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摘要：文章首先分析了“数据结构”课程教学现状，然后阐述了基于 OBE-CDIO 模式的“数据结构”课程教学 改革目标，接着论述了基于 OBE-CDIO 模式的“数据结构”课程教学改革要求，最后提出了基于 OBE-CDIO 模式的“数据结构”课程教学改革策略，包括优化课程设计选题、提倡线上线下混合式教学、利用网络上机平台以练促学、利用微信公众号实现沉浸式学习。
关键词：OBE-CDIO 模式；线上线下混合式教学；“数据结构”课程
成果导向教育(Outcomes-Based Education，OBE) 理念最早出现于 20 世纪 80 年代美国和澳大利亚的 基础教育改革中，核心思想是强调教育应将成果和目 标作为基本导向 。1981 年，美国学者斯派帝等人对此 教育模式进行了深入研究，并提出了 OBE 的完整概念， 他们发现，在教育活动中学生学到什么和能否在日后 的工作中获得成功，远比学什么重要得多 。自此，OBE 理念获得了重视与认可，并迅速成为欧美国家教育改 革的主流理念。进入 21 世纪以后，国际工程教育认证 和发展进一步加快，为了进一步提高 OBE 理念的实际 可操作性，受工业界产品／系统的生命周期过程的启 发，即工业产品的生命周期可分为四个阶段—构思、 设计、实现、运用，瑞典查尔姆斯技术学院、瑞典林克 平大学、美国麻省理工学院、瑞典皇家技术学院创立 了一个新型的工程教育模式—CDIO，分别代表构思 (Conceive) 、设计(Design) 、实现(Implement)和运作(Op－ erate)，从而成功地将企业界对合格工程师的共性需求 准确地表达出来，构建了企业界、教育界、社会熟知 的工程师培养模式，这代表了国际工程教育改革的最 新成果 。CDIO 围绕工程教育制定了一套完整的能力 大纲，并大获成功。概括来说，OBE 代表一种教学理念， CDIO 代表一种工程领域教学实践方法，从一些国家的成功经验来看，将二者结合，使之形成完整的 OBE- CDIO 模式是先进可行的，且按照 OBE-CDIO 模式培 养出的学生，普遍展现出较强的解决问题能力和团队 协作能力，从而得到了社会与企业的高度认可[1-2] 。基于此，本文拟引入 OBE-CDIO 模式，对“数据结构”课 程教学进行探索。
一、“数据结构”课程教学现状
“数据结构”课程是很多工科院校计算机、电子信息类专业的必修课，旨在让学生掌握扎实的程序编写和调试技能，并培养学生的团队协作能力和口头、书面 表达能力，而且对于学生综合能力的培养，特别是就 业竞争力的提高意义重大 。当前，“数据结构”课程通 常在大学一年级下学期开设，部分学生的编程基础仍 然非常薄弱，C 语言刚刚入门，就要转到知识点比较难 的“数据结构”课程学习环节，且该课程内容多、难度 大、学时少，因此导致相当一部分学生产生了畏难情 绪 。具体来说，“数据结构”课程教学普遍存在的问题 主要体现在以下三个方面。①学习成本高，入门难。在 “数据结构”课程学习的开始阶段，初学者通常具有比 较强烈的学习意愿，但该课程的学习成本相对较高，且 很多知识点比较抽象，这些抽象的结构化表达对于初 学者而言具有难度 。随着学习内容的深入，一部分学 生因此产生了畏难情绪。②重理论、轻实践，知识与能 力脱节。“数据结构”课程本质上属于程序设计训练类 课程，但在以往的教学活动中，通常注重理论教学，实 验和练习环节相对薄弱，学生做练习只是为了验证课 本上的理论知识，较为枯燥乏味。如果不引入新的教学 理念和教学方案，传统的以理论知识和语法讲解为主 的教学方式很难充分调动学生的学习积极性[3-5]。③传 统教学模式难以满足新工科建设及其与国际工程教 育理念接轨的需要。“数据结构“课程作为计算机、通 信、信息管理等专业的核心基础课，对教学内容、教学 方式及考核方式等提出了更高的要求。如何激发学习 者的主动学习意识，并使其将学到的知识点和个人能力、运算能力、工程设计能力充分结合，实现知识、能 力和素质的有机融合？ 此问题对传统知识“灌输”为主 的教学模式提出了挑战[6- 10] 。为了从根本上解决这些 问题，围绕“数据结构”课程教学目标的达成，课程组 从 2016 年开始引入 OBE-CDIO 模式，尝试基于 OBE- CDIO 模式进行“数据结构”课程教学改革[11- 12]，并取得 了良好的效果。
