以無線充電傳感網為例改進基于CDIO的“程序設計基礎”課程教學計劃研究

蔣嬋 梁俊斌 孫宇 彭穎

摘要：我國本科教育存在過分追求研究型模式的問題，雖然有很多研究提出各種培養應用型人才的方法，但是這些方法仍然存在片面追求提高動手能力而沒有強調綜合能力的提升、實施成本過高、缺乏具體可行措施等缺點。結合當前我們開展的關于無線充電傳感器網絡的科研項目，以已經建立的科研平臺和獲得科研成果作為具體實施載體，利用CDIO工程教育模式，設計一套切實可行的培養學生綜合能力的教學體系。我們以“程序設計基礎”課程作為試點，改進課程的教學計劃，使學生能在專業前沿技術為背景的項目中學習基礎理論，增加了學生的興趣和主動性。試點獲得了良好的結果，學生的成績和積極性明顯提高，為我們將來進一步地深化改革和推廣應用打下了堅實基礎。

關鍵詞：無線充電傳感網；CDIO；人才培養模式；教學計劃

中圖分類號：G420 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）50-0160-03

一、引言

2014年6月，在國新辦舉辦的職業教育改革和發展情況新聞發布會上，教育部相關負責人證實了國家將推動600所本科院校轉型為應用型高校的戰略。該戰略提出的背景是，我國目前擁有1000多所地方本科院校，其中絕大部分與國家重點培養的211與985高校在辦學宗旨、專業設置、培養計劃等方面高度雷同。211及985高校注重科研與創新，重點培養學生的理論水平，強調對前沿或不成熟技術的跟蹤與持續深入。但是，社會上廣泛需要大量的人力資源來從事成熟技術的使用和集成創新，重視以團隊協作方式完成任務，并不強調個人理論上的深入。因此，目前高校過于追求研究型、理論型的人才培養模式，很難適應社會上對應用型、團隊型人才的需求。

雖然很多研究者針對應用型人才培養模式進行了廣泛的探索和研究，但是目前的大量研究只是突出培養學生的動手能力，而對于學生的思維能力、團隊協作能力和管理能力的培養存在明顯不足。此外，傳統教育模式需要學校投入大量的師資、教學資源和社會實踐機會，這些要求所帶來成本是高校難以負擔的。因此，導致目前大量高校即使知道培養的畢業生不符合社會需要，就業率不斷下跌，但是仍然不得不繼續當前的人才培養模式。

為了緩解當前高校人才培養模式與社會需求的矛盾，我們提出以當前我們正在從事的科研項目——2015年廣西高校科技研究項目“大規模無線充電傳感器網自適應充電及路徑規劃研究”為基礎，通過具體的事例和科研平臺，設計信息類專業中的程序設計基礎課程的教學計劃，以此為試點，探索一條更高效、低成本的人才培養道路。

我們計劃結合CDIO[1][2]工程教育模式來進行改革，它是目前國際上一個正在受到日益重視的人才培養方法。CDIO的主要思想是圍繞構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）及運作（Operation）這4個工程項目開發的主要環節來建立人才培養方案。它的特點是以實際工程項目為背景，強調學生主動參與，通過在具體實踐中增加各方面的能力（包括專業基礎知識的消化和吸收，實踐應用的設計和組織管理，大型項目的運作和協調，技術的運用和實現，思維能力和世界觀及人生觀等）。可以看出，CDIO是具有綜合能力培養目標的一種教育模式。

我們將CDIO的綜合性和目前本校已經開展的基于無線充電傳感網項目的前沿性相結合，利用當前已有科研平臺和科研成果的低成本性，設計新的人才培養模式。我們選擇以具體范例研究改革“程序設計基礎”課程的教學計劃和教學模式作為試點，通過在多個年級和班級的應用，獲得了初步的教學改革經驗，為持續深入推進整個信息類專業的培養方案和教學改革打下了良好的基礎。

二、無線充電傳感網研究

無線傳感器網絡在軍事、工業、農業、醫療等多個領域具有重要而廣泛的應用前景。無線傳感器網絡中節點的能量通常是有限的，因此網絡的生命周期成了制約網絡長期部署及應用的瓶頸，不利于傳感器網絡的進一步發展。近年來，通過無線充電傳感器網絡[3]的自適應充電方法來解決這一問題已成為該領域的研究熱點問題。

采用無線的能量傳輸技術，網絡中部署若干臺充電車，將電能以無線的方式傳輸給能量即將耗盡的節點，可以極大地延長網絡生命周期。本項目在已有的周期性、靜態自適應充電機制的基礎上，主要考慮非周期性和動態的網絡因素對充電車的影響，通過綜合考慮路徑規劃、實時控制、分布式調度等理論，建立適用于大規模無線充電傳感器網絡節點與充電車的自適應充電模型，規劃短距離的充電車行走路徑，在合理時間內訪問需要充電的節點并完成充電，提高網絡生命周期。

