基于“CDIO”的“1+2”新教學(xué)模式研究

陳菊 楊汐 楊珊珊 彭安杰 溫川飆

摘要： “CDIO”教學(xué)是將工程思維訓(xùn)練融合在教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中，本文采用“CDIO”與“案例教學(xué)、啟發(fā)教學(xué)”進(jìn)行融合，組合成為一個(gè)新的“1+2”教學(xué)模式，以醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院課程作為應(yīng)用載體，將傳統(tǒng)教學(xué)升華到工程思維教學(xué)、團(tuán)隊(duì)教學(xué)上，轉(zhuǎn)變教師授課形式，激勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，為學(xué)生提供思維的空間和意境，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，發(fā)現(xiàn)、解決值得解決的問題，掌握計(jì)算在問題解決過程中發(fā)揮的作用，獲得構(gòu)建自身學(xué)科知識(shí)體系，終身自我學(xué)習(xí)的能力，滋生創(chuàng)新能力，達(dá)到學(xué)科知識(shí)與工程思維能力互相促進(jìn)，共同提高的目的。

關(guān)鍵詞：CDIO;案例教學(xué);啟發(fā)教學(xué);教學(xué)模式

中圖分類號(hào)： G424? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）09-0008-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Research on "1+2" New Teaching Mode Based on "CDIO"

CHEN Ju， YANG Xi， YANG Shan-shan， PENG An-jie， WEN Chuan-biao*

（College of Medical Information Engineering， Chengdu University of Traditional Chinese Medicine， Chengdu 611137， China）

Abstract： "CDIO teaching" is to incorporate engineering thinking training in teaching， this article USES "CDIO" and "case teaching， heuristic teaching" integration， combined into a new "1+ 2" teaching mode， as a carrier for application to medical information engineering college courses will be traditional sublimation to engineering thinking， team teaching， changing teachers' teaching form， encourage and guide students' autonomous learning， provides students with the space of thinking and artistic conception， to help students find problems in learning， find and solve problems that are worth， mastery the role in the process of problem solving， Acquire the ability to construct their own discipline knowledge system， lifelong self-learning， breed innovation ability， and achieve the goal of mutual promotion and joint improvement of discipline knowledge and engineering thinking ability.

Key words ：CDIO;case teaching;inspiration teaching;teaching mode

引言

一項(xiàng)獲得Knut and Alice Wallenberg基金會(huì)近2000萬元巨額資助的跨國研究由麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)合作進(jìn)行。經(jīng)過四年的探索研究，CDIO教育模式在2004年建立起，并由這四個(gè)國家聯(lián)合成立了CDIO國際合作組織。引入該CDIO教學(xué)模式的學(xué)校眾多，至今為止已有美國、新加坡、中國等國家的幾十所知名大學(xué)，并有眾多學(xué)者繼續(xù)研究和改進(jìn)CDIO教學(xué)模式[1]。CDIO概念目前已經(jīng)繼承和發(fā)展了歐洲和美國工程教育改革概念20多年，并建立了一套符合成長規(guī)律和工程人員特征的教育模式，能培養(yǎng)工程人員全面發(fā)展。

CDIO國際組織已有幾十所著名大學(xué)加入，這些大學(xué)將CDIO工程教育理念和教學(xué)大綱用于機(jī)械系和航空航天系的教學(xué)之中，并有一些學(xué)校已全面取得了良好效果。這些經(jīng)過CDIO工程教育培養(yǎng)的學(xué)生尤其受社會(huì)與企業(yè)的歡迎。美國麻省理工學(xué)院已有兩屆CDIO學(xué)生畢業(yè)，這些學(xué)生廣泛得到工業(yè)界的好評(píng)。一些公司甚至專門制定了高于其他教育模式畢業(yè)生15%的工資標(biāo)準(zhǔn)來對待這些 CDIO 畢業(yè)生[2]。清華大學(xué)工業(yè)工程學(xué)教授顧學(xué)雍博士的老師克勞利（Crawley）曾在麻省理工學(xué)院（MIT）任職，并在美國擔(dān)任軟件工程師已有10年以上。他在理論和工程實(shí)踐方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，通過創(chuàng)造性地在“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”和“數(shù)據(jù)庫技能”中采用CDIO教學(xué)方法，取得了豐富的成績[3]。

