理工科C程序設計的CDIO教育模式研究性論文

　�。�摘要］“C程序設計”是培養理工科學(xué)生計算機應用能力的重要基礎課程。通過(guò)分析該課程結合CDIO工程教育理念，從教學(xué)大綱、教學(xué)計劃、教學(xué)模式和考核機制等方面進(jìn)行改革的現狀，提出CDIO教育模式能有效提高應用型本科院校理工科學(xué)生培養效果。

　�。�關(guān)鍵詞］CDIO；C程序設計；教學(xué)改革

　　隨著(zhù)“互聯(lián)網(wǎng)+”概念的提出，計算機科學(xué)與其他學(xué)科之間的融合日益加深，高校理工科（非計算機專(zhuān)業(yè)）的學(xué)生必須要掌握計算機學(xué)科的基礎專(zhuān)業(yè)知識�！癈程序設計”以語(yǔ)言為載體，使學(xué)生了解程序和指令的關(guān)系，認識程序設計語(yǔ)言的功能，掌握程序設計語(yǔ)言數據表達和流程控制的方法，是培養理工科學(xué)生計算機應用能力的重要入門(mén)課程。通過(guò)學(xué)習“C程序設計”課程，學(xué)生能理解計算機的思維，掌握編程思想，具備基本的程序設計能力，為所學(xué)專(zhuān)業(yè)的計算機應用創(chuàng )造訓練和應用的條件〔1〕�；�于此，理工科的“C程序設計”教學(xué)過(guò)程應該有別于計算機專(zhuān)業(yè)〔2-3〕，如何進(jìn)行該課程的教學(xué)改革是值得思考和探究的問(wèn)題。

　　1教學(xué)現狀和CDIO教育理念

　　1.1教學(xué)現狀分析1.1.1重理論，輕實(shí)踐目前理工科“C程序設計”大都存在“重理論，輕實(shí)踐”的現象，教師花費大量的課堂教學(xué)時(shí)間用“滿(mǎn)堂灌”的方法教授語(yǔ)言的語(yǔ)法和細節，只用少量的實(shí)驗學(xué)時(shí)進(jìn)行實(shí)踐訓練，學(xué)生上課的時(shí)候能聽(tīng)懂，下課后卻不會(huì )編程。導致學(xué)生學(xué)習興趣不高，教學(xué)效果不佳。1.1.2實(shí)驗項目題目固定，不利于學(xué)生創(chuàng )新能力的培養以往實(shí)驗項目的題目都是固定的，大部分是簡(jiǎn)單的驗證性實(shí)驗，老師已經(jīng)把題目擬好、步驟做好，學(xué)生只需要照著(zhù)指導書(shū)一步一步完成即可。這些實(shí)驗題目數量偏少，題目均來(lái)源于教材例題或習題，缺少創(chuàng )新，更沒(méi)有學(xué)生自主思維的時(shí)間，導致學(xué)生的創(chuàng )新能力和自主思維能力得不到培養，編程能力得不到提升。1.1.3由計算機專(zhuān)業(yè)的教師授課，與本專(zhuān)業(yè)的知識脫節計算機教師對其他理工科的人才培養體系了解甚少，一般都采用計算機專(zhuān)業(yè)的教學(xué)思路教學(xué)，無(wú)法滿(mǎn)足這些專(zhuān)業(yè)對“C程序設計”的特殊要求，課程很難與這些專(zhuān)業(yè)的后繼課程相結合。學(xué)生在學(xué)習的時(shí)候感覺(jué)與專(zhuān)業(yè)無(wú)關(guān)，不愿意學(xué)。1.1.4期末考核方式單一理工科“C程序設計”期末考試以閉卷考查理論為主，忽略對學(xué)生實(shí)踐能力的考核。導致學(xué)生為了應付考試，只重視概念、原理和模式化的題型，而缺乏項目開(kāi)發(fā)素養和編程技能。1.2CDIO教育理念CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實(shí)現（Implement）和運作（Operate），它是近年來(lái)國際工程教育改革提出的工程教育模式，它提出以產(chǎn)品研發(fā)到運行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有聯(lián)系的方式學(xué)習工程的理論、技術(shù)和經(jīng)驗〔4〕。自2000年起，麻省理工學(xué)院（MIT）和瑞典皇家工學(xué)院等4所大學(xué)組成的跨國研究組織，經(jīng)過(guò)4年的探索研究，創(chuàng )立了CDIO工程教育理念。CDIO教育理念更注重理論和實(shí)踐相結合，實(shí)踐重于理論，從做中學(xué)，以項目導向為主線(xiàn)，在項目實(shí)施的過(guò)程中，培養人才的合作與溝通、創(chuàng )新和決策的能力〔5〕。CDIO模式的大工程理念、強調對學(xué)生綜合能力的培養、密切聯(lián)系產(chǎn)業(yè)等特點(diǎn)，都對我國的工程教育有較好的啟示和借鑒作用，并在我國工程教育界產(chǎn)生了很大的反響，汕頭大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)等率先進(jìn)行了CDIO工程教育改革，并取得了較好的成效。目前，已有很多高校參與到CDIO工程教育改革之中〔6-7〕。針對理工科“C程序設計”的教學(xué)現狀和存在的問(wèn)題，探索以CDIO教育理念為指導，以“提高課堂教學(xué)質(zhì)量和效果，加強學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力”作為突破口，讓學(xué)生在做中學(xué)，目的是充分調動(dòng)學(xué)生的學(xué)習熱情，培養學(xué)生用計算機解決本專(zhuān)業(yè)問(wèn)題的能力，提高和增強學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng )新能力。

