在云計(jì)算環(huán)境下基于CDIO思想的自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究

孫偉 馬永強(qiáng) 賀志宇

（集寧師范學(xué)院計(jì)算機(jī)系，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

在云計(jì)算環(huán)境下基于CDIO思想的自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究

孫偉 馬永強(qiáng) 賀志宇

（集寧師范學(xué)院計(jì)算機(jī)系，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

該文分析了我國(guó)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，介紹了CDIO工程教育理念，嘗試將CDIO工程教育理念利用RPG游戲的方式引入到傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)上為學(xué)生營(yíng)造一個(gè)虛擬的項(xiàng)目學(xué)習(xí)空間，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的“玩中學(xué)”。本文最后給出了使用Google App Engine和Flex技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的方案，嘗試找出了一種更適合當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式。

CDIO；云計(jì)算；自主學(xué)習(xí)平臺(tái)；RPG游戲

引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，信息技術(shù)不斷的改變著人們的生活方式。在這樣的時(shí)代背景下，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教育得到了高速的發(fā)展并取得令人矚目的成績(jī)，各高校和社會(huì)教育機(jī)構(gòu)把大量的資源投入到了網(wǎng)絡(luò)教育平臺(tái)建設(shè)中，各類(lèi)遠(yuǎn)程教育網(wǎng)站、在線學(xué)習(xí)平臺(tái)層出不窮。這些網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的出現(xiàn)改變了人們的學(xué)習(xí)習(xí)慣，以用戶為中心定制的多樣化學(xué)習(xí)方式，突破了傳統(tǒng)課堂教學(xué)的時(shí)空界限，擴(kuò)大了教育的范圍，為全民的終身教育搭建了另一個(gè)的平臺(tái)[1]

網(wǎng)絡(luò)教育與傳統(tǒng)教學(xué)相比有許多優(yōu)勢(shì)，也存在許多不足。

首先，網(wǎng)絡(luò)教育理念落后，沒(méi)有完善的教學(xué)體系。當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實(shí)際上是傳統(tǒng)課堂教學(xué)在網(wǎng)絡(luò)上的延續(xù)，教學(xué)的內(nèi)容和教學(xué)方法與傳統(tǒng)課堂教學(xué)基本一致，主要是采用以課程為單位的教學(xué)內(nèi)容講義和教學(xué)視頻的展示，在時(shí)空分離的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下這種單向的知識(shí)傳播方式因?yàn)槿狈τ行У募?lì)手段很容易讓學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒。同時(shí)由于缺乏有效的交流，學(xué)生的實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力得不到應(yīng)有的鍛煉。

其次，網(wǎng)絡(luò)教育資源雖然豐富但同質(zhì)化嚴(yán)重。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展帶來(lái)了豐富的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，但是這些資源在內(nèi)容上千篇一律，缺乏精品。這些資源缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法共享，造成了大量的浪費(fèi)。

最后，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式?jīng)]有充分利用軟硬件技術(shù)發(fā)展帶來(lái)的便利。當(dāng)前大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)采用的都是B/S設(shè)計(jì)模式，這種模式主要采用文字、圖片和視頻來(lái)展示信息，其表現(xiàn)手段和交互方式單一，將業(yè)務(wù)邏輯集中在服務(wù)端，無(wú)法充分的發(fā)揮客戶端的軟硬件資源。

然而以云計(jì)算和富客戶端為代表的新一代的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)為探索全新網(wǎng)絡(luò)教育模式提供了可能。

