基于CDIO和OBE模式的教學管理平臺設計與實現

董靜靜 楊天化 葉寒鋒 吳瀅 辛均益

摘? ?要：傳統的教學管理平臺存在以教師為主體、無法激起學生的認知主體作用、教學效果無法反饋等弊端。此外，傳統的教學管理平臺服務于所有課程，沒有考慮計算機類課程的特殊性。針對上述問題，文章設計并實現了基于CDIO和OBE模式的教學管理平臺。該平臺以學生為導向，結合計算機類課程特點，全面系統地收集教與學的過程數據，實時觀察和分析教學效果與教學目標之間的差異，有利于教師及學生探索更高效的教學及學習方法，提升教師的教學效果與學生的學習成績。

關鍵詞：CDIO;OBE;教學管理平臺;計算機類課程;教學改革

中圖分類號：G647 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2021）07-0056-05

一、構建基于CDIO和OBE模式教學管理平臺的重要性

隨著互聯網的普及，各行各業都在接入互聯網，通過網絡平臺輔助各項工作。以教學為核心的學校也在逐步接入互聯網。[1]現有的網絡教學管理平臺（以下簡稱平臺）能夠輔助教師的教學工作，實現平臺授課、管理課程表、布置作業、批改作業等功能，但存在功能單一、以教師為主體、以應試為中心、缺少教學質量監控和展示等問題，忽略了學生的主動性、創造性，無法充分體現學生的認知主體作用，導致學生無法得知學習成果，教師無法得知教學效果、無法及時改進授課方式等弊端，并且現有的平臺是服務于所有課程，沒有考慮計算機類課程的特殊性。

當前工程教學模式主要有CDIO和OBE模式。CDIO由麻省理工學院和瑞典皇家工學院等四所大學提出，基于“構思（conceive）-設計（design）-實施（implement）-運行（operate）”的生命周期理論進行系統學習。[2]讓學生以主動、實踐、課程之間有機聯系的方式去學習。能力導向教育OBE（Outcomes-Based Education），指教學設計和教學實施的目標是學生通過教育過程最后所取得的學習成果。[3]基于CDIO和OBE模式并結合計算機類課程特點實現一個全新理念的教學管理平臺，實現對教師教學和學生學習的全流程追蹤，并采集結果數據，基于數據反饋教師的教學成果和學生的學習成果。結合計算機類課程特點，實現線上線下、課內課外、校企合作、職業需求與學科交叉融合、多角色參與教學、多單位承擔培養、多項目實操結合的教學方法，有利于提升教師的教學效果與學生的學習成績。

二、系統構架及總體設計

1.系統開發環境

該系統在Windows/Linux環境下，基于Visual Studio Code，采用B/S（Browser/Server）體系架構開發。服務端采用Docker容器部署服務，并對外提供API（Application Programming Interface）服務。

2.系統總體設計

系統采用前后端分離，瀏覽器端為SPA（single page web application），服務端提供API，通過OAUTH2.0的鑒權方式進行交互。服務端使用“Node.js相關技術棧+MySQL”等開源數據庫提供并實現教學過程管理、工科教學編程類OnlineJugde模塊、實習管理、畢業生跟蹤反饋等功能。由于教學管理平臺的訪問用戶包括教師、學生以及企業人員，訪問用戶量多，容器部署具有先天分布式優勢，通過部署容器鏡像集群，實現教學管理平臺分布式模式。系統采用B/S模式，用戶通過瀏覽器訪問管理平臺，考慮到數據安全性，前端通過瀏覽器基于HTTPS協議訪問教學管理平臺的服務。

系統的主要數據全部存儲在數據庫中，擬使用Redis作為Cache，對系統的更新刪除等操作都會同步更新到數據庫以及Redis，對系統的查看等操作都會先請求Redis緩存層。如果Redis緩存里有數據就直接返回;如果沒有就降級從數據庫中取數據返回給后端服務，并且異步更新緩存。[4]通過這種機制保障了后端服務的快速響應以及緩存和存儲的一致性，后端分布式多臺部署服務，后期可以橫向無限擴展。系統總體功能模塊如圖1所示。

