工程教育認證背景下軟件工程課程混合式教學模式創(chuàng)新與實踐研究

李廣瓊 陳榮元 黃少年 劉躍華

摘要：在工程教育認證的背景下，對培養(yǎng)具備復雜工程能力的學生提出了新的標準。作為以培養(yǎng)應用工程型人才為主體的工商類大學的計算機專業(yè)，有必要對專業(yè)核心課程進行改革，以符合工程教育認證的標準。文章針對軟件工程課程教學模式存在的主要問題，提出了基于BOPPPS與CDIO相結(jié)合的混合式教學模式進行改革與實踐，并取得了較好的成效。

關鍵詞：BOPPPS；CDIO；工程教育認證；軟件工程課程

中圖分類號：G424? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）09-0132-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID） ：

目前，國際上通用的能夠?qū)こ探逃M行質(zhì)量保證的準則是工程教育認證制度。國際上最具影響力的工程教育學位互認協(xié)議是《華盛頓協(xié)議》[1]，成為華盛頓協(xié)議的成員國能夠在國際上實行學位互相認定，有助于工程技術從業(yè)人員進行國際交流與合作。2006年，我國開始著手工程教育認證工作。2016年，我國正式成為《華盛頓協(xié)議》的第18個締約國。2022年7月，中國工程教育專業(yè)認證協(xié)會頒布了最新的《工程教育認證標準》（T/CEEAA 001—2022） 。在新的通用標準中，涵蓋了工程教育認證評價的7個指標，分別是學生、培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求、持續(xù)改進、課程體系、師資隊伍、支持條件[2]。

軟件工程課程屬于課程體系中的專業(yè)必修課，同時支撐工程認證培養(yǎng)方案中的畢業(yè)要求1、畢業(yè)要求4、畢業(yè)要求7、畢業(yè)要求10和畢業(yè)要求11。為了關聯(lián)軟件工程課程對畢業(yè)要求的支撐，將BOPPPS模型和CDIO工程教育模式相結(jié)合，對軟件工程課程進行創(chuàng)新與實踐研究，進一步推動工程教育認證背景下的課程改革，為培養(yǎng)具有國際化工程能力的畢業(yè)生打好基礎。

1 傳統(tǒng)的軟件工程課程教學模式存在的主要問題

湖南工商大學計算機科學與技術專業(yè)已是建設中的國家一流專業(yè)。該專業(yè)于2021年9月啟動工程教育認證工作，目前已經(jīng)通過第一階段和第二階段。查閱該專業(yè)2019年的培養(yǎng)方案，軟件工程課程一共有4個學分。根據(jù)該課程支撐的畢業(yè)要求，制定了軟件工程的課程目標，課程目標和畢業(yè)要求指標點如表1所示。

要實現(xiàn)表1的課程目標，需要精心設計教學環(huán)節(jié)，評估每個環(huán)節(jié)是否能夠?qū)崿F(xiàn)課程目標，并對畢業(yè)要求進行支撐，培養(yǎng)學生具有解決復雜工程問題的能力。傳統(tǒng)的軟件工程課程教學中存在的主要問題有：1） 傳統(tǒng)的教學模式以教師為中心，課堂以教師“教”為主，難以激發(fā)學生“學”的熱情，不利于發(fā)揮學生的自主性、能動性和創(chuàng)造性。傳統(tǒng)的考核評價體系高度依賴期末考核環(huán)節(jié)，不重視學生在平時課堂和實驗中解決問題的能力反饋。2） 軟件工程課程屬于計算機科學、工程科學、管理科學等學科高度融合的交叉課程，課程的特點決定了采用單一的教學模式與單一的評價體系不利于培養(yǎng)學生的復雜工程能力。因此，結(jié)合工程教育認證對課程體系的要求，對該課程的教學模式與教學評價體系進行改革與創(chuàng)新已勢在必行。