　　2課程的建設和改革

　　2.1教師隊伍建設教師是教學(xué)活動(dòng)的主要組成部分，CDIO模式要求教師具有較好的工程實(shí)踐能力，認真負責的教育教學(xué)態(tài)度，不斷更新專(zhuān)業(yè)知識和創(chuàng )新的精神。經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐，形成了由6名教師組成的“C程序設計”課程授課團隊，其中副教授4人，講師2人；2名博士研究生，4名碩士研究生。團隊教師承擔課程的課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)，在保證各項教學(xué)工作順利進(jìn)行的過(guò)程中，各位教師表現出較強的團隊精神和良好的敬業(yè)精神，按質(zhì)按量完成了每年的教學(xué)任務(wù)，并形成了一個(gè)具有很強凝聚力的團結向上的集體。教學(xué)團隊抓住北京大學(xué)信息學(xué)院對口幫扶支援的契機，積極向北京大學(xué)相關(guān)課程的教師請教教學(xué)經(jīng)驗和教學(xué)方法；在北京大學(xué)老師的指導下，結合本校理工科學(xué)生的生源、教學(xué)目標和教學(xué)資源的實(shí)際情況，融入CDIO工程教育理念，重新修訂理工科的“C程序設計”課程的教學(xué)計劃、理論教學(xué)大綱和實(shí)驗教學(xué)大綱。團隊教師還到北京大學(xué)參加培訓和進(jìn)修學(xué)習，體驗北京大學(xué)CDIO教學(xué)理念的教學(xué)思想和教學(xué)過(guò)程，教師的水平得到提高，課程的建設和改革有了很好的借鑒平臺。2.2理論教學(xué)改革在這樣一個(gè)信息化和多元化的時(shí)代，學(xué)生掌握知識的渠道多種多樣，學(xué)生的心理和學(xué)習習慣也各有各的特點(diǎn)，在“C程序設計”課程的教學(xué)中，采用自主學(xué)習和課堂教學(xué)相結合，注重激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣和學(xué)習主動(dòng)性，積極探索基于項目導向的教學(xué)方法，調動(dòng)學(xué)生的學(xué)習積極性，使用CDIO教育理念中“學(xué)習—指導—實(shí)踐—反饋”的方法，使學(xué)生最大限度地參與到課堂教學(xué)中來(lái)，培養學(xué)生發(fā)現問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力〔8〕。2.2.1自主學(xué)習和課堂教學(xué)相結合雖然現在中小學(xué)都在上信息技術(shù)課程，但是該課程只要求學(xué)生掌握基本的應用計算機的能力，學(xué)生對計算機的工作原理、程序和指令等基礎知識幾乎沒(méi)什么認識，因此課程開(kāi)課以前，教師先把北京大學(xué)MOOC課程（MassiveOpenOnlineCourse）“計算概論”中感性認識計算機的部分作為假期作業(yè)布置給學(xué)生，學(xué)生既可以看視頻，也可以上網(wǎng)在華文MOOC網(wǎng)站上跟著(zhù)老師學(xué)習，這種結合信息化時(shí)代的方式，充分調動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習主動(dòng)性。