CDIO工程教育理念下《計算機導論》課程建設研究

李靜 馮素琴

摘 要：以《計算機導論》課程為研究對象，結合地方院校建設及學習者特點，分別從CDIO工程教育的4個能力層面分析目前教學中存在的問題，并圍繞教學內容、教學模式、教學方法及評價方式提出相應課程建設措施。通過CDIO工程教育理念下的課程建設優化課堂教學，可使畢業生更好地適應新形勢下社會對工程人才的需求，也可為其它專業課程建設提供參考。

關鍵詞：CDIO工程教育;《計算機導論》;教學改革

DOI：10. 11907/rjdk. 182619

中圖分類號：G436

文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）006-0207-04

Abstract：Taking The Introduction to Computer as the research object， combining the construction of local colleges and the characteristics of learners， we analyze the problems existing in the current teaching from four abilities aspects of CDIO engineering education. And the corresponding curriculum construction measures are put forward around teaching content， teaching mode， teaching methods and evaluation methods. Classroom teaching is optimized through the curriculum construction under the new concept. Thus engineering graduates can better adapt to the professional needs under the new situation， which will provide reference for other professional courses.

Key Words：CDIO engineering education;The Introduction to Computer Science;teaching reform

0 引言

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。CDIO分別代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）與運作（Operate），其以工程項目從研發到運行整個生命周期為載體，通過項目設計將整個課程體系有機結合起來，將教育過程與工程領域具體情境相結合，讓學生以主動、實踐的方式參與教學各個環節，強調課程學習與項目設計相聯系，以培養學生的綜合實踐能力[1]。

《計算機導論》課程是計算機專業一年級開設的一門專業基礎課，可引導大學新生對計算機學科基礎知識及學科體系有一個概括了解，從而為系統學習后續專業課程打下堅實基礎，并為計算機學科的課程學習提供方法指引。目前在《計算機導論》教學過程中，面臨著培養學生工程實踐能力的社會需求與自身課程建設進展緩慢的矛盾，因此亟待進行課程教學改革。

作為一種先進的工程教育理念，CDIO自2004年提出以來，受到了學者們的廣泛關注。國內外各本科院校、高職院校也開始逐步認識到CDIO工程教育理念的重要性，因此圍繞工程畢業生綜合能力提升，相繼針對計算機專業相關課程進行了有效的教學改革嘗試。2015年，姚旭東[2]在《基于CDIO 模式的計算機導論課程教學改革》中，介紹了以 CDIO 模式為指導的《計算機導論》課程教學改革經驗;2017年，趙軍[3]發表論文《從CDIO 工程教育探討WEB 應用開發技術課程的教學改進》，探討CDIO 工程教育理念，強調“三位一體”教學模式的應用，并采用項目教學法作為主要教學手段;林葉郁、林文如[4]在《基于CDIO理論的軟件體系結構課程教改實踐》中，提出以CDIO教學理論為指導，以如何構建一個大型軟件系統的全套流程為主線，開展案例式與項目驅動方式相結合的教學。在“新工科”培養應用型人才的背景下，本文結合CDIO工程教育理念，對課程教學模式、教學內容、實踐活動及評價體系構建等方面進行研究，以期探索出一條適合學科發展的道路。

1 CDIO工程教育模式

從2000年起，麻省理工學院、瑞典皇家工學院等4所大學組成的跨國研究獲得Knut and Alice Wallenberg基金會近2 000萬美元的巨額資助，經過4年的探索研究，創立了 CDIO 工程教育理念，并成立了以 CDIO命名的國際合作組織[5-6]。CDIO工程教育理念不僅繼承與發展了歐美20多年來的工程教育改革理念，更重要的是其系統提出了具有可操作性的能力培養及檢驗測評的12條標準，是近年來國際工程教育改革的最新成果。

截至2013年，已有幾十所世界著名大學加入CDIO組織，其機械系和航空航天系全面采用CDIO工程教育理念與教學大綱，取得了良好效果，按照CDIO模式培養的學生深受企業歡迎。截至2017年4月，共有104所高校自愿加入“CDIO工程教育聯盟”。

在我國，2005 年汕頭大學工學院開始學習探索CDIO 工程教育模式并加以實施，現已取得明顯成效[7-8]，之后CDIO在全國開始以驚人速度傳播與發展。與CDIO有關的教學研究單位包括從“985工程”院校到一般本科學校，以及高職高專等高校;研究內容包括從CDIO理論到課程體系建設，從課堂教學到CDIO實踐環境建設等相關內容;涉及專業從“全國CDIO工程教育模式試點工作組”確定的4個工科大類專業，到目前的許多人文社科類專業如英語、思想政治教育等[9]。

