理工科C程序設(shè)計的CDIO教育模式
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［摘要］“C程序設(shè)計”是培養(yǎng)理工科學(xué)生計算機應(yīng)用能力的重要基礎(chǔ)課程。通過分析該課程結(jié)合CDIO工程教育理念，從教學(xué)大綱、教學(xué)計劃、教學(xué)模式和考核機制等方面進行改革的現(xiàn)狀，提出CDIO教育模式能有效提高應(yīng)用型本科院校理工科學(xué)生培養(yǎng)效果。
［關(guān)鍵詞］CDIO；C程序設(shè)計；教學(xué)改革
隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”概念的提出，計算機科學(xué)與其他學(xué)科之間的融合日益加深，高校理工科（非計算機專業(yè)）的學(xué)生必須要掌握計算機學(xué)科的基礎(chǔ)專業(yè)知識?！癈程序設(shè)計”以語言為載體，使學(xué)生了解程序和指令的關(guān)系，認(rèn)識程序設(shè)計語言的功能，掌握程序設(shè)計語言數(shù)據(jù)表達和流程控制的方法，是培養(yǎng)理工科學(xué)生計算機應(yīng)用能力的重要入門課程。通過學(xué)習(xí)“C程序設(shè)計”課程，學(xué)生能理解計算機的思維，掌握編程思想，具備基本的程序設(shè)計能力，為所學(xué)專業(yè)的計算機應(yīng)用創(chuàng)造訓(xùn)練和應(yīng)用的條件〔1〕。基于此，理工科的“C程序設(shè)計”教學(xué)過程應(yīng)該有別于計算機專業(yè)〔2-3〕，如何進行該課程的教學(xué)改革是值得思考和探究的問題。
1.1教學(xué)現(xiàn)狀分析1.1.1重理論，輕實踐目前理工科“C程序設(shè)計”大都存在“重理論，輕實踐”的現(xiàn)象，教師花費大量的課堂教學(xué)時間用“滿堂灌”的方法教授語言的語法和細節(jié)，只用少量的實驗學(xué)時進行實踐訓(xùn)練，學(xué)生上課的時候能聽懂，下課后卻不會編程。導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，教學(xué)效果不佳。1.1.2實驗項目題目固定，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)以往實驗項目的題目都是固定的，大部分是簡單的驗證性實驗，老師已經(jīng)把題目擬好、步驟做好，學(xué)生只需要照著指導(dǎo)書一步一步完成即可。這些實驗題目數(shù)量偏少，題目均來源于教材例題或習(xí)題，缺少創(chuàng)新，更沒有學(xué)生自主思維的時間，導(dǎo)致學(xué)生的創(chuàng)新能力和自主思維能力得不到培養(yǎng)，編程能力得不到提升。1.1.3由計算機專業(yè)的教師授課，與本專業(yè)的知識脫節(jié)計算機教師對其他理工科的人才培養(yǎng)體系了解甚少，一般都采用計算機專業(yè)的教學(xué)思路教學(xué)，無法滿足這些專業(yè)對“C程序設(shè)計”的特殊要求，課程很難與這些專業(yè)的后繼課程相結(jié)合。學(xué)生在學(xué)習(xí)的時候感覺與專業(yè)無關(guān)，不愿意學(xué)。1.1.4期末考核方式單一理工科“C程序設(shè)計”期末考試以閉卷考查理論為主，忽略對學(xué)生實踐能力的考核。導(dǎo)致學(xué)生為了應(yīng)付考試，只重視概念、原理和模式化的題型，而缺乏項目開發(fā)素養(yǎng)和編程技能。1.2CDIO教育理念CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate），它是近年來國際工程教育改革提出的工程教育模式，它提出以產(chǎn)品研發(fā)到運行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程的理論、技術(shù)和經(jīng)驗〔4〕。自2000年起，麻省理工學(xué)院（MIT）和瑞典皇家工學(xué)院等4所大學(xué)組成的跨國研究組織，經(jīng)過4年的探索研究，創(chuàng)立了CDIO工程教育理念。CDIO教育理念更注重理論和實踐相結(jié)合，實踐重于理論，從做中學(xué)，以項目導(dǎo)向為主線，在項目實施的過程中，培養(yǎng)人才的合作與溝通、創(chuàng)新和決策的能力〔5〕。CDIO模式的大工程理念、強調(diào)對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)、密切聯(lián)系產(chǎn)業(yè)等特點，都對我國的工程教育有較好的啟示和借鑒作用，并在我國工程教育界產(chǎn)生了很大的反響，汕頭大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)等率先進行了CDIO工程教育改革，并取得了較好的成效。