CDIO模式下JaVa程序設計課程教學改革探索

索望　昌燕　何林波

摘要：基于CDIO的教學模式已成為計算機編程類課程改革的新方向，針對當前lava程序設計課程CDIO教學模式存在的不足，文章提出了基于OBE教學理念改進課程設置、配套工程實踐課程、設計與專業緊密結合的教學案例項目、實施過程化考核以及基于MOOC理念改進授課方式等改革措施。實踐證明，這些改革措施符合學校全面推行的CDIO工程教育模式，取得的成果對培養符合社會需求的工程技術人才具有一定的指導作用。

關鍵詞：工程教育；CDIO模式；教學課程改革；過程化考核；大規模在線公開課

1.背景

隨著Java技術平臺的廣泛應用，Java程序設計已成為國內大多數高校計算機相關專業的必修課程。針對Java程序設計課程，基于CDIO的教學模式以及項目驅動的教學方式已成為公認的發展方向，近幾年得到了廣泛的發展與應用。雖然基于CDIO的工程教育模式得到了肯定，但由于傳統的課程設置以及教學方法還普遍存在，工程教育模式如何落地實施、如何充分利用網絡新技術實施多樣化的教學手段、如何更好地培養學生的工程能力，還需要不斷地探索與改進。目前，社會對計算機開發人員的專業素質和技能都有較高的要求，這就要求高校培養的學生既有扎實的理論基礎，又具有一定的開發經驗與實踐技能。

2.存在的問題

基于項目驅動的教學方式是目前計算機編程類課程的主要改革方向，也是實現CDIO工程教育模式的重要形式，但在實施過程中還存在一些問題：

（1）學習需求與教學目標不清晰。目前的Java程序設計課程制訂的教學目標還停留在本課程的范疇，計算機相關專業開設的Java程序設計課程的教學目標幾乎是一樣的，這就導致教學目標過于籠統，學生學習的需求不清晰，未與其專業培養目標相結合。

（2）教學案例項目設計不合理。項目設計不合理主要體現在：①項目以實現功能為主，缺少設計環節，使學生忽視設計能力的訓練，只會依葫蘆畫瓢；②案例項目的設計不具備連續性和整體性；③教學目的未與專業知識相結合。

（3）教學方式單一。基于CDIO的工程教育模式雖然已成為教育發展的新趨勢，但課堂授課依然是大學授課的主要模式。我們在課堂教學中引入了大量的程序案例講解，學生也更加直觀地了解如何編寫程序，但由于學生缺乏自我思考與編程實踐，未全程參與工程項目的設計開發，導致大部分學生無法獨立完成軟件項目的設計與開發。

（4）課余時間師生之間缺乏溝通渠道。當學生在課后有問題時，由于溝通渠道不通暢，學生無法及時解決學習中遇到的問題，影響學生學習的積極性。

上述問題都是當前Java程序設計課程在教學中存在的典型問題，而這些問題的存在影響了Java課程的教學效果。結合本校推行的CDIO教學模式及OBETM（Outcomes-based Education）教學理念，我們從以下幾方面對Java程序設計課程實施教學改革，力求結合新的教學理念和模式，培養符合時代需求的計算機相關專業技術人才。

3.課程設置的改革探索

目前，Java已成為一種廣泛應用的軟件開發技術平臺，包括Java Web開發、Android應用開發、Java Card應用開發等。Java語言則是Java技術平臺的基礎和核心，其重要性不言而喻。基于此，對Java程序設計課程的設置也應作相應調整。

3.1增加教學課時

本學期各個專業的培養方案中，Java程序設計都是一門核心課程，在課程體系中具有承上啟下的地位。鑒于Java程序設計課程的重要性，應該加大該課程的教學課時，將總課時增加到64學時甚至更高，也可以采用分兩學期教學的方式，第一學期為Java程序設計入門，第二學期為Java高級編程。加大Java程序設計課程的總課時量才能為以項目為驅動的教學模式以及工程教育理念的實施提供保障。

