摘要：針對西部地區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的特點，討論分析如何實施CDIO人才培養(yǎng)理念，強化教學活動中的“教、學、做”合一，指出教師的“教”是前提、學生的“學”是主體、學生的“做”是實踐，介紹本課程組教師在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程建設(shè)中的措施、方法以及取得的成效。

關(guān)鍵詞：CDIO；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法；創(chuàng)新能力

0.引言

當今世界已進入信息化、網(wǎng)絡化時代。西部地區(qū)特別是青海作為經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，實現(xiàn)青海省對信息化人才培養(yǎng)提出的“以培養(yǎng)應用型人才為目標”，已成為一個重要的研究課題。計算機科學與其他學科之間的互相滲透與融合對復合型人才的需求日益增加，從科學技術(shù)發(fā)展方向和構(gòu)建復合型人才知識結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，我們開設(shè)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程。該課程所討論的知識內(nèi)容和提倡的技術(shù)方法，無論對進一步學習計算機領(lǐng)域的其他課程，還是對從事軟件工程的開發(fā)，都有著不可替代的作用。2010年10月，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程被列入青海大學2010年學校重點建設(shè)計劃。為了實現(xiàn)青海省對信息化人才的培養(yǎng)目標，我們將CDIO理念引入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的建設(shè)中。

1.CDIO與課程的定位

CDIO工程教育模式是一個嶄新的教育模式，是近年來國際工程教育改革的最新成果，包括個人所具備的科學和技術(shù)知識以及終生學習、團隊交流、系統(tǒng)協(xié)調(diào)等方面的能力。CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate），從“培養(yǎng)什么”和“怎樣培養(yǎng)”兩個根本問題出發(fā)探索教育問題，以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，旨在培養(yǎng)大學生的實踐能力和創(chuàng)新精神。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程是計算機科學課程體系中核心課程之首，作為學科的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有承上啟下的重要作用。這門課程既包含較多的抽象概念、算法和編程思想，又包含許多前驅(qū)課程的知識，還對程序?qū)嵺`有一定的要求，因此該課程的教學難度很大；而學生在學習過程中經(jīng)常感到困難，甚至產(chǎn)生厭學情緒。此外，學生對前導課程程序設(shè)計基礎(chǔ)I、程序設(shè)計基礎(chǔ)II學習得不夠扎實，尤其對結(jié)構(gòu)體、指針這兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程中常用數(shù)據(jù)類型的認識和理解不夠透徹，這就需要我們在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程教學過程中，通過具體實踐來彌補。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的傳統(tǒng)教學模式中，一般都存在“重理論講解、輕實踐應用”的現(xiàn)象，教學難度大，學生感到在課堂上似乎聽懂了，但是又難以運用學過的知識解決具體問題，其中一個重要原因在于理論教學難以系統(tǒng)化表達理論的適用環(huán)境和應用效果。久而久之，有的學生對學習逐漸失去興趣，這嚴重阻礙了學生專業(yè)素質(zhì)、應用能力以及創(chuàng)新能力的提高。

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。課程組教師以CDIO教育理念為指導，以“提高課堂教學質(zhì)量和效果，加強學生的實踐動手能力”作為突破口，將課堂教學與實踐教學融為一體，讓學生在做中學，目的是充分調(diào)動學生的學習熱情并激發(fā)求知欲望，提高和增強學生的實踐能力、社會適應能力以及創(chuàng)新能力，從而使其適應新經(jīng)濟條件下社會對信息技術(shù)人才的需求。

2.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程建設(shè)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的內(nèi)容可以從概念表述、數(shù)據(jù)模型、設(shè)計算法3個層面描述，同時也顯示了該課程的3個階段：數(shù)學模型→抽象數(shù)據(jù)類型→數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法。課程組教師按照CDIO理念中“構(gòu)思→設(shè)計→實現(xiàn)→運作”的過程，首先提出將“建設(shè)優(yōu)秀的教師隊伍，組織合理的教學內(nèi)容，采用科學的教學方法，培養(yǎng)高素質(zhì)的應用型計算機人才”作為課程建設(shè)的目標；然后緊扣課程教學改革發(fā)展方向，充分體現(xiàn)現(xiàn)代教育思想，制定并修訂該課程的教學大綱；最后形成80學時的教學計劃，其中包括48學時的課堂講授，32學時的實驗，實驗課包括基礎(chǔ)實驗和課程設(shè)計。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程建設(shè)過程主要從教師隊伍建設(shè)、課堂教學、實驗與課程設(shè)計、學生自主性學習等方面開展。