團隊教師積極探索討論式學(xué)習和研究型學(xué)習的課堂教學(xué)方法，在上課以前先布置學(xué)生看視頻，課堂上老師先做課堂測試，并記錄課堂測試的結果。了解學(xué)生課下自主學(xué)習的效果，針對普遍難理解的知識點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)教學(xué)或者進(jìn)行誘導性的討論，活躍教學(xué)氣氛，把課堂還給學(xué)生，體現了以學(xué)生為主體的課堂教學(xué)模式。2.2.2基于項目導向的教學(xué)方法在CDIO教育模式的指導下，在課堂教學(xué)中一改以往只重視教授語(yǔ)言的語(yǔ)法細節、老師“滿(mǎn)堂灌”的教學(xué)方法，而是把語(yǔ)法的使用貫穿在項目當中，學(xué)生既了解了項目開(kāi)發(fā)的過(guò)程，又掌握了編程思想，還培養了自主思維的能力。例如，在教授變量的定義、數據類(lèi)型和3種基本結構之前，教師先把學(xué)生成績(jì)分析系統設計這個(gè)項目的要求提出來(lái)，然后按照“構思—設計—實(shí)踐—反饋—指導—運作”的流程帶領(lǐng)學(xué)生完成。在構思階段，就會(huì )涉及到變量的定義和數據類(lèi)型的概念；在設計階段，就會(huì )遇到3種控制結構的使用；而在實(shí)踐中遇到的問(wèn)題又會(huì )反饋到課堂教學(xué)中學(xué)習；通過(guò)教師的講授和指導，最后完成了系統的設計。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生參與了項目運作的過(guò)程，學(xué)會(huì )了如何把從書(shū)上學(xué)到的知識用于解決實(shí)際問(wèn)題，培養了實(shí)踐動(dòng)手能力，充分體現了CDIO教育理念。2.3實(shí)踐教學(xué)建設與改革2.3.1建立實(shí)驗助手制度一名教師要完成指導50名左右學(xué)生的任務(wù)，通常的做法是教師布置好實(shí)驗課題目就任由學(xué)生參考實(shí)驗指導書(shū)自習。即使有幾個(gè)提問(wèn)的學(xué)生，教師往往也只能應付一二，不能完全解答；或者為了減少學(xué)生出現問(wèn)題的幾率，老師把題目講解一遍，再把實(shí)現的過(guò)程一步一步地演示給大家，學(xué)生只需要按部就班地照著(zhù)做就行了，這意味著(zhù)老師占用了大半的實(shí)驗課時(shí)間進(jìn)行講解和演示，學(xué)生的實(shí)踐訓練時(shí)間大打折扣，還限制了學(xué)生的思維，效果可想而知。如果學(xué)生在實(shí)驗過(guò)程中遇到問(wèn)題無(wú)法解決又沒(méi)有得到及時(shí)有效的輔導，就會(huì )挫傷學(xué)習積極性，無(wú)法達到好的學(xué)習效果。為了解決實(shí)驗課班額過(guò)大、輔導教師不夠這個(gè)問(wèn)題，建立了實(shí)驗助手的實(shí)驗輔導制度。在班上優(yōu)選出學(xué)習能力強、學(xué)習積極性高的兩到三名學(xué)生，教師對其進(jìn)行全程輔導，讓他們提前學(xué)習和完成實(shí)驗內容，提示性地說(shuō)出實(shí)驗過(guò)程中會(huì )出現的問(wèn)題要如何解答，最終讓他們參與到實(shí)驗課的指導中。