基于CDIO理念的興趣啟蒙式教學(xué)模式實踐研究

邢翠芳 趙海冰 杜晶

摘 要：在“聚焦實戰(zhàn)化教學(xué)，推進(jìn)信息化教學(xué)改革”的大趨勢下，針對計算機程序設(shè)計課程，提出基于CDIO理念的興趣啟蒙式教學(xué)模式。從模式體系結(jié)構(gòu)、教學(xué)內(nèi)容組織、教學(xué)過程設(shè)計及課程考核方式4個方面探討模式的具體實施。課程考核成績和學(xué)員問卷調(diào)查結(jié)果充分證明了該教學(xué)模式的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：CDIO;興趣啟蒙;程序設(shè)計;教學(xué)模式

DOI：10. 11907/rjdk. 191989 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：G434文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）002-0222-04

英標(biāo)：Practice of Enlightenment Teaching Model Based on CDIO Concept

英作：XING Cui-fang，ZHAO Hai-bing，DU Jing

英單：（Aeronautical Basic College，Naval Aeronautical University，Yantai 264000，China）

Abstract：Under the general trend of “focusing on practical teaching and promoting information-based teaching reform”， an interest-based enlightenment teaching model based on CDIO concept is proposed for computer programming courses. The specific implementation of the model is discussed from four aspects： model architecture， teaching content organization， teaching process design and course assessment methods. The results of the comprehensive course assessment and the questionnaire survey results of the participants fully demonstrate the validity and feasibility of the teaching model.

Key Words：CDIO; enlightenment; computer programming; teaching model

0 引言

計算機程序設(shè)計課程是各高校面向?qū)W校各專業(yè)一年級新生開設(shè)的一門公共必修課[1]。課程實踐性很強，整個課程體系遵循素質(zhì)教育和創(chuàng)新教育理念，旨在培養(yǎng)學(xué)員的科學(xué)思維與程序設(shè)計意識，提升他們自主學(xué)習(xí)、理論聯(lián)系實際、交流協(xié)作，以及獨立獲取知識并加以綜合應(yīng)用的能力，使他們能夠應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)解決專業(yè)領(lǐng)域中的問題。傳統(tǒng)教學(xué)方式已完全不能滿足該課程教學(xué)需求，各高等院校也嘗試通過不同手段和方法對該課程實施教學(xué)改革[2-4]。海軍航空大學(xué)近年來實施小班化分級教學(xué)，但是教學(xué)效果不夠理想，學(xué)員對計算機語言的綜合應(yīng)用能力與最終培養(yǎng)目標(biāo)還有一定距離。已有部分大學(xué)開展CDIO教改試點，例如，東南大學(xué)在計算機系本科生中試點《C#課程》，發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性明顯提高、課堂氣氛更為活躍、學(xué)生參與度高、程序設(shè)計能力增強，90%的學(xué)生能獨立完成課程實驗，創(chuàng)新能力、團(tuán)隊意識有所提高[5]，因此將CDIO理念引入計算機程序設(shè)計課堂，有助于應(yīng)用型人才培養(yǎng)。興趣是最好的老師，學(xué)員對課程本身興趣缺失是導(dǎo)致教學(xué)效果不理想的一個最重要原因[6]。計算機程序設(shè)計課題組按照“聚焦實戰(zhàn)化教學(xué)，推進(jìn)信息化教學(xué)改革”的要求，深入研究信息化條件下計算機程序設(shè)計課程內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)、方法手段及組織管理重難點問題，以CDIO理念為指導(dǎo)，從提升學(xué)員興趣和培養(yǎng)其工程實踐能力入手，以“啟蒙”為概念，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)設(shè)計、課程考核等多個角度出發(fā)，變換傳統(tǒng)程序設(shè)計課堂教學(xué)實施視角，精心設(shè)計教學(xué)過程，培養(yǎng)學(xué)員綜合實踐能力，滿足部隊對應(yīng)用型人才的需求，對推動計算機基礎(chǔ)教學(xué)向?qū)崙?zhàn)化靠攏具有積極意義?；贑DIO理念的興趣啟蒙式教學(xué)模式強調(diào)在課程設(shè)計過程中，以興趣啟蒙為前提，以任務(wù)案例為驅(qū)動，以貼近學(xué)員學(xué)習(xí)、生活以及未來任職崗位的項目為依托，給學(xué)員親切感，激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣。

