大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程CDIO 創(chuàng)客課堂教學(xué)探討

任 芳，吳 茜，潘妍妍

（陸軍軍事交通學(xué)院 基礎(chǔ)部，天津 300161）

0 引 言

計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展促進(jìn)了信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，而信息技術(shù)的進(jìn)步不僅改變著人們的生產(chǎn)、生活方式,更對高校各專業(yè)人才信息化素質(zhì)培養(yǎng)提出了新的要求。作為國際工程教育改革的最新成果——CDIO 工程教學(xué)模式，是一種在“做中學(xué)”的新模式，它以構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施及運(yùn)作4 個(gè)步驟為載體，形成了新的人才培養(yǎng)模式。以CDIO 模式的先進(jìn)理念為指導(dǎo)，對高校大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)進(jìn)行改革，是對計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)進(jìn)行的有益探索。

1 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)現(xiàn)狀

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)作為高校信息化教育的基礎(chǔ)課程，被各專業(yè)定為低年級的一門必修課，也是各專業(yè)后續(xù)課程的一個(gè)前導(dǎo)內(nèi)容。筆者希望通過該課程的教學(xué)，系統(tǒng)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，并利用計(jì)算機(jī)這個(gè)工具將該思維體現(xiàn)在解決各專業(yè)實(shí)際需求的應(yīng)用中。

然而，傳統(tǒng)的教學(xué)模式以教師講授為主，學(xué)生在課堂上沒有或很少有動(dòng)手操作的機(jī)會，機(jī)械式、灌輸式的講授，容易誤導(dǎo)學(xué)生將“ 自己理解了”和“可以動(dòng)手實(shí)際編程”混為一談。課下學(xué)生自主上機(jī)調(diào)試程序的動(dòng)力不足，導(dǎo)致了教學(xué)效果達(dá)不到預(yù)期，學(xué)生自主編程解決實(shí)際問題能力差的現(xiàn)狀，教師付出的辛苦和收到的效果完全不成正比。

面對信息化的發(fā)展對高校教學(xué)的沖擊，必須依據(jù)現(xiàn)實(shí)情況和未來對人才的需求進(jìn)行預(yù)先規(guī)劃布局，培養(yǎng)具有想象力、創(chuàng)造力、跨學(xué)科整合能力的“新工科”人才。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)必須大膽改革教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段，創(chuàng)新突破傳統(tǒng)的以教師為中心、過分依賴教師和課本的模式，以實(shí)際需求為牽引，以具體項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，將科研引入教學(xué)，充分尊重學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，激發(fā)其探究式學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與好奇心。

2 CDIO教學(xué)模式

CDIO 工程教育模式[1-2]是近年來國際工程教育改革的最新成果。CDIO 教育模式是以產(chǎn)品研發(fā)到運(yùn)行的整個(gè)生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、各課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程的理念、技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，其教學(xué)框架體現(xiàn)了創(chuàng)新的教育思想。

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate：構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)行）倡導(dǎo)探究式教學(xué)，教師由以前的“主講”向“主持”的身份轉(zhuǎn)變，從現(xiàn)實(shí)需求出發(fā)提取出教學(xué)項(xiàng)目，充分激發(fā)學(xué)生的好奇心，引導(dǎo)他們主動(dòng)參與、積極探究、分享合作，讓學(xué)生獨(dú)立思考、自主探究、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，改變傳統(tǒng)以教師為主導(dǎo)的課堂教學(xué)，真正實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)課堂。構(gòu)建以學(xué)生為主體的開放學(xué)習(xí)環(huán)境，具體培養(yǎng)目標(biāo)見圖1。

圖1 CDIO 培養(yǎng)目標(biāo)

應(yīng)將CDIO 教育理念通過科學(xué)的、多形式的教學(xué)方法融入課程教學(xué)，突出實(shí)踐環(huán)節(jié)和學(xué)生課內(nèi)主動(dòng)參與度，提高學(xué)生獨(dú)立探究和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。結(jié)合高校大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程課堂教學(xué)實(shí)際情況，依據(jù)CDIO 研究方法，我們構(gòu)建新型課堂及創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室，目的在于讓學(xué)生參與以實(shí)際需求和具體項(xiàng)目為基礎(chǔ)的課堂學(xué)習(xí)，并利用開源軟（硬）件，參與整個(gè)項(xiàng)目的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及運(yùn)行，讓學(xué)生體驗(yàn)“做中學(xué)”，在這個(gè)過程中持續(xù)訓(xùn)練其計(jì)算思維，不斷提高解決現(xiàn)實(shí)問題的能力，CDIO 項(xiàng)目教學(xué)完整過程見圖2[3]。

