模型理念在CDIO培養(yǎng)中的重要作用

袁滿，富宇，郭玲玲（東北石油大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶163318）

佟喜峰，張方舟 （東北石油大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶163318）

CDIO工程教育模式是近年來(lái)國(guó)際工程教育改革的最新成果，是基于工程項(xiàng)目全過(guò)程的學(xué)習(xí)模式，是對(duì)以課堂講課為主的教學(xué)模式的一種創(chuàng)新改革。從2000年起，麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等4所大學(xué)組成的跨國(guó)研究機(jī)構(gòu)，經(jīng)過(guò)4年的探索研究，創(chuàng)立了CDIO工程教育理念，并成立了以CDIO命名的國(guó)際合作組織。中國(guó)教育部也十分重視CDIO工程教育模式，并給予了一定經(jīng)費(fèi)支持［1－2］。所謂CDIO教育模式，即將學(xué)生的能力培養(yǎng)分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力4個(gè)層面，每門主干課程均配有實(shí)踐環(huán)節(jié)，從構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）4個(gè)方面對(duì)學(xué)生加以訓(xùn)練。CDIO人才培養(yǎng)模式以探究式課堂教學(xué)（Inquiring－based Learning）和實(shí)踐教學(xué)（Experimental Learning）為主要特色，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式開展專業(yè)課程的學(xué)習(xí)［3］。CDIO是倡導(dǎo)“做中學(xué)”（Leading by doing）和“基于項(xiàng)目的教育和學(xué)習(xí)”（Project based on education and learning）的新型教學(xué)模式［4］，以工程項(xiàng)目從研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程，培養(yǎng)學(xué)生的工程能力、職業(yè)道德、學(xué)術(shù)知識(shí)、運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力、終生學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、交流能力和大系統(tǒng)掌控能力［5］，從而培養(yǎng)既有過(guò)硬的專業(yè)技能，又有良好的職業(yè)道德的國(guó)際化工程師［6］。

盡管CDIO教育模式具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是，隨著CDIO教育理念的深入，部分教育工作者和學(xué)生出現(xiàn)了重實(shí)踐輕理論的現(xiàn)象。筆者在多年計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，“模型”這一概念貫穿著每門專業(yè)課程始終。因此，建議主講教師深入理解這一概念，并將這一概念融入到專業(yè)課的教學(xué)中去，從而使學(xué)生更加容易地理解并掌握專業(yè)知識(shí)。

1 模型思想

模型是所研究的系統(tǒng)、過(guò)程、事物或概念的一種表達(dá)形式，也可指根據(jù)實(shí)驗(yàn)、圖樣放大或縮小而制作的樣品，一般用于展覽或?qū)嶒?yàn)或鑄造機(jī)器零件等用的模子。

模型的分類具有多種形色，關(guān)注的維度不同，其分類結(jié)果也不盡相同，具體分類有以下幾種分類法：

1）按用途分類，包括房地產(chǎn)模型（可分為住宅模型、商業(yè)模型、戶型模型、別墅模型、地標(biāo)）、城市規(guī)劃模型、區(qū)域模型、數(shù)字模型、環(huán)境景觀模型、方案模型、工業(yè)模型（可分為軍事模型、機(jī)械模型、車輛模型）、橋梁模型等。

2）按技術(shù)分類，包括傳統(tǒng)模型、數(shù)字化沙盤、多媒體模型、虛擬漫游、半境畫模型、互動(dòng)投影沙盤等。

3）按材料分類，包括木質(zhì)模型、水晶模型、ABS樹脂模型、金屬模型等。

模型可以取各種不同的形式，不存在統(tǒng)一的分類原則。按照模型的表現(xiàn)形式可以分為物理模型、數(shù)學(xué)模型、結(jié)構(gòu)模型和仿真模型，這些模型在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)理論課中均有體現(xiàn)。

