新工科背景下基于CDIO理念的課程改革研究

宋曉博　闞麗娟

[摘 要]科技制作是針對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)高年級(jí)本科生開設(shè)的實(shí)踐類課程，該課程所涉及的知識(shí)面比較廣，對(duì)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、動(dòng)手實(shí)踐的要求比較高。為了提升教學(xué)效果，文章基于CDIO教學(xué)理念，對(duì)科技制作課程進(jìn)行“知、行、思、評(píng)”一體化的教學(xué)模式改革，以促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手能力的提高。結(jié)果表明，該改革對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)探索學(xué)習(xí)能力、實(shí)際動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神有很大幫助。

[關(guān)鍵詞]新工科;CDIO理念;科技制作

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2021）09-0053-03

計(jì)算機(jī)硬件類科技制作課程是針對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)高年級(jí)本科生開設(shè)的實(shí)踐類課程。通過對(duì)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠深入理解計(jì)算機(jī)硬件的組成原理及工作過程，課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)本科教學(xué)的重要組成部分。為了迎接新一輪科技產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn)，自2017年以來國家積極推進(jìn)“新工科”[1]建設(shè)。為了提高科技制作課程的教學(xué)效果，加深學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件類課程的理解，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，筆者對(duì)科技制作課程采用CDIO理念進(jìn)行“知、行、思、評(píng)”一體化的教學(xué)實(shí)踐改革做了探索。

一、目前現(xiàn)狀

經(jīng)過多年持續(xù)不斷的教學(xué)改革，計(jì)算機(jī)硬件類課程的教學(xué)水平得到了極大提升，但仍然存在很多問題，現(xiàn)以科技制作課程為例說明如下。

（一）理論講解與實(shí)際操作聯(lián)系不緊密

當(dāng)前的科技制作教學(xué)以理論概念和知識(shí)點(diǎn)的講解為首要任務(wù)。課堂授課過程中教師首先講解各實(shí)踐電路的知識(shí)點(diǎn)，并以教師講授為主，學(xué)生訓(xùn)練為輔，學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)主動(dòng)性和參與度不高。其次，教師在授課過程中往往忽視了對(duì)于課本知識(shí)點(diǎn)與實(shí)際電路之間聯(lián)系的引導(dǎo)和啟發(fā)，而以正確操作步驟的講解為主要出發(fā)點(diǎn)。

課程實(shí)踐通常是在理論課程學(xué)習(xí)之后，先理論后實(shí)踐的教學(xué)模式造成了學(xué)生在知識(shí)理解與動(dòng)手實(shí)踐之間的間隔，實(shí)踐時(shí)理論知識(shí)記憶模糊，這使得學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)習(xí)效果不佳[2]。

（二）試驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容固化

受制于實(shí)驗(yàn)條件的實(shí)際情況，科技制作課程采用了“一刀切”的方法，每一個(gè)環(huán)節(jié)中所有的學(xué)生均完成同一個(gè)實(shí)踐課題，并且實(shí)施方案完全一樣。但是近年來學(xué)生素質(zhì)參差不齊，個(gè)體學(xué)習(xí)主動(dòng)性和學(xué)習(xí)能力差異較大，完成同一實(shí)驗(yàn)任務(wù)效果不理想。在實(shí)際的科技制作案例中，由于其所涉及的計(jì)算機(jī)軟硬件知識(shí)較廣，需要學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)分工合作才能圓滿完成任務(wù)。而在固定的實(shí)踐學(xué)習(xí)過程中，更多強(qiáng)調(diào)的是獨(dú)立正確完成，在此過程中學(xué)生不僅缺乏獨(dú)立思考的過程，也缺乏團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的訓(xùn)練。

（三）考核方式單一

由于選題一致，實(shí)現(xiàn)方案一致，對(duì)學(xué)生科技作品的考核方式以教師的主觀評(píng)價(jià)為主。這種考核方式偏重于結(jié)果，忽視了對(duì)于學(xué)生從問題分析、方案設(shè)計(jì)、元器件選擇、邏輯設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟硬件聯(lián)合調(diào)試、文檔編寫等，全流程工程實(shí)踐能力的引導(dǎo)、培養(yǎng)和考核，以及學(xué)生終身學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)。

二、基于CDIO教育理念的一體化教學(xué)模式構(gòu)建

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果，它不僅繼承和發(fā)展了歐美20多年來工程教育改革的理念，更重要的是它還系統(tǒng)地提出了具有可操作性的能力培養(yǎng)、全面實(shí)施以及檢驗(yàn)測評(píng)的12條標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)踐證明，按CDIO模式培養(yǎng)的學(xué)生工程適應(yīng)能力更強(qiáng)，能夠更快地適應(yīng)工作崗位。實(shí)施CDIO教育模式成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)硬件類教學(xué)改革的重要方向之一。CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），它是讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式來學(xué)習(xí)的系統(tǒng)工程。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個(gè)層面，要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)[3]。

