工程教育認(rèn)證背景下軟件工程課程混合式教學(xué)模式創(chuàng)新與實踐研究

李廣瓊 陳榮元 黃少年 劉躍華

摘要：在工程教育認(rèn)證的背景下，對培養(yǎng)具備復(fù)雜工程能力的學(xué)生提出了新的標(biāo)準(zhǔn)。作為以培養(yǎng)應(yīng)用工程型人才為主體的工商類大學(xué)的計算機專業(yè)，有必要對專業(yè)核心課程進行改革，以符合工程教育認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)。文章針對軟件工程課程教學(xué)模式存在的主要問題，提出了基于BOPPPS與CDIO相結(jié)合的混合式教學(xué)模式進行改革與實踐，并取得了較好的成效。

關(guān)鍵詞：BOPPPS；CDIO；工程教育認(rèn)證；軟件工程課程

中圖分類號：G424? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）09-0132-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID） ：

目前，國際上通用的能夠?qū)こ探逃M行質(zhì)量保證的準(zhǔn)則是工程教育認(rèn)證制度。國際上最具影響力的工程教育學(xué)位互認(rèn)協(xié)議是《華盛頓協(xié)議》[1]，成為華盛頓協(xié)議的成員國能夠在國際上實行學(xué)位互相認(rèn)定，有助于工程技術(shù)從業(yè)人員進行國際交流與合作。2006年，我國開始著手工程教育認(rèn)證工作。2016年，我國正式成為《華盛頓協(xié)議》的第18個締約國。2022年7月，中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會頒布了最新的《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》（T/CEEAA 001—2022） 。在新的通用標(biāo)準(zhǔn)中，涵蓋了工程教育認(rèn)證評價的7個指標(biāo)，分別是學(xué)生、培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求、持續(xù)改進、課程體系、師資隊伍、支持條件[2]。

軟件工程課程屬于課程體系中的專業(yè)必修課，同時支撐工程認(rèn)證培養(yǎng)方案中的畢業(yè)要求1、畢業(yè)要求4、畢業(yè)要求7、畢業(yè)要求10和畢業(yè)要求11。為了關(guān)聯(lián)軟件工程課程對畢業(yè)要求的支撐，將BOPPPS模型和CDIO工程教育模式相結(jié)合，對軟件工程課程進行創(chuàng)新與實踐研究，進一步推動工程教育認(rèn)證背景下的課程改革，為培養(yǎng)具有國際化工程能力的畢業(yè)生打好基礎(chǔ)。

1 傳統(tǒng)的軟件工程課程教學(xué)模式存在的主要問題

湖南工商大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)已是建設(shè)中的國家一流專業(yè)。該專業(yè)于2021年9月啟動工程教育認(rèn)證工作，目前已經(jīng)通過第一階段和第二階段。查閱該專業(yè)2019年的培養(yǎng)方案，軟件工程課程一共有4個學(xué)分。根據(jù)該課程支撐的畢業(yè)要求，制定了軟件工程的課程目標(biāo)，課程目標(biāo)和畢業(yè)要求指標(biāo)點如表1所示。

要實現(xiàn)表1的課程目標(biāo)，需要精心設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，評估每個環(huán)節(jié)是否能夠?qū)崿F(xiàn)課程目標(biāo)，并對畢業(yè)要求進行支撐，培養(yǎng)學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問題的能力。傳統(tǒng)的軟件工程課程教學(xué)中存在的主要問題有：1） 傳統(tǒng)的教學(xué)模式以教師為中心，課堂以教師“教”為主，難以激發(fā)學(xué)生“學(xué)”的熱情，不利于發(fā)揮學(xué)生的自主性、能動性和創(chuàng)造性。傳統(tǒng)的考核評價體系高度依賴期末考核環(huán)節(jié)，不重視學(xué)生在平時課堂和實驗中解決問題的能力反饋。2） 軟件工程課程屬于計算機科學(xué)、工程科學(xué)、管理科學(xué)等學(xué)科高度融合的交叉課程，課程的特點決定了采用單一的教學(xué)模式與單一的評價體系不利于培養(yǎng)學(xué)生的復(fù)雜工程能力。因此，結(jié)合工程教育認(rèn)證對課程體系的要求，對該課程的教學(xué)模式與教學(xué)評價體系進行改革與創(chuàng)新已勢在必行。