2 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)中理論模型透視

2.1 《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程中的圖模型

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》中的圖模型屬于結(jié)構(gòu)模型范疇。圖模型由點(diǎn)和線組成，用以描述系統(tǒng)的圖形。圖模型可用于描述自然界和人類社會(huì)中的事物和事物之間的關(guān)系，可以利用圖論作為工具進(jìn)行圖模型建模；基于圖的性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)分析，從而為各種系統(tǒng)研究，特別是復(fù)雜系統(tǒng)研究提供了一種有效的方法。構(gòu)成圖模型的圖形不同于一般的幾何圖形，如它的每條邊可以被賦以權(quán)，組成加權(quán)圖；權(quán)可取一定數(shù)值，用以表示距離、流量、費(fèi)用等。

圖模型廣泛應(yīng)用于自然科學(xué)、工程技術(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和管理等方面，如動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、信號(hào)流程圖、計(jì)劃協(xié)調(diào)技術(shù)、圖解協(xié)調(diào)技術(shù)、風(fēng)險(xiǎn)協(xié)調(diào)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)理論等。因此，在講授圖論的內(nèi)容時(shí)，一定要講圖的基本理論，通過(guò)這種模型的形式講全、講透，特別要強(qiáng)調(diào)圖的應(yīng)用領(lǐng)域。之后，在CDIO中的實(shí)踐過(guò)程中，結(jié)合這些理論，設(shè)計(jì)出不同的實(shí)踐課的內(nèi)容，讓學(xué)生通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)基于圖模型的最優(yōu)解計(jì)算，從而使學(xué)生深深體會(huì)到圖模型的廣泛應(yīng)用。

2.2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中的模型體系結(jié)構(gòu)

為了解決不同體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)問(wèn)題，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO于1981年制定了開放系統(tǒng)互連參考模型（Open System Interconnection Reference Model，OSI／RM）。這個(gè)模型把網(wǎng)絡(luò)通信的工作分為7層，它們由低到高分別是物理層（Physical Layer），數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer），網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer），傳輸層（Transport Layer），會(huì)話層（Session Layer），表示層（Presentation Layer）和應(yīng)用層（Application Layer）。第1層到第3層屬于OSI參考模型的低3層，負(fù)責(zé)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)通信連接的鏈路；第4層到第7層為OSI參考模型的高4層，具體負(fù)責(zé)端到端的數(shù)據(jù)通信。每層完成一定的功能，每層都直接為其上層提供服務(wù)，并且所有層次都互相支持，而網(wǎng)絡(luò)通信則可以自上而下（在發(fā)送端）或者自下而上（在接收端）雙向進(jìn)行。當(dāng)然并不是每一通信都需要經(jīng)過(guò)OSI的全部7層，有的甚至只需要雙方對(duì)應(yīng)的某一層即可。OSI標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中采用的方法是將整個(gè)龐大而復(fù)雜的問(wèn)題劃分為若干個(gè)容易處理的小問(wèn)題，這就是分層的體系結(jié)構(gòu)辦法。在OSI中，采用了3級(jí)抽象，即體系結(jié)構(gòu)，服務(wù)定義，協(xié)議規(guī)格說(shuō)明。

以上是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信中的總體體系結(jié)構(gòu)模型，對(duì)于不同層間的通信模型，其通信采用C／S計(jì)算模型。對(duì)于不同的層，如果對(duì)應(yīng)用到底層編程模型，就是Socket編程模型。對(duì)于這套編程模型，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所處的位置是有區(qū)別的，有的編程模型處于操作系統(tǒng)層面，如Windows操作系統(tǒng)提供的WinSocket編程模型；有的處于應(yīng)用層面，如當(dāng)下流行的2大開發(fā)平臺(tái)——JAVA和微軟的.NET均提供了Socket編程模型，還有第3方的Socekt編程模型。因此，在CDIO實(shí)踐過(guò)程中可以根據(jù)具體需求，在不同層次進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。

