基于CDIO和OBE模式的教學(xué)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

董靜靜 楊天化 葉寒鋒 吳瀅 辛均益

摘? ?要：傳統(tǒng)的教學(xué)管理平臺(tái)存在以教師為主體、無法激起學(xué)生的認(rèn)知主體作用、教學(xué)效果無法反饋等弊端。此外，傳統(tǒng)的教學(xué)管理平臺(tái)服務(wù)于所有課程，沒有考慮計(jì)算機(jī)類課程的特殊性。針對上述問題，文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于CDIO和OBE模式的教學(xué)管理平臺(tái)。該平臺(tái)以學(xué)生為導(dǎo)向，結(jié)合計(jì)算機(jī)類課程特點(diǎn)，全面系統(tǒng)地收集教與學(xué)的過程數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)觀察和分析教學(xué)效果與教學(xué)目標(biāo)之間的差異，有利于教師及學(xué)生探索更高效的教學(xué)及學(xué)習(xí)方法，提升教師的教學(xué)效果與學(xué)生的學(xué)習(xí)成績。

關(guān)鍵詞：CDIO;OBE;教學(xué)管理平臺(tái);計(jì)算機(jī)類課程;教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G647 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2021）07-0056-05

一、構(gòu)建基于CDIO和OBE模式教學(xué)管理平臺(tái)的重要性

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，各行各業(yè)都在接入互聯(lián)網(wǎng)，通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)輔助各項(xiàng)工作。以教學(xué)為核心的學(xué)校也在逐步接入互聯(lián)網(wǎng)。[1]現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)管理平臺(tái)（以下簡稱平臺(tái)）能夠輔助教師的教學(xué)工作，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)授課、管理課程表、布置作業(yè)、批改作業(yè)等功能，但存在功能單一、以教師為主體、以應(yīng)試為中心、缺少教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控和展示等問題，忽略了學(xué)生的主動(dòng)性、創(chuàng)造性，無法充分體現(xiàn)學(xué)生的認(rèn)知主體作用，導(dǎo)致學(xué)生無法得知學(xué)習(xí)成果，教師無法得知教學(xué)效果、無法及時(shí)改進(jìn)授課方式等弊端，并且現(xiàn)有的平臺(tái)是服務(wù)于所有課程，沒有考慮計(jì)算機(jī)類課程的特殊性。

當(dāng)前工程教學(xué)模式主要有CDIO和OBE模式。CDIO由麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)提出，基于“構(gòu)思（conceive）-設(shè)計(jì)（design）-實(shí)施（implement）-運(yùn)行（operate）”的生命周期理論進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)。[2]讓學(xué)生以主動(dòng)、實(shí)踐、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式去學(xué)習(xí)。能力導(dǎo)向教育OBE（Outcomes-Based Education），指教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施的目標(biāo)是學(xué)生通過教育過程最后所取得的學(xué)習(xí)成果。[3]基于CDIO和OBE模式并結(jié)合計(jì)算機(jī)類課程特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)一個(gè)全新理念的教學(xué)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的全流程追蹤，并采集結(jié)果數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)反饋教師的教學(xué)成果和學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。結(jié)合計(jì)算機(jī)類課程特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)線上線下、課內(nèi)課外、校企合作、職業(yè)需求與學(xué)科交叉融合、多角色參與教學(xué)、多單位承擔(dān)培養(yǎng)、多項(xiàng)目實(shí)操結(jié)合的教學(xué)方法，有利于提升教師的教學(xué)效果與學(xué)生的學(xué)習(xí)成績。

