面向研究生創新實踐能力培養的TP+CDIO教學模式
——以計算機視覺課程為例

白 琳，潘曉英，王 燕

（西安郵電大學計算機學院，陜西西安 710121）

0 引言

2020 年7 月召開的全國研究生教育會議明確了新時代背景下研究生教育的主要任務，即在全球高素質人才競爭的新格局下進一步夯實建設創新型國家的人才基石。研究生教育作為國民教育體系的頂層，肩負著我國應用型、復合型高層次拔尖創新人才培養的重要使命［1］，更是建設和發展創新型國家的核心要素。課程教學作為高等教育的主陣地，是培養研究生的重要渠道，應在教學過程中強化研究生創新思維和實踐能力培養，積極推動其科研素質提升［2］。為此，本文以計算機學科核心課程計算機視覺為例，探索出一套基于分級制項目驅動的TP+CDIO 混合式教學模式，以期培養工科研究生的創新實踐能力。

1 面向研究生的計算機視覺課程教學存在的問題

1.1 傳統教學方法不再適用

研究生計算機類課程普遍具有理論抽象、實踐性強、系統化程度高的特點。計算機視覺課程作為一門緊跟學術前沿，融合人工智能、數字圖像處理等多學科技術的專業課，其內容廣泛、理論與實踐緊密結合、綜合性強。該課程要求學生不僅能夠掌握基本的理論和算法，學以致用地解決實際問題，而且要了解熱點和前沿技術，培養創新思維與科研能力。目前，傳統教學方法并不利于充分發揮學生的主觀能動性和創造性，以及促進其各項能力的有效提升。為實現課程教學目標，應推動教學模式由知識學習型向知識創造型轉化，使學生從做中學，教師在做中教［3］，將理論與實踐高度融合，促進學生研究和創新能力的提升與進階［4］。

1.2 混合式教學流于形式，個性化學習難以推行

在“互聯網+教育”的新形勢下，混合式教學模式在高校中應用越來越廣泛，然而其日趨普及的發展態勢使諸多實踐者感到困惑和迷茫［5］。目前，國內外教學界一直缺少一個清晰、系統的概念框架和分析框架引導混合式教學的研究和實踐［6-7］。在實際教學中，由于缺乏對學習者的準確分析及其學習需求的精準掌握，很容易陷入形式上的混合式教學。研究生教育的目標是使其具有個性化的科研品格和視野，具有獨立思考和創新研究能力［8］。研究生經過本科教育后已具有固有的人格特質和特有的思維能力，個體差異性較大，統一的教學內容和非彈性化的教學設置難以滿足學習的個性化需求。

1.3 創新教育實踐性不強

隨著國家創新驅動發展戰略的實施，切實提高研究生的創新能力已成為各高校的重點培養目標［9］，在課程教學階段加強對研究生創新實踐能力的培養有利于其后續科研工作的順利推進［10］。計算機視覺課程內容學科交叉性強、系統性與實踐性要求高，與實際工程應用密切相關。然而，現有教學模式并未將工程實踐有效融入課堂，教學過程缺少系統性思維培養與提升的助力點，更缺乏對學生創新與實踐能力的訓練。

2 CDIO教學模式

CDIO 是以產品和系統從研發到運行所包含的構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運作（Operate）4 個生命周期為載體培養學生工程實踐能力與創造力的教育模式。其中，構思是指學生掌握工程實踐專業知識和理論，并將理論與實踐相結合進行知識運用；設計是指以項目的產品設計與規劃為核心，通過研發成果解決具體工程問題；實施是指以建造或創造為核心鞏固專業知識，進行一體化的課程實踐；運作是指項目產品應用的各個環節。CDIO 模式的核心為一體化，著重解決工程教育中長期存在的二元分裂問題，如理論與實踐、知識與能力、硬素質與軟素質等之間存在的鴻溝［11］。在教學過程中引入CDIO 模式可以將理論與實踐緊密結合起來，使學生從實踐中總結經驗、內化知識，達到提升綜合能力的目的。

為促進學生實踐能力的提升，CDIO 模式已被廣泛應用于教學改革中。例如，姜大志等［12］提出一種基于CDIO模式的主動式項目驅動學習方法，通過建立基于Java 課程群的能力培養目標矩陣，細致刻畫了課程具體培養目標，提升了學生的主導地位。該方法在激發學生學習主動性方面效果顯著，但卻使教師的任務和職責劇增；王向輝等［13］在數據庫課程教學的各個環節中引入CDIO 模式，有效激發了學生的創造思維。然而引入CDIO 模式后帶來了大容量、系統化的工程教學內容，這與有限的課堂教學時間和資源之間產生了矛盾，因此可以考慮將混合式教學與CDIO 模式相結合，充分利用翻轉課堂的效率優勢解決這一矛盾。例如，王志強等［14］將CDIO 模式引入單片機課程的混合式教學中，效果良好。