CDIO教育模式的引進(jìn)在中國國內(nèi)快速發(fā)展，在過去的十年間，國內(nèi)多所大學(xué)采取并實(shí)施了CDIO工程教育改革，并共有105所高校加入“CDIO工程教育聯(lián)盟”[4]，取得了良好的成效，為滿足經(jīng)濟(jì)全球化背景下人才的需求，工程教育改革勢在必行。江西理工大學(xué)在“雙一流”的背景下，化工專業(yè)根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)和學(xué)校特點(diǎn)，結(jié)合CDIO模式，提出"五個(gè)注重"，實(shí)施“五項(xiàng)現(xiàn)代化改革”，對地方高校研究生創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系改革進(jìn)行實(shí)證研究。阜陽師范大學(xué)積極引入CDIO模式并運(yùn)用在信息工程專業(yè)人才培養(yǎng)上。從專業(yè)培養(yǎng)模式、理論和實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)、評(píng)價(jià)體系建設(shè)等方面入手，提出了CDIO模式下信息工程專業(yè)課程教學(xué)改革[5]。國防科技大學(xué)系統(tǒng)工程學(xué)院以控制學(xué)科與工程系統(tǒng)仿真方向研究生培養(yǎng)為例，提出一個(gè)基于CDIO模式的研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)五邊形模型。最后，經(jīng)過化學(xué)工業(yè)區(qū)大氣污染物監(jiān)測和管理案例，給出了模型的具體應(yīng)用，培養(yǎng)結(jié)果證明了模型的有效性。 浙江大學(xué)在當(dāng)前新工程學(xué)背景下，針對近年來土壤力學(xué)教學(xué)中的一些問題，基于CDIO模式，結(jié)合BIM虛擬仿真技術(shù)和高等土壤力學(xué)的內(nèi)涵，提出了解決方案，為土壤力學(xué)的教學(xué)改革提供參考。

由自上而下精英主導(dǎo)的“理論導(dǎo)向”型轉(zhuǎn)向自下而上大眾主導(dǎo)的“實(shí)踐導(dǎo)向”型成為當(dāng)代高等工程教育改革的基本趨勢之一。近年來，我國CDIO工程教育模式改革逐漸興起，這正順應(yīng)了教育改革趨勢， 也促使“理論”與“實(shí)踐”問題得以解決[6]。

目前，全世界都面臨著工程人才缺乏和工程教育質(zhì)量不高的問題，都在對工程教育新模式進(jìn)行探索、融合、改革、創(chuàng)新。因此，尋找適合應(yīng)用型專業(yè)的工程教育模式刻不容緩[7]。通過對國內(nèi)外文獻(xiàn)的查閱，未見將CDIO與“案例教學(xué)、啟發(fā)教學(xué)”進(jìn)行融合課堂教學(xué)模式，因此，本文嘗試通過分析CDIO方法的內(nèi)涵與“案例教學(xué)、啟發(fā)教學(xué)”進(jìn)行融合，組成一個(gè)新的“1+2”教學(xué)模式，以醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)課程《操作系統(tǒng)》為應(yīng)用載體，構(gòu)建基于CDIO的應(yīng)用型創(chuàng)新人才的教學(xué)模式，該模式以學(xué)生為教學(xué)主體，以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力為目的，學(xué)習(xí)者在“案例教學(xué)、啟發(fā)教學(xué)”思維活動(dòng)中學(xué)習(xí)，同時(shí)也學(xué)習(xí)思維本身，構(gòu)建自身科學(xué)知識(shí)體系，終身自我學(xué)習(xí)的能力。

1 基于“CDIO”的“1+2”線上線下教學(xué)模式

1.1 基礎(chǔ)知識(shí)

CDIO：是英文單詞Conceive（構(gòu)思）、Design（設(shè)計(jì)）、Implement（實(shí)施）、Operate（運(yùn)行）的縮寫。CDIO教育受技術(shù)產(chǎn)品/系統(tǒng)生命周期的啟發(fā)，積極調(diào)整教育培養(yǎng)方式，以彌補(bǔ)高等教育與工業(yè)生產(chǎn)需求之間的差距[8]，教育學(xué)生以扎實(shí)的基礎(chǔ)技術(shù)理論和專業(yè)知識(shí)為目標(biāo)，將整個(gè)人才培訓(xùn)過程放在特定的實(shí)踐環(huán)境中，通過在團(tuán)隊(duì)和培訓(xùn)過程中進(jìn)行創(chuàng)新的動(dòng)手培訓(xùn)，以扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)和高度的職業(yè)素養(yǎng)教育下一代工程師。CDIO體現(xiàn)了系統(tǒng)、科學(xué)與進(jìn)步的融合，并代表了現(xiàn)代工程教育的發(fā)展趨勢。

