基于CDIO理念的云計算技術及應用課程教學改革研究

柳運昌　張娜

摘? 要： 云計算技術及應用作為計算機專業的核心課程，具有內容豐富、綜合性強、實踐要求高的特點。為了提高云計算技術及應用課程的教學效果，更好地培養學生的實踐動手能力，本文基于CDIO教學理念，對云計算技術及應用課程進行“教、學、做、評”一體化的改革，以能力為本位，重點培養學生的技術知識、職業技能和團隊協作能力。教學實踐證明，該改革對于提高學生的學習主動性、學習的全員參與度和綜合能力效果顯著。

關鍵詞： CDIO; 云計算; 教學改革; 能力培養

中圖分類號：TP393? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）12-74-05

Research on the teaching reform of “Cloud Computing Technology and

Application” course with CDIO concept

Liu Yunchang， Zhang Na

（School of Computer and Data Science， Henan University of Urban Construction， Pingdingshan， Henan 467036， China）

Abstract： “Cloud Computing Technology and Application” is a core course of computer science and technology specialty.The course is characterized by rich content， comprehensiveness and strict practical requirements. How can we improve the teaching effect of cloud computing technology and application course and better promote the cultivation of students' hands-on ability？ Based on CDIO concept， this paper carries out the teaching reform of “teaching， learning， doing and evaluation” for the course. It focuses on competency and cultivates students' technical knowledge， professional skills and teamwork skills. The teaching reform has a significant effect on improving the learning initiative，full participation and comprehensive ability of student.

Key words： CDIO concept; cloud computing; teaching reform; competency cultivate

0 引言

云計算已成為我國國家戰略性新興產業發展規劃的 20 項重點工程之一，越來越多的高等院校開設了云計算技術方面的課程[1-2]。云計算技術及應用課程作為計算機專業的核心課，主要介紹云計算基本理論，分析其關鍵技術，闡述其基礎架構及各種典型的云解決方案。該課程的突出特點是內容豐富、綜合性強、學習量大、抽象性強、實踐性要求高。

為了提高“云計算技術及應用”課程的教學效果，更好地培養學生實踐能力的培養？本文采用CDIO教學理念，對云計算技術及應用課程進行“教、學、做、評”為一體的教學改革探索。

1 存在的問題

近年來，經過持續不斷的教學改革，云計算技術及應用課程的教學水平得到了提升，但仍然存在許多問題，具體如下：

1.1 重理論輕實踐

當前的云計算教學以理論概念和知識點的講解為首要任務。課堂教學中以教師講授為主，學生訓練為輔，學生在課堂教學中的積極性和參與度不高。其次，教師在教學過程中往往講授單獨一種云的解決方案，而忽視了各種云計算解決方案間的聯系與比較。學生不能很好地對各個知識點建立聯系，進而對云計算技術的系統性、連貫性難以掌握和熟練應用。

課程實踐通常是在理論課程學習之后，先理論后實踐的教學模式，造成了學生在知識理解與動手實踐之間產生間隔，實踐時理論知識會記憶模糊，這使得學生學習興趣不高，學習效果不佳。針對實際問題，學生只會生搬硬套教材的方法，不能夠因事制宜，學為所用，缺乏靈活性和創新性，不利于學生創新能力的培養。對計算機領域的復雜工程問題，學生很難提出技術性及綜合性的解決方案。

1.2 學習內容多課時少

我校計算機科學與技術專業的云計算技術及應用課程的總課時為72課時，其中包括14課時的實驗課及2周的課程設計。云計算技術及應用課程涉及到IaaS（基礎設施即服務）、PaaS（平臺即服務）、SaaS（軟件即服務）等多個層次的云解決方案，每種方案有其自身的理論支撐和技術實現，相互之間聯系較少，但知識點多、理論性較強。學時有限的情況下，教學內容靈活性比較差，教師難以安排合理有機的教學內容。學生課堂上往往似懂非懂，實際動手就更差。其中一個重要原因在于理論教學中難以系統化表達各種抽象的云計算技術的應用環境和使用效果。

1.3 實驗教學簡單

受制于實驗條件，云計算實驗采用了“一刀切”的方法，對每一個章節，所有的學生均完成同一個實驗題目。而每種云計算解決方案的技術要求都不相同，學生也沒有必要掌握所有的主流云計算解決方案。此外，近年來學生素質參差不齊，個體差異大，學習能力不同，完成同一實驗任務的情況不理想，更談不上創新。實際的云計算解決方案涉及多項技術，課程實踐的工作量巨大，非常需要學生合作完成任務。而在“簡單化”的實踐教學中，較多的要求是獨立完成，因此缺乏對學生團隊合作能力的培養。

1.4 考核方式單一

對學生的考核以理論考試為主，主要是筆試方式與作業，偏重于理論知識的掌握。對學生的考核往往只有一次，不能反映學生學習過程的成長變化。這種考核僅關注于學生的工程科學和技術知識掌握情況而忽略了學生的學習態度，以及終身學習、團隊交流和工程系統能力。