這種實(shí)驗助手的培養方式不僅解決了教師人手不夠的問(wèn)題，而且這些實(shí)驗助手對知識的認知和理解會(huì )得到更大的提升。2.3.2引入自主學(xué)習開(kāi)放性實(shí)驗測試平臺“C程序設計”是一門(mén)實(shí)踐性非常強的課程，實(shí)踐即技能，學(xué)生在掌握知識的過(guò)程中，重復的技能訓練顯得更加的重要〔9-10〕。教學(xué)團隊引入了北京大學(xué)的開(kāi)放性實(shí)驗測試平臺OpenJudge，教師可以在這個(gè)平臺自主設計開(kāi)放性實(shí)驗。這些實(shí)驗題目緊緊圍繞學(xué)生的生活和專(zhuān)業(yè)展開(kāi)，不會(huì )重復，完成后上傳測試即可以看到結果。例如在進(jìn)行基礎編程練習的時(shí)候，針對生物醫學(xué)工程專(zhuān)業(yè)，會(huì )設置類(lèi)似細菌的戰爭這樣的題目，而電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的學(xué)生要完成的是錯誤探測等類(lèi)似的練習。還可以和同學(xué)進(jìn)行比賽，可以看到其他同學(xué)的完成情況。教師在平臺上監測每個(gè)學(xué)生自主學(xué)習的情況和效果。經(jīng)過(guò)一段課程的學(xué)習之后，要求學(xué)生進(jìn)入這個(gè)實(shí)驗平臺進(jìn)行開(kāi)放性實(shí)驗。學(xué)生對于這種開(kāi)放性實(shí)驗題目的完成熱情很高，并且認識到如何用計算機解決本專(zhuān)業(yè)的問(wèn)題。因此，通過(guò)引入這個(gè)開(kāi)放性實(shí)驗測試平臺，使學(xué)生的編程技能得到有效的訓練，培養了學(xué)生的創(chuàng )新思維，極大提升了學(xué)生的學(xué)習效率。2.3.3課程設計培養學(xué)生的團隊協(xié)作和溝通能力是CDIO教育理念的一個(gè)方面〔5〕，因此在基礎實(shí)驗的后面增加了課程設計，全班學(xué)生被分成若干個(gè)項目小組，每組3~4人，項目組按要求進(jìn)行構思并共同商討設計思路，由小組長(cháng)組織分工，同學(xué)之間互相學(xué)習，討論溝通，協(xié)助完成。在整個(gè)課程設計過(guò)程中，學(xué)生在完成自己負責的模塊的同時(shí)，還需要不斷地參與討論和設計其他同學(xué)的模塊，通過(guò)這種方式使學(xué)生切身體會(huì )到團隊協(xié)作的重要性，鍛煉了溝通能力，體現了CDIO工程教育理念的核心內容。2.4課程考核方式改革以往“C程序設計”的考核方式是以期末閉卷理論考試為主，忽略實(shí)踐能力，其中：期末考試成績(jì)占70%，平時(shí)成績(jì)占30%（考勤10%+作業(yè)10%+實(shí)驗報告10%）。學(xué)習“C程序設計”的目的最終是編程實(shí)踐能力的培養，因此修改了考核機制，提高了實(shí)踐考核的比重，加入了自主學(xué)習的考核，加強過(guò)程性評價(jià)的比例，降低期末考試筆試的比重：期末總成績(jì)=自主學(xué)習的效果（20%）+課堂表現（20%）+實(shí)驗成績(jì)（20%）+期末成績(jì)（40%）。此考核方案在具體的執行過(guò)程中可以根據實(shí)際情況做出適當的調整，還可以加大對編程實(shí)踐考核的力度，以達到培養學(xué)生編程能力、工程能力和創(chuàng )新能力的目的。