CDIO理念倡導以主動、實踐、課程之間有機聯系的方式進行學習，在項目構思—設計—實現—運作過程中，不斷提高學生的創新思維能力與實踐能力[10-11]，完全符合計算機類工科專業應用型人才培養目標。因此，將這種開放式人才培養理念應用于《計算機導論》課程建設中具有可行性。

2 CDIO工程教育視角下的教學問題分析

CDIO 工程教育模式將工程畢業生的能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力與工程系統能力4個層面（見圖1）[12-13]，大綱要求采用綜合培養方式使學生在該4個層面達到預定目標。

2.1 工程基礎知識層面

根據CDIO理論要求，合格的工程畢業生需要具備牢固的技術知識與較強的推理能力，具體包括基礎科學知識、核心工程基礎知識及高級工程基礎知識。但以筆者所在的忻州師范學院為例，基于地方院校建設及生源特點，導致課程教學內容僅局限于計算機基礎知識及辦公軟件使用，課程變成了“狹義工具論”和計算機學科所涉及內容的“濃縮版”課程簡介。現有自編教材雖然涉及范圍廣、基本概念多，但缺少諸如云計算、大數據、人工智能、區塊鏈等學科前沿動態，不能突出應用型、復合型人才培養特點。目前雖然有線上教學資源《計算機導論》課程網站，但其內容仍局限于紙質版教材的濃縮與精選，如傳統的教學課件、教案和習題等靜態資源，是按照教學大綱要求預先設定好的凝固不變的知識。學生可以在網頁上留言，但教師無法實時反饋，信息回復的延遲往往使學生對疑難點的興趣度降低。

2.2 個人能力層面

CDIO教育理念要求學生具備工程技術崗位所需的個人職業技能與職業道德，以該思想為導向，《計算機導論》課程在培養學生個人能力層面應注重兩點：①計算思維及創造性思維能力培養;②專業知識綜合應用能力，尤其是動手實踐能力培養。

通過對本校學生的考查，發現其在以上兩方面的能力均有待提高，主要是由于學生在課程學習上缺乏針對性，不能很快進入思維能力培養模式，而是將過多時間和精力放在對課本抽象理論及其解釋說明的死記硬背上。這從另一方面也反映了課程教學模式及考核方式存在一定弊端，考核方式有待進一步改進。

2.3 人際團隊能力層面

人際團隊能力培養要求在課程項目實施過程中以團隊合作方式進行，從而提升學生的團隊合作能力與交流能力。但從本課程教學過程來看，由于教學形式較為單一，學生無法在項目驅動的任務中體會其任務關聯性，也難以體會到團隊成員思想碰撞、責任擔當、和諧相處的重要性。同時，對學生的評價側重于形成性評價，而忽略了過程性評價，團隊工作在課程學習與考核中所占比重較低，導致學生在團隊中的優秀表現不能得到有效激勵，因而無法提升學生的自我效能感，學習需求與學習欲望逐漸下降。

2.4 工程系統能力層面

應用型本科院校承擔著培養生產、建設、管理、服務等一線急需的綜合型工程人才的任務。在“新工科”建設背景下，結合現有人才培養理念與卓越工程師培養需求，本課程應著重于實踐環節，為學生灌輸工程系統理念。但從課程授課計劃來看，實驗課程更多地只是涉及辦公軟件的使用，學生缺乏有效的工程實踐經驗。

3 教學改進思路與具體措施

3.1 基于計算思維與實踐能力培養的教學模式改革

針對CDIO模式確定的個人能力培養目標，形成課堂教學、課內實驗及課外實踐相結合的三級教學模式。課堂教學部分以培養學生計算思維與創造性思維為導向，注重完整的知識體系建設，以科研工作為依托，及時將學科最新研究成果引入教學中;實驗與實踐教學部分需要結合工程化應用型技術人才培養定位與目標，深刻研究工程技術崗位人才所需的復雜能力和技能需求，將其分解為單項能力與技能，并貫穿于課內實驗與課外實踐過程中，最終使學生具備適應復雜工程情境的能力。因此，課內實驗內容需側重于計算機基本操作能力訓練，課外實踐需側重于工程系統能力培養[14-16]。

3.2 基于工程基礎知識層面的教學內容擴展與教材建設

《計算機導論》教學既要通過課堂講授讓學生獲得系統、完整的學科知識，又要通過課內實驗使所學知識產生遷移，培養學生具備適應工程技術崗位的職業技能。更重要的是，通過課外實踐營造有效的職業情境，使學生在實踐中積累經驗，從而能夠勝任未來的工作。因此，要求教學過程中除需要具有良好知識結構的靜態教學資源——教材外，還要有配套的教學資源庫，并能夠依托互聯網、人工智能、增強現實等技術打造各種在線平臺，形成完備的線上線下、課內課外相結合的教學生態圈。

