新工科背景下融合CDIO和翻轉課堂的Java程序設計課程教學改革

李金忠，黃雪梅，夏潔武

（井岡山大學 電子與信息工程學院，江西 吉安 343009）

0 引言

2017年以來，由教育部倡導的新工科建設在我國高校引起強烈反響。新工科建設給高校的工科人才培養提出了更高要求和新標準，要更加注重培養學生的自主學習能力、工程實踐能力、團隊協作能力和創新能力，培養應用型、創新型、復合型的新工科人才。培養新工科人才的根本問題是能力培養，大學生計算機編程能力培養是新工科人才的一項重要工作[1]。

Java程序設計是計算機類專業的核心課程，是Java Web程序設計、Java EE應用開發、Android移動應用開發、微信小程序開發等課程的前導課。Java還是人工智能、大數據、物聯網、云計算、“互聯網+”等新興產業的重要技術工具。根據TIOBE公司發布的近20年TIOBE編程語言社區流行度指標的TOP10變化情況顯示，Java語言在絕大多數年份中排行霸占第一[2]。《“新工科”建設行動路線（“天大行動”）》提出，要“問學生志趣變方法，創新工程教育方式與手段”。綜上，在新工科背景下，Java程序設計課程的教學改革變得更加迫在眉睫、勢在必行。

1 Java程序設計課程教學現狀分析

Java程序設計是一門集理論性，較強應用性、實踐性和工程性于一體的課程。傳統以“理論教學為主、實踐操作為輔”的Java程序設計課程教學模式重理論知識、輕實踐能力，教學環節的互動交流和小組協作較少，難以激起學生學習Java的興趣。在理論教學中，通常以“教師為中心”，采用“Java知識點理論講解+程序演示”式的滿堂灌，難以體現學生學習的主體作用，學生缺乏自主學習的積極性且無法滿足個性化學習需求；在實踐教學中，較少有完整的Java應用案例/項目實訓，缺乏Java知識的整體融合性和系統性工程思維，不利于培養學生的工程實踐能力；沒能和現代行業企業對Java軟件開發和測試人才的需求相結合，很難做到產學結合，導致與社會需求脫節。在考核方式上，課程的考核方式較單一，缺少過程性考核機制和激勵性評價機制，沒有對Java學習效果進行及時的反饋和跟蹤，不能合理有效地反映課程學習效果。總之，如此的培養模式難以滿足培養工程實踐能力強、創新創業能力強、具備國際競爭力的高素質復合型的“新工科”Java軟件開發人才的需求。因此，在新工科的背景下，如何在Java教學過程中提升學生的自主學習能力、工程實踐應用能力、項目團隊協作能力、創新創業能力等綜合素質，已成為Java程序設計課程教學亟待解決的問題。

針對傳統的Java程序設計課程教學模式存在的問題,有較多的教改研究和探索。文獻[3]提出項目驅動和翻轉課堂相融合的課堂教學模型，文獻[4]提出將OBE教育理念引入Java程序設計課程，文獻[5]提出基于慕課的翻轉課堂教學模式，文獻[6]提出“以項目為主線，教師為主導，學生為主體，CDIO能力培養”的教育模式。這些研究從不同教育理念、教學模式、教學手段等方面進行了積極的探索，在一定程度上都能提升教學效果。本文將從更多維度和視角探索Java程序設計課程的教學改革，以期拋磚引玉，對該課程培養應用型、創新型、復合型的新工科Java軟件開發人才起到一定的啟發作用。

2 CDIO工程教育理念與翻轉課堂教學模式

CDIO（conceive、design、implement、operate，構思、設計、實現和運作）工程教育理念和翻轉課堂（flipped classroom）教學模式都是“以教師為主導，學生為主體”的教學精神的深入體現，兩者具有高度的一致性和互補性。兩者都主張“以學生為中心”，分小組進行協作學習，注重調動學生的學習積極性，讓學生主動參與課程的學習，具有很高的融合度[7]。若將兩者進行有機融合，不僅可以發揮CDIO培養工程實踐和創新能力的優勢，還可以發揮翻轉課堂提高課堂效率的優勢，并且可以克服翻轉課堂不適合實踐教學的缺點，實現優勢互補和取長補短[8]。兩者的融合將有助于調動學生的學習激情和興趣，有助于加強師生之間和生生之間的互動交流、頭腦風暴和思維碰撞，有利于培養學生的自主學習能力、工程應用實踐和創新能力，必將促進課堂教學質量顯著提升。

Java程序設計是一門理論性和實踐性、應用性及工程性都較強的課程，與CDIO的工程教育理念高度契合，并且非常適合采用翻轉課堂的教學模式。二者的融合使Java程序設計課程的教學體現了以學生為中心的理念，有助于培養學生的編程思維和提高學生的程序開發能力，提升學生編程實踐能力和解決實際工程應用問題的能力，為以后無縫對接工作崗位打下堅實基礎，對培養符合社會需求的新工科軟件開發技術工程人才具有積極的指導作用。

3 融合CDIO和翻轉課堂的Java程序設計課程教學改革

教學改革總體思路如圖1所示，從課堂的教育理念、教學模式、教學方法和課程成績評價機制4個方面進行。

圖1 教學改革總體思路

將CDIO工程教育理念與翻轉課堂教學模式進行融合，采用CDIO工程教育理念組織教學內容，采用翻轉課堂教學模式實施教學實踐，采用案例/項目驅動法、小組討論法等先進教學方法混合實施教學活動，并輔以線上線下、課內課外相結合的方式強化學生的軟件項目編程等實踐應用能力，讓學生以主動的、實踐的、課程知識之間有機聯系的方式內化知識為自身能力，最后以多元化課程成績評價指標對課程成績進行考核。融合CDIO和翻轉課堂的Java程序設計課程教學改革思路的總體實施方案，如圖2所示。