1 模式體系結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)有教學(xué)資源下，結(jié)合計算機程序設(shè)計課程教學(xué)取得的一系列科研成果，根據(jù)學(xué)員實際情況，構(gòu)建基于CDIO的興趣啟蒙式教學(xué)模式體系如圖1所示。

以計算機程序設(shè)計基礎(chǔ)知識體系為基礎(chǔ)，合理設(shè)置融合專業(yè)需求的多層次、可延展的項目，創(chuàng)建系統(tǒng)規(guī)范的微課、MOOC資源庫，使用基于CDIO理念的興趣啟蒙式教學(xué)方法，使學(xué)生通過理論學(xué)習(xí)、項目實踐、自主研學(xué)三維學(xué)習(xí)模式，在面向全過程的多元化課程考核形式支撐下，實現(xiàn)對學(xué)員專業(yè)知識、應(yīng)用創(chuàng)新能力、工程實踐能力的綜合培養(yǎng)，以適應(yīng)軍隊對應(yīng)用型人才的需求。

2 教學(xué)內(nèi)容組織

以現(xiàn)有教材為基礎(chǔ)，對整個知識框架進(jìn)行梳理，自上而下地組織教學(xué)內(nèi)容，對知識點進(jìn)行整合劃分，將計算機程序設(shè)計課程教學(xué)分為基礎(chǔ)能力培養(yǎng)、綜合系統(tǒng)能力提升和開放項目創(chuàng)新3個階段，采用階梯式設(shè)置項目，先易后難，循序漸進(jìn)地將相關(guān)知識點融入項目任務(wù)中，完成任務(wù)的同時，實現(xiàn)知識點的掌握[7]。在此過程中，學(xué)員通過實戰(zhàn)演練，身臨其境，始終帶著興趣和熱情去進(jìn)行實踐-總結(jié)-反思，將瑣碎的知識點串聯(lián)起來，逐步培養(yǎng)學(xué)生綜合能力。以海軍航空大學(xué)2018級本科某專業(yè)為例，計算機程序設(shè)計課程主要模塊、項目設(shè)置以及相關(guān)知識點如表1所示。

（1）基礎(chǔ)能力培養(yǎng)階段。本階段的主要任務(wù)是基礎(chǔ)知識點的領(lǐng)會與理解、程序調(diào)試、開發(fā)環(huán)境使用等基本操作能力培養(yǎng)，對計算機程序設(shè)計課程的所有知識點分模塊內(nèi)聚，每個模塊選用一個具有一定特色和意義的小型開發(fā)項目，將知識點融入項目各任務(wù)/子任務(wù)中，以學(xué)員操作為主，講授為輔，每一個項目融合CDIO工程理念，按照“課前自主學(xué)習(xí)繪制概念圖—課中提出具體任務(wù)，分解任務(wù)需求（構(gòu)思）—搭建項目開發(fā)框架（設(shè)計）—使用知識點解決問題（實現(xiàn)）—調(diào)試完善程序功能（運行）—歸納總結(jié)知識點—細(xì)化概念圖構(gòu)建知識脈絡(luò)”的方式進(jìn)行。這種從小到大、循序漸進(jìn)的螺旋式程序設(shè)計方式可以降低程序設(shè)計難度，有助于學(xué)員把握各章節(jié)知識之間的前后聯(lián)系，自然而然地調(diào)動學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性，樹立學(xué)員自信心。

（2）綜合系統(tǒng)提升階段。本階段是對前一階段所學(xué)知識點的鞏固提升過程。通過幾個簡單項目實踐，學(xué)員已經(jīng)掌握了基本知識點，同時也收獲了滿滿的自信心和成就感，此時也愿意接受更高的挑戰(zhàn)。在此基礎(chǔ)上，教員給出綜合性較強的新項目，更能提升學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)探索欲望。

（3）開放項目創(chuàng)新階段。本階段項目集C語言知識應(yīng)用、團(tuán)隊協(xié)作能力、工程思維能力、綜合實踐能力于一體[8]。開放項目設(shè)計要求緊跟新技術(shù)、新應(yīng)用的發(fā)展，由教員精心挑選，也可以由學(xué)員和教員商討決定，亦或者由學(xué)員提出一些感興趣的課題，由教員審核，保證題目的科學(xué)性和可行性;選好題目后，組內(nèi)進(jìn)行任務(wù)分工，結(jié)合個人興趣和特長認(rèn)領(lǐng)任務(wù)。項目實施過程中，教員必須采取相應(yīng)措施和手段，激發(fā)所有組員的集體榮譽感，充分調(diào)動組員的最大潛能;項目結(jié)束，通過提交報告、程序代碼、設(shè)計說明報告和現(xiàn)場答辯的形式對項目進(jìn)行驗收。受課時限制，一般會將開放項目安排在課后完成。

