設計型學習模型在《軟件工程》中的構建與應用實踐

巫華芳

（贛南師范大學 數計學院，江西 贛州 341000）

信息技術及互聯網時代，運用信息技術解決問題的能力和創新設計的意識和能力顯得日益重要。2016 年6 月，我國教育部頒布的《教育信息化“十三五”規劃》提出積極推進創客教育、STAEM 教育等新的教育模式，積極探索信息技術在新的教育模式中的應用，以提高學生的信息素養、創新意識和能力，為培養創新型人才提供了一條有效的途徑[1]。《2016 新媒體聯盟中國基礎教育技術展望：地平線項目區域報告》中也指出世界范圍內各學科的學生通過實踐和創造來學習的越來越多，他們的角色不應再是消費者，不再簡單吸收教學內容，而應變為創造者[2]。探索高校教育教學模式，如何在現有的教學條件內讓學生既掌握理論知識，又促進學生運用理論知識解決實際問題、發展個性、培養實踐能力及創新能力發展成為教學關注點之一。隨著創客教育的提出，設計型學習在不同的學科領域的應用也逐漸增加，設計型學習的價值也突顯出來，為培養創新型人才提供了一條有效的途徑。

《軟件工程》課程是高校計算機專業的學科基礎必修課程，是一門綜合性和實踐性很強的核心課程，因此改變傳統的重視理論講解、輕實踐能力培養的教學方法，探索適合該課程培養目標的教學模式是非常有必要的。設計型學習模型的核心是以項目為出發點進行“設計”，引導學生運用設計的思維方式在問題解決中學習，進而提升學生個性化和創造力，這也是《軟件工程》課程的要求。本研究嘗試從培養學生創新能力的角度出發將設計型學習的理念應用到《軟件工程》教學中，在課程教學中引進以項目為導向的教學方法，整合出設計型學習模式的基本結構。以期為其它課程運用設計型學習模式提供借鑒。

1 設計型學習的內涵

設計型學習又稱為基于設計的學習，在國內外教育界受關注程度越來越高，尤其是在歐美的K-12 教育的互動課堂中得以大規模推廣和實施。Kolodner 教授于1996 年提出了“通過設計進行學習”這一觀點，并與同事以及中學教師共同合作驗證了其有效性[3]；Jonassen 認為設計有助于學生在學習和研究過程中提高思維水平，應該是結構不良的問題[4]，是學生在基于項目的學習中嘗試設計東西時，及時查閱和學習他們需要的知識和技能[5]；Doreen Nelson 等人將設計理念應用于教學實踐中，形成了較為系統的設計型學習樣式[6]。設計型學習在國內中小學與高校的課程中均有研究與應用。顧小清等人認為設計型學習是以使學生學會設計，提升學生能力水平為目標的教育模式[7]；王佑鎂等通過闡釋設計型學習的內涵和“逆向思維”學習過程模型，指出設計型學習能夠培養學習者的創新和協作能力，為教學革新提供了一定的參考價值[8]。通過上述觀點可知，設計型學習改變了傳統教學中通過線性方式給學生呈現和傳遞知識，其本質是以設計為中心，學生在學習的過程中主動地建構知識和技能，通過循環迭代并且不斷深化，又依據學習成果反過來檢驗設計是否合理有效，問題是否得以解決的過程[9]。設計型學習以基于項目的學習為出發點，以設計為核心，在問題解決中運用設計思維和方式習得知識，培養個性化學習和創造力，以提高學生合作意識，問題解決能力及創新能力為目標，因此此方式注重學生的學習知識與技能，注重知識的應用及多次反復的設計過程。

2 設計型學習模型分析

目前設計型學習的典型模型有兩種，一是尼爾森的“逆向思維”模型，其主要觀點認為教學應開始于高級別的推理，直線式的教學不利于學生高階思維的發展，主要采用逆向思維進行教學，教學活動初始建立評價標準，引導學習過程，教師講授新知是在學習開始一段后開展，這樣有助于提升教學針對性。與傳統教學不同的是，該模型讓學生從未接觸的學習對象開始設計和制作，通過已有知識進行推理，繼而發現將要學習的新知識，解決問題。包括需要教什么、明確問題、建立評價標準、學生實踐、教師指導、反思六個環節，有實踐表明該模型能提高學生的高階思維及學習積極性。二是克羅德納等人提出的“基于設計的探究式雙循環模型”，其主要觀點是通過設計激發學習動機，提升學生問題復雜認知技能、社會技能以及交流技能，在設計中學能快速獲得學習反饋。該模型圍繞調查探究與設計、再設計兩個相互嵌套與融合循環展開，強調多次分享與設計作品的改進完善，即設計學習之前需要調查和學習相關知識，而在調查探索的基礎上再去設計與再設計，這個過程可能又遇到新問題，需要再次調查和探索，因此設計和探索之間及內部都在不斷循環，體現了學和做之間的相互促進。除上述模型外，還有專家學者提出了學習挑戰模型、基于設計的科學學習循環模型等。這些模型為開展教學活動提供了重要的指導作用，但這些模型在實際應用中存在一些不足：首先，現有的模型未考慮學科間的差異而設計出適合學科的教學活動環節；其次現有模型只關注教師的教學活動，未考慮學生的學習活動也未考慮學習環境的設計。因此，需要在已有模型的基礎上構建具有學科特點的模型，模型中不僅僅關注教師的教學活動，同時要考慮學生的學習活動及學習環境。

