基于認(rèn)知曲線(xiàn)的項(xiàng)目案例實(shí)踐教學(xué)法研究

唐成華，張瑞霞，張 凈

（桂林電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息安全學(xué)院，廣西 桂林 541004）

基于認(rèn)知曲線(xiàn)的項(xiàng)目案例實(shí)踐教學(xué)法研究

唐成華，張瑞霞，張 凈

（桂林電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息安全學(xué)院，廣西 桂林 541004）

針對(duì)當(dāng)前項(xiàng)目教學(xué)法中學(xué)生認(rèn)知能力的滿(mǎn)足性問(wèn)題，基于傳統(tǒng)知識(shí)網(wǎng)概念，描述了以案例封裝知識(shí)點(diǎn)的要求和方法，引入認(rèn)知能力思想。以計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)為例，該文提出了學(xué)習(xí)編程的認(rèn)知曲線(xiàn)概念，精心設(shè)計(jì)了案例教學(xué)的多認(rèn)知階段課程與實(shí)踐方法，為改革教學(xué)模式，培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力提供了新思路。

項(xiàng)目教學(xué)法；創(chuàng)新教育；認(rèn)知曲線(xiàn)；案例設(shè)計(jì)

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式是一種探究性的能力教學(xué)方法。自德國(guó)以“實(shí)踐為導(dǎo)向”雙元制教育［1］的成功實(shí)施和北美推行的基于能力的教育（CBE）［2］模式于20世紀(jì)80年代傳入我國(guó)，項(xiàng)目式教學(xué)方法的應(yīng)用興起。項(xiàng)目式教學(xué)法特別適合于高等教育中需要融入職業(yè)教育或企業(yè)實(shí)踐的一些專(zhuān)業(yè)或課程，已有許多高校在這方面進(jìn)行過(guò)初步探索，比如在IT教學(xué)領(lǐng)域，運(yùn)用項(xiàng)目教學(xué)法在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)、C、Java、Web等程序設(shè)計(jì)方面已有了一些成果，本著“團(tuán)隊(duì)協(xié)作、項(xiàng)目實(shí)踐、科技創(chuàng)新”的教學(xué)理念，因地制宜，因材施教，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法在高校本科生綜合素質(zhì)創(chuàng)新培養(yǎng)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

文獻(xiàn)［3］對(duì)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)實(shí)踐課程教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，分析了項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)要素，并對(duì)教學(xué)過(guò)程和項(xiàng)目進(jìn)行了設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)［4］是以任務(wù)驅(qū)動(dòng)的概念探討了大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)模式的改革，并提出了具體的方案。文獻(xiàn)［5］則是基于任務(wù)和項(xiàng)目結(jié)合的思想研究實(shí)現(xiàn)“Android開(kāi)發(fā)技術(shù)”課程的協(xié)作教學(xué)。也有文獻(xiàn)是以案例驅(qū)動(dòng)的模式帶動(dòng)課程教學(xué)改革［6］，而文獻(xiàn)［7］是將案例與任務(wù)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合，并強(qiáng)調(diào)了其關(guān)鍵點(diǎn)在于案例的選取和任務(wù)的設(shè)計(jì)。以上這些可統(tǒng)稱(chēng)為項(xiàng)目教學(xué)法，均強(qiáng)調(diào)發(fā)揮教師的指導(dǎo)作用和學(xué)生的主動(dòng)性，以項(xiàng)目、任務(wù)、案例、問(wèn)題或情景等驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)去探究和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。在項(xiàng)目教學(xué)法實(shí)踐過(guò)程中，每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況有著很大的差異，如果忽視學(xué)生特點(diǎn)則教學(xué)效果將大打折扣。因此，文獻(xiàn)［8］提出了分層任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方法，實(shí)現(xiàn)學(xué)員動(dòng)手實(shí)踐能力的階梯式提高，通過(guò)分層小任務(wù)劃分為導(dǎo)向，完成學(xué)習(xí)過(guò)程的漸升，滿(mǎn)足學(xué)員的成就感，增加學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，有效提高了教學(xué)效果。