1、CDIO工程教育模式簡(jiǎn)介

CDIO（Conceive——構(gòu)思，Design——設(shè)計(jì)，Implement——實(shí)施，Operate——運(yùn)行）是由MIT（麻省理工學(xué)院） 和瑞典皇家工程學(xué)院在Wallenburg基金會(huì)資助下，通過(guò)幾年的探索、研究和實(shí)驗(yàn)，在2004年創(chuàng)立的。CDIO教育模式是以產(chǎn)品、過(guò)程和系統(tǒng)的構(gòu)造、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行整個(gè)生命周期為背景的教育理念為載體，以CDIO教學(xué)大綱標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，使學(xué)生通過(guò)主動(dòng)的、實(shí)踐的、全局聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)并且獲得工程實(shí)踐能力。包括個(gè)人的知識(shí)、技術(shù)、終身學(xué)習(xí)、相互交流和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，以及適應(yīng)社會(huì)和企業(yè)環(huán)境下開(kāi)發(fā)產(chǎn)品和系統(tǒng)的能力。

2、CDIO與自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的整合

CDIO工程教育思想包括 12條標(biāo)準(zhǔn)：以CDIO為基本環(huán)境、學(xué)習(xí)目標(biāo)、一體化教學(xué)計(jì)劃、工程導(dǎo)論、設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)、工程實(shí)踐場(chǎng)所、綜合性學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)、主動(dòng)學(xué)習(xí)、教師能力的提升、教師教學(xué)能力的提高、學(xué)生考核、專(zhuān)業(yè)評(píng)估。

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與傳統(tǒng)課題教學(xué)有顯著的不同，將CDIO思想引入到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過(guò)程中應(yīng)靈活的理解這12條標(biāo)準(zhǔn)。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，教師因素被弱化，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的因素被放大，可以充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)為學(xué)生創(chuàng)作一個(gè)良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，充分激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)熱情，彌補(bǔ)因?yàn)槿狈τ行У膸熒g以及同學(xué)之間的交流而產(chǎn)生的孤獨(dú)感，同時(shí)為保障學(xué)習(xí)的效果還要引入合理的評(píng)價(jià)和激勵(lì)機(jī)制。

本次研究以軟件工程課程為例，建立了一個(gè)軟件工程自主學(xué)習(xí)平臺(tái)，該平臺(tái)以學(xué)生們比較感興趣的RPG（角色扮演游戲）網(wǎng)絡(luò)游戲?yàn)榍腥朦c(diǎn)，將CIDO工程教育中的“做中學(xué)”理念通過(guò)游戲?qū)崿F(xiàn)“玩中學(xué)”。

3、游戲的設(shè)計(jì)

3.1 游戲設(shè)計(jì)理念

學(xué)習(xí)平臺(tái)中的游戲是CDIO工程項(xiàng)目的載體，它必須包括一個(gè)項(xiàng)目完整的生命周期。研究人員首先挑選了一個(gè)規(guī)模適中的采用面向過(guò)程設(shè)計(jì)的軟件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目案例，然后把這個(gè)軟件開(kāi)發(fā)案例作為故事背景改編成RPG游戲。游戲以軟件開(kāi)發(fā)的生命周期為主線，將不同的開(kāi)發(fā)階段設(shè)定為游戲的關(guān)卡，在每個(gè)關(guān)卡內(nèi)打破不同課程的界限將軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中在該階段所需的知識(shí)以任務(wù)的方式組織在一起。將軟件知識(shí)巧妙的安排在游戲任務(wù)中，使學(xué)生在游戲的過(guò)程中既學(xué)到了知識(shí)又掌握這些知識(shí)在真實(shí)工程情景中的應(yīng)用。

3.2 游戲的背景和任務(wù)設(shè)計(jì)

游戲故事的背景是圍繞著一個(gè) “君莫笑”的某大學(xué)計(jì)算機(jī)系大三學(xué)生為了幫助爺爺擺脫經(jīng)營(yíng)困境，走上軟件開(kāi)發(fā)之路的故事。游戲按照軟件工程思想劃分成可行性分析、需求分析、軟件設(shè)計(jì)、代碼編寫(xiě)、測(cè)試、運(yùn)行6個(gè)關(guān)卡。游戲中還設(shè)置了許多團(tuán)隊(duì)任務(wù)，通過(guò)這些團(tuán)隊(duì)任務(wù)培養(yǎng)學(xué)生的溝通和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。游戲的部分任務(wù)流程如圖1所示：