3 《軟件工程》設計型學習模型的構建

3.1 基于項目的學習

設計型學習是以基于項目的學習為基礎的，是將學習置于復雜的有意義的真實情境中，學生以小組形式共同解決問題的學習過程。通過項目引發學生的學習動機，通過提出和解決問題實現知識的建構，因此恰當的項目設計是教學的關鍵點之一。項目設計的實質是為學生提供一個完整、真實的問題背景，讓學生產生認知上的沖突，使學生產生學習的需要；同時又促進學習共同體中成員間的互動、交流，驅動學習者進行自主學習，從而達到主動建構知識的目的。項目的內容是現實生活和真實情境中表現出來的各種復雜的、非預測性的、多學科知識交叉的問題。基于項目學習的活動具有一定的挑戰性及建構性，主要是指學生采用一定的信息技術工具和一定的研究方法對解決面臨的問題所采取的探究行動。因此教師設計項目時應滿足：①有明確的要求，能解決實際問題；②盡可能自然、有機地結合多個知識點，利用新舊知識完成項目；③學生在一定的時間范圍內可以自行組織、安排自己的學習行為，以多種途徑相結合鼓勵自主探究及協作學習；④支持與引導激發學生高水平思維；⑤體現社會性交流與合作的作用，對學習內容和過程進行反思。因此項目型教學模式應包括理解問題、探索研究、問題解決及反思評價四個主要階段。基于項目的學習實施流程如圖1 所示。

⑴選定項目：項目應該和學生日常的經歷相關；應能融合多門學科；項目的內涵應該豐富；項目也應該是更適合進行檢測。《軟件工程》課程中的項目設置可以結合學生的日常學習和生活，選定如學生成績管理系統、教務管理系統、圖書管理系統等。

⑵制定計劃：學生為完成項目制定的計劃,內容有：學習時間的詳細安排和活動計劃。時間安排是學生對項目學習所需時間作一個總體規劃，做出一個詳細的時間流程安排。活動設計是指對基于項目的學習中所涉及的活動預先進行計劃。由于《軟件工程》課程以開發一個完整項目進行學習，因此可在項目實施前按軟件生命周期分階段計劃學習時間、內容及小項目的劃分。

圖1 基于項目的學習流程圖

⑶活動探究：提出解決問題的假設，使用軟件開發階段的研究方法和技術工具來收集信息資源并進行處理和加工，如建模、寫文檔或代碼等，對開始提出的假設進行驗證或推翻開始的假設，最終得出問題解決的方案或結果。

⑷項目制作：學生運用所獲得的知識和技能來完成階段性項目。

⑸成果交流：項目完成后，各個學習小組要展示成果，交流學習過程中的經驗和體會,提出建議。

⑹活動評價：通過自評、互評及師評方式，評價學生在小組學習過程中的表現，項目活動計劃、時間安排、結果表達和成果展示等方面。對結果的評價強調學生獲得了知識和技能的掌握程度情況。對過程的評價強調對活動記錄表、調查表、訪談表、學習體會等的評價。

3.2 《軟件工程》設計型學習模型的構建

根據基于項目的學習、設計型學習雙循環探究的特點，結合《軟件工程》課程的要求，設計出設計型學習模型。該模型的設計從項目出發，以培養學生問題解決能力及創新能力為目標，體現學生學習的主體地位、教師教學的主導地位，提供個性化學習環境，強調非線性開放式循環學習，滿足學生自主學習及協作學習的需要。該課程的設計型學習模型如圖2 所示。具有以下幾個特征：

⑴以學習環境為基礎：在設計型學習中，技術、資源及工具是完成學習的重要保證。在設計項目時教師應提供資源及案例，學生需要進行資源的查找、加工處理等，如在《軟件工程》課程中的建模工具、程序設計工具等，為知識建構提供便利；在情境創設及學習成果展示時需要工具的支持；還需利用工具完成學生的協作會話，交流思想觀點，實現知識共享；為保證有序的學習環境，增加學生間的信任，制定個人應遵守的行為準則是必要的。