2 基于CDIO的“教、學、做、評”一體化教學模式

CDIO是指構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）、運作（Operate）。課程之間是有機聯系的，讓學生以主動的、實踐的方式學習，培養復合型、創新型、有實際能力的高素質工程人才[3-4]。

云計算技術處于快速成長期且是信息前沿技術，CDIO理念讓學生在學習過程中就能體驗到相關產品和技術的應用，能很好地培養學生對專業的認知與情感。因此，本文以CDIO理念為基礎，對云計算技術及應用課程的課堂教學和實踐教學進行改革，推行項目導向、問題驅動、課堂教學與實驗教學統一、學生評價過程化的“教、學、做、評”一體化教學模式，突出能力為本位，重點培養學生的技術知識、職業技能、職業素養和團隊協作等能力[5，6]。

在“教、學、做、評”一體化教學模式下，我們注重教學過程的實踐性、開放性和職業性，課程教學內容設計結合具體的項目。我們將云計算技術及應用課程當作項目來講授，任課教師進行市場調研，開展職業分析，結合行業實際開發項目化教材，圍繞CDIO理念中“做中學”的基本原則，建立實驗室開放式教學環境，使得課堂教學和實驗教學融為一體，培養學生文獻資料查閱能力、項目分工協作能力和編程能力。

項目設計過程中學生進行探究式學習和工作，團隊內相互協作，團隊間協作加競爭。教師主要起指導作用，督促學生完成一次構思→設計→實施→改進和展示的全過程。首先為“C”（構思）階段，教師提出基本的用戶需求，引導學生分析思考，學生團隊對所選擇的項目進行總體構思，明確詳細的項目內容和具體任務，確定每組成員及其分工;其次為“D”（設計）階段，各項目組查閱大量參考文獻，組內討論，確定基本方案，讓每組成員針對選定的項目闡述和討論，闡述選定項目的基本思路、系統架構的選型、所用技術的合理性和優越性等，經過討論、評估和辯論，形成最佳的設計方案;第三為“I”（實施）階段，學生必須掌握“云計算技術及應用”教學大綱規定的基本知識、技能，先由教師演示，再由學生進行操作;最后為項目分析修改和展示階段，各組學生根據具體的展示結果，發現自己原來構思中的缺陷，修改后再設計、執行和運作，然后全班學生再一次交流、評價，可能有部分學生需要重新設計、執行其項目。

3 課堂教學改革

3.1 教學內容改革

3.1.1 教學內容項目化

教學中任課教師根據目前云計算技術發展及用人單位對學生專業能力的需求，以CDIO教學模式為指導，參照企事業單位對項目的運作和管理模式重新構思符合工程實施的實踐教學計劃，將Web日志分析、二手房數據分析系統、圖書數據分析系統等與生活實際聯系密切的項目作為CDIO的教學項目載體。學生可以根據自身興趣選擇不同的項目，選修不同的云解決方案，體驗課程內容非結構化的特點;另一方面強調模塊化的設計要求，根據項目設計合適的配套內容，幫助學生獲得基礎知識。通過項目學習激發學生的先前知識，激發學生的自我效能、感知和價值觀，激勵學生積極參與。

任課教師根據項目建設的生命周期設計實踐環節，模擬軟件項目開發，從需求分析、系統設計、系統實現，到系統維護等環節入手，培養學生的創新思維能力、工程實施能力和綜合分析能力。表1為基于CDIO的Web日志分析項目劃分情況。

3.1.2 教學內容綜合化

云計算技術及應用課程涉及不同的云解決方案，每種方案都需要計算機網絡技術、數據庫技術、操作系統、程序開發及文檔撰寫等多門課程的相關知識。在以往的課程學習中，主要是單一知識點的傳授，知識點之間的綜合性體現不突出。對于云計算技術及應用課程，在講解某一云解決方案時，要把握其結構體系、關鍵技術，將相關的知識有機地串聯起來，形成思維導圖，讓學生明白知識點之間的相互聯系，在傳授知識的基礎上，注重全面素質與綜合能力的培養，加強學生獲取知識、分析問題、解決問題的能力，加強工程設計的教學和訓練。

3.2 教學流程改變

為貫徹CDIO理念，借鑒文獻[7-8]的方法，我們設計了基于CDIO的云計算技術及應用課程教學流程，如圖1所示。在整個教學實施過程中，以項目為載體、學生為主體、教師為引導，以能力培養為目標，將CDIO 理念融入整個教學過程。

3.3 教學方法改革

3.3.1 課堂教學與實驗教學融為一體

在實驗室講授理論課，構建開放式理論教學環境，使課堂教學與實驗教學有機結合起來。比如在講解IaaS分層模型時，介紹完系統架構、技術及功能等理論知識后，先向學生展示服務器、交換機、可插拔硬盤等硬件設施，然后打開H3C（新華三）提供的云計算管理平臺，讓學生從服務器集群、虛擬機組、虛擬機三個層次了解計算與存儲資源的組織，形成直觀的認識，有助于深化學生對IaaS云層次結構的理論理解。