二、系統(tǒng)構(gòu)架及總體設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

該系統(tǒng)在Windows/Linux環(huán)境下，基于Visual Studio Code，采用B/S（Browser/Server）體系架構(gòu)開發(fā)。服務(wù)端采用Docker容器部署服務(wù)，并對外提供API（Application Programming Interface）服務(wù)。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用前后端分離，瀏覽器端為SPA（single page web application），服務(wù)端提供API，通過OAUTH2.0的鑒權(quán)方式進(jìn)行交互。服務(wù)端使用“Node.js相關(guān)技術(shù)棧+MySQL”等開源數(shù)據(jù)庫提供并實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程管理、工科教學(xué)編程類OnlineJugde模塊、實(shí)習(xí)管理、畢業(yè)生跟蹤反饋等功能。由于教學(xué)管理平臺(tái)的訪問用戶包括教師、學(xué)生以及企業(yè)人員，訪問用戶量多，容器部署具有先天分布式優(yōu)勢，通過部署容器鏡像集群，實(shí)現(xiàn)教學(xué)管理平臺(tái)分布式模式。系統(tǒng)采用B/S模式，用戶通過瀏覽器訪問管理平臺(tái)，考慮到數(shù)據(jù)安全性，前端通過瀏覽器基于HTTPS協(xié)議訪問教學(xué)管理平臺(tái)的服務(wù)。

系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，擬使用Redis作為Cache，對系統(tǒng)的更新刪除等操作都會(huì)同步更新到數(shù)據(jù)庫以及Redis，對系統(tǒng)的查看等操作都會(huì)先請求Redis緩存層。如果Redis緩存里有數(shù)據(jù)就直接返回;如果沒有就降級(jí)從數(shù)據(jù)庫中取數(shù)據(jù)返回給后端服務(wù)，并且異步更新緩存。[4]通過這種機(jī)制保障了后端服務(wù)的快速響應(yīng)以及緩存和存儲(chǔ)的一致性，后端分布式多臺(tái)部署服務(wù)，后期可以橫向無限擴(kuò)展。系統(tǒng)總體功能模塊如圖1所示。

3.系統(tǒng)角色

系統(tǒng)主要面向三類人員，包括學(xué)生、教師及實(shí)習(xí)合作單位，如表1所示。

三、系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

1.教學(xué)過程管理模塊

教學(xué)過程管理模塊覆蓋教學(xué)全過程，包括課程管理、文章管理、話題管理、試卷管理、題庫管理、資源管理、課表管理、作業(yè)管理、教學(xué)質(zhì)量、作業(yè)通知、數(shù)據(jù)分析、知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理、組織架構(gòu)管理、系統(tǒng)配置等，具體功能實(shí)現(xiàn)如圖2所示。教師可以通過課程管理模塊對課程進(jìn)行管理，查看課程列表、詳情，編輯課程，布置作業(yè)，設(shè)置課程考試;發(fā)布各項(xiàng)通知公告;對學(xué)生進(jìn)行管理，查看課程學(xué)生的測驗(yàn)、作業(yè)、考勤請假等情況。學(xué)生能夠管理課表、作業(yè);進(jìn)行教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià);接收各項(xiàng)通知等。管理后臺(tái)可以對各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示、分析;對知識(shí)產(chǎn)權(quán)、組織架構(gòu)進(jìn)行管理;建立教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系;對系統(tǒng)進(jìn)行配置，配置后可供系統(tǒng)內(nèi)的其他成員使用。