圖2 《軟件工程》設計型學習模型

⑵以項目為引導：將學習置于復雜的有意義的問題情境中，通過學生以協作方式解決實際的真實問題。合適的項目是學習的關鍵，學習過程圍繞一個弱構性問題的解決展開，產生認知上的沖突，形成問題解決能力及創新能力。

⑶循環迭代升華：克洛德納提出“知識在應用于實踐前，通常需要反復的循環設計才能實現”[10]。模型中的學習過程圍繞分析及設計兩個活動要素的進行循環，在分析過程中分析問題、學習新知、擬定項目解決方案，經過反復討論交流修改確認方案后進入設計階段的循環；在設計過程中可能會產生新問題，需進一步分析，因此在每個階段內部及兩個階段之間是在不斷循環優化而又構成迭代的，這是設計型學習的重要特點，它能有效促進學生提升知識的應用及知識的遷移，更好地掌握所學知識。

1.4 質量控制 本次研究對象的選取標準由北京友誼醫院營養科營養醫師共同討論確定，并對本研究的調查方法及用表進行審核完善，確保調查方法科學可行、真實有效。現場調查前進行培訓及預試驗，由專業調查員填寫調查表，保證資料獲取的準確性。數據處理均嚴格按照衛生統計分析的要求進行，保證調查結果的分析準確。

⑷學習共同體助力：協作學習策略能使學生在面對一個復雜項目時，參與到問題解決、知識建構、計劃實施等環節中，所解決的問題能被合作環境增強而內化，有助于學生理解復雜的項目。通過集體討論的方式學習基礎知識，將學習內容組織成系列學習單元，通過提問，引導集體討論和思考，讓學生充分發表意見，相互修改和補充；對于項目的實現，應將其分解為若干個任務，分工解決各自的問題，最后匯總合成結果。設置的任務應能引起學生注意，最大限度發揮學生自主性，又能較好開展協作學習的內容，保證每位學生都能在解決問題中發揮各自的作用。

⑸學習成果作品化：設計型學習強調學生在做中學，將知識融合在設計過程中，為了明確學習目標，加強知識的綜合應用及體現，應強調學習成果作品化。在《軟件工程》課程中，每個項目都能以作品體現，如創建模型、文檔、代碼等。⑹能力培養為目標：設計型學習的本質是設計，目的在于引導學生使用設計思維解決實際問題，培養學生的問題解決能力，通過對弱構型問題的探究，培養創新能力，在循環學習過程中，學生學會思考分析和判斷，培養批判性思維，在協作學習中培養交流能力，運用設計型學習模式應關注過程，關注能力的提升而不僅僅是結果。

4 設計型學習模型在《軟件工程》課程的個案設計

本次教學實踐選取本校2016 級軟件工程專業一個班（43 人）為樣本，教學時間16 周，教學內容為《軟件工程》，第一周介紹了本課程的學習方法及要求，課程的評價方式采用筆試（40%）、學習表現（20%）及項目作品（40%）綜合計算。本次實踐的目標在于通過教學實踐來評測設計型學習模型的可行性及有效性，與傳統教學模型相比對學生的問題解決能力、創新能力及協作能力是否有提高。

《軟件工程》課程以軟件項目開發過程為主線，包括傳統軟件工程方法學及面向對象軟件工程方法學兩大部分內容，以不同的方法分別介紹軟件項目開發所經歷的生命周期階段：需求分析、設計、編碼、測試及維護的基本概念、原理及方法，同時讓學生運用基本原理和方法開發軟件項目。因此與設計型學習模型中以基于項目為引導的要求完全一致。教學實施前對課程的教學內容設計了多個項目。本文以傳統軟件工程方法學需求分析中的“創建功能模型”一節為例介紹設計型學習模型的應用。

項目要求：設計銀行存取款系統的功能模型

學習目標：理解功能模型的作用，掌握功能模型的四個組成元素：數據源（終）點、數據流、存儲及加工，會利用工具設計系統的功能模型。

學習環境要求：教師提供功能模型案例、信息搜索工具、建模工具，網絡環境及學生協作學習交流工具。

學習分組：由于學生需進行協作學習完成項目設計，因此在課前要對學生進行分組。根據項目的規模確定小組人數，本項目的每組人數為3人即可，小組成員的組合可采取“組內異質、組間同質”的分組方法，有利于通過相互間的幫助促進共同進步。

