CDIO理念下協同學習在程序設計課程教學中的應用

夏小云（嘉興學院 數理與信息工程學院， 浙江 嘉興 314001）

CDIO理念下協同學習在程序設計課程教學中的應用

夏小云
（嘉興學院 數理與信息工程學院， 浙江 嘉興 314001）

計算機程序設計課程一直是高校工科類專業學習重要的基礎課程，編程技能是每個大學生應該掌握的基本能力。針對當前計算機程序設計課程以老師講解和學生個人學習為主的情況，分析了學生普遍感覺編程內容學習困難的原因，提出了CDIO（C→Conceive，構思；D→Design，設計；I→Implement，實現；O→Operate，操作）理念下協同學習計算機編程教學方法。通過實踐教學發現，協同學習能夠讓學生進行更多交流和互動討論，能夠激發學生的編程興趣，更好地掌握編程中的各項技能，同時也有利于老師在教學中的重點指導和評估。

CDIO理念；編程教學；協同學習；效果評價

為了適應社會對應用型人才的需求，當前高等教育改革明確要求部分院校往應用型或技術型轉型，并要求高校著力培養具有創新能力的應用型高素質人才［1］。計算機作為一種高效的信息處理工具，在各行業得到了廣泛的應用。計算機程序設計類課程有利于培養學生的邏輯思維能力和實踐動手能力，眾多高校將其納入工科專業的公共基礎課程。當前開設的計算機程序設計類課程主要涉及到C、C++、C#以及Java等編程語言，通過吸收CDIO先進工程教育理念［2］，將傳統學生以個人學習為主轉為協同學習為主［3］，這不僅僅是學習編程知識、方法和技巧，而且可以切實培養學生的工程思維。通過在教學中的應用和評價，該方案取得了較好的學習效果。

一、計算機程序設計課程教學現狀及問題

計算機程序設計課程是計算機類專業乃至許多工科類專業的核心基礎課程，也是其他后續專業課程的先修課程。從當前高校計算機類及相關工科專業人才培養方案來看，計算機類程序設計課程主要以開設C、C++、C#或Java編程語言為主。而這些課程所涉及的內容都是學生今后就業應聘時企業、單位重點考察的內容，從某種程度上來說其教學質量直接影響到學生專業能力提升以及學生的就業質量。然而，當前高校相當部分的教學模式還以教授知識為主的填鴨式教學。盡管在理論教學之外也安排了學生上機實驗，但是這種方式難以讓學生真正掌握開發實際工程項目的能力［4］。而且學生始終處于被動式學習，學習興趣不高。主要存在的問題有以下幾點:

（一） 重理論輕實踐

從當前高校計算機程序設計課程教學的學時設置來看，大多數高校設置的理論學時均在不同程度上高于上機實驗學時。學生也經常反映只會做題目，不會動手編程實現。一些基本的語言等理論知識掌握的很好，而在實際編程過程中，難以將所學知識應用到實際編程中，動手能力沒有得到提高。

（二） 教學方法單調

程序設計類課程所涉及知識點較多，而課程總學時又不多，導致很多教師都是很匆忙地完成教學任務；教學方法上也很單調，不能充分調動學生的學習積極性，導致學生處于被動接受知識，學生學習起來感覺疲憊，缺乏興趣。教師在講授過程中也只是按照教材的固定PPT授課，教材把握不全面，教師的知識體系也沒有得到及時更新。目前的教學方法更多地關注教學內容，無論是教師授課用的案例還是學生上機的題目，都是按照教學大綱的要求設計的一些簡單例子，它們大多是對同一種方法的重復練習，學生難免感到枯燥乏味，最終達不到掌握程序設計的基本方法和利用計算機解決實際問題的目標。

（三） 課程學習以學生個人為主，團隊協作能力薄弱

課程設計以個人為單位，缺乏多人合作的設計性、綜合性及創新性課程設計項目的安排，不利于學生團隊協作能力、創新能力、交流溝通能力的培養，而且學生多以得分為目的，忽略了自身能力的提高。

（四） 考核評價方式滯后

目前，C 語言程序設計教學的考核依然采用閉卷理論考察的方式，教學評價中缺少實踐能力考察的內容。學生為了能夠通過考核，只是注重理論知識的學習，忽視了實踐能力的培養，因此對于實踐教學的重視程度不足，缺少足夠的實踐鍛煉。如此導向使得學生在學習過程中只注重概念、原理和模式化的試題，而工程素質和實踐能力根本得不到有效的訓練和提高。