3 教學(xué)過程設(shè)計

整個課堂教學(xué)活動實施前應(yīng)該讓學(xué)員明確教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容[9]。以基礎(chǔ)能力培養(yǎng)階段中級應(yīng)用模塊中的軍械倉儲物資管理系統(tǒng)項目為例，基于CDIO理念的興趣啟蒙式教學(xué)模式的教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容安排如表2所示。

（1）提出任務(wù)，分解需求。設(shè)計軍械倉儲物資管理系統(tǒng)，對倉儲物資進(jìn)行信息化管理，主要功能有：倉儲物資日常登記和物資出入庫管理。物資信息主要包含以下字段：名稱、數(shù)量、單價、金額、規(guī)格型號、計量單位、出廠日期;最終在運行環(huán)境中顯示輸出結(jié)果時，需顯示物資的全部屬性。根據(jù)任務(wù)描述，小組進(jìn)行探討，每組結(jié)合給定功能對倉儲物資管理系統(tǒng)進(jìn)行功能建模。按照“自頂向下、逐步求精”的原則，將系統(tǒng)劃分為：物資增加、編輯、列表顯示、保存、刪除、查詢等子任務(wù)，每個子任務(wù)對應(yīng)系統(tǒng)的一個子功能，每個子功能最終抽象為一個函數(shù)實現(xiàn)。

（2）搭建框架，組內(nèi)分工。每組根據(jù)任務(wù)劃分情況，利用已有知識結(jié)構(gòu)和實踐技能，搭建系統(tǒng)開發(fā)框架，探討任務(wù)實施方案。由于組內(nèi)成員的基礎(chǔ)和認(rèn)知水平不一，組長結(jié)合成員平時完成任務(wù)的情況，并考慮個人意愿完成組內(nèi)成員的任務(wù)認(rèn)領(lǐng)。難度稍大的任務(wù)，如編寫函數(shù)實現(xiàn)物資的查詢、編輯等，需交給基礎(chǔ)好的學(xué)員完成;難度適中的任務(wù)，如結(jié)構(gòu)體類型設(shè)計、編寫函數(shù)實現(xiàn)物資顯示等，可以分配給基礎(chǔ)相對薄弱的學(xué)員。

（3）督促引導(dǎo)，講授指導(dǎo)。對復(fù)雜的知識點，教員應(yīng)有針對性地集中講授。相對簡單的知識點均通過自主學(xué)習(xí)加以掌握，適時進(jìn)行個別指導(dǎo)。例如，“倉儲物資的顯示”任務(wù)可以分解為物資結(jié)構(gòu)體類型的定義和引用、物資顯示函數(shù)的定義和調(diào)用兩個子任務(wù)，函數(shù)是已經(jīng)學(xué)習(xí)過的內(nèi)容，學(xué)員已經(jīng)能很好地掌握，而在新任務(wù)中需要使用結(jié)構(gòu)體數(shù)組作為函數(shù)參數(shù)，這一功能的實現(xiàn)相對復(fù)雜。因此，在函數(shù)定義這一任務(wù)完成的同時，教員要引導(dǎo)學(xué)員思考幾個問題：①基本類型變量和基本類型數(shù)組分別作為函數(shù)參數(shù)有什么區(qū)別;②結(jié)構(gòu)體變量和結(jié)構(gòu)體數(shù)組分別作為函數(shù)參數(shù)的區(qū)別;③結(jié)構(gòu)體數(shù)組和基本類型數(shù)組分別作為函數(shù)參數(shù)的區(qū)別。這些問題的解答可對后續(xù)程序設(shè)計發(fā)揮引導(dǎo)作用。

（4）解決問題，調(diào)試完善。學(xué)員通過課前自主學(xué)習(xí)，對知識點有一定程度的理解，結(jié)合掌握情況，對現(xiàn)有任務(wù)進(jìn)行算法設(shè)計和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，算法設(shè)計可以通過流程圖、偽代碼等形式展現(xiàn)。每個組最終版設(shè)計方案確定之前，組內(nèi)成員要相互切磋交流，深入探究思路的可行性，反復(fù)補充、修正、完善算法。最后，算法用C語言程序?qū)崿F(xiàn)，通過不斷地測試和調(diào)試獲得最終正確結(jié)果。