圖1 基于CDIO的實(shí)驗(yàn)課程體系

2.3 模型理念在綜合性或創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

上面，筆者僅僅以《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》和《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》2門課程為例論述了模型理念的重要性。其實(shí)，在計(jì)算機(jī)類課程中，這樣的模型還是相當(dāng)?shù)亩?。文獻(xiàn) ［4］給出了4類實(shí)驗(yàn)的關(guān)系，如圖1所示。下面，筆者將《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》中樹模型、數(shù)據(jù)庫(kù)課程中的關(guān)系模型以及XML中的DOM模型綜合在一起，探討如何將這些模型的理念應(yīng)用于綜合性或創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)中。

在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程中，以樹模型為核心，可以演生出許許多多的應(yīng)用。如企業(yè)的組織機(jī)構(gòu)就是一個(gè)典型的樹模型，計(jì)算機(jī)磁盤上文件目錄的組織也是一個(gè)典型的樹型模型。圍繞這個(gè)模型，假設(shè)進(jìn)行軟件開發(fā)，要對(duì)一個(gè)組織機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢、刪除、更新等操作。首先是利用關(guān)系模型創(chuàng)建表來(lái)存儲(chǔ)這一關(guān)系結(jié)構(gòu)，典型的組織機(jī)構(gòu)關(guān)系表如表1所示。當(dāng)然，在進(jìn)行該表的設(shè)計(jì)時(shí)，不同的人可能設(shè)計(jì)出的關(guān)系表是不一樣的，而且有許多是用來(lái)存儲(chǔ)樹型模型的關(guān)系表。該表的最大好處是有利于組織機(jī)構(gòu)的擴(kuò)充、并且適合于多級(jí)下屬機(jī)構(gòu)的組織。

表1 典型的組織機(jī)構(gòu)關(guān)系表

在軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，可以從關(guān)系表中將組織機(jī)構(gòu)的這些信息讀出來(lái)，采用一個(gè)樹模型對(duì)其進(jìn)行表示，可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)它的各種操作。

如果將這一思想再進(jìn)行拓展，考慮目前流行的基于XML的DOM模型（DOM本身就是將XML文件中的各個(gè)要素按著樹來(lái)組織，通過(guò)XML解析器對(duì)XML中存儲(chǔ)的各種元素進(jìn)行解析），當(dāng)XML文件相當(dāng)大的時(shí)候，DOM解析的效率不高，因此，可以從這點(diǎn)入手設(shè)計(jì)一個(gè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，考慮如何利用樹模型來(lái)實(shí)現(xiàn)DOM的高效解析功能。

3 結(jié)語(yǔ)

事實(shí)上，模型理念的應(yīng)用遠(yuǎn)非如此，筆者的研究只是起到一個(gè)拋磚引玉的作用，相信通過(guò)深入探究這一理念，并不斷地將其應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐中，使其滲透到理論與實(shí)踐教學(xué)中去，將會(huì)使教師和學(xué)生受益終生。

［1］ 陳巧莉 .基于CDIO理念的教學(xué)做一體化軟件工程課改構(gòu)思和實(shí)踐 ［J］.軟件，2013，34（7）：148－151.

［2］ 陳巧莉，宮護(hù)震 .基于CDIO的教學(xué)做一體化ASP.NET課改和實(shí)踐 ［J］.軟件，2012，33（12）：145－147.

［3］ 許慶煒，余慧 .基于CDIO模式開展計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)校企合作人才培養(yǎng) ［J］.湖北第二師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，29（2）：44－246.

［4］ 郭皎，鄢沛 .基于CDIO的計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理 ［J］.2011，28（2）：155－157.

［5］ Grawley E F，Malmqvist J，Ostlund S.Rethinking Engineering education－The CDIO Approch ［M］ .New York：Springer，2007.

［6］ Grawley E.The CDIO Syllabus：A statement of Goals for undergraduate Engineering Education ［M］.New York：Springer，2008.