二、CDIO理念下計算機程序設計課程設置

為了讓學生全面提升計算機的程序設計能力，不僅僅要提高編碼的能力，還包括分析問題、解決問題的能力。計算機程序設計課程應放在大學整個學習過程的哪個階段，相應的課程設置也顯得至關重要。傳統教學方法認為大學生剛入校，基礎薄弱，不宜在大學一年級就開始學習編程課程。然而當前的學生在高中階段已經學完了通識教育的大部分數學及自然科學課程，而且很多也完成了計算機基礎課程的學習，初步掌握了計算機編程學習所需要的基礎知識，完全有條件讓學生一進校就接觸計算機程序設計類課程的學習。因此，完全可以將計算機程序設計相關課程放在大一、大二階段完成。從全面培養大學生工程思維能力的角度出發，應將計算機程序設計課程教學分為三個階段進行。

第一階段：計算機編程和算法基礎。很多程序設計課程所采用的入門級標準教材都以“Hello World”作為教學的第一課，而后續課程都是編程語言的語法以及程序控制結構的學習。然而，本質上編程的目的主要是解決具體的問題。如果一開始就讓學生去學習大量的語法知識以及代碼編寫，很有可能就會減弱學生的學習興趣。在教學改革過程中，應當是在入門學習的時候，不管是何種編程語言，最關鍵的是培養學生對編程的興趣，甚至讓學生愛上編程，而不是讓學生關注他們應該學習哪種編程語言，或者是編寫的代碼程序是否能在電腦上運行，以及語法的問題在哪里。

因此，在學生學習編程的時候允許學生使用自然語言以及偽代碼，先描述一個問題，了解問題的輸入和輸出，以及用什么方法進行問題求解。在這個階段，采用基于CDIO的工程教育理念來設計計算機編程方法，如下表所示。

表1 CDIO理念的程序設計方法

從表1可以看出，程序代碼的編寫，只是眾多步驟中的一個。因而對于那些程序語法掌握不夠好、編程不夠熟練的同學，仍然可以在其他步驟中很好表現，從而能夠充分的激發編程興趣。在這個階段，表1中的程序設計方法貫穿整個過程。在此階段教學過程主要涉及到數據類型、基本的程序控制結構以及常用的算法等內容。

第二階段：主要關注數據結構及算法設計部分內容。學生在學習第一階段內容之后，已經初步掌握了基本的編程概念以及求解問題的能力。在第二階段主要是進一步引導學生學習更高級的數據結構科目，進一步磨煉學生的編碼技能以及程序調試能力。這個階段組織學生進行編程競賽，并且學生以團隊的方式參加競賽。每個團隊中選出一名組長，不同成員之間明確分工，各司其職。目的在于考核他們分析問題的能力、求解問題的速度以及團隊協作能力。

第三階段：項目驅動的綜合編程訓練。第二階段學習過程中采用的編程競賽能夠促進學生編程技能的提升，然而競賽中的程序都是小規模的問題。為了進一步檢驗學生對現實中一些實際項目的開發能力，本階段主要是為學生提供一些具有一定規模的項目給學生訓練，讓學生真正體驗到所學的編程知識在實際項目中的應用。通過實際項目的訓練，有利于刺激學生的學習動力，激發學生的學習興趣，并能夠進一步提升學生的工程思維素養。

三、協同學習編程方法

（一）協同學習

當面對復雜問題求解時，個體的作用往往顯得非常弱小，因此，需要通過團隊合作的方式才能協同完成整個任務。根據群體智能研究表明，一些群居生物通過個體之間相互合作從而表現出群體智能行為。例如蟻群、鳥群及蜂群等在沒有任何先知和組織安排的情況下，能夠分工有序的進行覓食、避障。而相關研究人員也根據這些群體智能涌現現象，提出了許多不同的群智能方法用于復雜問題的求解。

協同學習是當前流行的一種團隊學習方式。在學習過程中，團隊成員之間協作發揮集體協同效應，成員之間各自有自己的任務，而且成員之間相互幫助共同完成某個任務。而在團隊組織的過程中，需要考慮團隊成員之間的異質性和多樣性，而不同的團隊之間互相競爭有利于發揮群體智慧。因此，引入將集體智慧最大化的協同學習應用于計算機編程教學中，以期達到更好的教學效果。

（二）自組織式協同編程學習方法

為了更好的達到學習效果，學習過程中采用群體智能中的逐步尋優、不斷進化的思想。學習班級分成若干個學習團隊，每個團隊成員自己組織，而且為自己團隊取名，以突顯團隊成員的團隊精神和責任感。自組織式協同編程學習主要基于上述CDIO不同階段的學習過程，通常按照以下步驟進行：