目前，已有很多高校參與到CDIO工程教育改革之中〔6-7〕。針對理工科“C程序設(shè)計”的教學(xué)現(xiàn)狀和存在的問題，探索以CDIO教育理念為指導(dǎo)，以“提高課堂教學(xué)質(zhì)量和效果，加強學(xué)生的實踐動手能力”作為突破口，讓學(xué)生在做中學(xué)，目的是充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生用計算機解決本專業(yè)問題的能力，提高和增強學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。
2課程的建設(shè)和改革
2.1教師隊伍建設(shè)教師是教學(xué)活動的主要組成部分，CDIO模式要求教師具有較好的工程實踐能力，認(rèn)真負責(zé)的教育教學(xué)態(tài)度，不斷更新專業(yè)知識和創(chuàng)新的精神。經(jīng)過多年的教學(xué)實踐，形成了由6名教師組成的“C程序設(shè)計”課程授課團隊，其中副教授4人，講師2人；2名博士研究生，4名碩士研究生。團隊教師承擔(dān)課程的課堂教學(xué)和實踐教學(xué)，在保證各項教學(xué)工作順利進行的過程中，各位教師表現(xiàn)出較強的團隊精神和良好的敬業(yè)精神，按質(zhì)按量完成了每年的教學(xué)任務(wù)，并形成了一個具有很強凝聚力的團結(jié)向上的集體。教學(xué)團隊抓住北京大學(xué)信息學(xué)院對口幫扶支援的契機，積極向北京大學(xué)相關(guān)課程的教師請教教學(xué)經(jīng)驗和教學(xué)方法；在北京大學(xué)老師的指導(dǎo)下，結(jié)合本校理工科學(xué)生的生源、教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)資源的實際情況，融入CDIO工程教育理念，重新修訂理工科的“C程序設(shè)計”課程的教學(xué)計劃、理論教學(xué)大綱和實驗教學(xué)大綱。團隊教師還到北京大學(xué)參加培訓(xùn)和進修學(xué)習(xí)，體驗北京大學(xué)CDIO教學(xué)理念的教學(xué)思想和教學(xué)過程，教師的水平得到提高，課程的建設(shè)和改革有了很好的借鑒平臺。2.2理論教學(xué)改革在這樣一個信息化和多元化的時代，學(xué)生掌握知識的渠道多種多樣，學(xué)生的心理和學(xué)習(xí)習(xí)慣也各有各的特點，在“C程序設(shè)計”課程的教學(xué)中，采用自主學(xué)習(xí)和課堂教學(xué)相結(jié)合，注重激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性，積極探索基于項目導(dǎo)向的教學(xué)方法，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使用CDIO教育理念中“學(xué)習(xí)—指導(dǎo)—實踐—反饋”的方法，使學(xué)生最大限度地參與到課堂教學(xué)中來，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力〔8〕。2.2.1自主學(xué)習(xí)和課堂教學(xué)相結(jié)合雖然現(xiàn)在中小學(xué)都在上信息技術(shù)課程，但是該課程只要求學(xué)生掌握基本的應(yīng)用計算機的能力，學(xué)生對計算機的工作原理、程序和指令等基礎(chǔ)知識幾乎沒什么認(rèn)識，因此課程開課以前，教師先把北京大學(xué)MOOC課程（MassiveOpenOnlineCourse）“計算概論”中感性認(rèn)識計算機的部分作為假期作業(yè)布置給學(xué)生，學(xué)生既可以看視頻，也可以上網(wǎng)在華文MOOC網(wǎng)站上跟著老師學(xué)習(xí)，這種結(jié)合信息化時代的方式，充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。團隊教師積極探索討論式學(xué)習(xí)和研究型學(xué)習(xí)的課堂教學(xué)方法，在上課以前先布置學(xué)生看視頻，課堂上老師先做課堂測試，并記錄課堂測試的結(jié)果。了解學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)的效果，針對普遍難理解的知識點進行重點教學(xué)或者進行誘導(dǎo)性的討論，活躍教學(xué)氣氛，把課堂還給學(xué)生，體現(xiàn)了以學(xué)生為主體的課堂教學(xué)模式。