理工科C程序設計的CDIO教育模式
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［摘要］“C程序設計”是培養(yǎng)理工科學生計算機應用能力的重要基礎課程。通過分析該課程結合CDIO工程教育理念，從教學大綱、教學計劃、教學模式和考核機制等方面進行改革的現狀，提出CDIO教育模式能有效提高應用型本科院校理工科學生培養(yǎng)效果。
［關鍵詞］CDIO；C程序設計；教學改革
隨著“互聯網+”概念的提出，計算機科學與其他學科之間的融合日益加深，高校理工科（非計算機專業(yè)）的學生必須要掌握計算機學科的基礎專業(yè)知識?！癈程序設計”以語言為載體，使學生了解程序和指令的關系，認識程序設計語言的功能，掌握程序設計語言數據表達和流程控制的方法，是培養(yǎng)理工科學生計算機應用能力的重要入門課程。通過學習“C程序設計”課程，學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，為所學專業(yè)的計算機應用創(chuàng)造訓練和應用的條件〔1〕?；诖?，理工科的“C程序設計”教學過程應該有別于計算機專業(yè)〔2-3〕，如何進行該課程的教學改革是值得思考和探究的問題。
1.1教學現狀分析1.1.1重理論，輕實踐目前理工科“C程序設計”大都存在“重理論，輕實踐”的現象，教師花費大量的課堂教學時間用“滿堂灌”的方法教授語言的語法和細節(jié)，只用少量的實驗學時進行實踐訓練，學生上課的時候能聽懂，下課后卻不會編程。導致學生學習興趣不高，教學效果不佳。1.1.2實驗項目題目固定，不利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)以往實驗項目的題目都是固定的，大部分是簡單的驗證性實驗，老師已經把題目擬好、步驟做好，學生只需要照著指導書一步一步完成即可。這些實驗題目數量偏少，題目均來源于教材例題或習題，缺少創(chuàng)新，更沒有學生自主思維的時間，導致學生的創(chuàng)新能力和自主思維能力得不到培養(yǎng)，編程能力得不到提升。1.1.3由計算機專業(yè)的教師授課，與本專業(yè)的知識脫節(jié)計算機教師對其他理工科的人才培養(yǎng)體系了解甚少，一般都采用計算機專業(yè)的教學思路教學，無法滿足這些專業(yè)對“C程序設計”的特殊要求，課程很難與這些專業(yè)的后繼課程相結合。學生在學習的時候感覺與專業(yè)無關，不愿意學。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，忽略對學生實踐能力的考核。導致學生為了應付考試，只重視概念、原理和模式化的題型，而缺乏項目開發(fā)素養(yǎng)和編程技能。1.2CDIO教育理念CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它是近年來國際工程教育改革提出的工程教育模式，它提出以產品研發(fā)到運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有聯系的方式學習工程的理論、技術和經驗〔4〕。自2000年起，麻省理工學院（MIT）和瑞典皇家工學院等4所大學組成的跨國研究組織，經過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踐相結合，實踐重于理論，從做中學，以項目導向為主線，在項目實施的過程中，培養(yǎng)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、強調對學生綜合能力的培養(yǎng)、密切聯系產業(yè)等特點，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生了很大的反響，汕頭大學、清華大學、北京大學等率先進行了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”的教學現狀和存在的問題，探索以CDIO教育理念為指導，以“提高課堂教學質量和效果，加強學生的實踐動手能力”作為突破口，讓學生在做中學，目的是充分調動學生的學習熱情，培養(yǎng)學生用計算機解決本專業(yè)問題的能力，提高和增強學生的實踐能力和創(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活動的主要組成部分，CDIO模式要求教師具有較好的工程實踐能力，認真負責的教育教學態(tài)度，不斷更新專業(yè)知識和創(chuàng)新的精神。經過多年的教學實踐，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和實踐教學，在保證各項教學工作順利進行的過程中，各位教師表現出較強的團隊精神和良好的敬業(yè)精神，按質按量完成了每年的教學任務，并形成了一個具有很強凝聚力的團結向上的集體。教學團隊抓住北京大學信息學院對口幫扶支援的契機，積極向北京大學相關課程的教師請教教學經驗和教學方法；在北京大學老師的指導下，結合本校理工科學生的生源、教學目標和教學資源的實際情況，融入CDIO工程教育理念，重新修訂理工科的“C程序設計”課程的教學計劃、理論教學大綱和實驗教學大綱。團隊教師還到北京大學參加培訓和進修學習，體驗北京大學CDIO教學理念的教學思想和教學過程，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理論教學改革在這樣一個信息化和多元化的時代，學生掌握知識的渠道多種多樣，學生的心理和學習習慣也各有各的特點，在“C程序設計”課程的教學中，采用自主學習和課堂教學相結合，注重激發(fā)學生的學習興趣和學習主動性，積極探索基于項目導向的教學方法，調動學生的學習積極性，使用CDIO教育理念中“學習—指導—實踐—反饋”的方法，使學生最大限度地參與到課堂教學中來，培養(yǎng)學生發(fā)現問題、解決問題的能力〔8〕。