本文作者所在的廣西大學行健文理學院目前已經建立了電工電子實驗室、電工實驗室、電力電子與電機控制實驗室、控制工程實驗室、計算機原理與單片機實驗室、網絡實驗室、電力系統實驗室、檢測技術實驗室、計算機軟件實驗室等9個相關實驗室，擁有計算機、計算機網絡、工業控制計算機、單片機開發裝置、可編程控制器、印刷電路板設計制作裝置等一批軟硬件設備，滿足項目開展的需要。

三、CDIO簡介及標準

1.CDIO簡介。CDIO是由美國麻省理工大學MIT提出的一種基于工程教育模式的人才培養方法[4][5]。經過20多年的實踐、研究和改進，該方法已經在國際上得到了廣泛的認可，成功推廣到了數十個國家。該方法的主要思想是以工程項目管理中，從開始的項目構思、過程設計、具體實施到系統運行的一個完整流程為背景，設計以學生主動參與為主的課程模式和實踐方案，讓學生在實際項目中邊做邊學。這樣可以由實踐引出理論需求，激發學生的創造性和出自內心的興趣。在此過程，學生不僅能積累良好的學習經驗，而且能以更實際和直觀的形式理解專業理論，利于學生進一步深入學習和擴展應用。

2.CDIO標準。CDIO能夠在國際上得到廣泛的認可和推廣，得益于其規范而嚴謹的教學標準和評價體系。從它被創建之初，MIT及多個國際組織就對它的內涵、形式、實施及評價等各個環節進行了研究，提出了一系列切實可行的規范，便于不同的學校采用。此外，還可以根據學校自身情況對CDIO體系進行合理的調整和擴充，使其具有廣泛的適用性和靈活性。

基本的CDIO教學標準有12條[6][7]：（1）通過項目為實例讓學生參與；（2）教學目標；（3）與項目實例結合的教學計劃；（4）項目實施的工程化導引；（5）項目的設計和實現；（6）項目具體實踐環境；（7）多方面的綜合性學習；（8）培養學生主動性；（9）培養教師實踐能力；（10）培養教師的教學能力；（11）綜合性學習評價和考核；（12）教學評估等。圍繞這些標準，可以設計具有綜合實踐和理論培養的課程教學體系。CDIO目前已經在推廣過的學校得到了廣泛認可，社會承認度也很高。以這些標準為中心，實施的高校可以加入適合本校人才培養目標的環節，也可以與其他實施CDIO體系的高校進行課程聯合和交換，促進多方面的交流和互補。

四、以無線充電傳感器網絡為例設計基于CDIO的“程序設計基礎”課程教學計劃的實施

1.背景。由于對CDIO的理解還處于初級階段，不適宜立即推廣到整個專業的全部課程。我們選擇信息類專業最基礎的專業課程——“程序設計基礎”作為試點。長期以來，雖然“程序設計基礎”受到教師的高度重視，但是教學效果不佳。綜合原因主要有以下幾點：

（1）學生興趣度不高。學生主要希望能學習目前比較熱門的編程語言，但是“程序設計基礎”主要是教授學生編程的基本原理和技巧，比較枯燥。

（2）學生動手機會少。目前學校能安排的上機時間只是一個學期不到20學時，這對于掌握深入的編程技巧遠遠不足。

（3）學生課后繼續跟進學習較少。雖然目前大部分學生都有電腦，但是課后主要的活動是娛樂，主要精力并不會主動投入到復習和擴展學習上。

（4）學生協作機會不多。課程的學習主要依靠個人學習為主，學生之間缺乏相互合作完成任務的基礎，導致學生之間的協作較少。

基于以上原因，我們選擇利用目前已經開展的無線充電傳感器網絡的研究為背景，設計課程實例，把最新的科研信息展現在學生面前，調動他們的積極性。此外，通過相互合作完成一個大型任務，提高學生的團隊協作能力。最后，由于我們已經開展了前期的研究工作，獲得了一定的研究基礎，能以較低成本提供實踐環境和內容給學生進行參與。

2.實施方案。我們將無線充電傳感器網絡的研究分為4個模塊，分別對應CDIO 4個方面技能的培養目標。

（1）大規模網絡部署的構思。在網絡中，存在大量的節點，這些節點需要協同地開展監測、跟蹤、定位等工作。為了滿足用戶在實時性、低成本、能量有效性、安全性等方面的要求，節點需要采取不同的部署策略，例如：隨機部署、區域部署、柵欄部署、興趣點部署等。選擇合適的部署策略，并且編寫模擬實現的程序，是學生編寫程序的基本任務。完成該模塊有助于培養學生整體構思的能力。

（2）充電模式的設計。在網絡中，選擇哪些節點進行充電，直接影響網絡的性能。比如：有10個節點的能量即將耗盡，如何選擇最短的路徑，讓充電車訪問所有的節點并完成充電，對網絡保持持續的監測能力至關重要。學生將被要求設計合理的充電模式和路徑規劃，保證網絡持續工作。該模塊有助于培養學生的設計能力。

（3）網絡模擬的實現。如果將整個網絡工作的過程展示給用戶，是關系到網絡能否得到用戶支持和信心的關鍵。網絡模擬需要開發直觀的圖形界面，考查學生綜合使用不同軟件工具的能力。此外，模擬展示的環境需要呈現各個學生負責模塊的結果，這需要學生協作完成模擬器的開發。