2.1教師隊伍建設(shè)

為保證數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程及實踐教學環(huán)節(jié)的教學工作，我們經(jīng)過幾年實踐，已形成由5名教師組成的授課團隊，他們承擔該課程的講授和課程設(shè)計指導工作。課程組教師中有副教授1人，講師4人；30歲以上教師2人，20-30歲教師3人；博士1人，碩士研究生4人。教學梯隊的學歷結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)、職稱結(jié)構(gòu)基本合理。年輕的教師隊伍表現(xiàn)出較強的團隊精神，具有良好的敬業(yè)精神，是一個團結(jié)向上的集體，能夠保證各項教學工作順利進行。

課程組教師抓住清華大學對口支援的幫扶契機，跟隨清華大學計算機科學與技術(shù)系教師進行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的單科進修學習。在進修學習過程中，課程組成員以清華大學的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程教學大綱和計劃為基礎(chǔ)，以CDIO教育理念武裝自己，結(jié)合青海大學計算機技術(shù)與應用系的生源、目標和資源實際情況，與清華大學教師進行多次討論，制定了較為符合青海大學計算機技術(shù)與應用系學生的教學大綱和計劃，為計算機技術(shù)與應用系的專業(yè)教學工作搭建了一個高起點的平臺，實現(xiàn)了該課程教學“高起快走”的目標，從而極大地提高了課程組全體教師的總體水平。

課程立項以來，課程組教師多次拜名師，訪名校，進行外出培訓和交流。通過進修學習與交流，課程組全體教師提高了學術(shù)水平，更新了知識結(jié)構(gòu)，在很多方面獲得較大進步。教師隊伍的知識結(jié)構(gòu)越來越趨于合理化，課程組全部教師已經(jīng)進入專業(yè)學術(shù)研究的團隊之中。

2.2課堂教學

當今社會是一個多元化的社會，崇尚個性與創(chuàng)造，而學生的心理和學習習慣也是多樣化的。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的教學過程中，我們采用“指導一實踐一反饋”的方式組織教學，注重啟發(fā)學生思維，積極探索趣味教學法與基于項目導向的教學方法，以激發(fā)學生的求知欲，調(diào)動學生的學習積極性與主動性，引導學生自己發(fā)現(xiàn)問題并逐步解決問題，培養(yǎng)學生思考問題、分析問題和解決問題的能力。

1）趣味教學法。

在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的第一堂課上，教師可以跟學生一起回憶學生入學報到、就餐排隊、加入學生會、去市里購物和每學期期末考試時的情景等。通過幾位學生的發(fā)言，教師可以自然地引出這些活動與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的聯(lián)系，如學生入學后填的學籍表可以用線性表實現(xiàn)；學生就餐時排隊的過程可以用隊列實現(xiàn)；學生會的組織機構(gòu)可以用樹實現(xiàn)；去市里購物乘車的路線以及花費的時間，可用圖中的最短路徑實現(xiàn)；而大家所關(guān)心的期末考試成績的查詢與排名情況，則可以通過查找和排序技術(shù)實現(xiàn)。

通過這樣的提問與總結(jié)，我們向?qū)W生一一展示了他們身邊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，讓學生覺得該課程與他們的學習和生活息息相關(guān)。這也就引出了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的主要內(nèi)容，從而激發(fā)學生的學習熱情。我們在具體內(nèi)容的講解過程中，讓學生參與其中，如講排序時引入課堂角色扮演，這同時培養(yǎng)了學生的學習興趣；在具體算法的講解過程中，不僅介紹算法本身，而且通過形象生動的動畫演示增強學生的感性認識。

興趣是學習之母。趣味教學法可以使學生在一種輕松、愉悅的環(huán)境中學習，從而激發(fā)學生的求知欲，調(diào)動學生的學習主動性，幫助學生培養(yǎng)良好的學習習慣和養(yǎng)成濃厚的學習興趣。

