gòu)可以取得事半功倍的效果。針對對BOM特點(diǎn)和作用的簡單講授和對樹型結(jié)構(gòu)的分析,教師可以引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)例入手,鍛煉學(xué)生從分析實(shí)例產(chǎn)品的構(gòu)成和用戶的實(shí)際需求出發(fā),構(gòu)思并設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),促進(jìn)學(xué)生對樹型結(jié)構(gòu)的掌握。

3.2課堂討論

課堂討論是課堂講授教學(xué)內(nèi)容的有效補(bǔ)充形式。現(xiàn)代教學(xué)理念主張啟發(fā)式教學(xué),在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候拋出一個(gè)問題,給學(xué)生5～10分鐘的自由發(fā)言或分組討論時(shí)間,效果會更好。比如上一個(gè)問題,教師可以在講解BOM的時(shí)候直接給出樹型結(jié)構(gòu)的解決方案,但是如果教師在講授了基礎(chǔ)知識和問題背景后,讓學(xué)生自行討論設(shè)計(jì)方案,自由發(fā)言或由小組代表提出設(shè)想,再由全班討論,經(jīng)教師總結(jié)后給出結(jié)論,則可以充分地激發(fā)學(xué)生的積極性,也讓學(xué)生體會了“提出問題—分析問題—解決問題”的過程。在這個(gè)過程中,教師要注意對學(xué)生的思路加以引導(dǎo),對學(xué)生所提的方案加以鼓勵(lì),幫助學(xué)生樹立創(chuàng)新意識,讓他們不墨守成規(guī),學(xué)會從多角度思考問題。

3.3課后作業(yè)

課后作業(yè)是對課堂教學(xué)內(nèi)容的延伸和對課堂教學(xué)效果的驗(yàn)證。在教學(xué)時(shí)間緊任務(wù)重的前提下,科學(xué)地設(shè)計(jì)課后作業(yè)可以彌補(bǔ)缺憾,也可以促進(jìn)學(xué)生主動學(xué)習(xí)。比如可以針對具體項(xiàng)目,讓學(xué)生通過上網(wǎng)查閱資料補(bǔ)充項(xiàng)目背景知識,也可以讓學(xué)生查找相關(guān)問題的其他解決方案,或?qū)φn堂提出的算法進(jìn)行代碼實(shí)現(xiàn)。教師可以從這些內(nèi)容中挑選出精彩的部分,安排合適的時(shí)間,在課堂上由學(xué)生進(jìn)行匯報(bào)講演,交流心得。這種形式既對課堂教授有很好的補(bǔ)充,又有效杜絕了學(xué)生的作業(yè)抄襲現(xiàn)象。

4通過課程實(shí)踐體會“做中學(xué)”

CDIO理念是總結(jié)了歐美20多年來工程教育改革的產(chǎn)物,目的是能夠培養(yǎng)出全面發(fā)展的工程師,他們不僅要具有扎實(shí)的專業(yè)知識和熟練的專業(yè)技能,理解構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)施—運(yùn)行一個(gè)完整系統(tǒng)的復(fù)雜性,還要能夠在一個(gè)現(xiàn)代的、合作的環(huán)境中讓這個(gè)產(chǎn)品升值。CDIO強(qiáng)調(diào)學(xué)生的工程能力不是單純的理論知識或直觀技能,而是兩者的綜合運(yùn)用,也就是所謂的“做中學(xué)”。

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)由兩部分組成:課內(nèi)上機(jī)和課程設(shè)計(jì)。課內(nèi)上機(jī)一般有2～4個(gè)學(xué)時(shí),以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主,側(cè)重學(xué)生對每章知識點(diǎn)的上機(jī)驗(yàn)證和內(nèi)容的延伸;課程設(shè)計(jì)時(shí)間相對較長,一般有20～40個(gè)學(xué)時(shí)不等,學(xué)生可以在這個(gè)過程中完整地體驗(yàn)一個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)施。