系統(tǒng)為師生的日常教學(xué)學(xué)習(xí)活動(dòng)提供便利，學(xué)生能夠通過系統(tǒng)的考勤管理功能進(jìn)行上課簽到以及請假等流程處理;資源管理功能有助于教師管理課件、音視頻資料，學(xué)生課后復(fù)習(xí)課程;PPT放映管理內(nèi)嵌了PPT放映功能，用戶可以在管理平臺(tái)上放映PPT;教學(xué)同步直播功能可以在發(fā)生重大情況無法上課時(shí)保障教師通過教學(xué)管理平臺(tái)直播教學(xué);話題討論功能類似論壇功能，用戶可以在教學(xué)管理平臺(tái)上發(fā)帖、拉群討論等，利于學(xué)習(xí)交流。教學(xué)質(zhì)量功能是對教師教學(xué)質(zhì)量的監(jiān)控以及展示，管理員可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，在校學(xué)生可以根據(jù)評(píng)價(jià)體系給自己上過的課程打分評(píng)分;畢業(yè)生就業(yè)后可根據(jù)課程內(nèi)容與相關(guān)專業(yè)工作的匹配度等對在校時(shí)學(xué)習(xí)過的課程打分評(píng)分;系統(tǒng)會(huì)根據(jù)畢業(yè)生就業(yè)反饋數(shù)據(jù)、學(xué)生考試分?jǐn)?shù)、學(xué)生對課程打分等一些數(shù)據(jù)對課程的分?jǐn)?shù)進(jìn)行綜合評(píng)估，動(dòng)態(tài)地對教師的課程進(jìn)行評(píng)價(jià)反饋，教師可以根據(jù)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系反饋的相關(guān)內(nèi)容對教學(xué)內(nèi)容、授課方式等做出改進(jìn)。該功能解決了傳統(tǒng)的教學(xué)管理平臺(tái)缺少教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控和展示，導(dǎo)致教師無法得知教學(xué)效果、無法及時(shí)改進(jìn)授課方式等問題。題庫管理功能方便學(xué)生學(xué)習(xí)自測，題庫里有教師上傳的歷史考試題目及作業(yè)、練習(xí)題目，學(xué)生可以使用題庫進(jìn)行測驗(yàn)復(fù)習(xí)，模塊可以對學(xué)生的答題予以評(píng)分，利于學(xué)生實(shí)時(shí)獲取自己的學(xué)習(xí)成果。試卷管理模塊功能方便教師在學(xué)期中對學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行摸底，教師可以在教學(xué)管理平臺(tái)組織本科目的考試，平臺(tái)可以根據(jù)設(shè)置自動(dòng)判分，教師可以進(jìn)行復(fù)審糾正平臺(tái)的判分;平臺(tái)會(huì)記錄評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)并將考試結(jié)果和正確答案推送給學(xué)生，同時(shí)能夠根據(jù)考試分?jǐn)?shù)分布情況、錯(cuò)題分布范圍等對考試成績進(jìn)行分析，幫助教師了解學(xué)生對課程的整體掌握情況和學(xué)習(xí)痛點(diǎn);教師可以根據(jù)考試難度為每次的考試設(shè)置加權(quán)分?jǐn)?shù)，作為本課程最終成績的一部分，完善過程性評(píng)價(jià)。學(xué)院相關(guān)負(fù)責(zé)教師可以在管理后臺(tái)查看本學(xué)院所開課程的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，如考勤次數(shù)、考試數(shù)量、考試分?jǐn)?shù)分布情況、教師知識(shí)產(chǎn)權(quán)數(shù)量、教師質(zhì)量評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)等，平臺(tái)會(huì)根據(jù)各項(xiàng)數(shù)據(jù)對每門課程進(jìn)行橫向與縱向分析，幫助學(xué)院及教師更深入地了解同個(gè)課程不同教師的差距及不同課程之間的差距;學(xué)院在征得教師本人同意后，可以將被學(xué)生廣泛認(rèn)可的優(yōu)秀文章、題目共享給本課程的其他教師和學(xué)生，做到資源共享、共同進(jìn)步;同時(shí)這些數(shù)據(jù)可以作為優(yōu)秀教師的評(píng)判依據(jù)，為優(yōu)秀教師的評(píng)判提供客觀、公正的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