3.3 游戲的激勵(lì)機(jī)制

為了增加游戲的趣味性、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在游戲中引入了等級(jí)系統(tǒng)、裝備系統(tǒng)、交易系統(tǒng)以及成就系統(tǒng)。[2]

等級(jí)系統(tǒng)，通過(guò)等級(jí)系統(tǒng)可以控制玩家的等級(jí)。更高的等級(jí)可以獲得更好的裝備、更為豐富的任務(wù)獎(jiǎng)勵(lì)。另外，通過(guò)等級(jí)系統(tǒng)還可以控制任務(wù)的解鎖，控制玩家的任務(wù)順序，確保學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的順序和連貫性。

裝備系統(tǒng)，游戲中的裝備不僅可以為玩家角色提供基本攻防屬性游戲還可以提供許多稀有技能 （如選擇題免答權(quán)等）。裝備分為白色裝備（普通裝備）、藍(lán)色裝備（精品裝備）、紫色裝備（稀有裝備）以及綠色裝備（套裝）。

交易系統(tǒng)，通過(guò)交易系統(tǒng)玩家之間可以交易道具，增加有效的可玩性以及玩家之間的互動(dòng)。成就系統(tǒng)，通過(guò)成就系統(tǒng)確保學(xué)生完成任務(wù)的質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果。例如，當(dāng)玩家在某個(gè)過(guò)關(guān)答題正確率超過(guò)95%時(shí)會(huì)獲得“答題小超人”成就。

3.4 學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)

在每個(gè)關(guān)卡的關(guān)底設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，測(cè)試結(jié)果與游戲的成就系統(tǒng)、道具系統(tǒng)和虛擬貨幣等激勵(lì)機(jī)制結(jié)合在一起，以提高游戲的可玩性和學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。例如，學(xué)生在“需求分析”關(guān)卡的關(guān)底通過(guò)了測(cè)試，成績(jī)?cè)?0以上并在自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的互動(dòng)學(xué)習(xí)社區(qū)上傳自己的需求規(guī)格說(shuō)明書(shū)同時(shí)完成對(duì)5名其他同學(xué)的需求規(guī)格說(shuō)明書(shū)進(jìn)行評(píng)價(jià)后就可以獲得特殊成就稱(chēng)號(hào)“需求達(dá)人”。 學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)需要采用網(wǎng)上學(xué)習(xí)與網(wǎng)下實(shí)踐結(jié)合的方式培養(yǎng)，在游戲中通過(guò)成就系統(tǒng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行線下實(shí)踐活動(dòng)并將實(shí)踐結(jié)果上傳到自主學(xué)習(xí)平臺(tái)上，并積極的對(duì)其它學(xué)生的作品進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。

圖1 游戲任務(wù)流程圖

3.5 學(xué)習(xí)過(guò)程

玩家通過(guò)游戲任務(wù)介紹學(xué)習(xí)項(xiàng)目中的每個(gè)知識(shí)點(diǎn)，當(dāng)玩家在任務(wù)中遇到無(wú)法理解的知識(shí)點(diǎn)或者知識(shí)應(yīng)用時(shí)，玩家可以通過(guò)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)提供的在線資料中心學(xué)習(xí)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。玩家完成一個(gè)大的關(guān)卡（軟件開(kāi)發(fā)階段）時(shí)，游戲會(huì)通過(guò)測(cè)試考核玩家的知識(shí)掌握情況。同時(shí)，玩家還需要向互動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)上傳該關(guān)卡的文檔資料（例如程序代碼等），只有獲得老師和其他玩家的肯定后，玩家才能獲得關(guān)卡的獎(jiǎng)勵(lì)。游戲?yàn)橥婕姨峁┝艘粋€(gè)虛擬的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程，互動(dòng)學(xué)習(xí)社區(qū)打破了線上、線下以及游戲內(nèi)、游戲外的界限，形成一個(gè)完整的學(xué)習(xí)過(guò)程?；贑DIO設(shè)計(jì)的自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的游戲模式如圖2所示：