2）基于項目導向的教學方法。

在理論課的講解中，主講教師以學生成績管理案例、景區(qū)旅游管理案例以及航空訂票管理案例的工作步驟為主線，以項目工作任務為驅(qū)動，將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法中的線性表、棧、隊列、數(shù)組、樹、圖、查找與排序等知識點和一些方法、技能有機融合，讓學生在問題解決過程中學習，從而真正做到通過學習該課程建立起數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理的概念，掌握數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)分析、存儲和算法編寫的基本流程、步驟、內(nèi)容及操作方法，具備完成相關(guān)工作的能力。

這種以項目為導向的教學方法既突出知識的應用性，又使得學生對項目開發(fā)工作的整體框架有更清晰的了解，可以對不同知識水平的學生，特別是青海少數(shù)民族學生，進行個性化培養(yǎng)，激發(fā)他們的學習熱情，培養(yǎng)和鍛煉他們的創(chuàng)新精神和實踐能力，使他們都能在不同程度上得到提高和發(fā)展。這種教學方法能將書本上的知識變“活”，可以幫助學生更好地理解課堂教學內(nèi)容，拓展知識面，延伸和擴展課堂教學，提高學生的抽象能力、思維能力、算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析能力，從而學會如何把從書上學到的知識用于解決實際問題，培養(yǎng)實踐動手能力，充分體現(xiàn)CDIO理念。

此外，課程組教師還積極探索啟發(fā)式教學法、互動式教學法、共性化與個性化相結(jié)合教學法，以激發(fā)學生的求知欲，調(diào)動學生的學習積極性與主動性，引導學生自己發(fā)現(xiàn)問題并逐步解決問題，培養(yǎng)學生思考問題、分析問題和解決問題的能力。在整個授課過程中，課程組教師注重在學生的平時學習與生活方面多給予關(guān)心和幫助，用愛心撫慰學生，用情感教育打動學生的心扉，這樣，學生在不感到壓力的情況下，在喜愛授課教師的前提下，就會樂于學習。

2.3實驗與課程設(shè)計

我們在實驗課中提倡同學之間相互指導，加強學習交流，引導大家分享學習成果，從而共同進步。在學生學習該課程的過程中，我們將全班學生分成若干個學習小組，每組3-4人，將班里編程能力好的學生分插到各組。教師在完成每章教學內(nèi)容講授后，除了讓每名學生必須完成基礎(chǔ)實驗外，還會布置幾道題，讓學生分組討論并在實驗課上分組講解，然后由其他同學提問，最后教師作總結(jié)。通過這樣的鍛煉，學生意識到有時只靠一個人的學習是不夠全面、不到位的，同學之間必須互相學習，遇到問題互相協(xié)助，共同思考解決方案，這樣才能真正地掌握解決問題的真本領(lǐng)。這種學習方式同時也提高了學生的團隊合作精神，為后續(xù)的課程設(shè)計打下堅實基礎(chǔ)。

在課程設(shè)計中，教師提供多個不同項目化的題目供學生選擇，這樣可以給予學生更廣闊的思路實現(xiàn)課程設(shè)計的任務，從而達到鞏固所學數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識的目的。同時，題目多樣化的方式也杜絕了學生之間互相抄襲現(xiàn)象的產(chǎn)生。學生以學習小組作為一個項目組，按照要求進行構(gòu)思并共同商討設(shè)計思路，然后進行算法設(shè)計，接著由項目組長組織分工，安排組員各自負責的部分，組員分頭實現(xiàn)算法，最后項目組將各組員的算法實現(xiàn)部分匯總在一起，運作整個項目并撰寫課程設(shè)計報告。在整個課程設(shè)計過程中，學生在完成自己負責模塊的同時，還需要不斷地參與討論和設(shè)計其他學生的模塊，通過這種方式使得自己可以在較短的時間內(nèi)，對該課程的知識進行較全面的復習和鞏固。

在驗收課程設(shè)計時，教師會安排開展一個集研究、研討、趣味于一體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程設(shè)計答辯會，并邀請系里教師作為嘉賓出席。整個活動由學生策劃和設(shè)計并推薦主持人。在課程設(shè)計過程中，學生經(jīng)過查閱資料、構(gòu)思整體方案、算法設(shè)計、編碼實現(xiàn)、調(diào)試運行和總結(jié)等環(huán)節(jié)并在整個過程中不斷討論和解決問題，每一個環(huán)節(jié)都可以鍛煉學生的溝通、解決問題以及團隊協(xié)作的能力，讓學生受益匪淺。這些也充分體現(xiàn)了CDIO整個教育理念的核心內(nèi)容。