二、基于 OBE-CDIO 模式的“数据结构”课程教学改革目标
基于上述问题，“数据结构”课程教学改革需围绕以 下两个目标展开。首先，基于 OBE-CDIO 模式对“数据 结构”课程教学进行持续改进，面向学生编程能力的提 高和尽量贴近实际应用的需要，注重夯实学生的基础知 识 。为了提高课程教学内容的“含金量”，教师对“数据 结构”课程主干教学内容进行了重新梳理和精选，将教 学重点放在线性表、队列、堆栈、字符串、查找、排序等 核心知识点方面，课堂教学环节主要讲解重难点，通过 引导学生对共性问题进行探讨和分析，启发学生逐步建 立计算思维。其中，考虑到线性表(包括链表)是最基本 且常用的一种线性结构，是其他数据结构的基础，栈 、 队列、串和数组本质上都是线性结构，可以认为是一类 特殊的线性表，因此教师在设计教改方案时，大胆地进 行了“删繁就简”，将线性表相关知识点教学放在了一 个更加突出的位置，并围绕这条主线强化“数据结构” 课程核心知识点之间的联系。其次，通过 OBE-CDIO 模 式在“数据结构”课程教学中的实践，激发学生的学习 兴趣和潜能。具体做法是，基于 OBE-CDIO 模式，针对 “数据结构”是一 门实践性很强的专业核心课程，教师 在面向编程的实践教学中，更加重视提升学生解决实际 问题的能力，在教学方式、教学内容、实施方法等方面进 行了一系列改革尝试，包括加强理论学习、上机实验和 课程设计。具体方式包括理论教学和上机实验并重，学 时相当，教师可以采取“边讲边练”或“讲练结合”的方 式；课程设计主要以小型的项目开发的方式进行，一般 在课下分组以团队合作的方式完成，目标是培养学生的 系统工程技术能力，尤其是项目的构思、设计、开发和实 施能力，课程设计完成后，教师通过组织项目展示和答 辩活动进一步提升学生的创新能力和团队合作能力。
三、基于 OBE-CDIO 模式的“数据结构”课程教学改革要求
(一)强化符合 OBE-CDIO 模式的小班教学
小班教学是将学生人数控制在一定数量以下的教学，是面向学生个体，围绕学生个体发展而开展的教学活动 。小班教学的优点包括有利于在时间、空间上根据需要灵活地重组 OBE-CDIO 教学活动；配置一 定数量的助教，提高师生比，相应地，教师与学生作为 教学活动的参与者，其活动密度、强度、效度及师生间 互动关系将会得到明显增强；教学的内容、方式、技 术、评价会发生全新变化，并促进或推动教育理念的 革新。
通过观察以往教学活动发现，大一学生在学习“数 据结构”课程时会表现出以下典型特征：①程序编写 有一定的熟练度，但是小错误较多，需要反复上机调 试，调试成本高；②动手能力差，能够听懂内容，但停 留于“纸上谈兵”；③上机练习的意愿比较强烈，但是 需要重点引导，采用正向的路径；④学习能力差，缺乏 编程兴趣，不能跟上进度。采用小班教学后，教师可以 基于 OBE-CDIO 模式，针对不同类型的学生适时调整 教学进度，做到因材施教，包括在布置作业时选择合 理的题型和设置不同的难度，帮助学生设定切合自身 实际的不同目标，即先从实现一个小目标，获得成就 感入手，充分激发学生的学习兴趣，从而提高教学的 效果。此外，小班教学的优势还在于，在教学环节教师 可以灵活采用翻转教学模式，实现教和学、教师和学 生的转换， 一方面学生能够更加主动地进行学习，另 一方面教师也有机会近距离接触“学困生”，为其提供 必要的引导或辅导，真正做到因材施教。
(二)基于 OBE-CDIO 模式规范课程设计
“数据结构”课程设计是教学改革的重要一环，主 要目的在于培养学生的工程品质与团队协作精神，以 OBE-CDIO 模式重构“数据结构”课程教学体系，可有 效提高学生的实践编程能力、团队协作能力和文字表 达能力。