3.系統角色

系統主要面向三類人員，包括學生、教師及實習合作單位，如表1所示。

三、系統詳細設計

1.教學過程管理模塊

教學過程管理模塊覆蓋教學全過程，包括課程管理、文章管理、話題管理、試卷管理、題庫管理、資源管理、課表管理、作業管理、教學質量、作業通知、數據分析、知識產權管理、組織架構管理、系統配置等，具體功能實現如圖2所示。教師可以通過課程管理模塊對課程進行管理，查看課程列表、詳情，編輯課程，布置作業，設置課程考試;發布各項通知公告;對學生進行管理，查看課程學生的測驗、作業、考勤請假等情況。學生能夠管理課表、作業;進行教學質量評價;接收各項通知等。管理后臺可以對各項數據進行展示、分析;對知識產權、組織架構進行管理;建立教學質量評價體系;對系統進行配置，配置后可供系統內的其他成員使用。

系統為師生的日常教學學習活動提供便利，學生能夠通過系統的考勤管理功能進行上課簽到以及請假等流程處理;資源管理功能有助于教師管理課件、音視頻資料，學生課后復習課程;PPT放映管理內嵌了PPT放映功能，用戶可以在管理平臺上放映PPT;教學同步直播功能可以在發生重大情況無法上課時保障教師通過教學管理平臺直播教學;話題討論功能類似論壇功能，用戶可以在教學管理平臺上發帖、拉群討論等，利于學習交流。教學質量功能是對教師教學質量的監控以及展示，管理員可以根據實際情況設置教學質量評價體系，在校學生可以根據評價體系給自己上過的課程打分評分;畢業生就業后可根據課程內容與相關專業工作的匹配度等對在校時學習過的課程打分評分;系統會根據畢業生就業反饋數據、學生考試分數、學生對課程打分等一些數據對課程的分數進行綜合評估，動態地對教師的課程進行評價反饋，教師可以根據教學質量評價體系反饋的相關內容對教學內容、授課方式等做出改進。該功能解決了傳統的教學管理平臺缺少教學質量監控和展示，導致教師無法得知教學效果、無法及時改進授課方式等問題。題庫管理功能方便學生學習自測，題庫里有教師上傳的歷史考試題目及作業、練習題目，學生可以使用題庫進行測驗復習，模塊可以對學生的答題予以評分，利于學生實時獲取自己的學習成果。試卷管理模塊功能方便教師在學期中對學生學習情況進行摸底，教師可以在教學管理平臺組織本科目的考試，平臺可以根據設置自動判分，教師可以進行復審糾正平臺的判分;平臺會記錄評分數據并將考試結果和正確答案推送給學生，同時能夠根據考試分數分布情況、錯題分布范圍等對考試成績進行分析，幫助教師了解學生對課程的整體掌握情況和學習痛點;教師可以根據考試難度為每次的考試設置加權分數，作為本課程最終成績的一部分，完善過程性評價。學院相關負責教師可以在管理后臺查看本學院所開課程的各項數據，如考勤次數、考試數量、考試分數分布情況、教師知識產權數量、教師質量評價數據等，平臺會根據各項數據對每門課程進行橫向與縱向分析，幫助學院及教師更深入地了解同個課程不同教師的差距及不同課程之間的差距;學院在征得教師本人同意后，可以將被學生廣泛認可的優秀文章、題目共享給本課程的其他教師和學生，做到資源共享、共同進步;同時這些數據可以作為優秀教師的評判依據，為優秀教師的評判提供客觀、公正的評判標準。

2.工科教學編程類OnlineJugde模塊

工科教學編程類OnlineJugde模塊充分考慮了計算機類課程的特點，為學生提高編程能力提供了良好平臺。該模塊按角色分為教師、學生和平臺自動評估者，可實現課題演練、創建課程題庫、管理學生任務數據、做題測試、歷史學習記錄等功能，可支持主流編程語言C、C++、Java和Python，且后續可繼續擴展語言，協助學生把課堂上的學習內容轉換為實際的工程項目，具體功能實現如圖3所示。教師可以通過題庫模塊創建題目，根據組織架構中的班級分類或根據課程關聯的學生修改、刪除題目，只需創建一次題目，就可以通過修改等功能提供給不同層次或不同課程要求的學生使用，方便教師使用。學生提交程序代碼后，系統會自動評分并給出錯誤提示，且會根據上交作業順序、練習次數等給出加權評分，在提高判分時效性、協助學生快速糾錯的同時，考慮到學生的主動性、認知主體作用，形成良好的激勵機制;為了防止系統誤判，保證分數的準確性，教師可以糾正系統判分。教師可以通過系統查看、分析學生的歷史答題記錄，了解學生的知識掌握情況。基于該模塊采集的各項過程數據，協助教師及學生全方位、多維度地了解自己的教學效果、學習成果及學生的整體編程水平，利于教師及學生探索更高效的教學及學習方法。為保持數據一致性，OnlineJugde模塊與平臺內其他模塊數據同源。