4、教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

自主學(xué)習(xí)平臺(tái)包括：用戶中心、資料中心、軟件世界大冒險(xiǎn)和互動(dòng)學(xué)習(xí)社區(qū)4個(gè)功能模塊。自主學(xué)習(xí)平臺(tái)功能模塊如圖3所示：

4.1 用戶中心

該模塊的功能是完成用戶信息的管理包括用戶信息注冊(cè)、用戶登錄、用戶信息管理和維護(hù)。自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的典型用戶有兩類(lèi)：學(xué)員和系統(tǒng)管理員。學(xué)員是自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)的使用者，學(xué)員的信息包括：學(xué)號(hào)、姓名、性別、入學(xué)時(shí)間、院系、電郵地址、感興趣的軟件開(kāi)發(fā)用具、感興趣的軟件技術(shù)等。通過(guò)，對(duì)自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)用戶的信息的收集可以進(jìn)一步對(duì)學(xué)員的知識(shí)背景、學(xué)習(xí)興趣進(jìn)行分析，為CDIO軟件開(kāi)發(fā)任務(wù)的設(shè)定提供參考。系統(tǒng)管理員負(fù)責(zé)自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)資料中心模塊的管理和維護(hù)，包括學(xué)習(xí)資料的發(fā)布、學(xué)習(xí)資料的更新和學(xué)習(xí)資料的注銷(xiāo)。

4.2 資料中心

該模塊的功能是為學(xué)生提供“軟件世界大冒險(xiǎn)”游戲中涉及到的所有軟件開(kāi)發(fā)相關(guān)知識(shí)的查詢，幫助學(xué)生解決游戲中出現(xiàn)的各種軟件開(kāi)發(fā)問(wèn)題，使學(xué)生更好的完成游戲中軟件開(kāi)發(fā)任務(wù)。資料中心模塊在功能上與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)知識(shí)展示部分是一致的，在內(nèi)容的組織上以游戲中的軟件開(kāi)發(fā)任務(wù)為主線，打破了傳統(tǒng)教學(xué)中課程的界限，將程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)原理、軟件工程等多門(mén)課程的知識(shí)組織在一起，通過(guò)任務(wù)的方式引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

圖2 自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的教學(xué)模式圖

圖3 自主學(xué)習(xí)平臺(tái)功能模塊圖

4.3 軟件世界大冒險(xiǎn)

該模塊是本系統(tǒng)的核心，包括游戲主程序、地圖系統(tǒng)、角色系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)、成就系統(tǒng)、道具系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)。游戲主程序的功能是設(shè)置系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，創(chuàng)建、管理各子系統(tǒng)。地圖系統(tǒng)的功能是管理系統(tǒng)的地圖信息。角色系統(tǒng)的功能是管理系統(tǒng)的各種角色。任務(wù)系統(tǒng)的功能是管理系統(tǒng)的任務(wù)信息。成就系統(tǒng)的功能是管理角色的成就信息。道具系統(tǒng)的功能是管理系統(tǒng)的道具和虛擬游戲幣。測(cè)試系統(tǒng)的功能是在每個(gè)關(guān)卡的關(guān)底進(jìn)行隨機(jī)測(cè)試。

4.4 互動(dòng)學(xué)習(xí)社區(qū)