数据结构是计算机存储、组织数据的方式 。一般 来说，合理的数据结构带来的直接好处是更高的运 行或存储效率 。为了加强“数据结构”课程设计管理， 教师先要对常见的数据结构进行系统化的梳理，包 括 数 组(Array) 、栈(Stack) 、队列(Queue) 、链表 (Link - edList) 、树 (Tree) 、图(Graph) 、堆 (Heap) 、散 列 表 (Hash) 等。然后教师可根据 OBE-CDIO 模式，重点对 课程设计报告中的需求分析、概要设计、详细设计、测 试数据、测试分析的相关要求进行细化，更注重学以 致用。例如，在需求分析阶段，要求学生能够将待求解 的问题抽象为特定的数据结构形式；在概要设计部分，要求学生能够针对软件需求分析中提出的一系列 软件问题，实现对结构成分(模块) 向成软件过程转换 的描述，形成自顶向下、逐步细化的程序思维。通过上 述流程，学生既能够把握程序的整体框架，又能深入 了解现代软件工程的内部实现细节，例如，软件系统 将采用什么样的体系构架 、需要创建哪些功能模块， 以及如何设计测试数据等[13-15] 。课程设计的目的是考 查学生运用相关知识的灵活性和熟练程度，要求在比 较短的时间内完成，难度不宜过高，一个课程设计选 题通常涉及一两个关键知识点 。此外，针对以往课程 设计中个别学生存在“打酱油”的情况，教师对课程设 计的组织方式进行了优化，引导学生按小组方式进 行组织设计，小组成员限定为 2—4 人，设计报告需明 确每一位成员的分工，并指定组长，组长负责任务分 解， 并协同整个小组的工作 。面向课程设计的 OBE- CDIO 模式如图 1 所示。
四、基于 OBE-CDIO 模式的“数据结构”课程教学改革策略
(一)优化课程设计选题
课程设计选题是 OBE-CDIO 模式实施中的重要 内容。“数据结构”课程同样重视选题设计的作用，但 也存在相应不足，主要体现在选题与现实生活存在一 定程度的脱节、需求不明确等 。针对这些共性问题， “数据结构”课程在选题设计方面需要注意，从项目驱 动出发，设计的选题直接来源于真实的需求，以迅速 激发学生的兴趣 。 以面向输入输出设计为例，该项目 要求学生编制一个能演示英语单词辅助输入的程序： ①当输入四个字母时，如果前四个字母和单词表中的 某个单词匹配，则不需要再输入余下字母，由程序直 接给出完整的单词提示，并进行确定；②当输入四个 字母时，如果只有前三个字母与单词表中的某个单词 匹配，而第四个字母输入错误，则整个单词输完后，按 前三个字母找到对应的单词，给出输入者可能想输入 的单词提示；③前面三个字母都不匹配，给出提示“不 在单词表中”。单词库设定为大于等于 100 个词 。如此， 学生一方面能够快速理解选题设计的任务要求， 另一方面能够在完成选题设计的过程中加深对理论 知识的理解，了解现代软件工程的运作方式。另外，可 引入选题设计答辩环节，进一步锻炼学生的表达能力 及团队合作能力。
(二)提倡线上线下混合式教学
混合式教学，即将在线教学和传统教学的优势结 合起来的一种“线上+线下”的教学模式，通过两种教 学组织形式的有机结合，可以把学习者的学习引向深 入 。根据 OBE-CDIO 模式的通俗说法，可以理解为在 学中“玩”、在“玩”中学 。这种模式并不意味着教师不 用设定教学目标，相反，每堂课都应当设定明确的教 学目标，且教学活动应当围绕教学目标逐渐展开 。一 般来说，可以先将一个容易接受的概念或容易理解的 问题作为切入点，随着教学过程的持续深入，再根据 学生对 OBE-CDIO 模式的熟悉程度，逐步增加内容的 广度和深度。
线下教学主要聚焦基本概念和重要知识点的讲 解，如果大多数学生在理解上已经不存在障碍，那么 教师就可以考虑抽出一部分时间开展线上练习。“数 据结构”课程主要考虑了代码填空和函数填空这两种 形式(在特定的网络上机环境下进行) 。代码填空：一 般设置多个填空点，强化学生计算思维训练，同时提 高学生对代码的阅读理解能力 。在填空点的设置上， 教师可以根据需要设定不同的难度 。实践表明，如果 在课堂练习中，结合知识点设计代码填空并安排讨论 交流，往往能够取得事半功倍的教学效果 。 函数填 空：自 由度相对较大，一般需要进行较全面的思考后 才能作答 。该方式注重对学生实际编程能力的考查， 侧重于培养学生的综合能力，对于初学者而言难度 相对较大，但随着学习的深入和熟练程度的提高，大 多数学生会逐渐熟悉并完全掌握，从而加深对所学知 识的理解。
