新工科背景下融合CDIO和翻轉(zhuǎn)課堂的Java程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革

李金忠，黃雪梅，夏潔武

（井岡山大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江西 吉安 343009）

0 引言

2017年以來，由教育部倡導(dǎo)的新工科建設(shè)在我國高校引起強(qiáng)烈反響。新工科建設(shè)給高校的工科人才培養(yǎng)提出了更高要求和新標(biāo)準(zhǔn)，要更加注重培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、工程實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型、復(fù)合型的新工科人才。培養(yǎng)新工科人才的根本問題是能力培養(yǎng)，大學(xué)生計(jì)算機(jī)編程能力培養(yǎng)是新工科人才的一項(xiàng)重要工作[1]。

Java程序設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)類專業(yè)的核心課程，是Java Web程序設(shè)計(jì)、Java EE應(yīng)用開發(fā)、Android移動應(yīng)用開發(fā)、微信小程序開發(fā)等課程的前導(dǎo)課。Java還是人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、“互聯(lián)網(wǎng)+”等新興產(chǎn)業(yè)的重要技術(shù)工具。根據(jù)TIOBE公司發(fā)布的近20年TIOBE編程語言社區(qū)流行度指標(biāo)的TOP10變化情況顯示，Java語言在絕大多數(shù)年份中排行霸占第一[2]?！丁靶鹿た啤苯ㄔO(shè)行動路線（“天大行動”）》提出，要“問學(xué)生志趣變方法，創(chuàng)新工程教育方式與手段”。綜上，在新工科背景下，Java程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)改革變得更加迫在眉睫、勢在必行。

1 Java程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

Java程序設(shè)計(jì)是一門集理論性，較強(qiáng)應(yīng)用性、實(shí)踐性和工程性于一體的課程。傳統(tǒng)以“理論教學(xué)為主、實(shí)踐操作為輔”的Java程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)模式重理論知識、輕實(shí)踐能力，教學(xué)環(huán)節(jié)的互動交流和小組協(xié)作較少，難以激起學(xué)生學(xué)習(xí)Java的興趣。在理論教學(xué)中，通常以“教師為中心”，采用“Java知識點(diǎn)理論講解+程序演示”式的滿堂灌，難以體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的主體作用，學(xué)生缺乏自主學(xué)習(xí)的積極性且無法滿足個性化學(xué)習(xí)需求；在實(shí)踐教學(xué)中，較少有完整的Java應(yīng)用案例/項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)，缺乏Java知識的整體融合性和系統(tǒng)性工程思維，不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力；沒能和現(xiàn)代行業(yè)企業(yè)對Java軟件開發(fā)和測試人才的需求相結(jié)合，很難做到產(chǎn)學(xué)結(jié)合，導(dǎo)致與社會需求脫節(jié)。在考核方式上，課程的考核方式較單一，缺少過程性考核機(jī)制和激勵性評價機(jī)制，沒有對Java學(xué)習(xí)效果進(jìn)行及時的反饋和跟蹤，不能合理有效地反映課程學(xué)習(xí)效果。總之，如此的培養(yǎng)模式難以滿足培養(yǎng)工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型的“新工科”Java軟件開發(fā)人才的需求。因此，在新工科的背景下，如何在Java教學(xué)過程中提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、工程實(shí)踐應(yīng)用能力、項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力等綜合素質(zhì)，已成為Java程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)亟待解決的問題。

針對傳統(tǒng)的Java程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)模式存在的問題,有較多的教改研究和探索。文獻(xiàn)[3]提出項(xiàng)目驅(qū)動和翻轉(zhuǎn)課堂相融合的課堂教學(xué)模型，文獻(xiàn)[4]提出將OBE教育理念引入Java程序設(shè)計(jì)課程，文獻(xiàn)[5]提出基于慕課的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，文獻(xiàn)[6]提出“以項(xiàng)目為主線，教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體，CDIO能力培養(yǎng)”的教育模式。這些研究從不同教育理念、教學(xué)模式、教學(xué)手段等方面進(jìn)行了積極的探索，在一定程度上都能提升教學(xué)效果。本文將從更多維度和視角探索Java程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)改革，以期拋磚引玉，對該課程培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型、復(fù)合型的新工科Java軟件開發(fā)人才起到一定的啟發(fā)作用。

2 CDIO工程教育理念與翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

CDIO（conceive、design、implement、operate，構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作）工程教育理念和翻轉(zhuǎn)課堂（flipped classroom）教學(xué)模式都是“以教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的教學(xué)精神的深入體現(xiàn)，兩者具有高度的一致性和互補(bǔ)性。兩者都主張“以學(xué)生為中心”，分小組進(jìn)行協(xié)作學(xué)習(xí)，注重調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生主動參與課程的學(xué)習(xí)，具有很高的融合度[7]。若將兩者進(jìn)行有機(jī)融合，不僅可以發(fā)揮CDIO培養(yǎng)工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的優(yōu)勢，還可以發(fā)揮翻轉(zhuǎn)課堂提高課堂效率的優(yōu)勢，并且可以克服翻轉(zhuǎn)課堂不適合實(shí)踐教學(xué)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)和取長補(bǔ)短[8]。兩者的融合將有助于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)激情和興趣，有助于加強(qiáng)師生之間和生生之間的互動交流、頭腦風(fēng)暴和思維碰撞，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、工程應(yīng)用實(shí)踐和創(chuàng)新能力，必將促進(jìn)課堂教學(xué)質(zhì)量顯著提升。