2 混合式教學模式的軟件工程課程教學實踐

2.1 基于BOPPPS的軟件工程課程理論體系改革研究

BOPPPS教學模型最初來自于加拿大的教師培訓機構[3]，該模型的主要特點是，教學過程由六個部分構成，分別是導言（Bridge-in） 、學習目標（Objective） 、前測（Pre-assessment） 、參與式學習（Participatory Learning） 、后測（Post-assessment） 和總結(jié)（Summary） 。目前已被國際上多所高校及機構所采用，被認為是一個能夠提高課堂效率，學生積極參與，能實現(xiàn)正反饋的教學模型[4]。

軟件工程課程的理論部分由課程教學單元構成，采用單元大模塊教學，由導言、學習目標、前測、參與式學習、后測、總結(jié)等6個環(huán)節(jié)構成。導言即課程知識點的引入，形式可以豐富生動，例如可以通過視頻、講故事等形式引入知識點，使學生盡快沉浸式地進入課堂，提升學生的學習興趣。學習目標的建立：通過PPT闡述課程單元的學習目標、學習內(nèi)容、對后續(xù)內(nèi)容和課程的影響作用，為后期的學習打下牢固的基礎。前測：通過提問或者案例討論等方式了解學生的前期知識儲備。參與式學習：在整個教學設計中占有十分重要的比重，強調(diào)學生一直是教學過程中的主角，及時了解學生對知識點的掌握程度，及時關注優(yōu)秀生、中等生及后進生的學習需求。后測：學生參與式學習的效果如何？課后檢測能起到關鍵作用，通過課后檢測發(fā)現(xiàn)學生掌握得比較好的內(nèi)容和需要進一步加強理解的內(nèi)容，是教師調(diào)整教學內(nèi)容的依據(jù)之一。課程總結(jié)：課程模塊的總結(jié)環(huán)節(jié)是課程教學環(huán)節(jié)的一部分，總結(jié)的形式可以多樣化，以教師為主體進行模塊總結(jié)，或者先以小組成員匯報，教師再做總結(jié)的方式。教師在講授的過程中突出重點和難點，在介紹技術原理的同時，兼顧技術的具體應用，強調(diào)理論與實踐相結(jié)合?；贐OPPPS模式的教學設計如圖1所示。

以軟件測試用例設計課程單元模塊為例，BOPPPS模式的教學設計為：

1） 導言部分的設計。軟件測試的工具有哪些？主要應用于系統(tǒng)測試的哪一種，每種工具應用的優(yōu)缺點，每年測試工具的評價和排行榜分析，通過導言知識點的引入，提升了學生的學習興趣，打開了學生的眼界。

2） 學習目標部分的設計。通過本章的學習，學生要掌握哪些測試工具和方法，如何針對具體的測試內(nèi)容選擇合適的測試工具，白盒測試法與黑盒測試法的主要區(qū)別和應用場景分析。

3） 前測部分的設計。抽取軟件資格與水平考試中軟件工程部分的習題，重點抽取與軟件測試相關聯(lián)的試題，考察學生的課程知識儲備情況。

4） 參與式學習的設計。這個部分是整個教學設計的核心部分，根據(jù)學生的前期知識儲備，精心設計教學內(nèi)容，學生參與整個過程的學習，學習的形式多種多樣，可以是分組討論、教師提問式教學，學生參與式回答。

5） 后測部分的設計。將課堂中的重點知識點以問題的形式發(fā)布給學生，通過學生檢測的學情分析，發(fā)現(xiàn)學生知識點的掌握情況，及時調(diào)整教學內(nèi)容。

6） 總結(jié)部分的設計。將單元模塊知識點進行回顧與總結(jié)，總結(jié)的形式可以豐富多樣，既可以以小組匯報、教師點評的形式進行，又可以以教師為主體進行總結(jié)。通過BOPPPS教學模式六個部分的設計與實施，加強了學生的教學參與感，對單元模塊的掌握更加高效深刻。

