新工科背景下基于CDIO的混合教學研究與應用
——以數據庫原理與應用課程為例

李懷敏 陳秀明

(阜陽師范大學計算機與信息工程學院，安徽 阜陽 236041)

“新工科”作為我國工程教育改革方向，其核心思想是以德樹人為根本，以應對變化、創造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉融合、協調與共享為主要途徑，培養具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才。具有戰略性、創新性、系統化、開放式的特征[1]。自2017年2月，教育部積極推進新工科建設以來，國內各高校及高校教師積極探索適應新工科要求的教學改革與實踐，并取得了較為豐富的成果。其中，文獻[2]以新工科為背景探索大數據專業的建設與培養，并以西南科技大學為例著重介紹大數據人才培養模式、課程體系、實踐教學等方面的綜合教學改革與實踐，為新工科專業建設提供寶貴經驗。文獻[3]將CDIO工程教育模式與翻轉課堂相結合，從課堂的教育理念、教學模式、教學方法和課程成績評價機制對Java 程序設計課程開展教學改革，取得較好的效果。

CDIO工程教育模式是國際工程教育改革的重要成果，是人才培養的創新模式，強調以產品/項目的生命周期(Conceive(構思)、Design(設計)、Implement(實施)、Operate(運作))為載體[4]，以案例和項目驅動的教學模式為基礎，堅持問題導向、目標導向，使學生在工程實踐中不斷啟迪智慧、建構知識，再反過來指導實踐，在理論與實踐相互促進中提升工程實踐能力和銳意進取的精神。但是，按照CDIO 教育理念，課程教學的內容將不再局限于書本，而是圍繞項目周期展開的豐富的、有機的、系統化的工程教學內容，這是在傳統課堂授課模式下難以完成的，更難以達到工程教育的目的。混合教學把傳統課堂與線上教學相融合，實現“在‘適當的’時間，通過應用‘適當的’學習技術，對‘適當的’學習者傳遞‘適當的’能力，有效解決了傳統課堂時間和地點的限制[5]。混合教學已成為教育領域普遍提倡的教學模式，數據研究表明混合教學在高等教育教學中是最有效的教學方式。

綜上所述，本文專注于研究基于CDIO的混合教學模式，該模式以工程教育理念為核心，采用混合教學組織形式，通過混合遞階實踐教學體系來保證工程化教學內容的有效開展。并以數據庫原理與應用課程為教學改革實踐對象來介紹基于CDIO的混合教學模式的實施舉措和實施效果。

1 基于CDIO的混合教學體系

基于CDIO 的混合教學體系架構[6]，如圖1所示。

圖1 基于CDIO混合教學體系架構

由圖1可知，基于CDIO混合教學體系主要由工程化的教學內容、混合式教學、混合遞階實踐教學活動以及混合教學評價體系四個模塊組成，同時這四個模塊都以智慧教學平臺為支撐。可見，該體系架構在智慧教學平臺(本研究采用的是“超星學習通”)的支撐下，以層次化的工程項目教學內容為基礎，采用三段式(課前、課中、課后)混合教學組織形式，建立遞階多元化(課上、課下、課外)實踐教學體系，從而形成以“學科知識為基礎、應用創新為目標、實踐能力培養為重點”的創新工程教學模式。并制定了基于智慧教學平臺統計數據、課堂表現、項目完成情況和考試成績的多元混合教學評價體系。

2 基于CDIO的混合教學的實施舉措

數據庫原理與應用課程的主要任務是使學習者能夠應用數據庫基本原理、商品化的 DBMS和數據庫應用系統開發工具，設計和開發面向各種實際問題的數據庫應用系統[7]。而數據庫及其應用系統的設計開發是典型的工程項目。所以，將基于CDIO的混合教學模式引入數據庫原理與應用課程建設，設計項目化教學內容、依托智慧教學平臺開展混合式教學。

2.1 項目化教學內容設計

CDIO 教育理念是以實際工程項目的生命周期為載體，將教學內容滲透到工程項目中，隨著工程項目的不斷推進，使學生們在真實的情境中循序漸進地掌握相關知識和技能[8]。所以，項目化教學內容的設計是開展工程教育的基礎，這要求對數據庫原理與應用課程的教學內容進行重新設計——項目化教學內容，將相關的理論知識滲透到具體的項目實踐中。因此，本文結合數據庫原理與應用的工程實踐和課程的培養目標，設計三個層次的項目，即數據庫基礎驗證項目、數據庫應用實踐項目和數據庫綜合創新項目，將教學內容有機地融入項目教學中，注重數據庫原理知識的學習和應用，重視學生工程實踐能力的培養。

