工程教育認證下的計算機課程貫穿式案例教學實踐與探索

周 鵬,趙 姝,陳 潔,張燕平,鐘 誠

(1.安徽大學 計算機科學與技術學院，合肥 230601；2.海南熱帶海洋學院 理學院，海南 三亞 572022 )

0 引言

新工科建設是應對新經濟的挑戰，從服務國家戰略、滿足產業需求和面向未來發展的高度，在“卓越工程師教育培養計劃”的基礎上，提出的一項持續深化工程教育改革的重大行動計劃[1]。新工科教育如何落地，特別是在學生的能力培養上，新工科要求學生具有解決復雜工程問題的能力[2]。各高校應結合自身情況，從專業設置、培養方案、教學內容和教學方法等多方面進行改革和實踐[3]。此外，傳統的課程設置和教學內容大多停留在對單個知識點的講解和簡單應用上，無法有效培養學生的計算思維，提升學生對復雜問題的分析解決能力。因此，迫切需要高校教師在課程教學實踐中引入新思路和新方法。

工程教育認證是國際通行的工程教育質量保證制度，也是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎[4]。我國工程教育認證主要倡導3個核心理念：以學生為中心(Student Centered)、面向產出的教育(Outcome Based Education)和持續改進(Continuous Quality Improvement)。其中，以學生為中心要求教學目標應圍繞學生的培養，教學內容設計聚焦學生能力的培養，從而達到預期的學習效果。面向產出的教育則強調在教育過程中“教育的產出”——學生到底學到了什么，而非“教育的輸入”——教師教了什么。持續改進則要求建立常態性的評價機制并不斷改進。為此，在工程教育認證背景下，應圍繞上述3個核心理念，結合高校相關課程的實際開設情況，對現有的不能適應認證要求的課程進行改革和探索[5]。

Java EE(Java platform Enterprise Edition)，是幫助開發和部署可移植、健壯、可伸縮且安全的服務器端Java應用程序的一系列技術規范[6-7]。目前，很多本科和專科院校都開設有Java EE相關課程。然而，由于Java EE規范包含了大量不同類別的技術，使得各高校在該課程的教學安排和設計上存在諸多困難。例如，在教學內容設置上，如何在有限課時限制下對教學內容進行取舍。一般而言，Java EE課程至少應該包含Java基礎語法、靜態頁面開發、 Servlet、JSP和Java EE框架這5個部分。然而，由于這5個部分的開發技術和學習特點不同，使得在教學案例設計上容易產生知識點分散且難以貫通的情況，限制了學生對技術框架的總體理解，影響了課程目標的實現。此外，很多教材中提供的教學案例嚴重脫離學生的日常學習和生活，使得學生難以產生代入感和共鳴，無法激活學生的學習積極性[8-9]。

企業級軟件開發(Java)是本科院校計算機軟件工程類專業選修課程，是一門實踐性很強的課程，主要教授Java EE平臺相關開發技術，內容涉及Java基礎語法、靜態頁面開發、Servlet和JSP開發、Java EE框架等。根據培養計劃，該課程共3個學分，總計60學時，其中理論36學時，實驗24學時。學生通過理論學習和動手實踐，掌握并具備實際工程項目從設計到開發的相關技術和能力。由于該課程涉及的知識點繁多，使得在具體教學安排和課程案例設計上存在很大的困難，理論和實驗教學效果均難以達到預期[10-11]。為此，本研究以《企業級應用開發(Java)》課程教學實踐為研究對象，圍繞新工科建設背景和工程教育認證核心理念，采用貫穿式案例設計方法，以課程總體目標為導向，將課程各章節的知識點融入同一個貫穿式綜合教學案例中，注重學生的中心地位，強化學生的知識利用，有效提升了學生對復雜工程問題的分析解決能力。

1 貫穿式教學案例設計原則

貫穿式案例設計的核心思想是設計貫穿Java EE各項技術且貼近學生日常生活的綜合教學案例，以課程總體目標為導向，同時兼顧教學案例的可擴展性和持續改進空間。傳統的課堂教學示例大多圍繞單個知識點設計，知識點之間沒有關聯性，且總體目標不明確。貫穿式案例以課程總體目標為導向，設計一個能夠融合課程核心知識點的系統教學案例，從而達到提升學生求解復雜問題能力的最終目標[12-13]。Java EE貫穿式案例教學課程內容和案例設計原則如圖1所示。