該模塊的功能是為學(xué)生和學(xué)生、學(xué)生和教師提供一個(gè)交流游戲心得、學(xué)習(xí)體驗(yàn)、問(wèn)題答疑的平臺(tái)，包括學(xué)習(xí)資源發(fā)布、學(xué)習(xí)資源下載、學(xué)習(xí)心得交流和即時(shí)學(xué)習(xí)討論4個(gè)模塊。學(xué)習(xí)資源發(fā)布和下載模塊為學(xué)生提供了發(fā)布根據(jù)游戲任務(wù)開(kāi)發(fā)的軟件和技術(shù)資料的功能，同時(shí)也可以獲得其他學(xué)生開(kāi)發(fā)的程序和學(xué)習(xí)資料；學(xué)習(xí)心得交流和即時(shí)學(xué)習(xí)討論模塊為學(xué)生提供了類(lèi)似BBS信息交流的工具，學(xué)生可以交流學(xué)習(xí)心得?；?dòng)學(xué)習(xí)社區(qū)模塊是完善網(wǎng)絡(luò)教學(xué)手段的重要環(huán)節(jié)，連接線上學(xué)習(xí)和下線實(shí)踐的橋梁，形成完整的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過(guò)程的關(guān)鍵。

4.5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)為在游戲中實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供了可能性。云計(jì)算技術(shù)是一種低成本的資源配置方式，它可以為自主學(xué)習(xí)平臺(tái)提供一個(gè)低成本的、可伸縮的運(yùn)行平臺(tái)，是自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的最佳解決方法，本系統(tǒng)采用是Google App Engine平臺(tái)。[3]系統(tǒng)的游戲部分采用Flex技術(shù)設(shè)計(jì), Flex是目前比較流行的富客戶端技術(shù)，它很好的克服了傳統(tǒng)BS模式中客戶端表現(xiàn)手段、交互方法單一的缺點(diǎn)，提供了良好的多媒體支持能力和豐富的人機(jī)交互手段，非常適合在線RPG游戲的開(kāi)發(fā)。[4]游戲運(yùn)行效果如圖4所示：

圖4 游戲運(yùn)行效果圖

5、結(jié)語(yǔ)

CDIO工程教學(xué)作為創(chuàng)新教育理念下的新型教學(xué)模式，是我國(guó)工程教育改革的研究熱點(diǎn)。本文依托云計(jì)算和富客戶端技術(shù)構(gòu)造了一個(gè)軟件工程課程的自主學(xué)習(xí)平臺(tái)，并在該平臺(tái)上開(kāi)展了一系列將CDIO工程教育理念引入到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實(shí)踐的探索性嘗試，從而得出了以下結(jié)論:CDIO工程教學(xué)改革對(duì)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)改革有很好的借鑒意義，相信這個(gè)平臺(tái)的建立也會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)高校相關(guān)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)研究的發(fā)展。

［1］藍(lán)丁鳳.基于CDIO教育理念的遠(yuǎn)程教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.黑龍江：東北石油大學(xué)，2011.

［2］馬蘭.基于Flash的無(wú)客戶端MMORPG的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［D］.北京：北京交通大學(xué)，2011.

［3］張文軍.基于Flex與SSH的富互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)級(jí)技術(shù)及其云架構(gòu)的研究［M］.北京：科學(xué)出版社，2013.

［4］張為民，唐劍峰，羅治國(guó)等．云計(jì)算深刻改變未來(lái)［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

The Design and Research of Self-Learning Platform Based on the Concept of CDIO via Cloud-Computing

SUN WeiMA Yong-qangHE Zhi-yu
（Jining Normal University,Wulanchabu 012000,Inner Mongolia）

In this paper,the existing problems in the current situation for the teaching via networks are analyzed;the educational engineering concept of CDIO is introduced;as a try,the concept of CDIO is introduced into the process of traditional teaching via networks by taking advantage of the mode of the RPG game,in order to create a virtual space of project learning via networks by the computing technology and make students"learn their knowledge while playing".In the final part of the paper,the program of designing a self-learning platform by means of Google App Engine and the technology of Flex is offered as an attempt to find a more suitable mode for the current network teaching.

CDIO；cloud-computing；self-learning platform；the RPG game

G420

A

2095－3771（2014）04－0107－05

孫偉(1981—),男,漢族,講師,碩士,研究方向:軟件工程。該文系內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究資助項(xiàng)目"在云計(jì)算環(huán)境下基于CDIO教學(xué)理念構(gòu)造的自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的研究"（項(xiàng)目編號(hào)：NJZY13277）。