可見，構(gòu)建基于CDIO教育理念下的計(jì)算機(jī)硬件類實(shí)踐課程教學(xué)模式是非常有必要的。在該背景下，“知、行、思、評(píng)”一體化的教學(xué)模式應(yīng)運(yùn)而生。本文以CDIO理念為背景，對(duì)科技制作課程的教學(xué)實(shí)踐全過程進(jìn)行改革，推行理論講授與實(shí)踐探索相結(jié)合、項(xiàng)目導(dǎo)向、評(píng)價(jià)方式里程碑節(jié)點(diǎn)化、學(xué)生參與考核評(píng)價(jià)過程的“知、行、思、評(píng)”一體化的教學(xué)模式，體現(xiàn)工程能力培養(yǎng)為重點(diǎn)，突出培育學(xué)生的專業(yè)知識(shí)、動(dòng)手能力、資料查閱能力、解決實(shí)際問題的能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等。

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)的過程中，學(xué)生首先自主組成探索學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)內(nèi)部互相協(xié)作并相互競爭，教師主要起到技術(shù)指導(dǎo)和評(píng)價(jià)過程管理的作用，督促學(xué)生完成構(gòu)思→設(shè)計(jì)→評(píng)審→實(shí)施并改進(jìn)的全過程[6]。首先，在構(gòu)思階段（C階段）教師提出課題和基本技術(shù)指標(biāo)，學(xué)生團(tuán)隊(duì)根據(jù)教師提出的課題廣泛收集資料并進(jìn)行分析思考，按照自身實(shí)際情況確定課題的總體構(gòu)架和要完成的功能，并形成總體設(shè)計(jì)報(bào)告，在總體設(shè)計(jì)報(bào)告中學(xué)生團(tuán)隊(duì)根據(jù)自身的實(shí)際技術(shù)能力選擇難易程度不同的總體實(shí)施方案。同時(shí)對(duì)團(tuán)隊(duì)內(nèi)部人員進(jìn)行分工，選出團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。在設(shè)計(jì)階段（D階段），各項(xiàng)目組依據(jù)前期提出的功能針對(duì)前期收集的資料進(jìn)行自主探索式分析學(xué)習(xí)，完成課題的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案并形成詳細(xì)設(shè)計(jì)報(bào)告;在設(shè)計(jì)階段結(jié)束后由教師和各團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人組成的評(píng)審組對(duì)各團(tuán)隊(duì)的總體設(shè)計(jì)報(bào)告及詳細(xì)設(shè)計(jì)報(bào)告進(jìn)行評(píng)審，各團(tuán)隊(duì)由團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人進(jìn)行主答辯，團(tuán)隊(duì)成員查漏補(bǔ)缺，目的是幫助各團(tuán)隊(duì)對(duì)所形成的設(shè)計(jì)方案的可行性進(jìn)行確認(rèn)。在實(shí)現(xiàn)階段（I階段），學(xué)生根據(jù)前期制定的方案進(jìn)行操作，并進(jìn)行調(diào)試。最后在運(yùn)作階段（O階段），各團(tuán)隊(duì)展示自己的作品并對(duì)技術(shù)指標(biāo)當(dāng)中規(guī)定的實(shí)現(xiàn)情況進(jìn)行說明。最后，全體學(xué)生對(duì)各團(tuán)隊(duì)展示的作品進(jìn)行評(píng)價(jià)，教師再結(jié)合前期方案設(shè)計(jì)階段的評(píng)價(jià)結(jié)果得出綜合評(píng)價(jià)成績。

三、教學(xué)改革設(shè)計(jì)與實(shí)踐

（一）實(shí)踐課題內(nèi)容及流程項(xiàng)目化

在整個(gè)科技制作課程的學(xué)習(xí)過程中，為了培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和工程意識(shí)，教師將課堂教學(xué)最高目標(biāo)定位為應(yīng)用能力的培養(yǎng)[4]，即通過學(xué)生的學(xué)習(xí)（包括學(xué)生的團(tuán)隊(duì)探索學(xué)習(xí)和教師的指導(dǎo)）培養(yǎng)與提高學(xué)生的應(yīng)用能力[4]。在科技制作教學(xué)的過程中，以CDIO教學(xué)模式為參考，結(jié)合科技制作的課程要求，將課程內(nèi)容按照“基于單片機(jī)的紅外計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)與制作”“數(shù)字可調(diào)電阻設(shè)計(jì)與制作”“智能臺(tái)燈設(shè)計(jì)與制作”“電子時(shí)鐘及溫度顯示器設(shè)計(jì)與制作”四個(gè)項(xiàng)目來組織安排教學(xué)內(nèi)容。

下面以第二個(gè)項(xiàng)目“數(shù)字可調(diào)電阻設(shè)計(jì)與制作”為例來展示如何基于CDIO教育理念引導(dǎo)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。圖1為基于CDIO教育理念的“數(shù)字可調(diào)電阻設(shè)計(jì)與制作”項(xiàng)目實(shí)施階段劃分情況。