1.團隊分組

2.明確學習內容和目標

3.收集資料

4.建立學習環境

5.頭腦風暴，協同溝通

6.評估和總結

該過程最關鍵的是頭腦風暴過程的應用，以及之后如何進行協同交流和溝通，最后得出結論。具體的過程如下：

（1）各團隊明確自己的任務之后，團隊成員分別獨立收集資料并進行資料整理、理清相應知識體系。

（2）所有團隊開始搭建各自的協同學習環境，包括軟件和硬件等環境。

（3）各成員完成相應任務之后，發表自己的見解，碰撞出新的火花，再進行協同交流，最后形成一個統一的結論。

（4）老師進行點評指導，團隊再進行方案優化，并反復進行（1）、（2）和（3）的過程。

教學效果評價，可以通過學生考核的方式以及通過問卷調查學生對于學習效果的滿意度進行總體評分。

四、教學效果評價

計算機編程類課程教學效果評價不同于傳統的理論教學，其更注重學生的動手實踐能力以及綜合素質的提升［5］。因此設計合理的評價方法也是進一步檢驗學生學習效果的有效途徑。在近兩年的程序設計類課程教學中，已經將重新設計的基于協同學習的編程方法應用到相關工科專業教學中。并通過與傳統的計算機程序設計教學方法對比，新的教學方法使得學生編程的興趣得到提高，求解具體問題的編程能力也大大提升。

為了更好的評估新的教學方法的有效性，選取了一組30人的教學班，已經參加了傳統教學方式的Java語言程序設計課程的學習。另外選取一組30人的教學班參加協同編程學習方式的Java程序語言的學習。為了測試兩組學生采用不同教學方法后的編程能力，通過對他們進行編程考核。考核等級分為A（90分以上）、B（80-89分）、C（70-79分）、D（60-69分）及E（60分以下）五個等級。結果見表2，圖1。

此外，為了進一步評估協同學習方式的優缺點，對60名已經參加過課程的學生進行了另一次調查。從學生的編程技能提高、創造思維提升、主動學習、團隊合作意識等方面進行了問卷調查，統計顯示學生的總體滿意度達到98%以上。從極少數不滿意情況分析來看，反映了制定的數據結構和一些編程競賽對一些同學來說有點難度，或多或少給他們帶來了一定的壓力。

表2 傳統教學方法和CDIO理念的協同學習教學方法考核等級分布

圖1 不同教學方法編程測試成績等級分布圖

五、結束語

CDIO理念下的協同學習方法給計算機編程教學提供了一種新的思路。傳統的教學方式轉為以學生團隊學習為主的學習方法，使得學生在鍛煉的同時還能促進自己能力提升。這不僅有利于培養學生自主合作學習的興趣，還能增強學生的自信心、成就感以及自我欣賞的能力。在此過程中，也能讓學生培養相應的競爭意識以及團隊協作意識，使他們能更早地適應社會，最終把學生培養成能夠真正符合社會需求的高素質應用型人才。

［1］孫楠，秦龍. CDIO視域下獨生代大學生應用型人才培養模式創新研究［J］.教育探索，2016（4）:34-35.

［2］于延，周國輝，李紅宇，等. CDIO模式下C語言程序設計實踐教學改革［J］.計算機教育，2016（2）:5.

［3］林路生，黃曉麗，邱文峰，等. 大學生多維協同學習模式的實踐與思考［J］.教育教學論壇，2016（21）:234-235.

［4］曹曼曼. 校企合作應用型本科專業Java課程的CDIO教育模式研究與實踐［J］.計算機教育，2017（2）:158-162.

［5］孫燕飛. 基于云模型的高校計算機類課程教學評價指標體系分析［J］.信息系統工程，2017（3）:171-172.

Research on the Application of Collaborative Learning in Programming Teaching under CDIO Concept

XIA Xiao-yun
（College of Mathematics Physics and Information Engineering, Jiaxing University, Jiaxing 314001, Zhejiang, China）

Computer programming courses have been regarded as an important basic course for engineering majors in colleges and universities. Programming skills are the basic abilities that each student should master. The current main learning model of computer programming course is teacher’s explanations together with student’s selfstudy. In the paper it analyzed the reasons why the students commonly have difficulties in learning programming and proposed a teaching method of computer programming based on collaborative learning under the concept of CDIO. Through the practice teaching， it found that collaborative learning enables students to have more exchanges and interactive discussions， which greatly stimulates students’programming interest and is useful for students to grasp various skills in programming. Meanwhile， this method is also helpful to the key guidance and evaluation in teachers’teaching.

CDIO concept; programming teaching; collaborative learning; effect evaluation

A

1007-5348（2017）08-0070-04

2017-05-08

浙江省教育科學規劃研究課題“基于CDIO模式的軟件開發項目實訓課程教學研究”（2017SCG048）

夏小云（1982-），男，江西南昌人，嘉興學院數理與信息工程學院講師，博士;研究方向：計算智能。