1 存在的問(wèn)題

盡管我國(guó)在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方面已取得了一些成果，但與先進(jìn)國(guó)家相比仍處于初步建設(shè)和比較落后的狀態(tài)，特別是在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)空間安全領(lǐng)域人才非常缺乏，相關(guān)的信息安全、信息對(duì)抗等專(zhuān)業(yè)本科設(shè)置與教學(xué)起步也較晚的情況下，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)編程、安全檢測(cè)等信息系統(tǒng)和軟件工程領(lǐng)域，培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新性精神和實(shí)踐創(chuàng)新能力的過(guò)程中尚存在著一些問(wèn)題。

在以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法過(guò)程中，需要解決項(xiàng)目案例的實(shí)踐對(duì)不同學(xué)生認(rèn)知能力要求的滿(mǎn)足性問(wèn)題。學(xué)生的認(rèn)知能力是一個(gè)過(guò)程，從被動(dòng)轉(zhuǎn)向主動(dòng)，在主動(dòng)學(xué)習(xí)中也是不斷適應(yīng)和提高的過(guò)程；另外，在每個(gè)項(xiàng)目階段，學(xué)生的心理調(diào)適也是存在或許不同的緩沖期［9］；因此，合理難度的項(xiàng)目案例設(shè)置能給予學(xué)生更好的發(fā)揮空間，并更快地實(shí)現(xiàn)自我認(rèn)知。所以，在以項(xiàng)目案例教學(xué)為導(dǎo)向，符合培養(yǎng)目標(biāo)并掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)要求下的案例實(shí)踐教學(xué)方法，應(yīng)能夠滿(mǎn)足不同知識(shí)基礎(chǔ)、不同能力水平的學(xué)生培養(yǎng)。要按嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行案例設(shè)計(jì)和投放，課程的設(shè)計(jì)應(yīng)能與學(xué)生的認(rèn)知能力保持一致，也就是要確保這些基于認(rèn)知設(shè)計(jì)的案例有一定的層次性和階段性。

2 以案例為教學(xué)向?qū)?，突破傳統(tǒng)知識(shí)認(rèn)知局限

與傳統(tǒng)的課堂灌輸式理論教學(xué)不同，采用以講案例和做案例并舉的形式，以案例對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行封裝講解的教學(xué)與實(shí)踐，這是一種革新的教學(xué)方法，能突破在傳統(tǒng)理論知識(shí)體系講授過(guò)程中學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)認(rèn)知的局限，可以為學(xué)生提供一個(gè)很好的創(chuàng)新平臺(tái)，使學(xué)生的創(chuàng)新思維不只是停留在理論創(chuàng)新上，而在于更廣泛地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題并解決實(shí)際問(wèn)題的創(chuàng)新過(guò)程。

2.1 傳統(tǒng)知識(shí)網(wǎng)

知識(shí)本身是張網(wǎng)，案例教學(xué)的實(shí)踐就是這張網(wǎng)的紡織過(guò)程，并努力讓學(xué)生具有善于使用這張網(wǎng)的能力。如在程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言及應(yīng)用等相關(guān)課程的教學(xué)中，基于案例的實(shí)踐教學(xué)，正是構(gòu)建諸如集合、數(shù)組和關(guān)鍵詞之間，以及它們與變量定義、運(yùn)算符、流程控制、面向?qū)ο蟆?nèi)部類(lèi)、GUI、I／O、多線(xiàn)程和網(wǎng)絡(luò)編程等知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系網(wǎng)，如圖1所示。案例的教學(xué)，要疏清這些知識(shí)點(diǎn)之間的脈絡(luò)關(guān)系，抓住各點(diǎn)在知識(shí)網(wǎng)中存在的作用與意義，使學(xué)生明白它們之間相輔相成的關(guān)系，在設(shè)計(jì)程序時(shí)能夠觸類(lèi)旁通，舉一反三。