2.2 基于CDIO模式驅(qū)動的軟件工程實驗體系改革研究

CDIO新型工程教育模式代表構思（Conceive） 、設計（Design） 、實施（Implement） 和運行（Operate） [5]。CDIO工程教育模式的研究源于高等院校工程教育培養(yǎng)標準不統(tǒng)一和培養(yǎng)質(zhì)量參差不齊。這種模式的理念更加注重培養(yǎng)學生解決實際工程問題的能力和團隊協(xié)作能力，將工程項目劃分為四個階段，團隊成員從構思開始進行分工，直至運行，學生參與到項目的每一個階段，在項目的實施中體驗每一個環(huán)節(jié)的過程[6-7]。

根據(jù)教學目標，將CDIO工程教育模式引入軟件工程實驗課程教學中，把實驗項目分解為構思、設計、實現(xiàn)、運行四個階段，學生的能力培養(yǎng)體系由基礎知識能力和實踐應用能力進行架構，通過CDIO教學模式指導學生實踐應用能力的培養(yǎng)，學生根據(jù)CDIO理念來構思、設計和實現(xiàn)應用系統(tǒng)，逐步培養(yǎng)學生分析解決問題的能力和團隊協(xié)作能力。基于CDIO的軟件工程實驗教學環(huán)節(jié)能力培養(yǎng)體系如圖2所示。

以軟件工程實驗中繪制數(shù)據(jù)流圖為例，根據(jù)CDIO模式劃分為構思、設計、實施、運行四個階段：

1） 構思階段。數(shù)據(jù)流圖中的數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)存儲、實體、加工元素的分析，根據(jù)“自頂向下、從左到右、由粗到細、逐步求精”的原則進行頂層數(shù)據(jù)流圖與一層數(shù)據(jù)流圖的分析，父圖與子圖平衡分析，數(shù)據(jù)流圖中數(shù)據(jù)守恒分析。

2） 設計階段。根據(jù)具體問題設計出數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)存儲、實體、加工元素，設計好頂層及各子層數(shù)據(jù)流圖，在設計的過程中遵循子圖與父圖平衡和數(shù)據(jù)流守恒的原則。

3） 實施階段。在VISIO實驗平臺上打開軟件和數(shù)據(jù)庫模板的數(shù)據(jù)流模型圖，在畫布中進行頂層和各子層數(shù)據(jù)流圖的繪制。保證數(shù)據(jù)流圖中每個加工必須既有輸入數(shù)據(jù)流，又有輸出數(shù)據(jù)流；在每個文件中既有寫文件的數(shù)據(jù)流又有讀文件的數(shù)據(jù)流。

4） 運行階段。頂層和各子層的數(shù)據(jù)流圖繪制完成后，按照數(shù)據(jù)流繪制的原則檢查數(shù)據(jù)守恒原則，加工的輸入與輸出流原則，檢查無誤后進行數(shù)據(jù)流圖的組合。

在軟件工程實驗部分，采用CDIO工程教育模式開展實驗，學生參與到每個實驗項目中的每個環(huán)節(jié)中，訓練了學生解決復雜工程問題的能力。

2.3 基于CDIO模式驅(qū)動的軟件工程綜合性項目設計改革研究

在軟件工程綜合性項目實施的能力訓練過程中，通過CDIO教學模式分解復雜的系統(tǒng)，將一個系統(tǒng)分解為構思、設計、實施、運行與測試部分，學生參與系統(tǒng)的不同階段，教師在整個分析與設計的過程中起指導作用，學生是系統(tǒng)設計與實施的主角。在系統(tǒng)的甄選上注重針對性和實用性，學生運用CDIO工程思維設計與實施系統(tǒng)后，能夠熟練掌握系統(tǒng)開發(fā)的流程和技術，為訓練學生具有解決復雜工程問題的能力打下堅實的基礎。

以課程注冊系統(tǒng)的綜合性項目設計為例，項目的可行性分析和需求分析即為項目的構思部分，需求分析主要分析系統(tǒng)的功能需求，由用例圖進行表達，構思用例圖的用例、參與者和關系等元素。而項目的設計部分主要進行系統(tǒng)的面向?qū)ο蟮脑O計、類設計和詳細設計。類設計主要由類圖進行表達，設計類和類之間的關系。項目的實現(xiàn)部分包括代碼設計和代碼編寫，選擇合適的語言來實現(xiàn)系統(tǒng)。項目的運行主要由單元測試、集成測試和系統(tǒng)測試來完成，每個測試類型選取的測試工具是不相同的，比如單元測試主要采用白盒測試法，而系統(tǒng)測試主要采用黑盒測試法。按照CDIO模式的四個階段完成系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)后，對項目進行質(zhì)量審查，小組成員展開討論與總結(jié)，學生參與每一個階段的工作，熟悉和掌握了各個階段的重點和難點，為將來進入職場打下堅實的基礎。