3.2明確學習需求與教學目標

針對各個專業的培養目標，制定該專業Java，程序設計課程的學習需求與教學目標。在OBE教學模式中，明確學習需求并制定教學目標是關鍵步驟，也是最后進行學習產出評估的標準。借鑒OBE教學模式，我們基于各專業的培養目標來確定本課程的學習需求和教學目標。編寫計算機程序是為了更高效、更準確地解決專業問題，所以將程序設計學習與專業知識緊密結合才是更加合理的做法。Java程序設計課程的教學目標不只要求學生掌握Java程序設計，更要求學生編寫Java程序來解決專業問題。基于此，我們明確了學生學習的需求，制訂了相應的教學目標，并以此為基礎更新教學內容。基于Java技術廣泛應用于Web平臺和Android平臺的應用開發，我們去掉了原有的AWT和SWING部分內容，根據各個專業的要求加入與專業相關的Java技術內容，這更符合學生的培養目標。表1列舉出了本學院各專業Java課程新增的Java技術內容。

3.3配套工程實踐課程

為了徹底貫徹CDIO工程教育模式、應用OBE教育理念，我們強化了各個專業的實踐課程體系，也加強了工程實踐訓練，配套增加了對應的工程實踐課。針對各個專業設計了不同的工程實踐大項目，項目從第2學期延續到第6學期，所需知識囊括了其專業培養方案的所有課程，項目訓練的內容涵蓋了CDIO工程教育模式的4個方面：構思（conceive）、設計（design）、實現（implement）和運作（operate）。針對Java程序設計課程，我們在開課學期開設對應的工程實踐。該學期的工程實踐要求學生完成一個Java項目的設計與開發，該項目是工程實踐大項目下的一個子項目，重點訓練學生在本專業中應用Java編程技術，以達到Java課程的培養目標及本專業的培養目標。例如，信息對抗專業在第四學期的工程實踐項目就是用Java語言設計開發一個數據加解密程序，綜合訓練學生密碼算法的應用實現能力與Java程序設計開發能力。

4.教學項目設計改革探索

基于項目驅動的教學方式是實施CDIO工程教育理念的主要方式，但是教學案例項目并不是隨意設計的，教學案例項目是否合理直接決定了工程教育理念的實施效果，也影響著學生的學習效果。前文已經提到了目前項目驅動教學模式存在的一些問題，因此，我們對教學案例項目的設計作出以下改進。

1）按照工程項目的完整流程設計案例項目。

目前常見的教學項目是按章節設計的，而且各個項目之間并無直接的關聯，這樣的案例項目設計并不合理。我們設計了一個貫穿教學全過程的教學案例項目。案例項目包含分析、設計、實現、測試等環節，教學內容各個章節的知識點在項目中都有對應的應用場景，而學生在編程實踐環節也基于此項目。案例項目背景要貼近應用，并且要由淺入深、循序漸進。貼近具體應用項目讓學生不再覺得所學的知識是抽象的，而由淺入深的步驟也能讓學生克服畏難情緒，有利于激發學生的學習興趣，引導學生主動學習與實踐。隨著教學內容不斷深入，項目涉及的功能越來越多，也越來越復雜。當課堂教學結束時，教學案例項目也完成了一個相對完整并具有實用性的Java應用程序。學生在課堂學習環節和實踐環節都以此項目為例，在此案例項目的學習與實踐中既能收獲知識與技能，也能體會完成項目的成就感，提高其學習的主動性和積極性。

2）教學項目設計強化專業知識應用。

學院的網絡工程、信息安全、信息對抗與物聯網工程都開設了Java程序設計課程。顯然，這4個專業的培養目標與方案是截然不同的，因此這4個專業開設的Java課程，不僅要學習Java編程的知識與技能，還要結合本專業的培養目標和方案，在教學案例項目設計中引入專業知識與技能的應用。比如網絡工程專業的培養方案涉及網絡應用程序、Web應用及無線互聯網應用程序（主要是Android）的開發，因此，網絡工程專業的Java課程教學案例項目一定要包含基于Java.net開發網絡應用程序的模塊，由此可幫助學生學習如何利用Java.net開發網絡應用程序；而對于信息安全/信息對抗專業，案例項目中必然要包含使用Java語言開發密碼算法程序的模塊，體現密碼學專業知識在Java項目中的應用。在教學項目中加入與專業密切相關的功能模塊的設計與實現，有助于學生理解與掌握本專業的相關知識與應用。