圖1 Java EE貫穿式案例教學內容和設計原則

1.1 以學生為中心

高校學生的日常學習和生活都是在校園內，因此，教學案例在設計時須充分考慮學生的的實際，不能脫離實際而設計一些完全靠想象的教學案例。例如，在講解Java語法中對象、繼承和多態概念時，可以舉人(People)、學生(Student)、教師(Teacher)這種學生日常生活中能夠接觸到的對象實例。此時，學生能夠快速明白不同對象之間的繼承關系，思考不同對象應該擁有哪些屬性和方法，不同對象包括的屬性之間的重用關系，以及方法的重載和多態性質等。在教學過程中，啟發式提問能夠更好地引導學生主動思考，提升自主學習和參與的積極性。注重以學生為中心，設計貼近學生生活，便于學生理解和領悟的教學案例，幫助學生在學習知識點的同時，能夠舉一反三，融會貫通。

1.2 以課程目標為導向

Java EE課程的總體目標是讓學生在課程學習完成后，具備設計和開發一個小型的Java Web系統的能力。因此，知識點講解和案例設計時，應考慮如何將不同章節的案例進行貫通，將零散的知識點整合在一起，形成一個貫穿式案例。如設計并完成一個Java Web管理系統。首先這個管理系統應該具備登錄和注冊功能。登錄時，應該有不同的角色，如學生(Student)和教師(Teacher)。這時，用戶角色的設計便同Java基礎語法部分中對象的概念關聯起來了。然后，用戶在登錄前需要進行注冊，而注冊頁面設計中的form表單元素便同對象的屬性之間進行了關聯。此外，可以在靜態頁面的基礎上加入Servlet和JSP的處理代碼，獲取頁面填寫的登錄用戶信息，并同數據庫信息進行查詢比對，從而進行登錄驗證。最后，考慮如何將此登錄功能用Java EE框架進行實現，并體會不同實現方案之間的異同。

1.3 以持續改進為抓手

Java EE包含的技術繁雜，且技術版本更新快。因此，在案件設計時需要以持續改進為抓手，綜合考量案例的可擴展性和教學質量提升空間。例如，在講解Servlet會話跟蹤時，常見的傳統技術有：Cookie、Session、URL重寫和隱藏表單域。由于不同的技術有不同的應用場景和局限性，因此需要對同一個案例設計多種不同的方式來實現會話跟蹤效果，從而讓學生能夠深入體會這幾種方法的異同點。此外，隨著Memcached和Redis等NOSQL數據庫和緩存技術的興起，會話跟蹤技術也在不斷與時俱進。為此，在講解某些技術點和設計案例時，應該考慮其可擴展性，以適應未來新技術發展的需求。同時，案例設計應根據學生的反饋和相關技術的更新進行持續改進，將當前最新的和最熱門的互聯網新興技術融入課程案例中。對于某些已經淘汰的Java EE技術，則可以適當刪減。

1.4 以對復雜問題的求解能力培養為根本

Java EE課程的實驗課考核是讓學生設計和開發一個小型Java Web系統，從而提升學生對復雜問題的分析求解能力。因此，在教學案例設計過程中，應始終圍繞對復雜問題的求解能力培養為根本原則。雖然課堂教學中使用的演示案例包含的模塊和功能點不會非常多，但仍可體現對復雜問題的求解思路和求解過程。為此，需要統籌設計整個教學案例，并采用貫穿式手段將求解復雜問題的過程進行拆分，融入各部分子問題和子案例當中。例如，在整個課程的開始，拋出一個實際的系統工程問題，使學生了解復雜問題的全貌，隨后，帶領學生對整個大問題進行抽絲剝繭，層層分解，使學生清晰地認識到當前的分析和求解只是整個問題求解中的一部分。