2 混合式教學(xué)模式的軟件工程課程教學(xué)實踐

2.1 基于BOPPPS的軟件工程課程理論體系改革研究

BOPPPS教學(xué)模型最初來自于加拿大的教師培訓(xùn)機構(gòu)[3]，該模型的主要特點是，教學(xué)過程由六個部分構(gòu)成，分別是導(dǎo)言（Bridge-in） 、學(xué)習(xí)目標(biāo)（Objective） 、前測（Pre-assessment） 、參與式學(xué)習(xí)（Participatory Learning） 、后測（Post-assessment） 和總結(jié)（Summary） 。目前已被國際上多所高校及機構(gòu)所采用，被認(rèn)為是一個能夠提高課堂效率，學(xué)生積極參與，能實現(xiàn)正反饋的教學(xué)模型[4]。

軟件工程課程的理論部分由課程教學(xué)單元構(gòu)成，采用單元大模塊教學(xué)，由導(dǎo)言、學(xué)習(xí)目標(biāo)、前測、參與式學(xué)習(xí)、后測、總結(jié)等6個環(huán)節(jié)構(gòu)成。導(dǎo)言即課程知識點的引入，形式可以豐富生動，例如可以通過視頻、講故事等形式引入知識點，使學(xué)生盡快沉浸式地進入課堂，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)習(xí)目標(biāo)的建立：通過PPT闡述課程單元的學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)內(nèi)容、對后續(xù)內(nèi)容和課程的影響作用，為后期的學(xué)習(xí)打下牢固的基礎(chǔ)。前測：通過提問或者案例討論等方式了解學(xué)生的前期知識儲備。參與式學(xué)習(xí)：在整個教學(xué)設(shè)計中占有十分重要的比重，強調(diào)學(xué)生一直是教學(xué)過程中的主角，及時了解學(xué)生對知識點的掌握程度，及時關(guān)注優(yōu)秀生、中等生及后進生的學(xué)習(xí)需求。后測：學(xué)生參與式學(xué)習(xí)的效果如何？課后檢測能起到關(guān)鍵作用，通過課后檢測發(fā)現(xiàn)學(xué)生掌握得比較好的內(nèi)容和需要進一步加強理解的內(nèi)容，是教師調(diào)整教學(xué)內(nèi)容的依據(jù)之一。課程總結(jié)：課程模塊的總結(jié)環(huán)節(jié)是課程教學(xué)環(huán)節(jié)的一部分，總結(jié)的形式可以多樣化，以教師為主體進行模塊總結(jié)，或者先以小組成員匯報，教師再做總結(jié)的方式。教師在講授的過程中突出重點和難點，在介紹技術(shù)原理的同時，兼顧技術(shù)的具體應(yīng)用，強調(diào)理論與實踐相結(jié)合?；贐OPPPS模式的教學(xué)設(shè)計如圖1所示。

以軟件測試用例設(shè)計課程單元模塊為例，BOPPPS模式的教學(xué)設(shè)計為：

1） 導(dǎo)言部分的設(shè)計。軟件測試的工具有哪些？主要應(yīng)用于系統(tǒng)測試的哪一種，每種工具應(yīng)用的優(yōu)缺點，每年測試工具的評價和排行榜分析，通過導(dǎo)言知識點的引入，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，打開了學(xué)生的眼界。

2） 學(xué)習(xí)目標(biāo)部分的設(shè)計。通過本章的學(xué)習(xí)，學(xué)生要掌握哪些測試工具和方法，如何針對具體的測試內(nèi)容選擇合適的測試工具，白盒測試法與黑盒測試法的主要區(qū)別和應(yīng)用場景分析。

3） 前測部分的設(shè)計。抽取軟件資格與水平考試中軟件工程部分的習(xí)題，重點抽取與軟件測試相關(guān)聯(lián)的試題，考察學(xué)生的課程知識儲備情況。

4） 參與式學(xué)習(xí)的設(shè)計。這個部分是整個教學(xué)設(shè)計的核心部分，根據(jù)學(xué)生的前期知識儲備，精心設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生參與整個過程的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)的形式多種多樣，可以是分組討論、教師提問式教學(xué)，學(xué)生參與式回答。

5） 后測部分的設(shè)計。將課堂中的重點知識點以問題的形式發(fā)布給學(xué)生，通過學(xué)生檢測的學(xué)情分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生知識點的掌握情況，及時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。

6） 總結(jié)部分的設(shè)計。將單元模塊知識點進行回顧與總結(jié)，總結(jié)的形式可以豐富多樣，既可以以小組匯報、教師點評的形式進行，又可以以教師為主體進行總結(jié)。通過BOPPPS教學(xué)模式六個部分的設(shè)計與實施，加強了學(xué)生的教學(xué)參與感，對單元模塊的掌握更加高效深刻。

