面向研究生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的TP+CDIO教學(xué)模式
——以計算機(jī)視覺課程為例

白 琳，潘曉英，王 燕

（西安郵電大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，陜西西安 710121）

0 引言

2020 年7 月召開的全國研究生教育會議明確了新時代背景下研究生教育的主要任務(wù)，即在全球高素質(zhì)人才競爭的新格局下進(jìn)一步夯實(shí)建設(shè)創(chuàng)新型國家的人才基石。研究生教育作為國民教育體系的頂層，肩負(fù)著我國應(yīng)用型、復(fù)合型高層次拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要使命［1］，更是建設(shè)和發(fā)展創(chuàng)新型國家的核心要素。課程教學(xué)作為高等教育的主陣地，是培養(yǎng)研究生的重要渠道，應(yīng)在教學(xué)過程中強(qiáng)化研究生創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力培養(yǎng)，積極推動其科研素質(zhì)提升［2］。為此，本文以計算機(jī)學(xué)科核心課程計算機(jī)視覺為例，探索出一套基于分級制項目驅(qū)動的TP+CDIO 混合式教學(xué)模式，以期培養(yǎng)工科研究生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

1 面向研究生的計算機(jī)視覺課程教學(xué)存在的問題

1.1 傳統(tǒng)教學(xué)方法不再適用

研究生計算機(jī)類課程普遍具有理論抽象、實(shí)踐性強(qiáng)、系統(tǒng)化程度高的特點(diǎn)。計算機(jī)視覺課程作為一門緊跟學(xué)術(shù)前沿，融合人工智能、數(shù)字圖像處理等多學(xué)科技術(shù)的專業(yè)課，其內(nèi)容廣泛、理論與實(shí)踐緊密結(jié)合、綜合性強(qiáng)。該課程要求學(xué)生不僅能夠掌握基本的理論和算法，學(xué)以致用地解決實(shí)際問題，而且要了解熱點(diǎn)和前沿技術(shù)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維與科研能力。目前，傳統(tǒng)教學(xué)方法并不利于充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)造性，以及促進(jìn)其各項能力的有效提升。為實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)，應(yīng)推動教學(xué)模式由知識學(xué)習(xí)型向知識創(chuàng)造型轉(zhuǎn)化，使學(xué)生從做中學(xué)，教師在做中教［3］，將理論與實(shí)踐高度融合，促進(jìn)學(xué)生研究和創(chuàng)新能力的提升與進(jìn)階［4］。

1.2 混合式教學(xué)流于形式，個性化學(xué)習(xí)難以推行

在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的新形勢下，混合式教學(xué)模式在高校中應(yīng)用越來越廣泛，然而其日趨普及的發(fā)展態(tài)勢使諸多實(shí)踐者感到困惑和迷茫［5］。目前，國內(nèi)外教學(xué)界一直缺少一個清晰、系統(tǒng)的概念框架和分析框架引導(dǎo)混合式教學(xué)的研究和實(shí)踐［6-7］。在實(shí)際教學(xué)中，由于缺乏對學(xué)習(xí)者的準(zhǔn)確分析及其學(xué)習(xí)需求的精準(zhǔn)掌握，很容易陷入形式上的混合式教學(xué)。研究生教育的目標(biāo)是使其具有個性化的科研品格和視野，具有獨(dú)立思考和創(chuàng)新研究能力［8］。研究生經(jīng)過本科教育后已具有固有的人格特質(zhì)和特有的思維能力，個體差異性較大，統(tǒng)一的教學(xué)內(nèi)容和非彈性化的教學(xué)設(shè)置難以滿足學(xué)習(xí)的個性化需求。

1.3 創(chuàng)新教育實(shí)踐性不強(qiáng)

隨著國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，切實(shí)提高研究生的創(chuàng)新能力已成為各高校的重點(diǎn)培養(yǎng)目標(biāo)［9］，在課程教學(xué)階段加強(qiáng)對研究生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)有利于其后續(xù)科研工作的順利推進(jìn)［10］。計算機(jī)視覺課程內(nèi)容學(xué)科交叉性強(qiáng)、系統(tǒng)性與實(shí)踐性要求高，與實(shí)際工程應(yīng)用密切相關(guān)。然而，現(xiàn)有教學(xué)模式并未將工程實(shí)踐有效融入課堂，教學(xué)過程缺少系統(tǒng)性思維培養(yǎng)與提升的助力點(diǎn)，更缺乏對學(xué)生創(chuàng)新與實(shí)踐能力的訓(xùn)練。