（5）歸納總結(jié)，細(xì)化概念圖。學(xué)習(xí)成果集體展示階段，每組選一名代表講解，組內(nèi)成員要輪流上臺，保證每個人都有發(fā)言機會，同時也鍛煉每個人的表達(dá)能力。教員對整個過程進(jìn)行總結(jié)性評價，一是對項目中涉及的知識點進(jìn)行總結(jié)性概括（可結(jié)合出現(xiàn)的問題進(jìn)行），二是對各組任務(wù)完成情況、組內(nèi)成員學(xué)習(xí)過程、任務(wù)實施過程中出現(xiàn)的問題及解決方案進(jìn)行總結(jié)性評價。學(xué)員結(jié)合自身實際情況，首先要對教員的評價進(jìn)行消化吸收，再進(jìn)行組內(nèi)互評、交流心得，并對自己的整個學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)方法進(jìn)行綜合歸納、反思評價。同時，將自主學(xué)習(xí)階段構(gòu)建的概念圖進(jìn)一步細(xì)化，從而形成完整的知識脈絡(luò)。

（6）啟發(fā)思考，鞏固拓展。通過啟發(fā)式思考預(yù)留課后作業(yè)，加深學(xué)員對課堂知識點的理解與鞏固，作業(yè)如下：①利用指針對現(xiàn)有任務(wù)進(jìn)行重構(gòu)，如何實現(xiàn)？②如何實現(xiàn)物資按名稱模糊查找并顯示輸出？③將查找結(jié)果用兩種不同的排序算法進(jìn)行排序，試比較兩種算法的效率。附加作業(yè)：如果將文本文件轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制文件，對其進(jìn)行讀寫操作將如何實現(xiàn)？

4 課程考核方式

結(jié)合CDIO 評價標(biāo)準(zhǔn)，建立面向全過程的多元化課程考核形式，除期末考試外，將體現(xiàn)自主探究過程的課堂和課后表現(xiàn)、項目實踐等納入課程綜合考評體系，合理設(shè)置權(quán)重系數(shù)。成績采用百分制，每人每階段的成績應(yīng)及時登記在課程實施情況記錄表中以便于最后匯總統(tǒng)計[10]。多元化考核體系基本構(gòu)成如表3所示。

5 教學(xué)效果分析

應(yīng)用基于CDIO理念的計算機程序設(shè)計課程興趣啟蒙式教學(xué)模式后，2018級某專業(yè)大一學(xué)員計算機程序設(shè)計課程的綜合考核成績?nèi)鐖D2所示。可以看出，25%的學(xué)員綜合考核成績達(dá)到了90分以上，92%的學(xué)員達(dá)到了70分以上，及格率為100%。

課程結(jié)束后對學(xué)員進(jìn)行問卷調(diào)查，結(jié)果如圖3所示。綜合上述課程考核成績和學(xué)員調(diào)查結(jié)果，充分證明了模式的有效性和可行性。

6 結(jié)語

在“聚焦實戰(zhàn)化教學(xué)，推進(jìn)信息化教學(xué)改革”的大趨勢下，基于CDIO理念的計算機程序設(shè)計課程興趣啟蒙式教學(xué)模式，激發(fā)了學(xué)員學(xué)習(xí)興趣，提高了其學(xué)習(xí)主動性，以及自主學(xué)習(xí)能力、問題解決能力、人際交往能力、團(tuán)隊合作能力，教學(xué)效果明顯提升。教學(xué)實踐結(jié)果證明，這種教學(xué)改革嘗試非常成功，也給教員和學(xué)員帶來了新的挑戰(zhàn)。有些學(xué)員不太適應(yīng)這種自主學(xué)習(xí)方式，時間觀念淡薄、計劃性不強，導(dǎo)致所在小組在規(guī)定時間內(nèi)不能完成項目，在新的教學(xué)模式下，學(xué)員要明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，制定學(xué)習(xí)計劃，避免這種完全自由學(xué)習(xí)模式導(dǎo)致的迷茫懶散;在該模式下，教員需要加大時間和精力投入，一要通過調(diào)研等形式了解學(xué)員任職能力需求，利用理論教學(xué)和崗位實際工作經(jīng)驗，盡可能地搜集恰當(dāng)?shù)馁N近學(xué)員學(xué)習(xí)、生活以及未來任職崗位的應(yīng)用項目，補充完善教學(xué)案例庫;二要對每堂課的任務(wù)精心挑選，仔細(xì)斟酌，確保項目設(shè)計因材施教，難易程度適中;三要提高課堂駕馭能力。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）