(三)利用网络上机平台以练促学
学生可以采用希冀公司开发的网络教学平台 Course-Grading 开展专题练习 。CourseGrading 是一个 具有专业深度、安全可扩展的计算机类课程一体化支 撑平台，是一个定位为全面支撑计算机、人工智能和 大数据专业建设的大型综合教学实验平台，而非一个 只能支撑若干门课程教学的实验系统。该平台于 2005 年正式上线，运行稳定 。该系统能够与教学过程紧密 结合，具备自动评判功能，能够覆盖教学全流程(答疑、作业、考试、MOOC、实验) 。依托该平台开展以练促 学，学生几乎不需要培训就可以迅速掌握相关知识， 加之题型丰富，因此深受学生欢迎 。该系统可以作为 应用 OBE-CDIO 模式的一个非常好的载体，在此基础 上，教师可以开展智慧教学，包括开展智能化的数据 分析、诊断、反馈，从而形成 一 个良性的教学闭环 。 CourseGrading 教学平台的主要特色包括支持三类输 入方式(标准、文件、命令行参数) 与两类输出方式(标 准、文件) 的任意组合；支持输出结果的模糊比对，输 出结果中的大小写、空格等不可见字符不影响评测正 确性，可以利用通配符描述输出结果；支持基于 LCS (最长公共子串) 的“部分正确”得分规则及实时评判， 丰富的编程题型能够从多角度考核学生的编程与算法设计能力。
CourseGrading 教学平台对于学生而言几乎不存 在学习成本，可以在“任何时间、任何地点”开展实验 学习，同时能够汇集学生在整个培养阶段的学习过程 数据、项目实践数据、考试成绩数据等，从而能够对学 生的综合能力进行客观评价，有利于全面考核学生的 动手能力、创新能力、跨界整合能力 。对于教师而言， 依靠该教学平台和资源，以多样化的考核方式评定学 生的课程成绩，在提高学生学习兴趣的同时，自身工 作效率也得以提高。
(四)利用微信公众号实现沉浸式学习
作为一款在全球范围内拥有 12.6 亿用户的超级 APP，微信毫无疑问已经成为许多人必备的社交工具。 与此同时，微信也是一个学习利器，考虑到这一点，课 程组建立了微信公众号—研学而思(Artlab_BJTU) ， 通过该微信公众号定时发布课外的教辅材料，这些辅 导材料都经过精选，能够更好地诠释一些重要的或较 难的知识点，包括提供一些完整的代码并提供详细注 释。通过微信公众号，学生能够在课后自主学习，对于 接受能力较弱的学生来说，能够在课后通过微信公众 号获得更丰富的知识；对于学习积极性不高的学生来 说，更容易激发学习兴趣。
近 3 年的教学实践表明，通过微信这一新兴媒体 辅助的方式，学生可以获得沉浸式学习体验，同时教 师可以利用微信公众号发布大量的计算机编程(包括 “数据结构”课程) 学习资料。另外，利用微信公众号的 灵活性和易用性，可以营造高效的学习氛围，创造一 个课内与课外打通的学习环境，并在关键知识点的学 习方面迅速对学生进行引导 。实践表明，这种方式能够弥补课堂教学的不足 。此外，教师利用微信公众号 资源可以充分调动学生学习“数据结构”课程的积极 性，符合 OBE-CDIO 模式的要求。如此，通过课程设计 不仅提高了学生学习的兴趣和成绩，更容易让学生接 受这种学习方式，而且也使得学生分析和解决问题的 能力得到了加强。
五、结语
“数据结构”课程作为一门实践性很强的课程，其终极目的是通过针对性的训练， 提高学生的编程能 力， 包括利用特定的数据结构解决现实中的实际问题。本文基于 OBE-CDIO 模式开展了“数据结构”课程 教学改革，以培养学生的计算思维能力、创新能力、团队合作能力为主要目标， 以工程设计任务为导向对 “数据结构”课程的教学方式进行了优化，最终取得了突出的教学效果，学生的程序设计能力和工程实践能力明显得到提升。
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