2.2 基于CDIO模式驅(qū)動的軟件工程實驗體系改革研究

CDIO新型工程教育模式代表構(gòu)思（Conceive） 、設(shè)計（Design） 、實施（Implement） 和運行（Operate） [5]。CDIO工程教育模式的研究源于高等院校工程教育培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一和培養(yǎng)質(zhì)量參差不齊。這種模式的理念更加注重培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的能力和團隊協(xié)作能力，將工程項目劃分為四個階段，團隊成員從構(gòu)思開始進行分工，直至運行，學(xué)生參與到項目的每一個階段，在項目的實施中體驗每一個環(huán)節(jié)的過程[6-7]。

根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，將CDIO工程教育模式引入軟件工程實驗課程教學(xué)中，把實驗項目分解為構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運行四個階段，學(xué)生的能力培養(yǎng)體系由基礎(chǔ)知識能力和實踐應(yīng)用能力進行架構(gòu)，通過CDIO教學(xué)模式指導(dǎo)學(xué)生實踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)，學(xué)生根據(jù)CDIO理念來構(gòu)思、設(shè)計和實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)，逐步培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力和團隊協(xié)作能力?；贑DIO的軟件工程實驗教學(xué)環(huán)節(jié)能力培養(yǎng)體系如圖2所示。

以軟件工程實驗中繪制數(shù)據(jù)流圖為例，根據(jù)CDIO模式劃分為構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行四個階段：

1） 構(gòu)思階段。數(shù)據(jù)流圖中的數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)存儲、實體、加工元素的分析，根據(jù)“自頂向下、從左到右、由粗到細、逐步求精”的原則進行頂層數(shù)據(jù)流圖與一層數(shù)據(jù)流圖的分析，父圖與子圖平衡分析，數(shù)據(jù)流圖中數(shù)據(jù)守恒分析。

2） 設(shè)計階段。根據(jù)具體問題設(shè)計出數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)存儲、實體、加工元素，設(shè)計好頂層及各子層數(shù)據(jù)流圖，在設(shè)計的過程中遵循子圖與父圖平衡和數(shù)據(jù)流守恒的原則。

3） 實施階段。在VISIO實驗平臺上打開軟件和數(shù)據(jù)庫模板的數(shù)據(jù)流模型圖，在畫布中進行頂層和各子層數(shù)據(jù)流圖的繪制。保證數(shù)據(jù)流圖中每個加工必須既有輸入數(shù)據(jù)流，又有輸出數(shù)據(jù)流；在每個文件中既有寫文件的數(shù)據(jù)流又有讀文件的數(shù)據(jù)流。

4） 運行階段。頂層和各子層的數(shù)據(jù)流圖繪制完成后，按照數(shù)據(jù)流繪制的原則檢查數(shù)據(jù)守恒原則，加工的輸入與輸出流原則，檢查無誤后進行數(shù)據(jù)流圖的組合。

在軟件工程實驗部分，采用CDIO工程教育模式開展實驗，學(xué)生參與到每個實驗項目中的每個環(huán)節(jié)中，訓(xùn)練了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

2.3 基于CDIO模式驅(qū)動的軟件工程綜合性項目設(shè)計改革研究

在軟件工程綜合性項目實施的能力訓(xùn)練過程中，通過CDIO教學(xué)模式分解復(fù)雜的系統(tǒng)，將一個系統(tǒng)分解為構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行與測試部分，學(xué)生參與系統(tǒng)的不同階段，教師在整個分析與設(shè)計的過程中起指導(dǎo)作用，學(xué)生是系統(tǒng)設(shè)計與實施的主角。在系統(tǒng)的甄選上注重針對性和實用性，學(xué)生運用CDIO工程思維設(shè)計與實施系統(tǒng)后，能夠熟練掌握系統(tǒng)開發(fā)的流程和技術(shù)，為訓(xùn)練學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問題的能力打下堅實的基礎(chǔ)。

