理工科C程序設(shè)計(jì)的CDIO教育模式
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［摘要］“C程序設(shè)計(jì)”是培養(yǎng)理工科學(xué)生計(jì)算機(jī)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(jì)劃、教學(xué)模式和考核機(jī)制等方面進(jìn)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(jì)；教學(xué)改革
隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”概念的提出，計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)專業(yè)）的學(xué)生必須要掌握計(jì)算機(jī)學(xué)科的基礎(chǔ)專業(yè)知識?！癈程序設(shè)計(jì)”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(jì)語言的功能，掌握程序設(shè)計(jì)語言數(shù)據(jù)表達(dá)和流程控制的方法，是培養(yǎng)理工科學(xué)生計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力的重要入門課程。通過學(xué)習(xí)“C程序設(shè)計(jì)”課程，學(xué)生能理解計(jì)算機(jī)的思維，掌握編程思想，具備基本的程序設(shè)計(jì)能力，為所學(xué)專業(yè)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用創(chuàng)造訓(xùn)練和應(yīng)用的條件〔1〕?；诖耍砉た频摹癈程序設(shè)計(jì)”教學(xué)過程應(yīng)該有別于計(jì)算機(jī)專業(yè)〔2-3〕，如何進(jìn)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(shí)踐目前理工科“C程序設(shè)計(jì)”大都存在“重理論，輕實(shí)踐”的現(xiàn)象，教師花費(fèi)大量的課堂教學(xué)時(shí)間用“滿堂灌”的方法教授語言的語法和細(xì)節(jié)，只用少量的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練，學(xué)生上課的時(shí)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目題目固定，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)以往實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的題目都是固定的，大部分是簡單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)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(shí)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(jì)算機(jī)專業(yè)的教師授課，與本專業(yè)的知識脫節(jié)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)”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(shí)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(jì)”期末考試以閉卷考查理論為主，忽略對學(xué)生實(shí)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(xiàng)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(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)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(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實(shí)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(yàn)〔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(shí)踐相結(jié)合，實(shí)踐重于理論，從做中學(xué)，以項(xiàng)目導(dǎo)向?yàn)橹骶€，在項(xiàng)目實(shí)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(qiáng)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(diǎn)，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(jìn)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(jì)”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(qiáng)學(xué)生的實(shí)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(jì)算機(jī)解決本專業(yè)問題的能力，提高和增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。
2課程的建設(shè)和改革
2.1教師隊(duì)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(shí)踐能力，認(rèn)真負(fù)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(shí)踐，形成了由6名教師組成的“C程序設(shè)計(jì)”課程授課團(tuán)隊(duì)，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(tuán)隊(duì)教師承擔(dān)課程的課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)，在保證各項(xiàng)教學(xué)工作順利進(jìn)行的過程中，各位教師表現(xiàn)出較強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)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(gè)具有很強(qiáng)凝聚力的團(tuán)結(jié)向上的集體。教學(xué)團(tuán)隊(duì)抓住北京大學(xué)信息學(xué)院對口幫扶支援的契機(jī)，積極向北京大學(xué)相關(guān)課程的教師請教教學(xué)經(jīng)驗(yàn)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(shí)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(jì)”課程的教學(xué)計(jì)劃、理論教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱。團(tuán)隊(duì)教師還到北京大學(xué)參加培訓(xùn)和進(jìn)修學(xué)習(xí)，體驗(yàn)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(gè)信息化和多元化的時(shí)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(diǎn)，在“C程序設(shè)計(jì)”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(xiàng)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(shí)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(jì)算機(jī)的能力，學(xué)生對計(jì)算機(jī)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(jì)算概論”中感性認(rèn)識計(jì)算機(jī)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(shí)代的方式，充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。團(tuán)隊(duì)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(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)教學(xué)或者進(jìn)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(xiàng)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(xì)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(xiàng)目當(dāng)中，學(xué)生既了解了項(xiàng)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(jì)這個(gè)項(xiàng)目的要求提出來，然后按照“構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)踐—反饋—指導(dǎo)—運(yùn)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(jì)階段，就會遇到3種控制結(jié)構(gòu)的使用；而在實(shí)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(jì)。