3.3.2 引入項目導向教學方法

在項目導向、問題驅動教學方法中，我們選擇Web日志分析、二手房數據分析系統、圖書數據分析系統等與實際環境聯系密切的項目作為CDIO的教學項目載體。結合大數據分析對云計算平臺及工具的要求，教師不把教學的重點放在詳細的、系統的云計算解決方案的講解上，而是根據需求，選擇合適的技術路線，主要講學生不易懂、關鍵性的或隱藏在問題背后的知識。

3.3.3 引入混合教學模式

我們結合本門課程的特性，借鑒翻轉課堂的教學模式，提出了基于網絡學習空間+課堂講授的混合教學模式。該模式利用互聯網技術，把學習資料如視頻、PPT等放置我校“學在城建”網絡學習平臺上，引導學生觀看相關視頻，做好課前預習，課堂上重點回答學生的疑惑，課下布置作業或實驗讓學生鞏固訓練。若有疑問學生可再與老師同學互動交流。

3.4 課程實踐改革

3.4.1 實驗內容層次化

我們基于CDIO理論編寫了云計算技術及應用實驗指導書，把實驗分為三類：一是驗證型實驗：如Linux系統文件的操作、Hadoop集群的搭建等單元的相關知識點。二是設計開發型實驗：如MapReduce程序的編程和調試，并行程序的設計方法、技巧及算法。三是進階型實驗：教師布置的任務用現有知識和經驗無法全部解決，必須進行探究、研究性學習以及團隊合作，不一定要求取得最終結果。不同層次的學生可針對自己的水平自主選擇不同要求的實驗題目，開展分層次實驗教學。

3.4.2 實踐內容規范化

項目設計實踐中重視規范化要求，按照軟件工程開發的需求，各個環節整理出清晰的文檔記錄，包括需求分析說明、系統設計說明、系統實現文檔及系統調試等，明確軟件工程的基本要求、關鍵任務與關鍵環節的時間要求，文檔要求應按時準確完成，小組間在關鍵時間節點進行工作總結匯報。小組成員對自己工作負責，對設計過程負責。以此作為以后實踐工作的一種模擬演練，有效地培養學生的實踐工作能力和責任心。

3.5 評測方式過程化

以往的考核中以考核理論知識點為主，既不利于提高學生的學習興趣，也無法反映出學生的實踐應用能力。因此我們對教學評價考核方式進行改革，設計多維度、多層次的評價考核方法，努力進行全面評價，以更好的引導學生讓考核起到促教的作用，讓學生理論和實踐學習全面提高。云計算技術及應用課程考核評價標準如表2所示。

考核評價從項目設計報告、中間節點報告、中間節點任務完成狀態、小組內互相評價、小組間評價、項目結果檢查及文檔匯總等多方面進行，避免一次考核定分數的現象。而且多方面的評價可有效地促進學生平時學習的積極態度，真正達到了以項目實踐促進學習的效果。

4 教學改革實踐效果

本次教學改革歷時一年多，取得了初步的成績。對2018、2017兩個年級的230多名同學展開調查，結果顯示學生對該課程的獲得感由原來的75%提升到92%，對混合教學模式比較認同，比率為90%，對過程性與結果性考試方式也樂于接收，學生的動手能力和學習主動性有顯著提高。

由于教學改革初步開展，也存在一些問題，如工程案例比較復雜，需長時間呆在實驗室，實驗設備不足等。今后需要根據學生的特點、學生反饋意見、企業人才需求等多個方面，進行探索和深入研究，最終達到培養學生的技術知識、職業技能、職業素養和團隊協作等能力好人的教學目的。

5 結束語

云計算技術及應用課程作為計算機類專業的核心課具有內容豐富、綜合性強、學習量大、抽象性強、實踐性要求高的特點。如何才能提高“云計算技術及應用”課程的教學效果，并更好促進學生實踐能力的培養？本文基于CDIO教學理念，對云計算技術及應用課程進行“教、學、做、評”一體化的教學改革探索。教學實踐證明，該改革對于提高學生的學習主動性、學習的全員參與度和綜合能力方面效果顯著。

參考文獻（References）：

[1] 謝志明，王鵬，李俊杰，石慧.基于CDIO的云計算與大數據課程體系建設[J].計算機教育，2017.1：47-52

[2] 黃曼綺，武志學.基于CDIO的云計算專業導論改革[J].計算機教育，2015.9：79-82

[3] 孔美蘭，高雪.CDIO教育理念下食品工廠設計課程教學改革與實踐[J].教育教學論壇，2019.20：90-91

[4] 查建中.論“做中學”戰略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究，2008.3：1-6

[5] 高原，符濤，孫毅.CDIO模式以項目驅動促進網絡工程教學改革和實踐[J].西南師范大學學報（自然科學版），2019.44（4）：150-156

[6] 陳靜，張達敏，劉國敏.基于CDIO數據結構課程教學思考與改革[J].高教學刊，2016.1：109-111

[7] 趙海麗，李文娟，胡克用.基于CDIO教學理念的數據結構課程教學改革研究[J].大眾科技，2017.19（6）：134-135

[8] 余宏，張華英.基于項目驅動的混合式教學推動計算機類課程教學改革與實踐[J].現代計算機（專業版），2019.3：74-77