2 CDIO教學(xué)模式

CDIO 是以產(chǎn)品和系統(tǒng)從研發(fā)到運(yùn)行所包含的構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實(shí)施（Implement）和運(yùn)作（Operate）4 個生命周期為載體培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力與創(chuàng)造力的教育模式。其中，構(gòu)思是指學(xué)生掌握工程實(shí)踐專業(yè)知識和理論，并將理論與實(shí)踐相結(jié)合進(jìn)行知識運(yùn)用；設(shè)計是指以項目的產(chǎn)品設(shè)計與規(guī)劃為核心，通過研發(fā)成果解決具體工程問題；實(shí)施是指以建造或創(chuàng)造為核心鞏固專業(yè)知識，進(jìn)行一體化的課程實(shí)踐；運(yùn)作是指項目產(chǎn)品應(yīng)用的各個環(huán)節(jié)。CDIO 模式的核心為一體化，著重解決工程教育中長期存在的二元分裂問題，如理論與實(shí)踐、知識與能力、硬素質(zhì)與軟素質(zhì)等之間存在的鴻溝［11］。在教學(xué)過程中引入CDIO 模式可以將理論與實(shí)踐緊密結(jié)合起來，使學(xué)生從實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、內(nèi)化知識，達(dá)到提升綜合能力的目的。

為促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力的提升，CDIO 模式已被廣泛應(yīng)用于教學(xué)改革中。例如，姜大志等［12］提出一種基于CDIO模式的主動式項目驅(qū)動學(xué)習(xí)方法，通過建立基于Java 課程群的能力培養(yǎng)目標(biāo)矩陣，細(xì)致刻畫了課程具體培養(yǎng)目標(biāo)，提升了學(xué)生的主導(dǎo)地位。該方法在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性方面效果顯著，但卻使教師的任務(wù)和職責(zé)劇增；王向輝等［13］在數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中引入CDIO 模式，有效激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造思維。然而引入CDIO 模式后帶來了大容量、系統(tǒng)化的工程教學(xué)內(nèi)容，這與有限的課堂教學(xué)時間和資源之間產(chǎn)生了矛盾，因此可以考慮將混合式教學(xué)與CDIO 模式相結(jié)合，充分利用翻轉(zhuǎn)課堂的效率優(yōu)勢解決這一矛盾。例如，王志強(qiáng)等［14］將CDIO 模式引入單片機(jī)課程的混合式教學(xué)中，效果良好。

然而，目前基于CDIO 模式的教學(xué)改革大多面向高校本科生課程，研究生教育與本科生教育教學(xué)目標(biāo)不同、課程設(shè)置各異、學(xué)情差異顯著。同時，作為高階人才，研究生的教育更突出知識、能力、素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，在強(qiáng)化能力進(jìn)階的同時使道德教養(yǎng)、職業(yè)素質(zhì)、社會責(zé)任等教育同向同行。因此，本教學(xué)團(tuán)隊將技術(shù)創(chuàng)新（Technology）、職業(yè)素質(zhì)（Professionalism）教育融入CDIO 工程教育體系，提出面向研究生計算機(jī)視覺課程的TP+CDIO 混合式教學(xué)模式。