2.2.2基于項目導(dǎo)向的教學(xué)方法在CDIO教育模式的指導(dǎo)下，在課堂教學(xué)中一改以往只重視教授語言的語法細節(jié)、老師“滿堂灌”的教學(xué)方法，而是把語法的使用貫穿在項目當(dāng)中，學(xué)生既了解了項目開發(fā)的過程，又掌握了編程思想，還培養(yǎng)了自主思維的能力。例如，在教授變量的定義、數(shù)據(jù)類型和3種基本結(jié)構(gòu)之前，教師先把學(xué)生成績分析系統(tǒng)設(shè)計這個項目的要求提出來，然后按照“構(gòu)思—設(shè)計—實踐—反饋—指導(dǎo)—運作”的流程帶領(lǐng)學(xué)生完成。在構(gòu)思階段，就會涉及到變量的定義和數(shù)據(jù)類型的概念；在設(shè)計階段，就會遇到3種控制結(jié)構(gòu)的使用；而在實踐中遇到的問題又會反饋到課堂教學(xué)中學(xué)習(xí)；通過教師的講授和指導(dǎo)，最后完成了系統(tǒng)的設(shè)計。在這個過程中，學(xué)生參與了項目運作的過程，學(xué)會了如何把從書上學(xué)到的知識用于解決實際問題，培養(yǎng)了實踐動手能力，充分體現(xiàn)了CDIO教育理念。2.3實踐教學(xué)建設(shè)與改革2.3.1建立實驗助手制度一名教師要完成指導(dǎo)50名左右學(xué)生的任務(wù)，通常的做法是教師布置好實驗課題目就任由學(xué)生參考實驗指導(dǎo)書自習(xí)。即使有幾個提問的學(xué)生，教師往往也只能應(yīng)付一二，不能完全解答；或者為了減少學(xué)生出現(xiàn)問題的幾率，老師把題目講解一遍，再把實現(xiàn)的過程一步一步地演示給大家，學(xué)生只需要按部就班地照著做就行了，這意味著老師占用了大半的實驗課時間進行講解和演示，學(xué)生的實踐訓(xùn)練時間大打折扣，還限制了學(xué)生的思維，效果可想而知。如果學(xué)生在實驗過程中遇到問題無法解決又沒有得到及時有效的輔導(dǎo)，就會挫傷學(xué)習(xí)積極性，無法達到好的學(xué)習(xí)效果。為了解決實驗課班額過大、輔導(dǎo)教師不夠這個問題，建立了實驗助手的實驗輔導(dǎo)制度。在班上優(yōu)選出學(xué)習(xí)能力強、學(xué)習(xí)積極性高的兩到三名學(xué)生，教師對其進行全程輔導(dǎo)，讓他們提前學(xué)習(xí)和完成實驗內(nèi)容，提示性地說出實驗過程中會出現(xiàn)的問題要如何解答，最終讓他們參與到實驗課的指導(dǎo)中。這種實驗助手的培養(yǎng)方式不僅解決了教師人手不夠的問題，而且這些實驗助手對知識的認(rèn)知和理解會得到更大的提升。2.3.2引入自主學(xué)習(xí)開放性實驗測試平臺“C程序設(shè)計”是一門實踐性非常強的課程，實踐即技能，學(xué)生在掌握知識的過程中，重復(fù)的技能訓(xùn)練顯得更加的重要〔9-10〕。教學(xué)團隊引入了北京大學(xué)的開放性實驗測試平臺OpenJudge，教師可以在這個平臺自主設(shè)計開放性實驗。這些實驗題目緊緊圍繞學(xué)生的生活和專業(yè)展開，不會重復(fù)，完成后上傳測試即可以看到結(jié)果。例如在進行基礎(chǔ)編程練習(xí)的時候，針對生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，會設(shè)置類似細菌的戰(zhàn)爭這樣的題目，而電氣自動化專業(yè)的學(xué)生要完成的是錯誤探測等類似的練習(xí)。還可以和同學(xué)進行比賽，可以看到其他同學(xué)的完成情況。教師在平臺上監(jiān)測每個學(xué)生自主學(xué)習(xí)的情況和效果。經(jīng)過一段課程的學(xué)習(xí)之后，要求學(xué)生進入這個實驗平臺進行開放性實驗。學(xué)生對于這種開放性實驗題目的完成熱情很高，并且認(rèn)識到如何用計算機解決本專業(yè)的問題。因此，通過引入這個開放性實驗測試平臺，使學(xué)生的編程技能得到有效的訓(xùn)練，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，極大提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。2.3.3課程設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作和溝通能力是CDIO教育理念的一個方面〔5〕，因此在基礎(chǔ)實驗的后面增加了課程設(shè)計，全班學(xué)生被分成若干個項目小組，每組3~4人，項目組按要求進行構(gòu)思并共同商討設(shè)計思路，由小組長組織分工，同學(xué)之間互相學(xué)習(xí)，討論溝通，協(xié)助完成。