　　3建設與改革成效

　　在這個(gè)建設和改革的探索過(guò)程中，團隊教師積極了解國內外專(zhuān)業(yè)教育的最新動(dòng)態(tài)，在學(xué)習本學(xué)科最新研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗的基礎上，充分利用豐富的教育資源大規模在線(xiàn)開(kāi)放課程MOOC和現代化的教學(xué)手段和工具，不斷更新和豐富課程教學(xué)內容和教學(xué)方法，最后在教學(xué)資源建設、教學(xué)方法和課程改革等多方面取得了很好的成績(jì)。在教學(xué)資料庫建設方面，團隊教師完成了理工科“C程序設計”教學(xué)大綱、課件和實(shí)驗指導的修訂，并完成了習題庫和試題庫的建設；在教學(xué)改革與研究效果方面，團隊教師近兩年內在中文核心期刊公開(kāi)發(fā)表了3篇有關(guān)教學(xué)改革和教學(xué)研究的論文；在申請教改項目方面，申請并獲批了兩項大理大學(xué)的教育教學(xué)改革項目，一項“C程序設計”雙語(yǔ)教學(xué)項目；在教師獲獎方面，一位教師的教學(xué)課件在學(xué)校的課件比賽中榮獲特等獎，團隊教師指導學(xué)生在藍橋杯全國軟件和信息技術(shù)專(zhuān)業(yè)人才大賽中榮獲國家三等獎、全國計算機設計大賽獲國家二等獎。學(xué)生的學(xué)習效果方面，以下表1是2016級6個(gè)班期末成績(jì)平均分的對比。從表中可以看出，采用CDIO教育模式教學(xué)使學(xué)生的學(xué)習成績(jì)得到提高，學(xué)習效果顯著(zhù)。前3個(gè)班的學(xué)生有48人次參加全國計算機等級（二級C）考試，有7人通過(guò)考試取得合格證。參考人數和過(guò)級人數比以往都有明顯增加。2017年僅有計算機專(zhuān)業(yè)5個(gè)學(xué)生參加了藍橋杯大賽，取得1個(gè)一等獎、1個(gè)二等獎和2個(gè)三等獎，經(jīng)過(guò)教學(xué)改革后，2018年有計算機、統計學(xué)、信息與計算科學(xué)、數學(xué)與應用數學(xué)、統計學(xué)等不同專(zhuān)業(yè)的19個(gè)學(xué)生參加了比賽，并取得了1個(gè)一等獎、4個(gè)二等獎、7個(gè)三等獎的好成績(jì)。綜上，為了適應信息化時(shí)代對應用型人才和復合型人才的需求〔11〕，對理工科的“C程序設計”課程進(jìn)行了建設和改革探索，在探索過(guò)程中，體現了把課堂還給學(xué)生、學(xué)生自主學(xué)習和課堂教學(xué)相融合的精神，引入CDIO工程教育理念，使理論和實(shí)踐并重，加強學(xué)生實(shí)踐能力的訓練，以項目為導向，使學(xué)生在做中學(xué)，培養學(xué)生的團隊協(xié)作精神和合作能力、創(chuàng )新能力。實(shí)踐表明，這種教學(xué)方式能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣和熱情，提高學(xué)生的學(xué)習主動(dòng)性和積極性，開(kāi)闊學(xué)生的創(chuàng )新視野，使其團隊合作能力和綜合素質(zhì)等得到提高，同時(shí)也增強了自信心和責任感。

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