（4）網絡的運作。系統評價的指標是網絡能否按用戶的要求正常運行。學生需要協作地把不同的網絡功能組件實現并聯調，使得網絡可以穩定地開展工作。教師通過評價網絡運行的效果，考核學生的能力。此外，學生也可以進行自我評價。

五、效果和經驗

1.改革的效果。經過將一年多的改革試點，我們的改革取得了一定的效果。

首先，教師通過課程的改革，獲得了更多的提升的空間，對自我教學能力的提高有了更明確的方向和實際的開發能力。并且，通過學生在課程中的參與度的提高，教師與學生從多角度、多渠道建立良好的融洽的親近感情，使學生愿意接受教師，更有利于教學效果的體現。

其次，通過項目式的教學內容要求，學生獲得更多的目標性和實踐性的鍛煉，由原來的單一重復和模仿練習轉變為多重的任務型和開發性訓練，從被動地完成作業轉變到作為重要角色參與項目并完成自選模塊，從參與過程中開始的無所適從到后來慢慢適應并追趕，學生對“程序設計基礎”課程的興趣得到明顯提高。

另外，學生能更主動地學習其他課程專業知識，同時更積極參加課外挑戰比賽，如：程序設計大賽。

取得的這些成果說明，當前的改革思路是具有一定的積極意義的，我們可以繼續深入研究并推廣當前的模式。

2.改革的經驗。通過回顧改革的整個過程，我們總結了部分的實施經驗：

（1）教學的內容需要不斷更新但要保持實際。學生產生厭學的一個基本原因是傳統的教學環節中，教學內容長久不更新，缺乏新意，和社會需求脫節太大。如果能選擇一個當前社會上研究的熱點問題作為背景，將在傳統教學內容的基礎上套上華麗的外衣，吸引學生的注意力。此外，具體實際的內容，更具有可探討性，可以吸引學生深入參與到構思、設計、實現和運作等環節。

（2）教學方法上需更側重放手給學生探索。傳統教學存在教師掌控全過程，學生被動接受的缺點，這樣大量的學生只會等待老師灌輸知識，缺乏主動性和自學能力。通過CDIO模式進行教學，學生可以獲得很高的學習自主權，由接受“魚”轉為開展“漁”。學生在探索中的錯誤，將被淡化，更多得到的是鼓勵和支持，進而引導學生找到正確的答案。

（3）教學手段上更注重實際項目為背景。CDIO突出工程項目為背景的教育，我們以當前開展的科研項目為背景，能以低成本的方式提供給學生進行實踐。對于學生，可以了解最新專業科技前沿的信息；對于老師，可以讓更多本專業的學生關注科研動態，提升對專業知識的理解能力。

（4）教學資源的選擇需要結合網絡化和虛擬化平臺。教學資源缺乏一直是困擾高校教學的一個方面，購買實體教學資源不僅成本高昂，而且占用教學場所。充分利用海量的網絡化和虛擬化教學資源庫，可以提供更多的信息給學生進行選擇，同時大大降低教學過程實施的成本。

（5）重視科研與教學的關聯。長期以來，教師的科研與教學是分離的，導致部分教師不重視教學，自己的科研成果也無法讓學生接觸。通過本次改革的試點，我們將科研與教學進行了相互融合，積極轉化科研成果為教學服務，取得了較好的效果。

六、總結

當前社會亟須大量的具有綜合能力的應用型人才，這些人才需要具有寬廣的構思、設計、協作及動手能力。傳統教學模式僅僅突出培養學生的動手能力，不足以滿足社會發展的需要。我們提出以我們正在開展的科研項目——無線充電傳感器網絡研究為例，設計基于CDIO的課程教學模式，以低成本的方式實現多維度的人才培養。通過在“程序設計基礎”課程的試點改革，取得了不錯的效果，獲得了初步的經驗。下一步，我們將繼續深入研究如何將科研與教學改革進行融合，尋找具有更高經濟性和可行性的教學方案，培養能力更全面的綜合性高素質人才。

參考文獻：

[1]劉耀林，陳友榮，周瑩.CDIO教學模式指導下網路工程類課程改革研究與實施[J].教育教學論壇，2015，5（20）：107-109.

[2]陳季萍.CDIO模式下教學方法的研究[J].科技創新與生產力，2015，（5）：107-108.

[3]陳雪寒，陳志剛，張德宇，曾鋒.C-MCC：無線可充電傳感器網絡中一種基于分簇的多MC協同充電策略[J].小型微型計算機系統，2014，35（10）：2231-2236.

[4]裴玖玲，孫少杰.基于CDIO的《自動控制原理》教學改革與實踐[J].科技視界，2015，（5）：48-49.

[5]薛鳳.基于CDIO的數學實驗課的教學設計[J].教育教學論壇，2015，5（20）：216-2017.

[6]羅頻捷，溫荷.基于CDIO模式的JavaScript課程實驗設計[J].計算機教育，2015，5（9）：86-88.

[7]單彥霞，董志奎.融入CDIO理念的工程圖學教學改革實踐[J].教育教學論壇，2015，5（21）：119-120.