教學案例項目的設計要具有完整性、連續性、專業性以及實用性等特點，以此來驅動教學活動的開展才能取得更好的教學效果。

5.教學方式方法改革探索

雖然慕課（massiveopenonlinecourse.MOOC）等新型教學方式得到了快速發展與廣泛應用，但目前大學的授課方式還是以傳統的課堂教學方式為主，對學生進行填鴨式教育，教學效果差。對此，可采取以下措施改變學生在教學活動中的被動地位，促使學生主動、自主地學習，提高學習效果。

5.1機房授課模式

傳統模式中，教師在課堂上講授Java語言的語法與規則及相關程序案例，雖然現代化的教學設施能以直觀的方式為學生展示知識和案例，但由于學生始終被動地接受知識而未主動地思考與實踐，導致學生在課后無法獨立完成程序的設計與實現。可將Java課程開設在機房，整個授課過程不再是教師唱獨角戲，而是以教學項目為導向，充分發揮項目驅動式教學模式的作用，在機房進行項目驅動的現場教學，將學生推到教學活動的主體位置上，在教師的引導下，師生一起完成教學項目中相關功能的設計與開發工作。將教學項目引導的教學方法貫穿整體教學過程中，讓學生感受到學習的樂趣，并分享其學習成果，實現教與學的共同進步。

5.2分組討論機制

CDIO工程教育理念既提倡學生獨立思考，也提倡學生重視團隊合作，因此，可以將學生分組，日常課堂項目的設計與實現以小組為單位完成。將學生分成3-5人的小組，每組由基礎較好的學生或助教擔任組長；每3-4次課后布置一個題目交由小組完成，包括查閱資料、討論、設計與開發等，完成后由小組統一提交，并安排小組人員答辯，包括資料匯總、設計方案、程序演示與解答等。這種分組完成題目、課堂答題的方式有利于培養學生的團隊合作精神，也利于培養學生的表達能力。

5.3過程化考核方式

傳統的課程考核方式是期中加期末考試，這樣的考試安排，會使部分學生放松平時的學習，而在考試前突擊復習，也不利于教師及時掌握學生的學習狀況。而過程化考核機制就是把對知識點的考核分散到教學過程中，每3周左右安排一次考試，考核這段時間學習的知識點，及時把握學生的學習狀況。我們利用自行開發的過程化考試平臺實施過程化考試，過程化考試主要考核學生的編程能力。每次過程化考試，學生需要完成一個問題項目的設計、編碼及調試，最后教師根據學生的完成情況評分。實施過程化考核的方式是將考核分散到平時教學過程中，強化了學生工程實踐能力的訓練與考核。

5.4基于MOOC的授課方式改進

MOOC是近幾年來新興的一種教學模式，提供了一種脫離課堂的教學方式，擴大了知識傳播的途徑與范圍。雖然大學教學工作現階段還不能脫離課堂教學，但慕課的教學方式還是值得借鑒的。比如錄制課堂教學的內容，制作成一個個簡短的主題學習視頻，發布到本課程網站上供學生下載觀看學習。學生在課堂上未弄懂的問題可以在課后通過觀看這些視頻資料來尋求幫助。借鑒MOOC的授課方式，既是對課程教學的有效補充，又能解決師生之間日常溝通渠道不暢的問題，有利于幫助學生維系學習的積極性與主動性。

6.結語

基于OBE教學理念設計清晰的學習需求、教學目標及配套工程實踐課程，設計更加合理的教學案例項目、實施過程考核方式，基于MOOC改進教學方法，是筆者提出的CDIO教學模式下Java程序設計課程教學改革的主要措施。其目的是更好地將CDIO工程教育理念落地實施，強化工科院校學生的工程實踐能力和創新能力，提高學生的就業競爭能力。筆者所在學院的Java程序設計課程已實施了本文提出的部分改進措施，通過對比評估證明這些措施是行之有效的，也符合我校推出的CDIO工程教育與專業認證的教學理念。當然，這些改進措施并不是放之四海而皆準的方案，只希望起到拋磚引玉的作用，為Java程序設計課程的教學改革提供參考。