2.工科教學(xué)編程類OnlineJugde模塊

工科教學(xué)編程類OnlineJugde模塊充分考慮了計(jì)算機(jī)類課程的特點(diǎn)，為學(xué)生提高編程能力提供了良好平臺(tái)。該模塊按角色分為教師、學(xué)生和平臺(tái)自動(dòng)評(píng)估者，可實(shí)現(xiàn)課題演練、創(chuàng)建課程題庫、管理學(xué)生任務(wù)數(shù)據(jù)、做題測試、歷史學(xué)習(xí)記錄等功能，可支持主流編程語言C、C++、Java和Python，且后續(xù)可繼續(xù)擴(kuò)展語言，協(xié)助學(xué)生把課堂上的學(xué)習(xí)內(nèi)容轉(zhuǎn)換為實(shí)際的工程項(xiàng)目，具體功能實(shí)現(xiàn)如圖3所示。教師可以通過題庫模塊創(chuàng)建題目，根據(jù)組織架構(gòu)中的班級(jí)分類或根據(jù)課程關(guān)聯(lián)的學(xué)生修改、刪除題目，只需創(chuàng)建一次題目，就可以通過修改等功能提供給不同層次或不同課程要求的學(xué)生使用，方便教師使用。學(xué)生提交程序代碼后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)評(píng)分并給出錯(cuò)誤提示，且會(huì)根據(jù)上交作業(yè)順序、練習(xí)次數(shù)等給出加權(quán)評(píng)分，在提高判分時(shí)效性、協(xié)助學(xué)生快速糾錯(cuò)的同時(shí)，考慮到學(xué)生的主動(dòng)性、認(rèn)知主體作用，形成良好的激勵(lì)機(jī)制;為了防止系統(tǒng)誤判，保證分?jǐn)?shù)的準(zhǔn)確性，教師可以糾正系統(tǒng)判分。教師可以通過系統(tǒng)查看、分析學(xué)生的歷史答題記錄，了解學(xué)生的知識(shí)掌握情況?；谠撃K采集的各項(xiàng)過程數(shù)據(jù)，協(xié)助教師及學(xué)生全方位、多維度地了解自己的教學(xué)效果、學(xué)習(xí)成果及學(xué)生的整體編程水平，利于教師及學(xué)生探索更高效的教學(xué)及學(xué)習(xí)方法。為保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性，OnlineJugde模塊與平臺(tái)內(nèi)其他模塊數(shù)據(jù)同源。

3.實(shí)習(xí)管理模塊

在實(shí)習(xí)管理模塊中公司可以發(fā)布實(shí)習(xí)職位，對學(xué)生的實(shí)習(xí)進(jìn)程進(jìn)行評(píng)估以及對學(xué)生的實(shí)習(xí)情況做出評(píng)價(jià)等。系統(tǒng)中的實(shí)習(xí)公司每年可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行增減，每個(gè)實(shí)習(xí)單位有若干名實(shí)習(xí)帶教老師。學(xué)生可以查看實(shí)習(xí)要求，對實(shí)習(xí)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，如果學(xué)生對某一個(gè)實(shí)習(xí)職位有興趣，可以申請?jiān)搶?shí)習(xí)職位。進(jìn)入公司實(shí)習(xí)后，系統(tǒng)中的每個(gè)學(xué)生會(huì)與相應(yīng)的帶教老師綁定，帶教老師根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)，為學(xué)生修改完善實(shí)習(xí)計(jì)劃并錄入系統(tǒng)，在實(shí)習(xí)過程中根據(jù)各項(xiàng)考核指標(biāo)對學(xué)生的實(shí)習(xí)情況進(jìn)行評(píng)判，實(shí)習(xí)結(jié)束后在系統(tǒng)中上傳實(shí)習(xí)總評(píng)，系統(tǒng)會(huì)將過程性評(píng)價(jià)實(shí)時(shí)推送給對應(yīng)學(xué)生。在實(shí)習(xí)過程中，學(xué)生可以查看自己的實(shí)習(xí)計(jì)劃，根據(jù)要求上傳各項(xiàng)材料或成果，能夠?qū)崟r(shí)查看實(shí)習(xí)公司對自己的過程性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)自己的優(yōu)勢與不足，改善自己存在的問題，也可以在系統(tǒng)中查看自己的實(shí)習(xí)報(bào)告以及實(shí)習(xí)分?jǐn)?shù)，對存在的問題進(jìn)行反饋等，系統(tǒng)會(huì)將學(xué)生反饋的問題實(shí)時(shí)推送給帶教老師和實(shí)習(xí)公司。學(xué)校可以通過管理后臺(tái)查看各項(xiàng)過程性數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)了解實(shí)習(xí)公司和學(xué)生的動(dòng)態(tài)，及時(shí)關(guān)注存在嚴(yán)重問題的學(xué)生。該模塊解決了實(shí)習(xí)期間帶教老師與學(xué)生交流少、學(xué)校不能實(shí)時(shí)掌握學(xué)生情況的問題;帶教老師通過系統(tǒng)能夠?qū)⑿畔?shí)時(shí)反饋給學(xué)生，學(xué)生在實(shí)習(xí)過程中就能發(fā)現(xiàn)和改善自己的問題，為今后的工作打下良好的基礎(chǔ);加強(qiáng)學(xué)生與學(xué)校的聯(lián)系，讓學(xué)校在實(shí)習(xí)過程中也能及時(shí)掌握學(xué)生的情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在嚴(yán)重問題、不適應(yīng)實(shí)習(xí)生活的學(xué)生，進(jìn)行思想引導(dǎo)或?qū)嵙?xí)調(diào)整，降低隱患。具體功能實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