Java程序設(shè)計(jì)是一門理論性和實(shí)踐性、應(yīng)用性及工程性都較強(qiáng)的課程，與CDIO的工程教育理念高度契合，并且非常適合采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式。二者的融合使Java程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的理念，有助于培養(yǎng)學(xué)生的編程思維和提高學(xué)生的程序開發(fā)能力，提升學(xué)生編程實(shí)踐能力和解決實(shí)際工程應(yīng)用問題的能力，為以后無縫對接工作崗位打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，對培養(yǎng)符合社會需求的新工科軟件開發(fā)技術(shù)工程人才具有積極的指導(dǎo)作用。

3 融合CDIO和翻轉(zhuǎn)課堂的Java程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革

教學(xué)改革總體思路如圖1所示，從課堂的教育理念、教學(xué)模式、教學(xué)方法和課程成績評價機(jī)制4個方面進(jìn)行。

圖1 教學(xué)改革總體思路

將CDIO工程教育理念與翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式進(jìn)行融合，采用CDIO工程教育理念組織教學(xué)內(nèi)容，采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式實(shí)施教學(xué)實(shí)踐，采用案例/項(xiàng)目驅(qū)動法、小組討論法等先進(jìn)教學(xué)方法混合實(shí)施教學(xué)活動，并輔以線上線下、課內(nèi)課外相結(jié)合的方式強(qiáng)化學(xué)生的軟件項(xiàng)目編程等實(shí)踐應(yīng)用能力，讓學(xué)生以主動的、實(shí)踐的、課程知識之間有機(jī)聯(lián)系的方式內(nèi)化知識為自身能力，最后以多元化課程成績評價指標(biāo)對課程成績進(jìn)行考核。融合CDIO和翻轉(zhuǎn)課堂的Java程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革思路的總體實(shí)施方案，如圖2所示。

圖2 融合CDIO和翻轉(zhuǎn)課堂的Java程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革思路的總體實(shí)施方案

在這個體現(xiàn)多維度教學(xué)方式的總體實(shí)施方案中，以項(xiàng)目為主線，即以若干個Java案例/項(xiàng)目在課前進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，一個指定的小項(xiàng)目在課堂進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，一個各組任選的大項(xiàng)目在課后鞏固演練，將這些項(xiàng)目融入整個Java程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)過程中。

首先，教師基于CDIO理念設(shè)計(jì)Java線上教學(xué)資源。基于產(chǎn)教融合、校企合作和協(xié)同育人的方式，借助于企業(yè)方，共同商量擬定一些企業(yè)中真實(shí)的Java案例/項(xiàng)目，將這些Java案例/項(xiàng)目以CDIO工程教育理念為指導(dǎo)思想，即將構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作這4階段貫穿于設(shè)計(jì)Java線上教學(xué)資源，以用于Java程序設(shè)計(jì)的教學(xué)。

其次，以大、小項(xiàng)目為主線，將案例/項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)法和小組討論教學(xué)法貫穿于基于CDIO和翻轉(zhuǎn)課堂的Java程序設(shè)計(jì)課程的整個教學(xué)過程中。在課前，教師準(zhǔn)備若干個基于CDIO理念指導(dǎo)設(shè)計(jì)的Java案例/項(xiàng)目，并布置課堂上將要完成的Java小項(xiàng)目所分解出來的各功能模塊的構(gòu)思任務(wù)，學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)并進(jìn)行小組討論和構(gòu)思Java小項(xiàng)目。在課堂上，以一個Java小項(xiàng)目引領(lǐng)課堂實(shí)訓(xùn)，要求各小組討論和協(xié)作，并對Java小項(xiàng)目所分解出來的相應(yīng)功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)以及系統(tǒng)測試和運(yùn)行功能演示，教師進(jìn)行指導(dǎo)幫助和項(xiàng)目點(diǎn)評。在課后，要求各小組任選一個綜合性較強(qiáng)的Java工程項(xiàng)目，并基于CDIO理念將該項(xiàng)目進(jìn)行功能模塊分解，分階段完成該項(xiàng)目的各功能模塊的CDIO階段性任務(wù)，教師對學(xué)生完成的大、小兩項(xiàng)目進(jìn)行考核評價以及教學(xué)意見的總結(jié)反饋和教學(xué)反思。在課外，教師組織并指導(dǎo)學(xué)生參與Java軟件創(chuàng)新項(xiàng)目的開發(fā)實(shí)踐、軟件服務(wù)外包等科技競賽活動。