3 混合式教學模式在軟件工程課程教學改革中的成效

軟件工程課程的理論部分采用BOPPPS模式進行教學設計，實踐部分采用CDIO工程模式進行教學設計，依托在線課堂平臺輔助部分環(huán)節(jié)的完成。理論部分的前測和后測通過在線平臺完成，實踐部分通過在線課堂的實訓項目實施完成。在線課堂的主要模塊有課堂測試、課后作業(yè)、編程作業(yè)、在線檢測、教學資料、視頻直播、課堂分班、在線簽到、學情統(tǒng)計。前測和后測環(huán)節(jié)由課堂測試和在線檢測完成，完成后教師根據(jù)學生的答題情況分析學生的學情，及時調(diào)整教學內(nèi)容。實踐部分由課后作業(yè)和編程作業(yè)支撐，教師授課的資料，包括導言、學習目標、教學資料、軟件資格與水平考試測試集、實驗指導書等，學生在學習的過程中可以下載資料。將實訓項目設計為類似于游戲闖關的形式，按照CDIO模式將實訓項目分解為不同階段的關卡，學生在通過每一個關卡后將獲得一枚勛章，學生用積累的勛章來兌換實驗成績的分數(shù)，極大地提高了學生參與實訓項目的積極性。教師在課前制作好實驗操作視頻，上傳到視頻直播模塊，學生在實驗操作中遇到任何問題可以通過回放視頻獲得解答。課堂分班模塊主要針對一個教師對應同一專業(yè)多個班級進行設置。在線簽到模塊主要作用是考核學生的到課率情況。學情統(tǒng)計模塊能夠針對學生的各種檢測進行大數(shù)據(jù)學情分析，為教師及時調(diào)整教學內(nèi)容給出參考意見。課程學習結(jié)束后采取多元化的考核方式進行，在考核的過程中重點考查學生解決復雜工程問題的能力，提高課堂測試、實驗報告、實驗測試等過程性考核在整個考核中的百分比。課程目標的評價方式由期末考核和過程性考核兩部分組成，這種多元化的考核評價方式要求學生重視平時學習和實驗、實訓的過程，而不是通過單一的期末考試來決定學生是否通過課程的評價。

采用對比研究法，選取兩個年級的樣本數(shù)據(jù)，其中一個年級采用傳統(tǒng)的教學模式與傳統(tǒng)的評價方法，一個年級采用混合的教學模式與多元化評價方法，分析最終的評價數(shù)據(jù)，通過比較對照得出結(jié)論，并逐步完善創(chuàng)新模型與評價指標體系，為下一步的課程改革實踐做出參考。兩個年級的軟件工程課程考核樣本數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2的數(shù)據(jù)得知，2023屆學生采用混合式教學方法和多元化考核模式的改革實踐后，課程目標達成均值和平均分都有較大程度的提高，不及格率明顯下降。通過線上調(diào)查問卷方式，混合式教學方法普遍受到學生的好評，學生在課程學習中的參與感增強，體驗感較好，在闖關中學習，在學習中成長。

4 結(jié)束語

工程教育認證背景下對學生具有解決復雜工程能力的培養(yǎng)提出新的挑戰(zhàn)和要求，將BOPPPS和CDIO混合的教學模式應用于軟件工程課程的教學改革，有效地推動了學生學習的積極性，提高了學生解決實際工程問題的能力，較好地提升了課程的考核結(jié)果。下一步將依托課程的持續(xù)改進，進一步完善在線課堂的建設，進一步提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

參考文獻：

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【通聯(lián)編輯：唐一東】