然而，目前基于CDIO 模式的教學改革大多面向高校本科生課程，研究生教育與本科生教育教學目標不同、課程設置各異、學情差異顯著。同時，作為高階人才，研究生的教育更突出知識、能力、素質的協調發展，在強化能力進階的同時使道德教養、職業素質、社會責任等教育同向同行。因此，本教學團隊將技術創新（Technology）、職業素質（Professionalism）教育融入CDIO 工程教育體系，提出面向研究生計算機視覺課程的TP+CDIO 混合式教學模式。

3 基于分級項目的TP+CDIO混合式教學模式

3.1 TP+CDIO模式

研究生教育強調專業化、系統化和前沿化，肩負著我國高素質創新型人才培養的重要使命?；诠こ探逃呐囵B模式，研究生教育還需融合社會認知與責任、道德與職業素養教育以迎合現代企業用人需求。因此，本文基于價值導向、面向企業需求，將學生的情感、態度和價值觀提升作為教學的重要目標之一，通過引入技術創新、職業素質教育改進CDIO 體系，提出面向綜合能力提升的TP+CDIO 教學模式（結構見圖1），使學生以主動性、個性化、協作性、創造性的方式完成項目任務，在內化知識的同時培養創新意識，獲得專業實踐能力、團隊協作能力、人際交往能力以及產品和系統的建造能力。

3.2 基于4個環節的混合式教學流程

Fig.1 TP+CDIO teaching model structure圖1 TP+CDIO教學模式結構

為平衡系統化、復雜性高的工程項目教學內容與有限的課堂教學時間和資源配置之間的矛盾，在TP+CDIO 模式下實施混合式教學手段，構建基于分級項目的翻轉課堂+小組討論教學模式，通過設置理論與實踐相互嵌套和支撐的課程體系，使學生將專業知識與工程項目實踐融會貫通［15］。教學環節包括課前分組協作、多任務翻轉課堂、課后討論與評價反饋4 個環節，利用信息化工具超星學習通輔助教學過程，具體實施流程見圖2。

3.2.1 課前分組協作

根據教學安排提前設計項目任務指南（導學設計），學生分組交流討論、合作完成項目，并撰寫項目總結報告、制作翻轉課堂答辯課件。小組組織與分工由組長帶領組員完成，每組需根據教師提供的項目指南查閱相關文獻和技術資料，并遵循提出問題→構思→設計→運行→驗證→總結與評價的流程完成項目任務，以鍛煉學生的團隊協作、自學自查和系統化解決實際工程問題的能力。

項目任務按照難度和工程復雜性分為A、B、C 3 個等級，難度和復雜性依次遞增。其中，A 級為面向典型算法的仿真實現；B 級為教學團隊在機器視覺領域進行科學研究和工程實踐中積累的課程案例庫項目；C 級為團隊具有工程背景的科研項目衍生的案例或近年主流計算機視覺會議的典型競賽題目。A 級項目為必做，B、C 級項目任選其一完成。分級制項目設計可有效對接不同能力水平的學生，實現個性化學習。簡單的A 級項目使學生先鞏固基礎、積累經驗、樹立信心。隨著項目難度的遞增，學生會遞進式地發現問題、解決問題，并從中培養不斷探索、不畏困難、精益求精的工程師專業素養和持之以恒、嚴謹求實的學術作風。

3.2.2 多任務翻轉課堂

翻轉課堂包括以下3 個按照順序執行的任務：①算法解析（個人任務）。按照課前發布的提綱隨機選擇學生講解知識點和算法；③項目答辯（小組任務）。每組安排組員進行項目答辯和論證；③課內討論（師生任務）。答辯后針對質疑的問題展開討論和辯論。

學生通過算法解析和項目答辯完成知識的內化以及成果的展示與分享；通過課內討論將自主學習過程中產生的個性化認知與同伴進行交流，從中釋疑解惑、深化學習內容。這3 個任務環環相扣、循序漸進，遞進式地將自主學習過程中的淺層認知深化為探究式學習過程中的高階認知。

3.2.3 課后討論

C 級項目難度較大，為選做任務，未完成的小組需要在課后以小組討論和協作的方式構思和設計解決方案并完成論證，實現發現式學習，以期達到從解決常見工程問題到解決復雜工程問題的能力飛躍，并尋找突破口實現創造力的提升。