在這個(gè)過程中，學(xué)生參與了項(xiàng)目運(yùn)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(shí)際問題，培養(yǎng)了實(shí)踐動手能力，充分體現(xiàn)了CDIO教育理念。2.3實(shí)踐教學(xué)建設(shè)與改革2.3.1建立實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)課題目就任由學(xué)生參考實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書自習(xí)。即使有幾個(gè)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(shí)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(shí)驗(yàn)課時(shí)間進(jìn)行講解和演示，學(xué)生的實(shí)踐訓(xùn)練時(shí)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(shí)驗(yàn)過程中遇到問題無法解決又沒有得到及時(shí)有效的輔導(dǎo)，就會挫傷學(xué)習(xí)積極性，無法達(dá)到好的學(xué)習(xí)效果。為了解決實(shí)驗(yàn)課班額過大、輔導(dǎo)教師不夠這個(gè)問題，建立了實(shí)驗(yàn)助手的實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)制度。在班上優(yōu)選出學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、學(xué)習(xí)積極性高的兩到三名學(xué)生，教師對其進(jìn)行全程輔導(dǎo)，讓他們提前學(xué)習(xí)和完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提示性地說出實(shí)驗(yàn)過程中會出現(xiàn)的問題要如何解答，最終讓他們參與到實(shí)驗(yàn)課的指導(dǎo)中。這種實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測試平臺“C程序設(shè)計(jì)”是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，實(shí)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(tuán)隊(duì)引入了北京大學(xué)的開放性實(shí)驗(yàn)測試平臺OpenJudge，教師可以在這個(gè)平臺自主設(shè)計(jì)開放性實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)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(jìn)行基礎(chǔ)編程練習(xí)的時(shí)候，針對生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，會設(shè)置類似細(xì)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(cuò)誤探測等類似的練習(xí)。還可以和同學(xué)進(jìn)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(gè)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(jìn)入這個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行開放性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生對于這種開放性實(shí)驗(yàn)題目的完成熱情很高，并且認(rèn)識到如何用計(jì)算機(jī)解決本專業(yè)的問題。因此，通過引入這個(gè)開放性實(shí)驗(yàn)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(jì)培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作和溝通能力是CDIO教育理念的一個(gè)方面〔5〕，因此在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的后面增加了課程設(shè)計(jì)，全班學(xué)生被分成若干個(gè)項(xiàng)目小組，每組3~4人，項(xiàng)目組按要求進(jìn)行構(gòu)思并共同商討設(shè)計(jì)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(gè)課程設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生在完成自己負(fù)責(zé)的模塊的同時(shí)，還需要不斷地參與討論和設(shè)計(jì)其他同學(xué)的模塊，通過這種方式使學(xué)生切身體會到團(tuán)隊(duì)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(jì)”的考核方式是以期末閉卷理論考試為主，忽略實(shí)踐能力，其中：期末考試成績占70%，平時(shí)成績占30%（考勤10%+作業(yè)10%+實(shí)驗(yàn)報(bào)告10%）。學(xué)習(xí)“C程序設(shè)計(jì)”的目的最終是編程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，因此修改了考核機(jī)制，提高了實(shí)踐考核的比重，加入了自主學(xué)習(xí)的考核，加強(qiáng)過程性評價(jià)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(shí)驗(yàn)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(shí)際情況做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，還可以加大對編程實(shí)踐考核的力度，以達(dá)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(gè)建設(shè)和改革的探索過程中，團(tuán)隊(duì)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)教師完成了理工科“C程序設(shè)計(jì)”教學(xué)大綱、課件和實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)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(xiàng)目方面，申請并獲批了兩項(xiàng)大理大學(xué)的教育教學(xué)改革項(xiàng)目，一項(xiàng)“C程序設(shè)計(jì)”雙語教學(xué)項(xiàng)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(tuán)隊(duì)教師指導(dǎo)學(xué)生在藍(lán)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(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)班的學(xué)生有48人次參加全國計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)專業(yè)5個(gè)學(xué)生參加了藍(lán)橋杯大賽，取得1個(gè)一等獎、1個(gè)二等獎和2個(gè)三等獎，經(jīng)過教學(xué)改革后，2018年有計(jì)算機(jī)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、信息與計(jì)算科學(xué)、數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等不同專業(yè)的19個(gè)學(xué)生參加了比賽，并取得了1個(gè)一等獎、4個(gè)二等獎、7個(gè)三等獎的好成績。綜上，為了適應(yīng)信息化時(shí)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(jì)”課程進(jìn)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(shí)踐并重，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力的訓(xùn)練，以項(xiàng)目為導(dǎo)向，使學(xué)生在做中學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和合作能力、創(chuàng)新能力。實(shí)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(tuán)隊(duì)合作能力和綜合素質(zhì)等得到提高，同時(shí)也增強(qiáng)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(jì)算機(jī)學(xué)院