圖1 程序設(shè)計(jì)知識(shí)網(wǎng)

2.2 以案例封裝知識(shí)點(diǎn)

以案例過(guò)程為學(xué)生建立各知識(shí)點(diǎn)關(guān)系網(wǎng)和作用網(wǎng)，即用案例封裝有關(guān)系的各知識(shí)點(diǎn)。如在程序設(shè)計(jì)中，每個(gè)案例都是一個(gè)有著實(shí)際應(yīng)用方向的軟件工程，所涉及的知識(shí)點(diǎn)不局限于相關(guān)的計(jì)算機(jī)編程知識(shí)，也涵蓋了那些為軟件工程服務(wù)的人文知識(shí)，以及人體工學(xué)和美學(xué)等知識(shí)，讓學(xué)生有主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，在擴(kuò)充知識(shí)的同時(shí)能提高編程能力，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)向生產(chǎn)力、創(chuàng)造力的轉(zhuǎn)變。例如一個(gè)俄羅斯方塊游戲案例，主要包含了C＋＋基本語(yǔ)法及運(yùn)用流程、TCP／UDP協(xié)議、Socket的使用、線(xiàn)程，以及操作系統(tǒng)等知識(shí)點(diǎn)，并且為了游戲程序的趣味性、美觀(guān)性和操作靈活性，也應(yīng)考慮界面色彩設(shè)置、按鍵布置等方面。

3 面向編程的認(rèn)知曲線(xiàn)設(shè)計(jì)案例

案例的設(shè)計(jì)和投放應(yīng)該有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)不同的案例以適應(yīng)不同知識(shí)基礎(chǔ)、不同編程能力以及不同學(xué)習(xí)階段的學(xué)生，即基于學(xué)生學(xué)習(xí)編程的認(rèn)知曲線(xiàn)來(lái)設(shè)計(jì)案例。

3.1 學(xué)習(xí)編程的認(rèn)知曲線(xiàn)

對(duì)于本科學(xué)生學(xué)習(xí)編程而言，其認(rèn)知能力是指學(xué)生以編程語(yǔ)言系統(tǒng)為認(rèn)知對(duì)象，對(duì)編程目標(biāo)、編程要素、學(xué)習(xí)任務(wù)、學(xué)習(xí)方法、自身特點(diǎn)以及學(xué)習(xí)情境等進(jìn)行分析和判斷的能力。較高的認(rèn)知能力，對(duì)于良好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)的積極作用是顯著的［10］。這種能力因人而異，因此，應(yīng)該記錄教學(xué)過(guò)程，因材施教，避免傳統(tǒng)模式下的精英教育易造成對(duì)部分學(xué)生忽視現(xiàn)象的蔓延。這是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，按學(xué)生不同的認(rèn)知能力促進(jìn)學(xué)生的自主能動(dòng)性和創(chuàng)新性的提升。

在應(yīng)用案例學(xué)習(xí)編程的具體實(shí)踐中，其認(rèn)知能力曲線(xiàn)，則體現(xiàn)在不同階段、不同時(shí)期（如周、月等）對(duì)于編程語(yǔ)言系統(tǒng)中的關(guān)鍵詞、語(yǔ)句語(yǔ)法、程序邏輯、完整程序、系統(tǒng)耦合和代碼復(fù)合等不同方面認(rèn)知能力的變化趨勢(shì)，如圖2所示。這種認(rèn)知曲線(xiàn)的變化也反映了這些不同方面在不同時(shí)期的上升與下降的關(guān)聯(lián)關(guān)系，表明了學(xué)習(xí)者對(duì)這些認(rèn)知方面的掌握能力的變化過(guò)程，是我們建立多認(rèn)知階段課程案例的依據(jù)。

圖2 學(xué)習(xí)編程的認(rèn)知曲線(xiàn)