3 基于分級項目的TP+CDIO混合式教學(xué)模式

3.1 TP+CDIO模式

研究生教育強(qiáng)調(diào)專業(yè)化、系統(tǒng)化和前沿化，肩負(fù)著我國高素質(zhì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要使命?；诠こ探逃呐囵B(yǎng)模式，研究生教育還需融合社會認(rèn)知與責(zé)任、道德與職業(yè)素養(yǎng)教育以迎合現(xiàn)代企業(yè)用人需求。因此，本文基于價值導(dǎo)向、面向企業(yè)需求，將學(xué)生的情感、態(tài)度和價值觀提升作為教學(xué)的重要目標(biāo)之一，通過引入技術(shù)創(chuàng)新、職業(yè)素質(zhì)教育改進(jìn)CDIO 體系，提出面向綜合能力提升的TP+CDIO 教學(xué)模式（結(jié)構(gòu)見圖1），使學(xué)生以主動性、個性化、協(xié)作性、創(chuàng)造性的方式完成項目任務(wù)，在內(nèi)化知識的同時培養(yǎng)創(chuàng)新意識，獲得專業(yè)實(shí)踐能力、團(tuán)隊協(xié)作能力、人際交往能力以及產(chǎn)品和系統(tǒng)的建造能力。

3.2 基于4個環(huán)節(jié)的混合式教學(xué)流程

Fig.1 TP+CDIO teaching model structure圖1 TP+CDIO教學(xué)模式結(jié)構(gòu)

為平衡系統(tǒng)化、復(fù)雜性高的工程項目教學(xué)內(nèi)容與有限的課堂教學(xué)時間和資源配置之間的矛盾，在TP+CDIO 模式下實(shí)施混合式教學(xué)手段，構(gòu)建基于分級項目的翻轉(zhuǎn)課堂+小組討論教學(xué)模式，通過設(shè)置理論與實(shí)踐相互嵌套和支撐的課程體系，使學(xué)生將專業(yè)知識與工程項目實(shí)踐融會貫通［15］。教學(xué)環(huán)節(jié)包括課前分組協(xié)作、多任務(wù)翻轉(zhuǎn)課堂、課后討論與評價反饋4 個環(huán)節(jié)，利用信息化工具超星學(xué)習(xí)通輔助教學(xué)過程，具體實(shí)施流程見圖2。

3.2.1 課前分組協(xié)作

根據(jù)教學(xué)安排提前設(shè)計項目任務(wù)指南（導(dǎo)學(xué)設(shè)計），學(xué)生分組交流討論、合作完成項目，并撰寫項目總結(jié)報告、制作翻轉(zhuǎn)課堂答辯課件。小組組織與分工由組長帶領(lǐng)組員完成，每組需根據(jù)教師提供的項目指南查閱相關(guān)文獻(xiàn)和技術(shù)資料，并遵循提出問題→構(gòu)思→設(shè)計→運(yùn)行→驗(yàn)證→總結(jié)與評價的流程完成項目任務(wù)，以鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作、自學(xué)自查和系統(tǒng)化解決實(shí)際工程問題的能力。

項目任務(wù)按照難度和工程復(fù)雜性分為A、B、C 3 個等級，難度和復(fù)雜性依次遞增。其中，A 級為面向典型算法的仿真實(shí)現(xiàn)；B 級為教學(xué)團(tuán)隊在機(jī)器視覺領(lǐng)域進(jìn)行科學(xué)研究和工程實(shí)踐中積累的課程案例庫項目；C 級為團(tuán)隊具有工程背景的科研項目衍生的案例或近年主流計算機(jī)視覺會議的典型競賽題目。A 級項目為必做，B、C 級項目任選其一完成。分級制項目設(shè)計可有效對接不同能力水平的學(xué)生，實(shí)現(xiàn)個性化學(xué)習(xí)。簡單的A 級項目使學(xué)生先鞏固基礎(chǔ)、積累經(jīng)驗(yàn)、樹立信心。隨著項目難度的遞增，學(xué)生會遞進(jìn)式地發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，并從中培養(yǎng)不斷探索、不畏困難、精益求精的工程師專業(yè)素養(yǎng)和持之以恒、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的學(xué)術(shù)作風(fēng)。

3.2.2 多任務(wù)翻轉(zhuǎn)課堂

翻轉(zhuǎn)課堂包括以下3 個按照順序執(zhí)行的任務(wù)：①算法解析（個人任務(wù)）。按照課前發(fā)布的提綱隨機(jī)選擇學(xué)生講解知識點(diǎn)和算法；③項目答辯（小組任務(wù)）。每組安排組員進(jìn)行項目答辯和論證；③課內(nèi)討論（師生任務(wù)）。答辯后針對質(zhì)疑的問題展開討論和辯論。