(1)基礎驗證項目

基礎驗證項目是以熟知、易懂的數據庫項目為研究對象(一般采用教材中的案例)將數據庫原理的基礎理論知識融入項目的相應階段，按照項目的實施設計成單元項目(詳見表1)，并在教材實例的基礎上增加一定的難度和創新，引導學生依托項目進行理論驗證，同時學會用驗證的理論解決實際問題。基礎驗證項目通過對熟知、易懂的數據庫的分析(C)、設計(D)、實現(I)和使用(O)，使學生掌握數據庫原理的基礎理論知識，具備基本實驗能力和基本系統設計能力，并對數據庫的應用有一定的認知。

(2)應用實踐項目

應用實踐項目是由教師給出，主要選取與學生生活和學習密切相關的實際課題(如學生宿舍維修上報管理系統、線上考試系統、小型超市管理系統、疫情信息管理系統等)，課題規模和進度由教師把控，學生分組(每組5-6人，選一名組長負責組內協調)選擇感興趣的課題。確定課題之后，各小組結合所學數據庫相關知識、上網查閱相關資料和對課題業務的調研分析，并在教師指導下按照企業和社會的工程實踐構思、設計、實施和運行(CDIO)項目。應用實踐項目的進度通常與基礎驗證項目同步，是基礎驗證項目學習的有益補充。通過應用實踐項目可以進一步提升學生的系統分析和設計能力、自主探究和解決問題的能力，培養學生工程思維和團隊協作與交流意識。

(3)綜合創新項目是面向實際需求的復雜數據庫應用系統開發大作業，綜合性較強。各小組在課后獨立完成數據庫系統的分析和設計，并撰寫相關文檔。這不僅要求學生對數據庫相關理論和技術進行整合，還要能夠創新地應用于實踐，解決實踐問題。在項目實施過程中充分發揮個人探究和團隊協作精神，完成系統級數據庫應用產品的構思(C)、設計(D)、實現(I)和運行(O)全過程，著重培養學生的工程系統能力、多學科交叉能力和開拓創新、團結合作能力。

三個層次的模塊化項目之間存在由理論到應用、由局部到全局、由簡單到綜合的遞進關聯性，為學生提供了“強調工程基礎的、建立在真實世界的產品和系統的構思-設計-實現-運行(CDIO)過程”的學習情境。可以使學生在理論指導下完成項目，在項目實踐中建立起完整的課程知識體系，最終實現由“知識”到“實踐”到“能力”再到“綜合工程素養”的不斷提升，進而能夠解決復雜的工程問題。

2.2 基于CDIO混合教學組織形式

基于CDIO混合教學組織形式仍然是由“課前、課中、課后”所組成三段式教學模式，每個階段都為項目化教學內容服務，而項目的教學實施則按照工程的“構思—設計—實現—運行”等四個步驟來組織。具體如圖2所示。

圖2 基于CDIO三段式混合教學組織

(1)課前項目任務導入

課前采用線上形式，教師基于智慧教學平臺進行學情分析，不斷優化教學設計，提供高質量線上教學資源，科學制定學習任務單，完成項目導入；學生自主完成線上學習任務，并反饋問題，通過課前線上的教學活動使學生提前了解課堂項目教學的內容，初步形成對項目階段性任務的構思(C)。

(2)課中項目設計與實施

課中是線下主題見面課，教師首先講解項目中涉及的重點、難點知識，同時對線上反饋的問題答疑解惑，再結合項目創設情景，分解小項目，設計互動主題，每個小組課內協作完成，通過這樣的課堂教學活動，幫助學生在課前對項目任務有了初步構思的基礎上進一步理解項目任務，自主完成項目的設計(D)和實現(I)。

(3)課后項目運維

課后教師通過智慧教學平臺開展個性化輔導，進行階段性測驗等，幫助學生總結反思；布置單元項目作業和應用實踐項目的階段性任務并評閱相關文檔。學生在課后完成線上單元測驗、單元項目任務，在完成任務的過程中遇到問題可以隨時線上反饋和討論，按時在平臺提交相應的文檔資料(如：實驗報告、項目總結等)。通過課后項目相關文檔的完善以及項目運行和維護(O)可以不斷提升學生的綜合工程素養。