3.2 案例教學(xué)的多認(rèn)知階段課程設(shè)計(jì)

以信息安全專(zhuān)業(yè)為例，在學(xué)習(xí)編程的軟件工程項(xiàng)目中，以認(rèn)知曲線(xiàn)為指引，多認(rèn)知階段的課程設(shè)計(jì)是循序漸進(jìn)的，為不同階段制定學(xué)習(xí)要點(diǎn)并確定所培養(yǎng)的認(rèn)知能力，設(shè)計(jì)相關(guān)的具體案例，促進(jìn)學(xué)生發(fā)揮不同階段對(duì)不同知識(shí)方面的優(yōu)勢(shì)能力，如表1所示。學(xué)習(xí)編程分為打基礎(chǔ)階段、編程能力提高階段、綜合案例階段和大項(xiàng)目階段，各階段的課程案例對(duì)應(yīng)著不同的認(rèn)知能力，而且每個(gè)階段還可以進(jìn)行細(xì)分。

3.3 典型的編程認(rèn)知課程設(shè)計(jì)

對(duì)不同認(rèn)知階段的課程，精心設(shè)計(jì)教程案例和教學(xué)方法，在符合專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案的前提下，明確相關(guān)的階段教學(xué)目標(biāo)、對(duì)應(yīng)的知識(shí)要點(diǎn)和實(shí)踐操作的內(nèi)容。例如，設(shè)計(jì)俄羅斯方塊控制臺(tái)編程的認(rèn)知課程，按以下3個(gè)認(rèn)知階段進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。

表1 多認(rèn)知課程階段設(shè)計(jì)

階段1教程：控制臺(tái)基本操作。

目標(biāo)：程序概念、鍵盤(pán)與鼠標(biāo)事件、循環(huán)控制。

知識(shí)點(diǎn)：函數(shù)、類(lèi)和對(duì)象；Windows API；窗體使用；隨機(jī)數(shù)生成；定位、色彩與繪圖；鍵盤(pán)控制。

實(shí)踐：編程并測(cè)試關(guān)于色彩顯示、字符閃爍和移動(dòng)的案例；設(shè)計(jì)并測(cè)試關(guān)于鍵盤(pán)控制的案例；開(kāi)發(fā)并測(cè)試簡(jiǎn)單圖形旋轉(zhuǎn)的案例。

階段2教程：?jiǎn)螜C(jī)俄羅斯方塊游戲。

目標(biāo)：多線(xiàn)程方法、控制程序邏輯。

知識(shí)點(diǎn)：輸入／輸出流類(lèi)庫(kù)；面向過(guò)程／對(duì)象的設(shè)計(jì)；多線(xiàn)程控制物體運(yùn)動(dòng)；游戲流程與邏輯。

實(shí)踐：設(shè)計(jì)單機(jī)俄羅斯方塊，并測(cè)試功能。例如：1）能夠隨機(jī)顯示多種形狀的方塊；2）能用鍵盤(pán)控制方塊的下落和左右移動(dòng)及翻轉(zhuǎn)；3）能在某行的方塊連滿(mǎn)后進(jìn)行消行和計(jì)分；4）具有計(jì)時(shí)和限時(shí)；5）能保存游戲結(jié)果等。

階段3教程：網(wǎng)絡(luò)俄羅斯方塊對(duì)戰(zhàn)。

目標(biāo)：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)編程。

知識(shí)點(diǎn)：延時(shí)重繪；TCP／IP協(xié)議；Socket網(wǎng)絡(luò)編程；網(wǎng)絡(luò)消息機(jī)制（消息發(fā)送與存取、消息隊(duì)列）。

實(shí)踐：設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)俄羅斯方塊對(duì)戰(zhàn)游戲，并測(cè)試功能。例如：1）在游戲前后與過(guò)程中，雙方可文字交談；2）在游戲中，當(dāng)一方消行時(shí)，另一方隨機(jī)增加一行方塊；3）當(dāng)任意一方方塊先觸頂時(shí)，游戲結(jié)束并計(jì)分比較。