圖2 CDIO 項(xiàng)目教學(xué)過程

3 CDIO課堂教學(xué)具體實(shí)施項(xiàng)目

3.1 項(xiàng)目構(gòu)思

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中，算法這一章教學(xué)內(nèi)容具有很重要的地位。通過學(xué)習(xí)算法，可以系統(tǒng)訓(xùn)練學(xué)生的計(jì)算機(jī)思維，訓(xùn)練其對問題的抽象、探究、分析以及利用計(jì)算機(jī)編程表達(dá)和解決問題的能力。

本項(xiàng)目以學(xué)習(xí)最短路徑算法為例，來闡述CDIO 創(chuàng)客課堂教學(xué)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)施過程。CDIO 項(xiàng)目從現(xiàn)實(shí)需求出發(fā)，選取學(xué)院開發(fā)的應(yīng)急鐵路輸送總方案決策支持系統(tǒng)中某運(yùn)輸場景，見圖3，要求在最短時(shí)間內(nèi)將物資由裝在地域運(yùn)輸?shù)礁髋渲玫赜?，讓學(xué)生編程計(jì)算出耗時(shí)最短的運(yùn)輸方案及具體用時(shí)。創(chuàng)設(shè)賽課合一的教學(xué)環(huán)境，在CDIO 創(chuàng)客教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，分組進(jìn)行鐵路輸送方案的探究，并進(jìn)行方案的匯報(bào)、互評以及改進(jìn)。

圖3 某應(yīng)急運(yùn)輸?shù)貓D

3.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

1）提煉需求，對問題原型進(jìn)行抽象、建模。

首先，將問題進(jìn)行抽象和簡化，選取北京、武漢、南京、南昌、鄭州5 地作為研究對象，求出從北京到其他4 個(gè)地點(diǎn)間的最短路徑，見圖4。

為了研究問題的本質(zhì)，將背景地圖撤走，然后用數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)代表各地點(diǎn)，將各點(diǎn)間的鐵路線標(biāo)注出來，繼續(xù)整理出該圖形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是只研究數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)及結(jié)點(diǎn)間的關(guān)系，而忽略結(jié)點(diǎn)的大小、線的曲直。此時(shí)得到圖5 的有權(quán)無向圖，圖的邊上標(biāo)注的是兩點(diǎn)間的權(quán)值，在該實(shí)際問題當(dāng)中，其數(shù)值代表各地點(diǎn)間的鐵路線長度。

圖4 CDIO 項(xiàng)目選取地圖

圖5 CDIO 項(xiàng)目帶權(quán)無向圖

用二維矩陣存儲該圖信息，其中，列方向表示出發(fā)地點(diǎn)，行方向表示到達(dá)地點(diǎn)，兩點(diǎn)間的距離就記錄在相應(yīng)的位置上。其中兩點(diǎn)間沒有直達(dá)的鐵路線時(shí)，距離記錄為正無窮。對應(yīng)該二維矩陣，程序中用二維數(shù)組表達(dá)即可。該項(xiàng)目中的原始鐵路線距離信息記錄如下：

有了原始各地間鐵路線距離的數(shù)據(jù)模型，就可指定出發(fā)（裝載）地點(diǎn)，具體分析和研究從該地點(diǎn)到其他各地點(diǎn)的最短路徑問題。

2）問題分析與求解。

本項(xiàng)目實(shí)際是在求解某一個(gè)點(diǎn)到其他各點(diǎn)間的最短路徑問題。最短路徑算法有很多，其中最為經(jīng)典的是Dijkstra 算法、Floyd 算法等。選取學(xué)生容易理解的Dijkstra 算法解決該具體問題。

Dijkstra 算法的思想是：按照各條最短路徑遞增的順序找出某一點(diǎn)到其他各頂點(diǎn)間的最短路徑。

假設(shè)該題目中，將北京記為頂點(diǎn)1，就要用該算法具體求解頂點(diǎn)1 到其他各頂點(diǎn)間的最短路徑。

首先指定源點(diǎn)并分組頂點(diǎn)，分為已找到最短路徑的頂點(diǎn)分組和未找到最短路徑的頂點(diǎn)分組。

從已找到最短路徑的頂點(diǎn)出發(fā)，找出其到未找到最短路徑的各頂點(diǎn)間的最短路徑。

n個(gè)頂點(diǎn)循環(huán)n-1 次找最短路徑。

（1）取小距離值，對應(yīng)頂點(diǎn)作為新選點(diǎn)；

（2）調(diào)整分組，將新選點(diǎn)加入已確定最短路徑組；

（3）源點(diǎn)到未確定最短路徑頂點(diǎn)分別做：原距離值與源點(diǎn)→新選點(diǎn)→未定點(diǎn)距離和，回到（1）。

學(xué)生探究分析該算法，教師引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立編寫程序，培養(yǎng)學(xué)生在面對問題時(shí)如何分析、建模，如何用具體的語言工具描述算法的思想來，初步建立計(jì)算思維及模塊化編程的能力。