2.3 基于CDIO混合遞階實踐教學

實踐教學是理論教學內容的具體化過程，是增強學生感性認識，培養學生動手能力、解決問題能力和構建創新意識的重要環節。基于CDIO的課程教學改革的核心思想就是將理論知識滲透到實際工程項目中，盡可能把理論教學轉換為實驗實踐教學，以學生為中心，培養學生自主學習能力和探索精神。基于CDIO構建的“實驗室實踐教學—課下虛擬實驗—課外實訓”的混合遞階實踐教學體系為完成項目化教學內容提供了重要保證。

(1)實驗室實踐教學

課堂教學全部在實驗室進行，實驗室要求具備教、學、做一體化的軟硬件配套設施，教師在實驗室授課，授課內容圍繞項目開展。在實際教學中，教師根據課前線上學習反饋，梳理共性問題和重、難點知識進行講解和演示。然后讓學生現場實驗加深理解。教師可以根據學生現場實驗情況，適時給出啟發性問題，引導學生思考理論對實踐的指導意義，學會用理論解決實際問題。基礎驗證項目的實驗內容主要在課堂上完成，而應用實踐項目和綜合創新項目則主要是由小組成員在課下完成，遇到問題在線上進行反饋和互相討論。教師根據線上的反饋和討論找出共性問題，在課堂上予以講解，對于個別問題進行有針對性的指導，推進項目的順利開展。表1給出了基礎驗證項目細分成單元項目后實驗室實踐教學設計。

表1 單元項目實驗室實踐教學設計

從表1可以看出，通過將理論知識滲透到實際工程項目中，真正做到了讓學生在“學中做”和“做中學”。同時教師根據學生在應用實踐項目中的問題反饋，結合具體項目答疑解惑，進一步強化學生對理論知識的理解和應用，使學生的工程能力和工程素養得到不斷提升。

(2)課下虛擬實驗平臺實訓

學院引進藍橋高校實驗教學平臺，有效解決了大容量的工程實踐教學與實驗課時有限的矛盾，幫助老師輕松完成大規模的在線實驗教學任務。數據庫原理與應用課程利用藍橋在線實驗平臺進行綜合創新項目的線上實訓。教師將項目的實驗指導內容在藍橋實驗平臺上以步驟化的形式展示，并對各步驟設置自動驗證，同時通過設置項目挑戰考核，驅動學生一步步完成實驗任務，理解項目實施流程。學生只需使用瀏覽器登錄“藍橋在線實驗教學系統網站”進入課程的實驗環境就可進行在線實驗，提交實驗報告。學生也可以將在虛擬實驗平臺實訓中產生問題和想法帶到課堂上進行小組討論，教師現場指導。線上實訓，較好地克服實驗室教學中時間、設備等因素的限制，還能保證項目教學進度和質量，提高工程教學效率。

(3)課外實訓

簡單的校園學習是培養不出優秀的數據庫開發人員的。第二課堂與校企合作相結合的課外實訓則是簡單校園學習的有益補充。如：以賽促教，創立創新實驗室，經常組織、培訓學生參加相關的科技創新競賽；鼓勵學生結合項目到企業相關部門進行調研，了解與分析企業的業務需求，調研結果在課堂上做匯報，并進行討論；定期集中安排學生到校企合作實訓基地參加實訓，這不僅能讓學生真正體驗企業項目研發的全過程，還能向企業工程師學習項目研發中使用技術、方法和管理經驗，進一步了解企業項目開發規范等，是對校園學習的有益補充。通過這樣的課外實訓，學生們不僅可以獲得更多的新知識、新技術、新信息，也可以更好地實現由“知識”到“實踐”到“能力”再到“綜合工程素養”的不斷提升，為將來就業提供核心競爭力。

2.4 多元化混合教學評價體系

傳統的結果性評價機制難以體現學生的工程實踐和應用創新能力，因此，基于CDIO的混合教學模式依托網絡教學平臺設計了“形成性評價+結果性評價”的多元混合評價體系，通過對具體指標賦予權重強化過程性評價，重點考查學生在混合學習、協作學習過程中態度、能力和綜合工程素養等方面表現。建立了多元化混合評價指標體系，見表2。