4.畢業(yè)生跟蹤反饋模塊

畢業(yè)生跟蹤反饋模塊能夠長期跟蹤畢業(yè)生的就業(yè)情況，可基于數(shù)據(jù)反饋調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。管理員能夠在平臺(tái)配置需要調(diào)查的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過郵件、短信等多種形式定期向畢業(yè)生發(fā)送并統(tǒng)計(jì)畢業(yè)生反饋調(diào)查表，畢業(yè)生根據(jù)調(diào)查內(nèi)容填寫畢業(yè)后的情況，并根據(jù)實(shí)際工作情況對校內(nèi)課程的設(shè)置、課程內(nèi)容、教學(xué)方法等提出意見和建議。學(xué)校能夠結(jié)合畢業(yè)生的專業(yè)及反饋數(shù)據(jù)對教學(xué)內(nèi)容做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整優(yōu)化。同時(shí)，平臺(tái)有優(yōu)秀畢業(yè)生管理功能，記錄了優(yōu)秀畢業(yè)生的就職情況以及發(fā)展履歷等，結(jié)合優(yōu)秀畢業(yè)生的在校表現(xiàn)數(shù)據(jù)可以提供給在校學(xué)生作為學(xué)習(xí)參考。學(xué)校可以通過系統(tǒng)定期發(fā)送校園動(dòng)態(tài)給畢業(yè)生，加強(qiáng)畢業(yè)生與學(xué)校的聯(lián)系。具體功能實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

四、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

目前該平臺(tái)已經(jīng)上線并試運(yùn)行，平臺(tái)首頁如圖6所示。用戶登錄系統(tǒng)后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶的不同權(quán)限為其初始化不同的功能菜單，只有成功登錄系統(tǒng)，才可以使用本系統(tǒng)的其它功能，平臺(tái)登錄界面如圖7所示。登錄系統(tǒng)后普通用戶主界面如圖8所示，管理員用戶主界面如圖9所示。學(xué)生進(jìn)行在線編程實(shí)踐的OnlineJugde模塊界面如圖10所示，可以選擇不同的語言進(jìn)行在線編程。

CDIO和OBE理念結(jié)合的教學(xué)管理平臺(tái)以項(xiàng)目生命周期和學(xué)習(xí)成果導(dǎo)向?yàn)榛€，結(jié)合計(jì)算機(jī)類課程特點(diǎn)，全過程、全覆蓋、全環(huán)節(jié)管理學(xué)生的學(xué)習(xí)、練習(xí)、考試、實(shí)習(xí)以及項(xiàng)目訓(xùn)練。在平臺(tái)上沉淀學(xué)生學(xué)習(xí)行為、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)、考試、實(shí)習(xí)、畢業(yè)全過程數(shù)據(jù)，通過分析評(píng)估這些數(shù)據(jù)，掌握每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展、學(xué)習(xí)效果、學(xué)習(xí)特征、能力水平、知識(shí)應(yīng)用等要素，建立人工智能的智能驅(qū)動(dòng)模式，為學(xué)生的學(xué)習(xí)、練習(xí)、知識(shí)運(yùn)用和能力提升提供個(gè)性化建議和路徑，從而促進(jìn)個(gè)性化學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)，由此形成一個(gè)完整的教與學(xué)數(shù)據(jù)閉環(huán)，走新工科培養(yǎng)創(chuàng)新之路。

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（編輯：王天鵬）