4.1項(xiàng)目的選擇

課程實(shí)踐的項(xiàng)目最好來自企業(yè)一線,或者是一些具有實(shí)際意義的題目,考慮到學(xué)生知識的局限性,教師可以對這些題目稍作改動。比如“北京市城市軌道交通咨詢模擬系統(tǒng)”要求參考北京地鐵運(yùn)營線路圖,見圖2,以無向圖的形式描述城市軌道交通狀況,給出從甲地到乙地的最優(yōu)換乘方案。此項(xiàng)目來源于實(shí)際問題,學(xué)生很容易理解題目的要求和最終的結(jié)果。由于實(shí)際地鐵運(yùn)行線路中站點(diǎn)比較多,所以布置題目時(shí)可以適當(dāng)簡化,比如減少站點(diǎn)數(shù)目(但要保留換乘站),忽略兩站之間的運(yùn)行時(shí)間和每站的?？繒r(shí)間,以途經(jīng)的站數(shù)來作為最優(yōu)路徑的計(jì)算依據(jù)等。

在課程設(shè)計(jì)階段,學(xué)生首先選擇自己感興趣的項(xiàng)目,然后從問題需求入手,設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),明確輸入和輸出信息,進(jìn)行模塊設(shè)計(jì),最后進(jìn)行詳細(xì)代碼的編寫和模塊測試。整個(gè)過程始終遵循CDIO“做中學(xué)”的原則,讓學(xué)生在實(shí)際動手的過程中不斷增強(qiáng)解決實(shí)際問題的能力。部分能力較強(qiáng)的同學(xué)還在原題的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能擴(kuò)展,形成了一個(gè)帶有友好人機(jī)界面的可視化軟件,既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,又激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造力。

4.2分工與合作

《禮記?學(xué)記》上講:“獨(dú)學(xué)而無友,則孤陋而寡聞”。由于CDIO強(qiáng)調(diào)的項(xiàng)目具有完整性和綜合性,一個(gè)學(xué)生很難在短時(shí)間內(nèi)完成,因此可以考慮采用分組的形式,由多名學(xué)生組成小組,由組長負(fù)責(zé)安排整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)度。這種團(tuán)隊(duì)的形式最能鍛煉學(xué)生的協(xié)作精神、溝通能力和領(lǐng)導(dǎo)能力。李開復(fù)教授在給中國學(xué)生的信中這樣寫道:“像Windows 2000這樣的產(chǎn)品研發(fā),有超過3000名開發(fā)工程

師和測試人員參與,寫出了5000萬行代碼。沒有高度統(tǒng)一的團(tuán)隊(duì)精神,沒有全部參與者的默契與分工合作,這項(xiàng)工程是根本不可能完成的?！盋DIO模式就是要讓學(xué)生在不斷的碰撞和溝通中學(xué)會相互支持,共同討論,共同進(jìn)步。

4.3項(xiàng)目考核

課程設(shè)計(jì)結(jié)束時(shí),教師要對項(xiàng)目的完成情況進(jìn)行考核,CDIO教學(xué)模式的標(biāo)準(zhǔn)之一就是要對學(xué)生個(gè)體進(jìn)行評估驗(yàn)收?？己说男问娇梢允嵌鄻拥?比如采用“答辯”的方式,由學(xué)生演示程序的運(yùn)行結(jié)果,然后針對自己在小組

中的分工情況,詳細(xì)介紹具體算法和遇到的問題,最后提交項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告。較之傳統(tǒng)的考試,這種考核方式更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生的表達(dá)能力和科技文章的撰寫能力,既分享了學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn),又拓寬了知識面。教師在考核過程中要起到主導(dǎo)作用,要站在企業(yè)、用戶或用人單位的角度來設(shè)立問題,將學(xué)生置于一個(gè)大的環(huán)境中,使學(xué)生具備業(yè)界所需要的素質(zhì)和能力。

總之,通過將CDIO教學(xué)模式運(yùn)用于“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程,倡導(dǎo)“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目的教育和學(xué)習(xí)”,使學(xué)生在掌握基本專業(yè)知識和技能的同時(shí),既提高了學(xué)習(xí)興趣,又增強(qiáng)了從業(yè)所要求的各項(xiàng)素質(zhì),對學(xué)生畢業(yè)走上社會的可持續(xù)發(fā)展起到積極的作用。

參考文獻(xiàn):

[1] 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):81-83.

[2] 顧學(xué)雍.聯(lián)結(jié)理論與實(shí)踐的CDIO[J].高等工程教育研究,2009(1):11-23.

[3] 查建中.論“做中學(xué)”戰(zhàn)略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究,2008(3):1-6.