案例教學(xué)：事實(shí)是教育內(nèi)容與真實(shí)經(jīng)驗(yàn)之間的橋梁，提倡“學(xué)生案例分析”的教學(xué)理念，以沖突，矛盾和危機(jī)事件為例。案例培訓(xùn)可以通過最大限度地提高學(xué)生的參與度，內(nèi)容的實(shí)用性。靈活性的教學(xué)方法，可以提高整體能力，使學(xué)生的思想和知識(shí)得到激發(fā)。將教育實(shí)例帶到課堂上，使學(xué)生處于案例的背景和角色中，自覺地探索有效的信息，發(fā)現(xiàn)真相，得出認(rèn)知結(jié)論并作出決定、選擇。它是通過獨(dú)立思考和集體合作進(jìn)行獨(dú)立探究和合作學(xué)習(xí)的一種有效形式。

啟發(fā)教學(xué)：教師在教學(xué)中的積極調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主，系統(tǒng)的學(xué)習(xí)知識(shí)[9];注重對學(xué)生智力的開發(fā)， 培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力; 積極培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)力; 重視對理論知識(shí)的應(yīng)用， 在實(shí)踐實(shí)現(xiàn)理論應(yīng)用化的過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[10]。啟發(fā)式教學(xué)意味著老師在教學(xué)過程中會(huì)采用多種方法來鼓勵(lì)學(xué)生，根據(jù)教學(xué)任務(wù)和客觀的學(xué)習(xí)規(guī)律來反思學(xué)生的現(xiàn)實(shí)情況，調(diào)動(dòng)和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

1.2 “1+2”教學(xué)模式的理論模型

“1+2”教學(xué)模式指“CDIO”+“案例教學(xué)、啟發(fā)教學(xué)”，CDIO將以設(shè)計(jì)開發(fā)過程為全載體，以構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)作等方法貫穿于整個(gè)教學(xué)過程，與“案例教學(xué)、啟發(fā)教學(xué)”進(jìn)行融合，如圖1所示。在醫(yī)信學(xué)院專業(yè)課程每個(gè)教學(xué)任務(wù)或單元的教學(xué)首先采用案例教學(xué)，根據(jù)講述的內(nèi)容擴(kuò)展講述知識(shí)點(diǎn)的發(fā)展歷史、IT界的重要人物，講述成功和失敗的具體案例，端正學(xué)生思想，激發(fā)學(xué)生的興趣;接著使用啟發(fā)式教學(xué)，根據(jù)課堂任務(wù)、講課思路和節(jié)奏設(shè)置啟發(fā)式問題，啟發(fā)活躍學(xué)生的思維，該過程注重于教師的引導(dǎo)，學(xué)生的自主思考以發(fā)現(xiàn)問題解決問題，構(gòu)建自我知識(shí)體系[11];最后教師設(shè)定一些需要團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成的任務(wù)，讓學(xué)生分小組完成，以12人為一CDIO實(shí)施小組協(xié)作完成學(xué)習(xí)任務(wù)，從不同角度討論、發(fā)現(xiàn)、解決問題，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的應(yīng)用，問題解決方法創(chuàng)新。

圖1中Conceive展示了CDIO教學(xué)中構(gòu)思的具體實(shí)施步驟，Design展示了設(shè)計(jì)的具體實(shí)施步驟，同理，對于Implement、Operate也是一樣的實(shí)施步驟。這個(gè)新教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)協(xié)作、教師引導(dǎo)、反思提高，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的應(yīng)用，形成創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)習(xí)思維。

1.3 “1+2”教學(xué)模式的理論實(shí)踐

1.3.1 理論實(shí)踐過程

本教學(xué)模式將以操作系統(tǒng)為例進(jìn)行理論實(shí)踐，操作系統(tǒng)是醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)的專業(yè)核心基礎(chǔ)課，它管理著整個(gè)計(jì)算機(jī)的軟件和硬件資源，是應(yīng)用軟件開發(fā)的基礎(chǔ)，在專業(yè)教學(xué)中占有非常重要的地位。我們使用清華大學(xué)出版社出版，陶永才主編的《操作系統(tǒng)原理與實(shí)驗(yàn)教程》作為教材，該教材內(nèi)容豐富，結(jié)構(gòu)合理，思路清晰，語言簡練流暢，示例翔實(shí)，內(nèi)容難度適中，適合交叉學(xué)科同學(xué)使用。

依據(jù)“1+2”教學(xué)模式我們對每一個(gè)教學(xué)任務(wù)或單元設(shè)計(jì)一個(gè)具有代表性的項(xiàng)目，進(jìn)行思維能力培養(yǎng)，我們詳細(xì)介紹第三章中進(jìn)程調(diào)度算法這個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