2.4學生自主性學習

學生通過各種實踐環(huán)節(jié)更好地理解了課堂教學內(nèi)容，拓展了知識面，延伸和擴展了課堂教學，全面地提高了抽象能力、思維能力、算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析能力、科學報告的撰寫和表達能力，同時在這個過程中也培養(yǎng)了獨立分析實際問題的能力。此外，我們在作業(yè)批改過程中采用作業(yè)相似度檢測工具，從而杜絕學生抄襲編程作業(yè)現(xiàn)象的出現(xiàn)，進而培養(yǎng)學生程序設(shè)計的實踐能力。

實驗與課程設(shè)計使學生不僅能夠較早地了解計算機科學的最新發(fā)展方向和科學研究的方法，而且能夠?qū)W會如何利用所學知識解決實際問題。對于教材未涉及的內(nèi)容，學生通過自己查資料完成相應的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高了文獻查閱能力和科研能力。這種過程也真正體現(xiàn)了學生的主體地位，將被動學習和無興趣學習轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W習和積極學習的過程。此外，教師還讓學生積極參與到教師的科研中，激發(fā)學生對知識的渴求，提高學生的學習興趣。正是有了這些方面的能力訓練，一些學生在大三還申請到了大學生國家創(chuàng)新性實驗項目與青海大學創(chuàng)新性實驗項目。

總之，通過CDIO理念下的實驗與課程設(shè)計訓練，學生提高了組織數(shù)據(jù)及編寫大型程序的能力，復習和鞏固了前導課程程序設(shè)計基礎(chǔ)I、程序設(shè)計基礎(chǔ)II。此外，學生在學習該課程的同時，還學習了Java程序設(shè)計課程。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計環(huán)節(jié)，一部分學生還用Java語言實現(xiàn)編程，既鞏固數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識，又熟練地掌握Java語言，為大三上學期更好地學習本專業(yè)的課程打下良好基礎(chǔ)。

3.建設(shè)成效

課程組教師對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程進行了近2年多時間的建設(shè)，在充分把握國內(nèi)外專業(yè)教育的最新動態(tài)、吸納融合本學科最新研究成果和實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，不斷更新和豐富課程內(nèi)容并有效運用典型算法分析方法、多媒體教學等現(xiàn)代化教學手段和工具，最終在教學資源、教學方法、課程改革等多方面取得了可喜成績。

在教學素材庫建設(shè)方面，課程組教師完成了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程教學大綱、課件、實驗指導書的修訂和習題庫、試題庫的建設(shè)；在教學改革與研究效果方面，課程組教師在2年內(nèi)公開發(fā)表4篇有關(guān)教學改革和教學研究的論文，其中2篇EI檢索，1篇國家核心，1篇省內(nèi)核心；在申請教改項目及獲批方面，申請并獲批1項青海省教育廳教改項目，1項青海大學教改項目；在教師獲獎方面，5名教師獲得青海大學畢業(yè)論文（設(shè)計）優(yōu)秀指導教師，1名教師獲得青年教師小島獎勵金，1名教師獲得“135高層次人才培養(yǎng)工程”創(chuàng)新教學科研骨干人才；2008級、2009級、2010級學生申請并獲批3項國家大學生創(chuàng)新型實驗計劃項目、3項青海大學大學生科技創(chuàng)新基金項目及2項清華大學攜手Google助力西部教育科技創(chuàng)新項目。

根據(jù)青海大學課程建設(shè)規(guī)劃及課程建設(shè)管理辦法，教務處對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程進行驗收評審。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程順利通過驗收并獲得“青海大學精品課程”稱號，此外還被列入青海大學2012年學校重點建設(shè)計劃項目。

4.結(jié)語

在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的建設(shè)過程中，我們深入體現(xiàn)和貫徹CDIO“做中學”的理念，針對教學設(shè)計、課堂授課、實踐輔導、學生自我學習等環(huán)節(jié)進行課程建設(shè)，把握整體教學效果，最終以“做”衡量學生的水平，并且在整個教學過程中融入感情，實施和諧教育的教學方式。實踐表明，這種教學方式能夠激發(fā)學生的學習熱情，開闊學生的創(chuàng)新視野，使其專業(yè)素養(yǎng)及團隊合作等方面的能力得到提高，同時也增強了自信心和責任感。