通過(guò)以上典型的基于認(rèn)知的編程案例實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生不僅體會(huì)了面向過(guò)程與面向?qū)ο缶幊谭椒ǖ膬?yōu)缺點(diǎn)，也掌握了基于網(wǎng)絡(luò)的編程要點(diǎn)，能對(duì)系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)測(cè)試與分析有一個(gè)全面的軟件工程的理解。這種根據(jù)學(xué)生對(duì)編程知識(shí)點(diǎn)認(rèn)知能力而設(shè)計(jì)的案例教學(xué)階段和實(shí)踐模式，能發(fā)揮學(xué)生運(yùn)用知識(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐的興趣，能讓學(xué)生具有持續(xù)的成就感，創(chuàng)新能力被激發(fā)，具有良好的擴(kuò)展性思維和動(dòng)手能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

依托省級(jí)可信軟件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和已建立的校企合作創(chuàng)新實(shí)踐基地，桂林電子科技大學(xué)已開(kāi)展了項(xiàng)目教學(xué)資源與環(huán)境建設(shè)，基于認(rèn)知曲線(xiàn)的項(xiàng)目案例實(shí)踐教學(xué)法已在信息安全專(zhuān)業(yè)、軟件工程專(zhuān)業(yè)和網(wǎng)絡(luò)工程專(zhuān)業(yè)進(jìn)行了初步嘗試，教學(xué)氛圍活躍，取得了較好的效果；學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神和創(chuàng)新能力得到了不斷的提升；在實(shí)踐中形成了有特色的教學(xué)方法，為課程實(shí)踐教學(xué)改革提供了有益的嘗試平臺(tái)。

［1］陳瑩.德國(guó)雙元制高等教育體系研究［J］.外國(guó)教育研究，2015，42（6）：119－128.

［2］任國(guó)防.CBE教育模式對(duì)普通學(xué)科教育的啟示［J］.河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版），2012，39（5）：217－219.

［3］胡永，王東，孫海霞.項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)實(shí)踐課教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］.甘肅科技，2014，30（13）：70－72.

［4］葉偉.任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中的改革與實(shí)踐［J］.湖北成人教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，20（4）：12－13.

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［6］陳偉，劉軍，谷凌雁.以案例驅(qū)動(dòng)信息系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)課程教學(xué)［J］.教育教學(xué)論壇，2015（18）：152－153.

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［8］劉瑜，李瑛，邢翠芳.概念圖支持下的分層任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)教育，2015（6）：77－81.

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［10］郭淑婷.提高所有學(xué)生的元認(rèn)知能力以保障高等遠(yuǎn)程教育的教學(xué)質(zhì)量［J］.中國(guó)遠(yuǎn)程教育（綜合版），2014（12）：28－34.

Research on Project Case Practice Teaching Method Based on Cognitive Curve

TANG Chenghua，ZHANG Ruixia，ZHANG Jing
（School of Computer Science and Information Security，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

In view of the satisfaction problem of students'cognitive ability in the current project teaching method，based on the concept of the traditional knowledge network，the requirements and methods of encapsulating knowledge points by case is described.The cognitive abilities thinking is introduced，and the cognitive curve concept of learning programming is proposed in the case of computer science.The multi－cognitive stage and the practice method of the case teaching have been designed.，which provides a new way for the reform of teaching mode，and the cultivation of students'innovative spirit and practical ability.

project teaching method；innovation education；cognitive curve；case design

G642.0

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.026

2015－07－27；修改日期：2015－10－12

廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目（2015JGA219，2014JGZ117，2015JGA225）；國(guó)家級(jí)示范性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心——桂林電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心教育教學(xué)改革項(xiàng)目（桂電教［2016］3號(hào)）。

唐成華（1974－），男，博士，副教授，主要從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息安全方面的研究工作。