教學過程按如下步驟進行，首先開始分析項目方案，進行分析階段。

4.1 分析階段

⑴創設情境：首先教師登錄學生熟悉的教務管理系統，完成成績查詢、選課等操作，為了讓學生更直觀感受系統功能，教師還可呈現學生管理系統、超市收銀系統的相關功能。以此激發學生的探究動機及學習欲望，形成學習的準備。

⑵提出問題，啟發思考：什么是功能及功能模型？如何表示系統功能？功能間的關系是什么？與學生共同分析待設計項目的功能及數據信息。

⑶明確問題：學生在教師的引導下對設計的項目討論分析，明確實現本項目要解決的問題：①數據來源？②這些數據要做哪些加工？③數據加工后得出什么新的數據？④哪些數據信息需要存儲？

⑷學習新知：教師介紹功能模型的作用及組成、建模的要點，展示創建教務管理系統功能模型的過程，幫助學生掌握建立功能模型方法及步驟；學生在教師的指導下收集相關資源，學習新知。

⑸交流協作：小組內部成員分工完成各自的任務后，討論存在的分歧意見并提出解決方法，教師要及時指出學生容易忽視的問題。

⑹形成方案：掌握了創建功能模型的基本要領后，各小組學生圍繞著銀行存取款系統功能模型的四個要素展開討論，選擇恰當的設計方案。教師要鼓勵學生多角度考慮解決方案，培養創新思維。

⑺討論評價及修正：在小組交流達成共識后，由各小組成員匯報結果，解釋提出設計方案的理由，并聽取意見和建議，如果方案不完整或不可行則將進入下一輪循環分析過程，如果方案可行，則進入設計階段。

4.2 設計階段

⑴項目設計：經過對方案的多次修正后，小組開始著手用建模工具實現該系統的功能模型，驗證知識的有效性及方案的可行性，組內各成員均參與項目的實現，教師適時指導，對各組的問題進行引導啟發學生思考。

⑵討論評價：各小組展示功能模型，根據教學目標，教師在此環節應監控項目質量，在課前設計好評價量規，評價要點包括各小組分工是否明確，項目是否達到要求，觀點是否正確，表達是否清晰，成員合作程度等。可采取小組介紹，自評，組間互評及教師評價的多元方式。通過自評，體現出個人在協作學習中的作用，學會自我認識；通過互評，可以起到交流學習的作用，教師應對優秀的尤其是有創意的項目作品進行鼓勵，保持學生的學習熱情，對存在的問題，教師應及時指出并引導學生找到更好的解決方案。

⑶修正設計：各小組將已制作完成的功能模型與學習目標、教師及其他組員的建議進行對照，對項目進行修改完善。此時組內成員進一步討論是否有更合理優化的方案。也即進行設計階段的循環迭代過程，直到項目設計達到目標為止。

5 實施效果評價

實驗效果評價的數據來源于實驗班與對照班的成績及訪談。研究實驗前對學生通過問卷調查的形式進行了前置評價，實驗結束時對學生進行了課程考試及問卷調查，對學習過程、方式及結果進行了評價。對學習過程的評價包括利用信息資源的意識、協作學習能力、批判性思維、問題解決能力及項目的創新能力及對設計型學習方式的認可程度。每種能力對應一個或多個學習環節或學習方式，并基于此設計了18 個問卷調查問題。對結果分析后表明，實驗班學生的創新能力及問題解決能力明顯優于對照班，學生在學習過程中逐漸接受此種學習模式，并在學習中培養了查找信息資源的意識，學會了如何分析、判斷信息的真偽，選擇合適的資源的能力及交流協作能力有較大的提升，從完成的項目可以看出，學生拓展思維，利用不同的方法實現目標。總體而言，學生對該學習模式的滿意度較高。從考試成績來看，實驗班的平均成績高于對照班4.25 分。設計型學習模式提供了一條有效教學的指導思路，有利于調動學生的積極性，提升學生的問題解決能力及創新設計能力。

6 總結

本文從師生活動的視角構建了面向《軟件工程》課程的設計型教學模型，該模型以設計型學習環境的基礎，以問題解決與創新能力提高為目標，教學環節包括分析及設計兩個循環及10 個學習步驟，以需求分析中“建立功能模型”一課內容為例，應用于教學實踐中，并對學習效果進行了分析。設計型學習模型在引導學生運用設計思維分析解決問題、培養學生創新能力方面起到了積極的作用。但由于本實踐的樣本數量較少，且在一門課程中進行實驗，研究結論存在一定的局限性。因此還應對該學習模型不斷完善，擴大樣本的數量及實驗次數、根據不同課程的特點進行個性化設計。