首先進(jìn)行案例教學(xué)講解時(shí)，我們引入進(jìn)程由來案例講解、進(jìn)程概念講解、進(jìn)程調(diào)度先來先服務(wù)、短作業(yè)優(yōu)先、高相應(yīng)比調(diào)度、多級(jí)隊(duì)列反饋調(diào)度算法的案例講解。接著融合啟發(fā)式教學(xué)，我們通過所學(xué)計(jì)算機(jī)語言實(shí)現(xiàn)進(jìn)程調(diào)度過程，如C語言、java語言等。讓同學(xué)們產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣、形成學(xué)習(xí)心理，掌握學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)。接下來進(jìn)入到CDIO教學(xué)環(huán)節(jié)，將學(xué)生按12人進(jìn)行分組，每4人一個(gè)工作內(nèi)容，包括需求分析、實(shí)施方案、代碼實(shí)現(xiàn)三個(gè)工作內(nèi)容，分四個(gè)步驟開展教學(xué)。在這四個(gè)步驟中關(guān)鍵的要求是，學(xué)生提前形成行動(dòng)方案，教師課上根據(jù)學(xué)生提出的方案進(jìn)行專業(yè)指導(dǎo)，團(tuán)隊(duì)討論修正方案，以保證方案的可行性，每個(gè)環(huán)節(jié)都要教師總結(jié)、學(xué)生總結(jié)以提高本環(huán)節(jié)對應(yīng)能力[12]。整個(gè)CDIO教學(xué)完成后小組成員完成進(jìn)程調(diào)度代碼實(shí)現(xiàn)。形成“教—學(xué)—用—思考”的教學(xué)效果。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過2019年秋季學(xué)期對兩個(gè)56余人的實(shí)驗(yàn)教學(xué)班級(jí)進(jìn)行對照教學(xué)發(fā)現(xiàn)，使用“1+2”新教學(xué)模式的學(xué)生對該教學(xué)方法的贊同度和認(rèn)可度較高，我們發(fā)放問卷對學(xué)生學(xué)習(xí)思維的影響、對學(xué)習(xí)方式的影響進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖2、圖3所示，新教學(xué)模式對學(xué)習(xí)思維的影響非常大的增多150%，93%的同學(xué)們覺得對學(xué)習(xí)方式的影響有改變。

我們記錄了對照實(shí)驗(yàn)班級(jí)的期末考試成績，分別如圖4、圖5、圖6所示，圖4、圖5為學(xué)生成績統(tǒng)計(jì)圖，為學(xué)校教務(wù)系統(tǒng)導(dǎo)出數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上完成圖5，成績折線對比圖，從圖5可以看出新教學(xué)模式下的同學(xué)，低分段人數(shù)更少，高分段人數(shù)更多，特別是80-84分段人數(shù)提升50%，結(jié)果圖說明了本教學(xué)模式的效果比傳統(tǒng)教學(xué)模式更為優(yōu)秀。

2 總結(jié)（未來智慧教育的引入）

醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)課程在高校存在“狹義課程設(shè)計(jì)論”，認(rèn)為醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)課程就是讓學(xué)生每人完成一個(gè)課程設(shè)計(jì)，即完成一個(gè)簡單的應(yīng)用系統(tǒng)。除了在課堂上同學(xué)們學(xué)習(xí)必需的專業(yè)語法知識(shí)，更多地需要在課后查閱資料解決編程調(diào)試中的各種問題，因此，同學(xué)們在解決不到某個(gè)問題時(shí)常出現(xiàn)放棄學(xué)習(xí)、被動(dòng)學(xué)習(xí)的狀況[13]。

本文所述“1+2”教學(xué)模式（“CDIO”+“案例教學(xué)、啟發(fā)教學(xué)”），改變目前傳統(tǒng)教學(xué)模式，以學(xué)生“學(xué)習(xí)思維”為培養(yǎng)目標(biāo)，充分鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力，滋生學(xué)生創(chuàng)新能力。極大豐富了醫(yī)信學(xué)院專業(yè)課程教學(xué)，為教學(xué)賦予活力，引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性。按照CDIO教學(xué)理念將學(xué)生分成學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)，形成組內(nèi)配合，組間競爭的學(xué)習(xí)模式，配合案例教學(xué)激發(fā)學(xué)生興趣;啟發(fā)教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、掌握工程能力;團(tuán)隊(duì)合作鍛煉學(xué)生協(xié)作解決問題、構(gòu)建自我學(xué)習(xí)知識(shí)體系，尋找問題解決方法創(chuàng)新的能力[14]。

隨著新一代人工智能技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)+AI深度融合智慧教育，借助智慧工具優(yōu)化醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)課程教學(xué)、實(shí)踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，建立基于大數(shù)據(jù)的教學(xué)過程質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，形成以學(xué)習(xí)者為中心的“精準(zhǔn)教育、個(gè)性培養(yǎng)”的教育新生態(tài)[15]，構(gòu)建以中醫(yī)藥高校“智慧教育”為核心的教育發(fā)展新模式，將是本文下一步繼續(xù)優(yōu)化教學(xué)模式的方向。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】