最后，教師基于多元化的課程成績評價機(jī)制，設(shè)計(jì)考核學(xué)生學(xué)習(xí)Java程序設(shè)計(jì)課程效果的評價指標(biāo)和權(quán)重。

1）融合CDIO和翻轉(zhuǎn)課堂的Java程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革的具體實(shí)施。

針對CDIO工程教育理念的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作四大階段和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式中的課前、課中和課后三大過程，采用線上線下、課內(nèi)課外相結(jié)合的方式進(jìn)行教學(xué)改革的實(shí)施，見表1。

2）多元化課程成績評價機(jī)制在Java程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中的具體實(shí)施。

傳統(tǒng)的課程成績評價機(jī)制主要是試卷理論考試、作業(yè)和實(shí)驗(yàn)報告、課堂表現(xiàn)和考勤等成績，難以體現(xiàn)學(xué)生的工程實(shí)踐應(yīng)用能力，難以適應(yīng)新工科對Java人才培養(yǎng)的需求，因此，傳統(tǒng)的課程成績評價機(jī)制已不再適用于新工科背景下基于CDIO和翻轉(zhuǎn)課堂融合的Java程序設(shè)計(jì)課程的考核，須尋求多元化的課程成績評價機(jī)制。新工科背景下的Java程序設(shè)計(jì)教學(xué)要注重培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力和創(chuàng)新能力，要注重多維度的教育教學(xué)評價方式，并且其課程考核要傾向工程實(shí)踐實(shí)際應(yīng)用能力的考核。為此，多元化的課程成績評價機(jī)制要加強(qiáng)工程實(shí)踐應(yīng)用能力在該課程學(xué)習(xí)中所占比重，并強(qiáng)調(diào)過程學(xué)習(xí)、評測的過程性考核等，不但要綜合試卷理論考試、作業(yè)和實(shí)驗(yàn)報告、課堂表現(xiàn)和考勤等方面的考核成績，而且要注重過程性階段檢驗(yàn)和學(xué)生能力的評價成績，以多維度、全方位展現(xiàn)學(xué)生能力為目標(biāo)來多元考核學(xué)生所學(xué)課程的成績。多元化的課程成績評價機(jī)制兼顧過程性評價和學(xué)習(xí)成效評價并重原則，可增加評價結(jié)果的有效性和可靠性，能更全面、準(zhǔn)確地了解學(xué)生學(xué)習(xí)的效果。

表1 融合CDIO和翻轉(zhuǎn)課堂的在Java程序設(shè)計(jì)教學(xué)中的具體實(shí)施

依據(jù)融合CDIO和翻轉(zhuǎn)課堂的Java程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)的實(shí)際情況，我們設(shè)計(jì)了兩大類指標(biāo)體系，包括教師評價和學(xué)生評價，其中教師評價包括對個人的評價和對小組的評價，學(xué)生評價包括組間評價和組內(nèi)評價，在各類評價中包括多元考核指標(biāo)。多元化課程成績評價機(jī)制的具體實(shí)施方案見表2，其中的評價指標(biāo)及其在課前、課中和課后所占百分比只是一個初步設(shè)想，還有待于在實(shí)踐過程中不斷地探索與調(diào)整評價指標(biāo)與權(quán)重，如采用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重等，以進(jìn)一步研究更科學(xué)合理的考核形式，完善考核機(jī)制。

通過考慮考核課程成績的多維度量化評價指標(biāo)，建立基于教學(xué)全過程的多元化課程成績評價機(jī)制，以促進(jìn)Java程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)的考核機(jī)制趨向更合理，更精確地檢驗(yàn)和評價教學(xué)效果，從而凸顯新工科建設(shè)面向工程、實(shí)踐、應(yīng)用和創(chuàng)新。

4 結(jié)語

新工科強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心的教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)融入行業(yè)企業(yè)的工程項(xiàng)目理念。以新工科建設(shè)為背景，融合CDIO工程教育理念和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的Java程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革，充分體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”和“基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)”模式，以培養(yǎng)學(xué)生能力為核心。通過在不同班級對該課程教學(xué)改革實(shí)施與否對比發(fā)現(xiàn)，在已實(shí)施的班級中，積極主動學(xué)習(xí)Java的學(xué)生增多了，能做Java項(xiàng)目、開發(fā)軟件的學(xué)生增多了，利用已開發(fā)或即將開發(fā)的軟件參與互聯(lián)網(wǎng)+、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等學(xué)科競賽的學(xué)生也增多了。總之，通過教學(xué)改革的實(shí)施，可有效提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)、工程實(shí)踐、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和創(chuàng)新等方面的能力，從而提高教學(xué)質(zhì)量，為打造具有較強(qiáng)編程能力、系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和應(yīng)用開發(fā)能力的應(yīng)用型、復(fù)合型、創(chuàng)新型和好就業(yè)且能勝任工作的具有可持續(xù)競爭力的新工科Java軟件開發(fā)人才提供思路。

表2 多元化課程成績評價機(jī)制在Java程序設(shè)計(jì)教學(xué)中的具體實(shí)施