（二）教學(xué)內(nèi)容改革實(shí)踐

科技制作課程涉及多門課程的知識(shí)點(diǎn)，包括數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)、C語言程序設(shè)計(jì)、VHDL硬件描述語言、微機(jī)原理及接口設(shè)計(jì)、文檔撰寫等。在整個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)與制作過程中需要學(xué)生將各相關(guān)知識(shí)有機(jī)結(jié)合起來，做到靈活運(yùn)用、深刻理解才能圓滿完成任務(wù)。在這一過程中，教師的指導(dǎo)以及教學(xué)模式的設(shè)計(jì)就顯得至關(guān)重要。在這里我們還是以“數(shù)字可調(diào)電阻設(shè)計(jì)與制作”項(xiàng)目為例，說明CDIO理念下科技制作課程的教學(xué)模式設(shè)計(jì)。

1. 教學(xué)流程改革

為貫徹CDIO理念，我們借鑒文獻(xiàn)[2]及文獻(xiàn)[5-6]的教學(xué)流程，以“數(shù)字可調(diào)電阻設(shè)計(jì)與制作”項(xiàng)目為例展示整個(gè)教學(xué)流程設(shè)計(jì)。在該流程中我們將CDIO的教學(xué)理念融入整個(gè)的教學(xué)實(shí)踐過程當(dāng)中，以項(xiàng)目為牽引、以學(xué)生為主體、以教師為指導(dǎo)、以培養(yǎng)工程實(shí)踐水平為目的。表1和表2分別為科技制作課程教學(xué)流程設(shè)計(jì)和以“數(shù)字可調(diào)電阻設(shè)計(jì)與制作”項(xiàng)目為例的教學(xué)流程設(shè)計(jì)。

2. 教學(xué)方式改革

在以往的教學(xué)過程中都是以教師講解示范為主，學(xué)生自主探索學(xué)習(xí)為輔。而CDIO工程教育理念引入了項(xiàng)目導(dǎo)向、問題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法[7]，以學(xué)生根據(jù)問題自主探索解決問題為主，教師的主要職責(zé)是為解決學(xué)生不理解、難以掌握、難以解決的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)。比如對(duì)于FPGA代碼量的估計(jì)從而對(duì)FPGA器件進(jìn)行選型;再比如為了滿足產(chǎn)生不同大小電流的要求，對(duì)電阻網(wǎng)絡(luò)阻值的計(jì)算選取方法等。

除了課堂指導(dǎo)外，教師結(jié)合該門課程的特點(diǎn)，采用了基于網(wǎng)絡(luò)空間學(xué)習(xí)+課堂講授的混合教學(xué)模式。教師首先將學(xué)習(xí)資料如示范電路設(shè)計(jì)、芯片手冊(cè)、視頻、PPT等上傳至我校網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)上，并在互聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)平臺(tái)——學(xué)堂在線上搜索相關(guān)教學(xué)內(nèi)容推薦給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生課前及課后進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，加深對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。課堂上主要對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的疑問進(jìn)行解答和交流。

3. 評(píng)價(jià)方式改革

以往的評(píng)價(jià)過程以教師本人對(duì)學(xué)生作品的主觀評(píng)價(jià)為主，學(xué)生的參與感不強(qiáng)，積極性不高，因此我們對(duì)于評(píng)價(jià)方式進(jìn)行了改革。

在以往評(píng)價(jià)方式的基礎(chǔ)上，我們引入了階段評(píng)審的概念，將以往一審定分?jǐn)?shù)的方式改為分階段評(píng)價(jià)考核，即在方案設(shè)計(jì)階段結(jié)束后引入方案評(píng)審環(huán)節(jié)，即是對(duì)于各組設(shè)計(jì)方案的把關(guān)和檢查，這也是評(píng)價(jià)過程中的一環(huán)。

在各組作品制作結(jié)束后進(jìn)行作品展示環(huán)節(jié)，對(duì)作品成品進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。同時(shí)將以往由教師一人評(píng)價(jià)的方式更改為全員參與的方式，考核標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

四、結(jié)束語

科技制作課程所涉及的計(jì)算機(jī)硬件類知識(shí)面比較廣、知識(shí)點(diǎn)多，對(duì)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、動(dòng)手實(shí)踐的要求比較高。如何才能提高學(xué)生的動(dòng)手能力， 促進(jìn)學(xué)生自主探索學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步具備工程實(shí)踐的理念呢？本文通過基于CDIO教學(xué)理念的“知、行、思、評(píng)”一體化教學(xué)模式的構(gòu)建，使實(shí)踐過程項(xiàng)目化，激發(fā)了學(xué)生的主動(dòng)性和積極性。實(shí)踐結(jié)果表明，該改革對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)探索學(xué)習(xí)能力、實(shí)際動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神有很大幫助。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯：劉鳳華]