3.實習管理模塊

在實習管理模塊中公司可以發布實習職位，對學生的實習進程進行評估以及對學生的實習情況做出評價等。系統中的實習公司每年可以根據實際情況進行增減，每個實習單位有若干名實習帶教老師。學生可以查看實習要求，對實習指標進行評估，如果學生對某一個實習職位有興趣，可以申請該實習職位。進入公司實習后，系統中的每個學生會與相應的帶教老師綁定，帶教老師根據學生的特點，為學生修改完善實習計劃并錄入系統，在實習過程中根據各項考核指標對學生的實習情況進行評判，實習結束后在系統中上傳實習總評，系統會將過程性評價實時推送給對應學生。在實習過程中，學生可以查看自己的實習計劃，根據要求上傳各項材料或成果，能夠實時查看實習公司對自己的過程性評價，發現自己的優勢與不足，改善自己存在的問題，也可以在系統中查看自己的實習報告以及實習分數，對存在的問題進行反饋等，系統會將學生反饋的問題實時推送給帶教老師和實習公司。學校可以通過管理后臺查看各項過程性數據，實時了解實習公司和學生的動態，及時關注存在嚴重問題的學生。該模塊解決了實習期間帶教老師與學生交流少、學校不能實時掌握學生情況的問題;帶教老師通過系統能夠將信息實時反饋給學生，學生在實習過程中就能發現和改善自己的問題，為今后的工作打下良好的基礎;加強學生與學校的聯系，讓學校在實習過程中也能及時掌握學生的情況，及時發現存在嚴重問題、不適應實習生活的學生，進行思想引導或實習調整，降低隱患。具體功能實現如圖4所示。

4.畢業生跟蹤反饋模塊

畢業生跟蹤反饋模塊能夠長期跟蹤畢業生的就業情況，可基于數據反饋調整教學內容。管理員能夠在平臺配置需要調查的各項數據，通過郵件、短信等多種形式定期向畢業生發送并統計畢業生反饋調查表，畢業生根據調查內容填寫畢業后的情況，并根據實際工作情況對校內課程的設置、課程內容、教學方法等提出意見和建議。學校能夠結合畢業生的專業及反饋數據對教學內容做出適當的調整優化。同時，平臺有優秀畢業生管理功能，記錄了優秀畢業生的就職情況以及發展履歷等，結合優秀畢業生的在校表現數據可以提供給在校學生作為學習參考。學校可以通過系統定期發送校園動態給畢業生，加強畢業生與學校的聯系。具體功能實現如圖5所示。

四、系統實現效果

目前該平臺已經上線并試運行，平臺首頁如圖6所示。用戶登錄系統后，系統會根據用戶的不同權限為其初始化不同的功能菜單，只有成功登錄系統，才可以使用本系統的其它功能，平臺登錄界面如圖7所示。登錄系統后普通用戶主界面如圖8所示，管理員用戶主界面如圖9所示。學生進行在線編程實踐的OnlineJugde模塊界面如圖10所示，可以選擇不同的語言進行在線編程。

CDIO和OBE理念結合的教學管理平臺以項目生命周期和學習成果導向為基線，結合計算機類課程特點，全過程、全覆蓋、全環節管理學生的學習、練習、考試、實習以及項目訓練。在平臺上沉淀學生學習行為、實驗實訓、考試、實習、畢業全過程數據，通過分析評估這些數據，掌握每個學生的學習進展、學習效果、學習特征、能力水平、知識應用等要素，建立人工智能的智能驅動模式，為學生的學習、練習、知識運用和能力提升提供個性化建議和路徑，從而促進個性化學習和自主學習，由此形成一個完整的教與學數據閉環，走新工科培養創新之路。

參考文獻：

[1]胡嘉譯.計算機管理信息技術在高校教務管理中的重要性及應用[J].信息與電腦（理論版），2014（8）：36.

[2]黃美靈.CDIO理念下高校創新創業教育與專業教育融合路徑構建[J].武漢職業技術學院學報，2019（3）：104-107.

[3]龐嘉萍，辛寶英.基于CDIO理念的高等成人教育工學結合培養模式研究[J].中國成人教育，2018（19）：57-60.

[4]邱祝文.基于redis的分布式緩存系統架構研究[J].網絡安全技術與應用， 2014（10）：52，54.

（編輯：王天鵬）