基于CDIO教育模式的理工科計算機專業(yè)教學內(nèi)容改革探討

王海瑞 王建鷹 李亞 袁梅宇

摘要：通過分析當前理工科計算機專業(yè)教學內(nèi)容的現(xiàn)狀，深入剖析其中存在的問題，提出將CDIO教育模式應(yīng)用到理工科計算機專業(yè)教學內(nèi)容中來的幾點切實可行的改進方法，以提高理工科計算機專業(yè)理論與實驗的教學效果，推進我校計算機專業(yè)教學內(nèi)容的改革。

關(guān)鍵詞：CDIO；計算機專業(yè)教學內(nèi)容；教學改革

中圖分類號：G642.0？搖 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）09-0054-02

一、引言

近年來國家提出，教育是振興民族的基礎(chǔ)基石，我國目前把教育提高到以改善民生為重點的社會建設(shè)的高度。目前我國高等教育面臨的現(xiàn)狀是一方面大學生就業(yè)難；另一方面大用人單位普遍要求學生要具有系統(tǒng)的理論知識和較強的專業(yè)基礎(chǔ)知識，要具備學科交叉的知識體系，要具有良好的個人價值取向。CDIO工程培養(yǎng)大綱將大學生的能力分為工程基礎(chǔ)知識、個人能力、團隊合作能力和工程系統(tǒng)能力四個層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學生在這四個層面達到預定目標。高校的教育職能是要服務(wù)于社會，其重要的發(fā)展方向是要適合當前市場的需求，CDIO工程教育理念是培養(yǎng)具有時代特征人才的先進工程教育理念。理工科計算機專業(yè)作為工科院校的一個重要學科；在培養(yǎng)學生的科研素質(zhì)和創(chuàng)新精神上承載著非常重要的責任，但基于CDIO工程教育理念的理工科計算機專業(yè)教學改革目前在國內(nèi)仍是一個薄弱環(huán)節(jié)，于是，昆明理工大學計算機系嘗試著在CDIO工程教育理念下對計算機專業(yè)的教學內(nèi)容進行改革，以期在計算機專業(yè)教學改革中提供一種新思路。

二、教學內(nèi)容的整合

1.對基礎(chǔ)教學內(nèi)容進行整合。教學內(nèi)容的整合就是將原有計算機專業(yè)教學體系的各門課程中的相關(guān)內(nèi)容通過新的組合方式進行刪減、整理與合并，使相關(guān)課程能夠形成內(nèi)容冗余度少、結(jié)構(gòu)性好、整體協(xié)調(diào)的新型計算機專業(yè)教學內(nèi)容。目前需要的具有扎實基礎(chǔ)、寬闊知識面和適應(yīng)性強的復合型人才。以CDIO工程教育理念為基石，通過計算機專業(yè)各門課程內(nèi)容的整合，使原有的教學內(nèi)容容量擴大、內(nèi)容更新、知識滲透力增強；同時也要將計算機學科發(fā)展的最新理論和新技術(shù)有機的組合在一起，形成符合當前時代發(fā)展的計算機專業(yè)學科內(nèi)容的新體系。昆明理工大學計算機系對教學內(nèi)容整合的具體要求主要表現(xiàn)為：經(jīng)典計算機的重點是培養(yǎng)學生的數(shù)理思想，科學素質(zhì)和分析、解決問題的能力。立足于傳統(tǒng)教學手段，配以現(xiàn)代多媒體教學手段。通過經(jīng)典計算機專業(yè)課程的學習使學生掌握專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課必備的基礎(chǔ)知識，同時也為學生將來學習新知識、新技術(shù)打下扎實的基礎(chǔ)。計算機的重點是硬件知識與軟件知識的結(jié)合，注重創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在教學中，教師應(yīng)適當介紹計算機專業(yè)與其他相關(guān)專業(yè)的聯(lián)系，或?qū)⑵渌麑I(yè)中的計算機問題作為實例進行分析，這樣有利于激發(fā)學生學習計算機的興趣，增強應(yīng)用計算機知識解決問題的意識和能力；以理論教學為主要形式，以實際應(yīng)用為主要內(nèi)容，以研究和分析為主要教學手段，將理論知識、實際應(yīng)用、研究分析集于一體，創(chuàng)建“構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)—運作”的良性思維模式。現(xiàn)代工程技術(shù)的計算機基礎(chǔ)專題的重點是開拓學生的視野，側(cè)重于人文教育，建立工程文化的概念。以講座、討論等方式作為學習方式，配以相關(guān)影音，影像，科技知識短片以獲得學生的感性認識，且豐富了教學手段；加強計算機技術(shù)的發(fā)展演變過程的講解，促進學生形成良好的科學品質(zhì)和世界觀。