學(xué)生通過算法解析和項目答辯完成知識的內(nèi)化以及成果的展示與分享；通過課內(nèi)討論將自主學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的個性化認(rèn)知與同伴進(jìn)行交流，從中釋疑解惑、深化學(xué)習(xí)內(nèi)容。這3 個任務(wù)環(huán)環(huán)相扣、循序漸進(jìn)，遞進(jìn)式地將自主學(xué)習(xí)過程中的淺層認(rèn)知深化為探究式學(xué)習(xí)過程中的高階認(rèn)知。

3.2.3 課后討論

C 級項目難度較大，為選做任務(wù)，未完成的小組需要在課后以小組討論和協(xié)作的方式構(gòu)思和設(shè)計解決方案并完成論證，實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)，以期達(dá)到從解決常見工程問題到解決復(fù)雜工程問題的能力飛躍，并尋找突破口實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造力的提升。

3.2.4 評價與反饋

學(xué)生課后需完成自評、互評以及問卷反饋，教師根據(jù)反饋結(jié)果及時調(diào)整教學(xué)思路，并為后續(xù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置提供參考。

Fig.2 TP+CDIO blended teaching implementation process圖2 三級制項目驅(qū)動的TP+CDIO混合式教學(xué)實(shí)施流程

以上4 個教學(xué)環(huán)節(jié)有序結(jié)合形成閉環(huán)，將教師、學(xué)生、信息化工具、工程項目資源有機(jī)融合，形成了一套規(guī)范化混合式教學(xué)模式?；旌鲜浇虒W(xué)過程凸顯了學(xué)生的主體作用和教師的主導(dǎo)作用，通過課外的個性化學(xué)習(xí)、合作式學(xué)習(xí)以及發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)，課中的翻轉(zhuǎn)課堂和探究式學(xué)習(xí)，學(xué)生的綜合能力得到了提升，能力結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了進(jìn)階。

在實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)，課前的導(dǎo)學(xué)設(shè)計對于后續(xù)教學(xué)活動意義重大。教師首先要根據(jù)學(xué)生的學(xué)情分析和問卷反饋以學(xué)定教，有針對性地進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容設(shè)置，完成項目案例篩選。在此基礎(chǔ)上，教師需精心設(shè)計和策劃案例中知識點(diǎn)的引入方式、分級項目的級別設(shè)計以及不同級別項目對學(xué)生各項能力指標(biāo)的考量方式。教師要善于鼓勵學(xué)生自主實(shí)踐，引導(dǎo)其樹立合作意識，協(xié)調(diào)個體與團(tuán)隊之間的矛盾，強(qiáng)化問題意識與創(chuàng)新思維，幫助學(xué)生從工程項目構(gòu)思階段的概念設(shè)計開始，經(jīng)過設(shè)計、實(shí)現(xiàn)與運(yùn)作，初步形成產(chǎn)品設(shè)計、系統(tǒng)制作的能力。

3.3 多維度評價體系

CDIO 模式重視學(xué)習(xí)效果的綜合評價，要求體現(xiàn)教學(xué)過程評價的同時關(guān)注學(xué)習(xí)成果，其評價核心為以學(xué)評教。在此基礎(chǔ)上，本文還將學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度納入評價范疇，制定出包含學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)成果、面向不同階段的多維度評價體系，以全面檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果。表1 為多維度評價體系，其以過程化考核和成果化考核為標(biāo)準(zhǔn)，將課前、課中、課后以及期末考核全過程納入其中，每項考核設(shè)計了有針對性的能力指標(biāo)。