2 Java EE貫穿式案例教學示例

本研究以軟件工程專業選修課程《企業級應用開發(Java)》的課程教學實踐為例，整個課程教學內容分為5個主要部分：Java基礎語法、靜態頁面開發、Servlet開發、JSP開發和Spring框架開發。在課程教學中，以案例的分析實現為驅動，將整個過程分為需求分析、數據庫設計、原型設計、系統架構設計和編碼實現這5個步驟。案例分析實現過程同課程內容之間的關聯關系如圖2所示。下面僅以Java Web系統中最常見的用戶登錄功能為例，說明整個貫穿式案例設計的過程。

圖2 Java EE貫穿式案例分析實現過程同教學內容之間的對應關系

2.1 Java基礎語法

對于一個較完整的Java Web系統，一般應提供多角色、多用戶登錄的功能。以用戶登錄功能為例，將類、對象、以及繼承和多態等Java基礎語法知識點融入其中，讓學生在思考和解決系統登錄問題的過程中，理解和掌握這些知識。具體來說，首先應將該功能中涉及的角色進行抽象和區分，并分析明確不同對象之間的關系。假設當前系統需要同時支持學生(Student)和教師(Teacher)兩種角色。那么，可以先設計和定義這兩種角色的父類——用戶(User)，該類包含的主要屬性有：用戶名(userName)和密碼(password)，主要方法有：登錄(loginIn)和退出(loginOut)。而Student類和Teacher類可以繼承User類，同時定義這兩個類獨有的屬性，如學號、年級、專業、班級等信息。此外，由于學生角色用戶和教師角色用戶在登錄后所展示的系統頁面和功能菜單應該是不一樣的，這也意味著雖然這兩個類都有登錄(loginIn)方法，但具體實現是不同的，從而體現Java中多態的核心設計理念。

2.2 靜態頁面開發

靜態頁面設計同前面提及的對象屬性設計密切相關。例如，假設用戶(Student)類包含的屬性有用戶名、密碼、學號、年級、專業、班級、個人簡介等信息。那么，在進行用戶注冊頁面設計時，便需要同時考慮到這些不同類型的個人信息的屬性。如用戶名、密碼和學號字段應使用text文本框，年級、專業和班級字段應使用select單選框，個人簡介則應使用textarea多行文本輸入框。由此，便可以將靜態頁面開發中HTML標簽部分的教學內容同Java對象中屬性類型定義串聯起來，形成整體化設計。此外，還可以引導學生在注冊頁面加入用戶名、密碼等信息填寫是否有效合法的驗證功能，并由此引出Javascript中函數的定義和form表單驗證等相關知識點。

2.3 Servlet開發

首先需要講解清楚Servlet的相關工作原理和編程基礎知識。隨后，提出如何在登錄時驗證用戶名和密碼同數據庫中存儲的信息是否一致這一問題，并由此引入Servlet后端數據庫處理機制。其中，Servlet表單處理中頁面填寫信息獲取和解析部分相關內容是同靜態頁面設計息息相關的。例如，假設在靜態頁面中，用戶名和密碼定義的屬性名稱分別為userName和password，那么在Servlet中獲取請求中的頁面填寫信息的request.getParameter方法也必須使用相同的字符串作為參數值。在進行登錄信息驗證時，可以結合Student類設計，新增userCheck方法來驗證所填寫的用戶名和密碼是否同數據庫中保存的信息一致。此外，還可以在登錄時引入和講解動態頁面開發中的ajax異步刷新機制，從而將異步開發技術同Servlet開發技術進行緊密結合和銜接。

2.4 JSP開發

在講解和實現基于原生Servlet的用戶登錄功能后，可以由Servlet開發時頁面內容修改煩瑣的問題引出JSP開發技術。在介紹完JSP的工作原理和基礎語法后，可仍然通過系統登錄這一實際案例，分析和比較Servlet和JSP這兩種技術的異同。其中，需要著重強調的是JSP技術的根本就是Servlet技術，而且JSP代碼在Web容器中實際運行時是需要提前轉換成對應的Servlet代碼實現的。然而，由于JSP技術將頁面展示和代碼邏輯處理都放在同一個jsp頁面文件中，不利于展示層和邏輯處理層的開發分離。由此實際開發問題，進一步引出MVC(Model-View-Controller)設計模式和Java EE框架開發。