2.科研與教學內(nèi)容緊密結(jié)合。教師通過參加各種國家自然科學基金和企業(yè)委托的橫向課題，不斷更新知識，掌握目前最新的科研成果，不僅有利于提高自己的學術(shù)水平，而且有利于提高教師自己的整體教學水平。學生可以參加教師的科研工作，不僅可以了解教師從事計算機科學的最新動態(tài)，也可以掌握學科的最新成果，為學生今后的深造打下良好的基礎(chǔ)。更加有利于增加教學深度的延深，教學效果的逐步提高，能進一步激發(fā)學生的學習興趣，對提高學生分析問題和解決問題的能力都有不可替代的作用。學生參與教師的科研項目也同樣具有培養(yǎng)學生思考能力和具體應(yīng)用能力的良好效果，同樣也能達到“做中學”的目的。例如，教師涉及的軟件項目的具體代碼的開發(fā)編寫、嵌入式系統(tǒng)地硬件圖紙設(shè)計和電路板制作、現(xiàn)實世界中的計算機應(yīng)用需求等。

3.設(shè)計性實驗與虛擬實驗室。設(shè)計性實驗是CDIO工程教育模式下對計算機專業(yè)教學的有力補充。它是指學生根據(jù)給定的實驗目的和實驗條件，通過查閱資料構(gòu)思設(shè)計方案，選擇實驗器材設(shè)備，自行擬定實驗程序，自行實施并對結(jié)果進行分析和處理。例如，算法分析試驗：學生可以選擇內(nèi)部排序算法和外部排序算法進行比較、學生可以選擇數(shù)據(jù)庫相關(guān)的試驗實現(xiàn)記錄的沖突等試驗的完成、也可以選擇網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包攔截試驗從網(wǎng)絡(luò)中獲得各種數(shù)據(jù)包的試驗。另外，虛擬實驗事也將是CDIO工程教育模式下計算機教學的有力補充。它是指用仿真技術(shù)、數(shù)字建模技術(shù)和多媒體應(yīng)用技術(shù)等在微機上調(diào)制的可輔助或代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗操作環(huán)境。通過進行虛擬實驗，學生可以在不浪費任何硬件教學資源的前提下，進行各種實驗嘗試，大大提高了學生的邏輯思維能力，整體設(shè)計能力，實現(xiàn)設(shè)計運作能力，以及創(chuàng)新能力，這也恰恰符合CD10工程教育理念。

三、教學內(nèi)容的模塊化與教學大綱的制定

隨著我們的教育逐步從“應(yīng)試教育”向“素質(zhì)教育”的轉(zhuǎn)變，對教學模式的靈活性、針對性、現(xiàn)實性和經(jīng)濟性特點的要求也越來越高，而CDIO作為一種新的教學模式的應(yīng)用和推廣，必然要涉及到計算機專業(yè)教學內(nèi)容的規(guī)劃和建設(shè)，基于計算機專業(yè)基礎(chǔ)知識的特點和CDIO工程教育理念，我們將計算機專業(yè)的基礎(chǔ)知識進行了模塊化分類。從知識的結(jié)構(gòu)上進行模塊化分類為：計算機硬件基礎(chǔ)知識：電子基礎(chǔ)、數(shù)字邏輯、計算機組成原理，計算機軟件基礎(chǔ)知識：程序設(shè)計語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、匯編語言等幾個模塊，這種模塊化的分類有利于CDIO工程教育模式的展開。