以課程注冊系統(tǒng)的綜合性項目設(shè)計為例，項目的可行性分析和需求分析即為項目的構(gòu)思部分，需求分析主要分析系統(tǒng)的功能需求，由用例圖進行表達，構(gòu)思用例圖的用例、參與者和關(guān)系等元素。而項目的設(shè)計部分主要進行系統(tǒng)的面向?qū)ο蟮脑O(shè)計、類設(shè)計和詳細設(shè)計。類設(shè)計主要由類圖進行表達，設(shè)計類和類之間的關(guān)系。項目的實現(xiàn)部分包括代碼設(shè)計和代碼編寫，選擇合適的語言來實現(xiàn)系統(tǒng)。項目的運行主要由單元測試、集成測試和系統(tǒng)測試來完成，每個測試類型選取的測試工具是不相同的，比如單元測試主要采用白盒測試法，而系統(tǒng)測試主要采用黑盒測試法。按照CDIO模式的四個階段完成系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)后，對項目進行質(zhì)量審查，小組成員展開討論與總結(jié)，學(xué)生參與每一個階段的工作，熟悉和掌握了各個階段的重點和難點，為將來進入職場打下堅實的基礎(chǔ)。

3 混合式教學(xué)模式在軟件工程課程教學(xué)改革中的成效

軟件工程課程的理論部分采用BOPPPS模式進行教學(xué)設(shè)計，實踐部分采用CDIO工程模式進行教學(xué)設(shè)計，依托在線課堂平臺輔助部分環(huán)節(jié)的完成。理論部分的前測和后測通過在線平臺完成，實踐部分通過在線課堂的實訓(xùn)項目實施完成。在線課堂的主要模塊有課堂測試、課后作業(yè)、編程作業(yè)、在線檢測、教學(xué)資料、視頻直播、課堂分班、在線簽到、學(xué)情統(tǒng)計。前測和后測環(huán)節(jié)由課堂測試和在線檢測完成，完成后教師根據(jù)學(xué)生的答題情況分析學(xué)生的學(xué)情，及時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。實踐部分由課后作業(yè)和編程作業(yè)支撐，教師授課的資料，包括導(dǎo)言、學(xué)習(xí)目標(biāo)、教學(xué)資料、軟件資格與水平考試測試集、實驗指導(dǎo)書等，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中可以下載資料。將實訓(xùn)項目設(shè)計為類似于游戲闖關(guān)的形式，按照CDIO模式將實訓(xùn)項目分解為不同階段的關(guān)卡，學(xué)生在通過每一個關(guān)卡后將獲得一枚勛章，學(xué)生用積累的勛章來兌換實驗成績的分?jǐn)?shù)，極大地提高了學(xué)生參與實訓(xùn)項目的積極性。教師在課前制作好實驗操作視頻，上傳到視頻直播模塊，學(xué)生在實驗操作中遇到任何問題可以通過回放視頻獲得解答。課堂分班模塊主要針對一個教師對應(yīng)同一專業(yè)多個班級進行設(shè)置。在線簽到模塊主要作用是考核學(xué)生的到課率情況。學(xué)情統(tǒng)計模塊能夠針對學(xué)生的各種檢測進行大數(shù)據(jù)學(xué)情分析，為教師及時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容給出參考意見。課程學(xué)習(xí)結(jié)束后采取多元化的考核方式進行，在考核的過程中重點考查學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，提高課堂測試、實驗報告、實驗測試等過程性考核在整個考核中的百分比。課程目標(biāo)的評價方式由期末考核和過程性考核兩部分組成，這種多元化的考核評價方式要求學(xué)生重視平時學(xué)習(xí)和實驗、實訓(xùn)的過程，而不是通過單一的期末考試來決定學(xué)生是否通過課程的評價。

采用對比研究法，選取兩個年級的樣本數(shù)據(jù)，其中一個年級采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式與傳統(tǒng)的評價方法，一個年級采用混合的教學(xué)模式與多元化評價方法，分析最終的評價數(shù)據(jù)，通過比較對照得出結(jié)論，并逐步完善創(chuàng)新模型與評價指標(biāo)體系，為下一步的課程改革實踐做出參考。兩個年級的軟件工程課程考核樣本數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2的數(shù)據(jù)得知，2023屆學(xué)生采用混合式教學(xué)方法和多元化考核模式的改革實踐后，課程目標(biāo)達成均值和平均分都有較大程度的提高，不及格率明顯下降。通過線上調(diào)查問卷方式，混合式教學(xué)方法普遍受到學(xué)生的好評，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中的參與感增強，體驗感較好，在闖關(guān)中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中成長。

4 結(jié)束語

工程教育認(rèn)證背景下對學(xué)生具有解決復(fù)雜工程能力的培養(yǎng)提出新的挑戰(zhàn)和要求，將BOPPPS和CDIO混合的教學(xué)模式應(yīng)用于軟件工程課程的教學(xué)改革，有效地推動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了學(xué)生解決實際工程問題的能力，較好地提升了課程的考核結(jié)果。下一步將依托課程的持續(xù)改進，進一步完善在線課堂的建設(shè)，進一步提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】