《計算機導論》課程在靜態教材資源建設過程中，在全面、系統地介紹計算機學科基本知識的基礎上，結合計算機領域各種新技術與新應用，加入了諸如物聯網、云計算、大數據、人工智能、區塊鏈等學科前沿動態，以進一步開闊學生視野。同時，以原有課程網站為出發點，運用現代信息技術不斷完善平臺功能，實現師生互動與生生互動。無論在課堂教學、實驗還是課外實踐環節，學生們都可以隨時分享學習經驗，并讓其在平臺設置的模擬工作任務中，親身感受所學知識的作用和價值，從而提高學習興趣，培養協作精神[17]。

3.3 基于團隊能力訓練的項目驅動式教學方法應用

CDIO理念的實質是一種項目驅動的工程教育模式，要求以項目研發完整過程為主線，對學生進行從產品構思到運作全過程的系統訓練。《計算機導論》課程采用分級項目設置方式，有的項目甚至可以貫穿整個學期的學習過程。

以《計算機導論》課程的課堂教學環節為例，課前以每一講內容為依據提煉出小項目，并以編制導學案的方式通過在線平臺發放給學生，學生以小組為單位，查找相關資料進行調研準備;課堂采用研討、啟發等方式完成項目，教師負責課堂組織與答疑，真正使學生變被動學習為主動學習;最后各小組成員撰寫小組報告，總結學習過程與收獲。該方式不僅提升了學生的學習積極性，更能調動其課下學習的主動性，也培養了學生的組織能力與團隊協作能力[18-20]。

3.4 基于應用型人才培養的模塊化混合評價體系建設

以應用型人才培養為目標，增加實驗與實踐課程在評分體系中的比重，讓學生充分意識到實踐的重要性，構建基于應用型工程人才培養的模塊化混合評價體系。對學生的評價可根據理論知識模塊、課內實驗模塊與課外實踐模塊3部分進行評價[21]。

（1）理論知識模塊按照每一講的導學案進行教學檢查與評定。主要檢查學生對課程內容的理解，學生能夠把知識點涉及的問題清晰、準確地表達出來為考核合格，對內容理解有偏差的學生則需要進行重點輔導。

（2）課內實驗部分每一模塊的成績由在線考試系統進行檢查與評定。課外實踐部分要求學生以團隊方式完成每一模塊中的綜合項目，并在平臺上進行階段性成果展示。平臺會準確記錄諸如作品發布次數等項目狀態，并以此為依據對學生的學習狀態、學習能力、學習風格等作出評價，教師則可以在平臺上給予及時點評或輔導，學生如能按時按量完成項目則考核合格。

（3）評價體系模塊內容及評分比例如表1所示。

在課程建設過程中，通過對CDIO工程教育模式及國內外應用情況的研究，結合《計算機導論》課程教學現狀及學習者特點，分析得出目前教學中存在的問題，進而對照CDIO培養4個能力層面的要求進行課程建設研究。《計算機導論》課程建設步驟如圖2所示。

4 結語

本文在CDIO工程教育理念下，對計算機類工科專業開設的《計算機導論》課程進行探索，結合地方高校建設實際與學習者特點，分別從CDIO模式要求畢業生具備的工程基礎知識、個人能力、工程系統能力、人際團隊能力4個層面出發，對目前課程建設中存在的問題進行分析，并提出相應課程建設思路與具體實踐方法。該新型教學方式不僅能夠提升學生學習效率，還能提升學生的課堂參與度與自我效能感。同時，通過良好的在線反饋激勵機制可隨時了解學生學習狀態，為教師進行針對性教學提供了依據。

基于CDIO工程教育理念，本文在理論與實踐方面都進行了探索，但還存在一些不足之處，下一步將對以下兩方面進行深入研究：

（1）課程移動教學平臺建設。在網絡技術飛速發展的今天，智能手機等移動設備得到普及。因此，可采用移動教學方式如在手機中安裝移動教學APP，充分利用云課堂等線上平臺開展混合式教學，實現人機互動、師生互動與生生互動，以有效提升教學效果。

（2）校企合作實踐環節建設。以“卓越工程師培養教育計劃”與CDIO工程教育理念為引導，推進課外實踐中的校企合作環節建設，并進一步提升合作的規范性及實用性，使學生能夠通過實踐更好地理解所學知識，并將知識轉化為生產力。

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（責任編輯：黃 健）