大學計算機基礎課程CDIO 創客課堂教學探討

任 芳，吳 茜，潘妍妍

（陸軍軍事交通學院 基礎部，天津 300161）

0 引 言

計算機的高速發展促進了信息技術的不斷進步，而信息技術的進步不僅改變著人們的生產、生活方式,更對高校各專業人才信息化素質培養提出了新的要求。作為國際工程教育改革的最新成果——CDIO 工程教學模式，是一種在“做中學”的新模式，它以構思、設計、實施及運作4 個步驟為載體，形成了新的人才培養模式。以CDIO 模式的先進理念為指導，對高校大學計算機基礎課程教學進行改革，是對計算機基礎課程教學進行的有益探索。

1 大學計算機基礎課程教學現狀

大學計算機基礎作為高校信息化教育的基礎課程，被各專業定為低年級的一門必修課，也是各專業后續課程的一個前導內容。筆者希望通過該課程的教學，系統培養學生的計算思維，并利用計算機這個工具將該思維體現在解決各專業實際需求的應用中。

然而，傳統的教學模式以教師講授為主，學生在課堂上沒有或很少有動手操作的機會，機械式、灌輸式的講授，容易誤導學生將“ 自己理解了”和“可以動手實際編程”混為一談。課下學生自主上機調試程序的動力不足，導致了教學效果達不到預期，學生自主編程解決實際問題能力差的現狀，教師付出的辛苦和收到的效果完全不成正比。

面對信息化的發展對高校教學的沖擊，必須依據現實情況和未來對人才的需求進行預先規劃布局，培養具有想象力、創造力、跨學科整合能力的“新工科”人才。大學計算機基礎教學必須大膽改革教學內容、教學手段，創新突破傳統的以教師為中心、過分依賴教師和課本的模式，以實際需求為牽引，以具體項目為驅動，將科研引入教學，充分尊重學生的學習特點，激發其探究式學習的主動性與好奇心。

2 CDIO教學模式

CDIO 工程教育模式[1-2]是近年來國際工程教育改革的最新成果。CDIO 教育模式是以產品研發到運行的整個生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、各課程之間有機聯系的方式學習工程的理念、技術與經驗，其教學框架體現了創新的教育思想。

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate：構思—設計—實現—運行）倡導探究式教學，教師由以前的“主講”向“主持”的身份轉變，從現實需求出發提取出教學項目，充分激發學生的好奇心，引導他們主動參與、積極探究、分享合作，讓學生獨立思考、自主探究、系統實現，改變傳統以教師為主導的課堂教學，真正實現反轉課堂。構建以學生為主體的開放學習環境，具體培養目標見圖1。

圖1 CDIO 培養目標

應將CDIO 教育理念通過科學的、多形式的教學方法融入課程教學，突出實踐環節和學生課內主動參與度，提高學生獨立探究和團隊協作的能力。結合高校大學計算機基礎課程課堂教學實際情況，依據CDIO 研究方法，我們構建新型課堂及創客實驗室，目的在于讓學生參與以實際需求和具體項目為基礎的課堂學習，并利用開源軟（硬）件，參與整個項目的構思、設計、實現及運行，讓學生體驗“做中學”，在這個過程中持續訓練其計算思維，不斷提高解決現實問題的能力，CDIO 項目教學完整過程見圖2[3]。

圖2 CDIO 項目教學過程

3 CDIO課堂教學具體實施項目

3.1 項目構思

大學計算機基礎課程中，算法這一章教學內容具有很重要的地位。通過學習算法，可以系統訓練學生的計算機思維，訓練其對問題的抽象、探究、分析以及利用計算機編程表達和解決問題的能力。

本項目以學習最短路徑算法為例，來闡述CDIO 創客課堂教學的具體設計與實施過程。CDIO 項目從現實需求出發，選取學院開發的應急鐵路輸送總方案決策支持系統中某運輸場景，見圖3，要求在最短時間內將物資由裝在地域運輸到各配置地域，讓學生編程計算出耗時最短的運輸方案及具體用時。創設賽課合一的教學環境，在CDIO 創客教學實驗室，分組進行鐵路輸送方案的探究，并進行方案的匯報、互評以及改進。

圖3 某應急運輸地圖

3.2 項目設計

1）提煉需求，對問題原型進行抽象、建模。

首先，將問題進行抽象和簡化，選取北京、武漢、南京、南昌、鄭州5 地作為研究對象，求出從北京到其他4 個地點間的最短路徑，見圖4。

為了研究問題的本質，將背景地圖撤走，然后用數據結點代表各地點，將各點間的鐵路線標注出來，繼續整理出該圖形的拓撲結構。拓撲結構就是只研究數據結點及結點間的關系，而忽略結點的大小、線的曲直。此時得到圖5 的有權無向圖，圖的邊上標注的是兩點間的權值，在該實際問題當中，其數值代表各地點間的鐵路線長度。