3.3 實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行（創(chuàng)客課堂教學(xué)實(shí)施）

1）項(xiàng)目分組。

2）能力培養(yǎng)目標(biāo)。

3）項(xiàng)目實(shí)施，見表1 和表2。

（1）環(huán)節(jié)I：項(xiàng)目理論知識探究，包括多種最短路徑算法思想、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，開發(fā)工具技能；

（2）環(huán)節(jié)II：項(xiàng)目目標(biāo)下發(fā)與學(xué)生組隊(duì)；

（3）環(huán)節(jié)III：項(xiàng)目構(gòu)思——通過查找資料，課前預(yù)習(xí)，瀏覽微課等多種手段學(xué)習(xí)最短路徑算法內(nèi)容，在掌握編程技能的基礎(chǔ)上，各小組明確項(xiàng)目目標(biāo)、確立方案可行性、完成項(xiàng)目報(bào)告內(nèi)容I（項(xiàng)目分析與創(chuàng)新分析與評估）；

（4）環(huán)節(jié)IV：系統(tǒng)設(shè)計(jì)——主要工作包括制定解決方案、制定解決計(jì)劃以及完成項(xiàng)目報(bào)告內(nèi)容II（項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案評估、項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評估）；

（5）環(huán)節(jié)V：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)——提供完整程序，利用程序完成問題的求解、完成項(xiàng)目報(bào)告內(nèi)容III（系統(tǒng)流程、系統(tǒng)架構(gòu)）兩個(gè)環(huán)節(jié)組成；

（6）環(huán)節(jié)VI：運(yùn)行與評估——課內(nèi)完成項(xiàng)目報(bào)告內(nèi)容IV（匯報(bào)展示、學(xué)生自評、同組者互評、不同組者互評和教師點(diǎn)評）。

表1 實(shí)施計(jì)劃

4）課內(nèi)評估。

3.4 教學(xué)小結(jié)

通過該項(xiàng)目的CDIO 教學(xué)實(shí)施以及創(chuàng)客課堂的創(chuàng)建，學(xué)生成為了課堂和教學(xué)的主體，由以前“要我學(xué)”變成了現(xiàn)在“我要學(xué)”，翻轉(zhuǎn)了以往以教師為中心的傳統(tǒng)課堂。本章節(jié)內(nèi)容以算法為例，結(jié)合大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中計(jì)算思維具體應(yīng)用及能力培養(yǎng)展開討論與點(diǎn)評，加深學(xué)生對算法及計(jì)算機(jī)思維的理解，激發(fā)其自主學(xué)習(xí)的興趣，進(jìn)行創(chuàng)新思維培養(yǎng)。

教師通過向?qū)W生列舉計(jì)算思維在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用，幫助其提煉現(xiàn)實(shí)需求，持續(xù)訓(xùn)練其利用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問題的意識和能力；在充分尊重學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，讓其成為課堂學(xué)習(xí)的主體，利用好奇心和主動(dòng)性引導(dǎo)其探究式學(xué)習(xí)，最終達(dá)到“育人”這個(gè)教學(xué)的最高目標(biāo)。

表2 實(shí)施環(huán)節(jié)

4 結(jié) 語

基于項(xiàng)目的創(chuàng)客課堂是開放的、基于學(xué)生間的分享合作的。學(xué)生在這個(gè)過程中，體會到了學(xué)習(xí)時(shí)間從課內(nèi)向課外延伸，空間從教室向圖書館和實(shí)驗(yàn)室拓展，內(nèi)容從教材向參考資料擴(kuò)充，學(xué)生的主體地位彰顯，教學(xué)效果明顯好于傳統(tǒng)課堂。

基于CDIO 的課程教學(xué)創(chuàng)客課堂活動(dòng)是生動(dòng)的、活潑的。整個(gè)教學(xué)過程充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性、主動(dòng)性，激發(fā)他們的好奇心，帶著疑惑和問題主動(dòng)探究學(xué)習(xí)。這樣的教學(xué)更加突出知識的建構(gòu)以及教學(xué)方法的導(dǎo)引性，從傳統(tǒng)的灌輸課堂向?qū)υ捳n堂轉(zhuǎn)變、從以往的封閉課堂向開放課堂轉(zhuǎn)變、從之前的知識課堂向能力課堂轉(zhuǎn)變、從重學(xué)輕思向?qū)W思結(jié)合轉(zhuǎn)變。這種基于實(shí)際需求的項(xiàng)目式教學(xué)方法為培養(yǎng)具有計(jì)算思維、創(chuàng)新能力的新型工科人才提供了一種嶄新的培養(yǎng)模式，是對計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)進(jìn)行的有益探索。