在整個課程設(shè)計過程中，學(xué)生在完成自己負責(zé)的模塊的同時，還需要不斷地參與討論和設(shè)計其他同學(xué)的模塊，通過這種方式使學(xué)生切身體會到團隊協(xié)作的重要性，鍛煉了溝通能力，體現(xiàn)了CDIO工程教育理念的核心內(nèi)容。2.4課程考核方式改革以往“C程序設(shè)計”的考核方式是以期末閉卷理論考試為主，忽略實踐能力，其中：期末考試成績占70%，平時成績占30%（考勤10%+作業(yè)10%+實驗報告10%）。學(xué)習(xí)“C程序設(shè)計”的目的最終是編程實踐能力的培養(yǎng)，因此修改了考核機制，提高了實踐考核的比重，加入了自主學(xué)習(xí)的考核，加強過程性評價的比例，降低期末考試筆試的比重：期末總成績=自主學(xué)習(xí)的效果（20%）+課堂表現(xiàn)（20%）+實驗成績（20%）+期末成績（40%）。此考核方案在具體的執(zhí)行過程中可以根據(jù)實際情況做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，還可以加大對編程實踐考核的力度，以達到培養(yǎng)學(xué)生編程能力、工程能力和創(chuàng)新能力的目的。
3建設(shè)與改革成效
在這個建設(shè)和改革的探索過程中，團隊教師積極了解國內(nèi)外專業(yè)教育的最新動態(tài)，在學(xué)習(xí)本學(xué)科最新研究成果和實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，充分利用豐富的教育資源大規(guī)模在線開放課程MOOC和現(xiàn)代化的教學(xué)手段和工具，不斷更新和豐富課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，最后在教學(xué)資源建設(shè)、教學(xué)方法和課程改革等多方面取得了很好的成績。在教學(xué)資料庫建設(shè)方面，團隊教師完成了理工科“C程序設(shè)計”教學(xué)大綱、課件和實驗指導(dǎo)的修訂，并完成了習(xí)題庫和試題庫的建設(shè)；在教學(xué)改革與研究效果方面，團隊教師近兩年內(nèi)在中文核心期刊公開發(fā)表了3篇有關(guān)教學(xué)改革和教學(xué)研究的論文；在申請教改項目方面，申請并獲批了兩項大理大學(xué)的教育教學(xué)改革項目，一項“C程序設(shè)計”雙語教學(xué)項目；在教師獲獎方面，一位教師的教學(xué)課件在學(xué)校的課件比賽中榮獲特等獎，團隊教師指導(dǎo)學(xué)生在藍橋杯全國軟件和信息技術(shù)專業(yè)人才大賽中榮獲國家三等獎、全國計算機設(shè)計大賽獲國家二等獎。學(xué)生的學(xué)習(xí)效果方面，以下表1是2016級6個班期末成績平均分的對比。從表中可以看出，采用CDIO教育模式教學(xué)使學(xué)生的學(xué)習(xí)成績得到提高，學(xué)習(xí)效果顯著。前3個班的學(xué)生有48人次參加全國計算機等級（二級C）考試，有7人通過考試取得合格證。參考人數(shù)和過級人數(shù)比以往都有明顯增加。2017年僅有計算機專業(yè)5個學(xué)生參加了藍橋杯大賽，取得1個一等獎、1個二等獎和2個三等獎，經(jīng)過教學(xué)改革后，2018年有計算機、統(tǒng)計學(xué)、信息與計算科學(xué)、數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)等不同專業(yè)的19個學(xué)生參加了比賽，并取得了1個一等獎、4個二等獎、7個三等獎的好成績。綜上，為了適應(yīng)信息化時代對應(yīng)用型人才和復(fù)合型人才的需求〔11〕，對理工科的“C程序設(shè)計”課程進行了建設(shè)和改革探索，在探索過程中，體現(xiàn)了把課堂還給學(xué)生、學(xué)生自主學(xué)習(xí)和課堂教學(xué)相融合的精神，引入CDIO工程教育理念，使理論和實踐并重，加強學(xué)生實踐能力的訓(xùn)練，以項目為導(dǎo)向，使學(xué)生在做中學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作精神和合作能力、創(chuàng)新能力。實踐表明，這種教學(xué)方式能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性，開闊學(xué)生的創(chuàng)新視野，使其團隊合作能力和綜合素質(zhì)等得到提高，同時也增強了自信心和責(zé)任感。
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作者:張曉玲 趙榆琴 蘇鵬 楊健 單位:大理大學(xué)數(shù)學(xué)與計算機學(xué)院