2.5 Java EE框架開發

Java EE框架開發部分主要講解Spring框架的原理和使用。在JSP開發部分，課程用純JSP技術分析并實現了用戶登錄功能。然而，當業務功能和頁面展示的復雜度不斷提高時，僅JSP技術已經無法滿足大型項目的開發需求。由此，Spring框架是鑒于軟件開發的復雜性而創建的，其最大目的就是使Java EE開發更加容易。本課程仍然以用戶登錄和注冊功能為例，采用Spring MVC框架設計并實現此功能。通過與Servlet實現版本和JSP實現版本的對比分析，使學生充分理解和體會設計模式的重要性以及Java EE框架底層原理和實現機制。同時，深入理解借助開發框架，如何將復雜工程問題簡單化。仍然以登錄功能為例，不同于JSP開發，基于Spring MVC框架開發時，整個項目可劃分成4個層次：View層、Controller層、Model層和DAO層。其中，前端頁面展示View層和后端邏輯處理Controller層之間是分離的，并通過配置不同的URL請求模式進行關聯。例如，可以將登錄請求定義成“/main/login”，并在后端Controller中定義響應該URL的方法。此外，由于Spring框架已經將頁面請求參數進行了封裝，在Controller中可以通過多種方式、很方便地拿到頁面填寫的用戶登錄信息。Controller中拿到頁面填寫信息后，通過調用Model和DAO層方法進行數據庫信息查詢和驗證。通過與Servlet登錄開發版本和JSP登錄開發版本的對比，使得學生理解并體會開發框架的分層思想及其對復雜問題求解過程中起到的輔助作用和便利性。

3 課程考核和教學效果

本課程考核方式包括課后作業、隨堂測試、期末考查這3個主要組成部分。課程總成績由這3個部分按不同比重組合而成，各部分所占比例及其與課程目標對應關系如下：

(1)課后作業占30%，將整個Java EE案例系統分解成5次課后作業，分別對應課程內容中的5個主要組成部分。此外，5次課后作業之間存在先后關聯性，后一次作業總是在前一次作業的基礎上進行擴充和完善，各子部分完成后即可完成了整個Java EE案例系統。

(2)隨堂測試占20%，鼓勵學生在案例教學過程中積極思考和參與，并通過布置隨堂測試和問答，考查學生的知識點掌握程度和主動思考能力。

(3)期末考查占50%，考核整個學期的課程學習效果，考查形式為系統設計和實現。通過小組的形式設計并實現一個貼近日常生活的Java Web工程項目，檢驗整個課程的學習效果和復雜問題的分析解決能力。

Java EE課程考核中貫穿式教學效果體現在兩個方面。一是課后作業。不同于傳統的課后作業只對應某一章節知識點的方式，本課程的課后作業是將整個案例系統分解成5個部分，且不同部分之間是相互關聯和層層遞進的。每次作業都是整個系統實現的一部分，從而實現對整個課程內容和考核要求進行貫穿。二是期末考查。以自定義Java Web項目設計和實現的方式進行，并不著眼于某幾個獨立知識點的考查，而是綜合考查學生對復雜問題的分析求解能力。通過檢驗學生對自定義項目的分析和實現過程，充分考查學生對整個課程內容的學習和掌握情況，體現貫穿式教學效果。

按照上述方式，本研究對某本科高校軟件工程專業54名學生的學習過程和效果進行考核。最終成績統計如下：優秀31人，占比57.4%；良好18人，占比33.3%；中等4人，占比7.4%；及格2人，占比3.7%，其中良好和優秀占比總計90.7%，達到了較好的預期效果。

4 結論與改進

本研究結合當前的新工科建設和工程教育認證背景，以提升學生對復雜工程問題的解決能力為目標，圍繞以學生為中心、面向產生和持續改進核心理念，采用貫穿式案例設計方法，在Java EE課程教學實踐中取得了非常不錯的教學效果。在今后的教學過程中，仍需要不斷優化案例設計細節，時刻關注并融入新的開發技術和教學理念，將計算機課程的教學改革推向新的階段。

(責任編輯：王旭東)