3.2.4 評價與反饋

學生課后需完成自評、互評以及問卷反饋，教師根據反饋結果及時調整教學思路，并為后續教學內容設置提供參考。

Fig.2 TP+CDIO blended teaching implementation process圖2 三級制項目驅動的TP+CDIO混合式教學實施流程

以上4 個教學環節有序結合形成閉環，將教師、學生、信息化工具、工程項目資源有機融合，形成了一套規范化混合式教學模式?；旌鲜浇虒W過程凸顯了學生的主體作用和教師的主導作用，通過課外的個性化學習、合作式學習以及發現式學習，課中的翻轉課堂和探究式學習，學生的綜合能力得到了提升，能力結構實現了進階。

在實施過程中發現，課前的導學設計對于后續教學活動意義重大。教師首先要根據學生的學情分析和問卷反饋以學定教，有針對性地進行教學內容設置，完成項目案例篩選。在此基礎上，教師需精心設計和策劃案例中知識點的引入方式、分級項目的級別設計以及不同級別項目對學生各項能力指標的考量方式。教師要善于鼓勵學生自主實踐，引導其樹立合作意識，協調個體與團隊之間的矛盾，強化問題意識與創新思維，幫助學生從工程項目構思階段的概念設計開始，經過設計、實現與運作，初步形成產品設計、系統制作的能力。

3.3 多維度評價體系

CDIO 模式重視學習效果的綜合評價，要求體現教學過程評價的同時關注學習成果，其評價核心為以學評教。在此基礎上，本文還將學生的學習態度納入評價范疇，制定出包含學習過程和學習成果、面向不同階段的多維度評價體系，以全面檢驗學習效果。表1 為多維度評價體系，其以過程化考核和成果化考核為標準，將課前、課中、課后以及期末考核全過程納入其中，每項考核設計了有針對性的能力指標。

Table 1 Multidimensional evaluation system表1 多維度評價體系

4 實施效果

為檢驗TP+CDIO 教學模式的實施效果，隨機選取學習計算機視覺課程的一個班級作為試點班，共有36 名學生，采取自愿組合的方式分為6 個學習小組，并選擇一人為組長。另選擇一普通班作為對照，共39 名學生，采用傳統教學模式授課。因普通班未開展翻轉課堂，為客觀比較學習效果，僅對成果性考核的課程論文評價結果進行比較。課程論文要求學生圍繞教師提供的計算機視覺會議競賽項目議題，按照CDIO 開發流程進行項目設計、開發與論證并體現創新性和高階性。圖3 展示了兩個班級各等級比例的分布情況，其中A、B、C、D 為成績等級，分別對應優、良、中、及格，兩個班級均未有論文不及格者?？梢钥闯?，試點班的論文綜合水平明顯高于普通班。

Fig.3 Grade distribution of experimental class and ordinary class圖3 試點班和普通班成績等級分布

通過問卷調查反饋，89%的試點班學生對TP+CDIO 教學模式表示滿意，33%的學生給予了高度認可，無學生表示不滿意，詳見圖4。絕大多數學生認為通過1 個學期的項目引導與實訓，個人實踐能力得到提高，并且在交流協作、人際關系、科研態度、專業精神等方面有不同程度的獲益，詳見圖5。

Fig.4 Student satisfaction圖4 學生滿意度

Fig.5 Self assessment of practical ability improvement圖5 實踐能力提升自評

此外，在2021 年12 月舉辦的中國研究生創新實踐系列大賽第18 屆研究生數模競賽中，試點班有9 位同學獲得全國三等獎，證明經過系統的工程項目實訓，試點班的部分學生已經具備了良好的創新實踐能力。

5 結語

新工科背景下的研究生教育無論是偏重科學研究探索，還是強調實踐問題解決，都需要創新性思維，因此創新實踐能力培養成為新時代研究生教育的主旨［16］。課程團隊以提升研究生創新實踐能力為出發點，在計算機視覺課程中踐行多層次項目驅動的TP+CDIO 混合式教學模式，以面向問題和基于項目的方式組織教學活動，通過課前合作式學習、課內翻轉課堂和課后發現式學習規范化混合式教學流程；引入三級制項目任務實現學生的個性化學習和探究式學習，使其在專業指導下通過一定數量和復雜度工程項目的設計與實現，體會不同技術的功能，在獲得知識的同時積累實踐經驗，達到技能水平和能力結構的進階。

將理論與實踐深度結合的TP+CDIO 教學方法充分體現了從做中學的教育理念，通過打造以學生學習活動為中心或本體的課堂，使學生成為教學活動的主動參與者和教學知識的創生者［17］，有效促進其高階思維的發展與綜合能力的提升。當然，學生問卷反饋中也存在一些消極信息，教學方法的革新不是一蹴而就的，需要根據每個階段教師與學生的反饋與評價持續改進［18］。在TP+CDIO 教學模式中，課前導學設計對接學情的精準化程度、項目案例庫建設的規范化與標準化程度均直接影響翻轉課堂的質量與個性化學習的效果，在這兩點上還需繼續深入研究。