圖4 CDIO 項目選取地圖

圖5 CDIO 項目帶權無向圖

用二維矩陣存儲該圖信息，其中，列方向表示出發地點，行方向表示到達地點，兩點間的距離就記錄在相應的位置上。其中兩點間沒有直達的鐵路線時，距離記錄為正無窮。對應該二維矩陣，程序中用二維數組表達即可。該項目中的原始鐵路線距離信息記錄如下：

有了原始各地間鐵路線距離的數據模型，就可指定出發（裝載）地點，具體分析和研究從該地點到其他各地點的最短路徑問題。

2）問題分析與求解。

本項目實際是在求解某一個點到其他各點間的最短路徑問題。最短路徑算法有很多，其中最為經典的是Dijkstra 算法、Floyd 算法等。選取學生容易理解的Dijkstra 算法解決該具體問題。

Dijkstra 算法的思想是：按照各條最短路徑遞增的順序找出某一點到其他各頂點間的最短路徑。

假設該題目中，將北京記為頂點1，就要用該算法具體求解頂點1 到其他各頂點間的最短路徑。

首先指定源點并分組頂點，分為已找到最短路徑的頂點分組和未找到最短路徑的頂點分組。

從已找到最短路徑的頂點出發，找出其到未找到最短路徑的各頂點間的最短路徑。

n個頂點循環n-1 次找最短路徑。

（1）取小距離值，對應頂點作為新選點；

（2）調整分組，將新選點加入已確定最短路徑組；

（3）源點到未確定最短路徑頂點分別做：原距離值與源點→新選點→未定點距離和，回到（1）。

學生探究分析該算法，教師引導學生獨立編寫程序，培養學生在面對問題時如何分析、建模，如何用具體的語言工具描述算法的思想來，初步建立計算思維及模塊化編程的能力。

3.3 實現與運行（創客課堂教學實施）

1）項目分組。

2）能力培養目標。

3）項目實施，見表1 和表2。

（1）環節I：項目理論知識探究，包括多種最短路徑算法思想、數據結構，開發工具技能；

（2）環節II：項目目標下發與學生組隊；

（3）環節III：項目構思——通過查找資料，課前預習，瀏覽微課等多種手段學習最短路徑算法內容，在掌握編程技能的基礎上，各小組明確項目目標、確立方案可行性、完成項目報告內容I（項目分析與創新分析與評估）；

（4）環節IV：系統設計——主要工作包括制定解決方案、制定解決計劃以及完成項目報告內容II（項目設計方案評估、項目風險評估）；

（5）環節V：系統實現——提供完整程序，利用程序完成問題的求解、完成項目報告內容III（系統流程、系統架構）兩個環節組成；

（6）環節VI：運行與評估——課內完成項目報告內容IV（匯報展示、學生自評、同組者互評、不同組者互評和教師點評）。

表1 實施計劃

4）課內評估。

3.4 教學小結

通過該項目的CDIO 教學實施以及創客課堂的創建，學生成為了課堂和教學的主體，由以前“要我學”變成了現在“我要學”，翻轉了以往以教師為中心的傳統課堂。本章節內容以算法為例，結合大學計算機基礎課程中計算思維具體應用及能力培養展開討論與點評，加深學生對算法及計算機思維的理解，激發其自主學習的興趣，進行創新思維培養。

教師通過向學生列舉計算思維在現實生活中的應用，幫助其提煉現實需求，持續訓練其利用計算機解決實際問題的意識和能力；在充分尊重學生學習特點的基礎上，讓其成為課堂學習的主體，利用好奇心和主動性引導其探究式學習，最終達到“育人”這個教學的最高目標。

表2 實施環節

4 結 語

基于項目的創客課堂是開放的、基于學生間的分享合作的。學生在這個過程中，體會到了學習時間從課內向課外延伸，空間從教室向圖書館和實驗室拓展，內容從教材向參考資料擴充，學生的主體地位彰顯，教學效果明顯好于傳統課堂。

基于CDIO 的課程教學創客課堂活動是生動的、活潑的。整個教學過程充分調動了學生的積極性、主動性，激發他們的好奇心，帶著疑惑和問題主動探究學習。這樣的教學更加突出知識的建構以及教學方法的導引性，從傳統的灌輸課堂向對話課堂轉變、從以往的封閉課堂向開放課堂轉變、從之前的知識課堂向能力課堂轉變、從重學輕思向學思結合轉變。這種基于實際需求的項目式教學方法為培養具有計算思維、創新能力的新型工科人才提供了一種嶄新的培養模式，是對計算機基礎課程教學進行的有益探索。