圖2 融合CDIO和翻轉課堂的Java程序設計課程教學改革思路的總體實施方案

在這個體現多維度教學方式的總體實施方案中，以項目為主線，即以若干個Java案例/項目在課前進行自主學習，一個指定的小項目在課堂進行實訓，一個各組任選的大項目在課后鞏固演練，將這些項目融入整個Java程序設計課程的教學過程中。

首先，教師基于CDIO理念設計Java線上教學資源。基于產教融合、校企合作和協同育人的方式，借助于企業方，共同商量擬定一些企業中真實的Java案例/項目，將這些Java案例/項目以CDIO工程教育理念為指導思想，即將構思、設計、實現、運作這4階段貫穿于設計Java線上教學資源，以用于Java程序設計的教學。

其次，以大、小項目為主線，將案例/項目驅動教學法和小組討論教學法貫穿于基于CDIO和翻轉課堂的Java程序設計課程的整個教學過程中。在課前，教師準備若干個基于CDIO理念指導設計的Java案例/項目，并布置課堂上將要完成的Java小項目所分解出來的各功能模塊的構思任務，學生線上自主學習并進行小組討論和構思Java小項目。在課堂上，以一個Java小項目引領課堂實訓，要求各小組討論和協作，并對Java小項目所分解出來的相應功能模塊進行設計和實現以及系統測試和運行功能演示，教師進行指導幫助和項目點評。在課后，要求各小組任選一個綜合性較強的Java工程項目，并基于CDIO理念將該項目進行功能模塊分解，分階段完成該項目的各功能模塊的CDIO階段性任務，教師對學生完成的大、小兩項目進行考核評價以及教學意見的總結反饋和教學反思。在課外，教師組織并指導學生參與Java軟件創新項目的開發實踐、軟件服務外包等科技競賽活動。

最后，教師基于多元化的課程成績評價機制，設計考核學生學習Java程序設計課程效果的評價指標和權重。

1）融合CDIO和翻轉課堂的Java程序設計課程教學改革的具體實施。

針對CDIO工程教育理念的構思、設計、實現、運作四大階段和翻轉課堂教學模式中的課前、課中和課后三大過程，采用線上線下、課內課外相結合的方式進行教學改革的實施，見表1。

2）多元化課程成績評價機制在Java程序設計課程教學中的具體實施。

傳統的課程成績評價機制主要是試卷理論考試、作業和實驗報告、課堂表現和考勤等成績，難以體現學生的工程實踐應用能力，難以適應新工科對Java人才培養的需求，因此，傳統的課程成績評價機制已不再適用于新工科背景下基于CDIO和翻轉課堂融合的Java程序設計課程的考核，須尋求多元化的課程成績評價機制。新工科背景下的Java程序設計教學要注重培養學生解決實際工程問題的能力和創新能力，要注重多維度的教育教學評價方式，并且其課程考核要傾向工程實踐實際應用能力的考核。為此，多元化的課程成績評價機制要加強工程實踐應用能力在該課程學習中所占比重，并強調過程學習、評測的過程性考核等，不但要綜合試卷理論考試、作業和實驗報告、課堂表現和考勤等方面的考核成績，而且要注重過程性階段檢驗和學生能力的評價成績，以多維度、全方位展現學生能力為目標來多元考核學生所學課程的成績。多元化的課程成績評價機制兼顧過程性評價和學習成效評價并重原則，可增加評價結果的有效性和可靠性，能更全面、準確地了解學生學習的效果。

表1 融合CDIO和翻轉課堂的在Java程序設計教學中的具體實施

依據融合CDIO和翻轉課堂的Java程序設計課程教學的實際情況，我們設計了兩大類指標體系，包括教師評價和學生評價，其中教師評價包括對個人的評價和對小組的評價，學生評價包括組間評價和組內評價，在各類評價中包括多元考核指標。多元化課程成績評價機制的具體實施方案見表2，其中的評價指標及其在課前、課中和課后所占百分比只是一個初步設想，還有待于在實踐過程中不斷地探索與調整評價指標與權重，如采用層次分析法確定各指標的權重等，以進一步研究更科學合理的考核形式，完善考核機制。

通過考慮考核課程成績的多維度量化評價指標，建立基于教學全過程的多元化課程成績評價機制，以促進Java程序設計課程教學的考核機制趨向更合理，更精確地檢驗和評價教學效果，從而凸顯新工科建設面向工程、實踐、應用和創新。

4 結語

新工科強調以學生為中心的教學模式，強調融入行業企業的工程項目理念。以新工科建設為背景，融合CDIO工程教育理念和翻轉課堂教學模式的Java程序設計課程教學改革，充分體現了“以學生為中心”和“基于項目的學習”模式，以培養學生能力為核心。通過在不同班級對該課程教學改革實施與否對比發現，在已實施的班級中，積極主動學習Java的學生增多了，能做Java項目、開發軟件的學生增多了，利用已開發或即將開發的軟件參與互聯網+、創新創業大賽等學科競賽的學生也增多了。總之，通過教學改革的實施，可有效提升學生自主學習、工程實踐、團隊協作和創新等方面的能力，從而提高教學質量，為打造具有較強編程能力、系統設計能力和應用開發能力的應用型、復合型、創新型和好就業且能勝任工作的具有可持續競爭力的新工科Java軟件開發人才提供思路。

表2 多元化課程成績評價機制在Java程序設計教學中的具體實施