Table 1 Multidimensional evaluation system表1 多維度評價體系

4 實(shí)施效果

為檢驗(yàn)TP+CDIO 教學(xué)模式的實(shí)施效果，隨機(jī)選取學(xué)習(xí)計算機(jī)視覺課程的一個班級作為試點(diǎn)班，共有36 名學(xué)生，采取自愿組合的方式分為6 個學(xué)習(xí)小組，并選擇一人為組長。另選擇一普通班作為對照，共39 名學(xué)生，采用傳統(tǒng)教學(xué)模式授課。因普通班未開展翻轉(zhuǎn)課堂，為客觀比較學(xué)習(xí)效果，僅對成果性考核的課程論文評價結(jié)果進(jìn)行比較。課程論文要求學(xué)生圍繞教師提供的計算機(jī)視覺會議競賽項目議題，按照CDIO 開發(fā)流程進(jìn)行項目設(shè)計、開發(fā)與論證并體現(xiàn)創(chuàng)新性和高階性。圖3 展示了兩個班級各等級比例的分布情況，其中A、B、C、D 為成績等級，分別對應(yīng)優(yōu)、良、中、及格，兩個班級均未有論文不及格者?？梢钥闯觯圏c(diǎn)班的論文綜合水平明顯高于普通班。

Fig.3 Grade distribution of experimental class and ordinary class圖3 試點(diǎn)班和普通班成績等級分布

通過問卷調(diào)查反饋，89%的試點(diǎn)班學(xué)生對TP+CDIO 教學(xué)模式表示滿意，33%的學(xué)生給予了高度認(rèn)可，無學(xué)生表示不滿意，詳見圖4。絕大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為通過1 個學(xué)期的項目引導(dǎo)與實(shí)訓(xùn)，個人實(shí)踐能力得到提高，并且在交流協(xié)作、人際關(guān)系、科研態(tài)度、專業(yè)精神等方面有不同程度的獲益，詳見圖5。

Fig.4 Student satisfaction圖4 學(xué)生滿意度

Fig.5 Self assessment of practical ability improvement圖5 實(shí)踐能力提升自評

此外，在2021 年12 月舉辦的中國研究生創(chuàng)新實(shí)踐系列大賽第18 屆研究生數(shù)模競賽中，試點(diǎn)班有9 位同學(xué)獲得全國三等獎，證明經(jīng)過系統(tǒng)的工程項目實(shí)訓(xùn)，試點(diǎn)班的部分學(xué)生已經(jīng)具備了良好的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

5 結(jié)語

新工科背景下的研究生教育無論是偏重科學(xué)研究探索，還是強(qiáng)調(diào)實(shí)踐問題解決，都需要創(chuàng)新性思維，因此創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)成為新時代研究生教育的主旨［16］。課程團(tuán)隊以提升研究生創(chuàng)新實(shí)踐能力為出發(fā)點(diǎn)，在計算機(jī)視覺課程中踐行多層次項目驅(qū)動的TP+CDIO 混合式教學(xué)模式，以面向問題和基于項目的方式組織教學(xué)活動，通過課前合作式學(xué)習(xí)、課內(nèi)翻轉(zhuǎn)課堂和課后發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)規(guī)范化混合式教學(xué)流程；引入三級制項目任務(wù)實(shí)現(xiàn)學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)和探究式學(xué)習(xí)，使其在專業(yè)指導(dǎo)下通過一定數(shù)量和復(fù)雜度工程項目的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，體會不同技術(shù)的功能，在獲得知識的同時積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，達(dá)到技能水平和能力結(jié)構(gòu)的進(jìn)階。

將理論與實(shí)踐深度結(jié)合的TP+CDIO 教學(xué)方法充分體現(xiàn)了從做中學(xué)的教育理念，通過打造以學(xué)生學(xué)習(xí)活動為中心或本體的課堂，使學(xué)生成為教學(xué)活動的主動參與者和教學(xué)知識的創(chuàng)生者［17］，有效促進(jìn)其高階思維的發(fā)展與綜合能力的提升。當(dāng)然，學(xué)生問卷反饋中也存在一些消極信息，教學(xué)方法的革新不是一蹴而就的，需要根據(jù)每個階段教師與學(xué)生的反饋與評價持續(xù)改進(jìn)［18］。在TP+CDIO 教學(xué)模式中，課前導(dǎo)學(xué)設(shè)計對接學(xué)情的精準(zhǔn)化程度、項目案例庫建設(shè)的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化程度均直接影響翻轉(zhuǎn)課堂的質(zhì)量與個性化學(xué)習(xí)的效果，在這兩點(diǎn)上還需繼續(xù)深入研究。