表2 數據庫原理與應用課程多元化混合評價指標

如表2顯示，課程的總評成績=線上平時成績(35%)+線下平時成績(35%) +考試成績(30%)。其中，線下平時成績各項指標的評分依據是各層次項目的完成情況和課堂綜合表現，而項目完成情況的綜合得分由教師對各組評價得分、小組間的互評得分和組內成員互評得分的加權平均計算得到。文章旨在通過這樣多維度、全方位展現學生能力的多元化混合評價體系，能更全面、更準確地評價學生的綜合能力和素質，促進和鼓勵學生全面發展。

3 基于CDIO的混合教學實踐效果分析

將基于CDIO的混合教學模式引入數據庫原理與應用課程建設，并開展教學實踐，正是授課前就確定了一個普通班(55人)和一個試驗班(52人)。普通班仍采用原來的授課模式，課堂教學區分理論教學和實驗教學，按照教材順序開展相應教學內容。試驗班則采用基于CDIO的混合教學模式，課堂教學全部在實驗室進行，配合課前線上導入和課后線上拓展，圍繞項目開展相應的教學內容。期末閉卷考試采用同一套試卷。

為了調查基于CDIO的混合教學模式是否達到預期的教學效果，課程結束后，一方面通過智慧教學平臺對試驗班開展了課程體驗問卷調查。問卷主要調查學生對教學體系的評價和教學效果滿意度。統計結果表明：絕大多數同學對新的教學體系和教學效果表示滿意，都給出了正向肯定的評價，這與學生在日常學習過程中的表現相互佐證。

另一方面，將試驗班和普通班的學習成績進行比較。由于試驗班采用多元化混合評價體系(詳見3.4節)與普通班的綜合評價體系(平時成績(40%)+期末考試成績(60%))不同，所以比較兩個班的卷面成績。卷面成績統計結果如表3所示。可以看出試驗班卷面成績整體優于普通班，進一步說明項目化教學內容有助于學生對理論知識的理解和應用。

表3 期末閉卷考試卷面成績分檔統計表

綜上，基于CDIO的混合教學模式達到預期的教學效果，且相比于原來的教學模式有如下優勢：

(1)更能激發學生的學習興趣，提升自主學習能力

基于CDIO混合教學組織形式促使學生在課前完成項目導入，在課堂上可以帶著想法和問題學習，在老師的指導下和項目實踐中證實自己的想法、解決遇到的問題，在學習中不斷獲得成就感，從而激發他們的學習興趣，興趣是最好的老師能進一步促進學生進行多渠道自主學習，自主學習能力不斷提升。

(2)更有助于提高學生的工程實踐能力

基于CDIO混合教學為學生提供了強調工程基礎、建立在真實世界產品的學習情境，學生的產品構思、設計、實施和運行的工程思維在不同層次的項目學習情境中得到訓練和強化，工程實踐能力不斷提高。具體表現在試驗班的同學相比于普通班更喜歡迎難而上，積極參加各類大學生競賽，動手能力更強；課堂更活躍，積極參與討論，基礎知識掌握扎實，能夠應用實踐解決實際問題。

(3)更能培養學生團隊協作與交流意識

基于CDIO混合教學過程中強調項目的團隊合作，特別是應用實踐項目和綜合創新項目必須是小組成員分工合作，共同完成，過程中遇到問題先是組內討論解決，仍有問題帶到課堂上進行交流、討論。教師在課堂上可以結合共性問題統一講解，講解的過程中拋出問題讓學生思考進行教學互動，若是個別問題則進行一對一指導。在項目的推進過程中小組成員都積極參與，有問題共同解決，使學生在潛移默化中培養了團隊協作意識和交流意識。

4 結束語

基于CDIO的混合式教學模式遵循CDIO教育思想，通過混合教學的組織形式，開展以學生為中心、項目為主線的多元實踐教學，并設計了強調形成性評價的多元混合教學評價體系。以數據庫原理與應用課程為實踐對象，首先設計模塊化項目教學內容，然后以項目為載體，智慧教學平臺為支撐開多元遞階實踐教學。教學效果表明：基于CDIO的混合式教學使學生們在“學中做、做中學”的良性循環中，收獲學習的樂趣和各種能力的提升，獲得了良好的教學效果，符合新工科背景下教學改革的目標。