經(jīng)過對計算機專業(yè)教學內(nèi)容的整合與模塊化處理后，基于CDIO教育理念要對教學大綱進行了系統(tǒng)的梳理和編寫，使得計算機專業(yè)課程的教學目標既涵蓋教育部計算機專業(yè)對計算機技術(shù)基礎(chǔ)知識教學內(nèi)容的要求，又符合CDIO強調(diào)能力提升的要求。對計算機專業(yè)知識進行三個層次的要求：掌握、理解和了解，以保證計算機專業(yè)知識體系的連貫性和系統(tǒng)性；同時注意到每個能力培養(yǎng)項目自身的特點，適當調(diào)整知識內(nèi)容和結(jié)構(gòu)，以確保項目順利實施所需要的知識儲備；在能力培養(yǎng)方面，基于學生主體性的考慮，我們也要充分貫徹“以生為本”和“因材施教”的教學理念，根據(jù)學生基礎(chǔ)知識和基本技能的差異，學習方法、習慣、能力上的差異，學習目的和態(tài)度上的差異，可以分層次進行能力培養(yǎng)項目的實踐，可以選擇性地參與科研、教研、實驗設(shè)計等。

四、教學內(nèi)容的設(shè)計

以“簡單微程序控制計算機的設(shè)計與制作”這個具體的能力培養(yǎng)項目為例來說明如何進行教學內(nèi)容的設(shè)計。要求學生掌握微程序基本知識的基礎(chǔ)上，完成整個處理器項目的構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)與運作。具體過程為：（1）通過文獻查閱和方法分析等掌握微程序控制計算機的基本工作原理并對其進行基本模型建立，然后將整個微程序控制計算機進行分解為幾個部分，對各部分的功能進行分解和定義提出每個功能模塊的具體設(shè)計要求和注意事項。（2）將上一步的構(gòu)思過程提出的進行指標細化，規(guī)定相應(yīng)的參數(shù)，如指令系統(tǒng)的指令集的大小，指令的長度，指令所采用的尋址方式、后續(xù)指令地址的確定方式等內(nèi)容，通過選擇和計算得到控制存儲器的容量大小。（3）利用現(xiàn)有的電子原件，按照實施方案進行設(shè)計制作，以期達到設(shè)計要求；處理器完成后。對各部分進行單項功能測試。（4）通過實際指標完成情況的分析，找出影響性能的因素以及改善性能的方式，最后以報告或論文形式進行總結(jié)；同時準備對項目進行答辯。教師與其他非參與項目的小組組長作為項目答辯評委，答辯之后，按照CDIO教學大綱所提出的四個層面進行科學、合理地評價。

在項目實施的整個過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)一些難題，解決這些難題可以給學生在今后的學習過程中提供寶貴的經(jīng)驗和克服困難的激情和勇氣。整個項目的完成不僅可以達到基礎(chǔ)知識的教學要求，更能夠讓學生在實踐學習中鍛煉提高檢索文獻的能力、邏輯思維能力、實際操作能力、團隊協(xié)作與溝通能力等。

五、結(jié)語

由于昆明理工大學計算機專業(yè)教學的要求有自己的側(cè)重點，加上近年來我校擴招導致學生水平參差不齊，基于CDIO工程教育模式的計算機專業(yè)教學改革存在著一定的風險和難度。因此我們將在目前的情況下和我校的實際情況相結(jié)合，遵循因材施教，以人為本的理念，循序漸進地進行改革。同時將認真總結(jié)改革過程中可能出現(xiàn)的經(jīng)驗和不足，期望能夠在我校計算機專業(yè)學生的知識、能力和素質(zhì)培養(yǎng)上形成獨具特色、切實可行的基于CDIO教育模式的工計算機教學新思路，提高我校計算機專業(yè)學生的就業(yè)率等，切實體現(xiàn)高校服務(wù)于社會的職能。

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基金項目：本文由云南省計算機特色專業(yè)項目（2010）；昆明理工大學研究生百門核心課程項目（2011）共同支持