2.2.1自主學習和課堂教學相結合雖然現在中小學都在上信息技術課程，但是該課程只要求學生掌握基本的應用計算機的能力，學生對計算機的工作原理、程序和指令等基礎知識幾乎沒什么認識，因此課程開課以前，教師先把北京大學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)布置給學生，學生既可以看視頻，也可以上網在華文MOOC網站上跟著老師學習，這種結合信息化時代的方式，充分調動了學生的學習主動性。團隊教師積極探索討論式學習和研究型學習的課堂教學方法，在上課以前先布置學生看視頻，課堂上老師先做課堂測試，并記錄課堂測試的結果。了解學生課下自主學習的效果，針對普遍難理解的知識點進行重點教學或者進行誘導性的討論，活躍教學氣氛，把課堂還給學生，體現了以學生為主體的課堂教學模式。2.2.2基于項目導向的教學方法在CDIO教育模式的指導下，在課堂教學中一改以往只重視教授語言的語法細節(jié)、老師“滿堂灌”的教學方法，而是把語法的使用貫穿在項目當中，學生既了解了項目開發(fā)的過程，又掌握了編程思想，還培養(yǎng)了自主思維的能力。例如，在教授變量的定義、數據類型和3種基本結構之前，教師先把學生成績分析系統(tǒng)設計這個項目的要求提出來，然后按照“構思—設計—實踐—反饋—指導—運作”的流程帶領學生完成。在構思階段，就會涉及到變量的定義和數據類型的概念；在設計階段，就會遇到3種控制結構的使用；而在實踐中遇到的問題又會反饋到課堂教學中學習；通過教師的講授和指導，最后完成了系統(tǒng)的設計。在這個過程中，學生參與了項目運作的過程，學會了如何把從書上學到的知識用于解決實際問題，培養(yǎng)了實踐動手能力，充分體現了CDIO教育理念。2.3實踐教學建設與改革2.3.1建立實驗助手制度一名教師要完成指導50名左右學生的任務，通常的做法是教師布置好實驗課題目就任由學生參考實驗指導書自習。即使有幾個提問的學生，教師往往也只能應付一二，不能完全解答；或者為了減少學生出現問題的幾率，老師把題目講解一遍，再把實現的過程一步一步地演示給大家，學生只需要按部就班地照著做就行了，這意味著老師占用了大半的實驗課時間進行講解和演示，學生的實踐訓練時間大打折扣，還限制了學生的思維，效果可想而知。如果學生在實驗過程中遇到問題無法解決又沒有得到及時有效的輔導，就會挫傷學習積極性，無法達到好的學習效果。為了解決實驗課班額過大、輔導教師不夠這個問題，建立了實驗助手的實驗輔導制度。在班上優(yōu)選出學習能力強、學習積極性高的兩到三名學生，教師對其進行全程輔導，讓他們提前學習和完成實驗內容，提示性地說出實驗過程中會出現的問題要如何解答，最終讓他們參與到實驗課的指導中。這種實驗助手的培養(yǎng)方式不僅解決了教師人手不夠的問題，而且這些實驗助手對知識的認知和理解會得到更大的提升。2.3.2引入自主學習開放性實驗測試平臺“C程序設計”是一門實踐性非常強的課程，實踐即技能，學生在掌握知識的過程中，重復的技能訓練顯得更加的重要〔9-10〕。教學團隊引入了北京大學的開放性實驗測試平臺OpenJudge，教師可以在這個平臺自主設計開放性實驗。這些實驗題目緊緊圍繞學生的生活和專業(yè)展開，不會重復，完成后上傳測試即可以看到結果。例如在進行基礎編程練習的時候，針對生物醫(yī)學工程專業(yè)，會設置類似細菌的戰(zhàn)爭這樣的題目，而電氣自動化專業(yè)的學生要完成的是錯誤探測等類似的練習。還可以和同學進行比賽，可以看到其他同學的完成情況。教師在平臺上監(jiān)測每個學生自主學習的情況和效果。經過一段課程的學習之后，要求學生進入這個實驗平臺進行開放性實驗。學生對于這種開放性實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業(yè)的問題。因此，通過引入這個開放性實驗測試平臺，使學生的編程技能得到有效的訓練，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維，極大提升了學生的學習效率。2.3.3課程設計培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作和溝通能力是CDIO教育理念的一個方面〔5〕，因此在基礎實驗的后面增加了課程設計，全班學生被分成若干個項目小組，每組3~4人，項目組按要求進行構思并共同商討設計思路，由小組長組織分工，同學之間互相學習，討論溝通，協(xié)助完成。在整個課程設計過程中，學生在完成自己負責的模塊的同時，還需要不斷地參與討論和設計其他同學的模塊，通過這種方式使學生切身體會到團隊協(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，忽略實踐能力，其中：期末考試成績占70%，平時成績占30%（考勤10%+作業(yè)10%+實驗報告10%）。學習“C程序設計”的目的最終是編程實踐能力的培養(yǎng)，因此修改了考核機制，提高了實踐考核的比重，加入了自主學習的考核，加強過程性評價的比例，降低期末考試筆試的比重：期末總成績=自主學習的效果（20%）+課堂表現（20%）+實驗成績（20%）+期末成績（40%）。此考核方案在具體的執(zhí)行過程中可以根據實際情況做出適當的調整，還可以加大對編程實踐考核的力度，以達到培養(yǎng)學生編程能力、工程能力和創(chuàng)新能力的目的。
3建設與改革成效
在這個建設和改革的探索過程中，團隊教師積極了解國內外專業(yè)教育的最新動態(tài)，在學習本學科最新研究成果和實踐經驗的基礎上，充分利用豐富的教育資源大規(guī)模在線開放課程MOOC和現代化的教學手段和工具，不斷更新和豐富課程教學內容和教學方法，最后在教學資源建設、教學方法和課程改革等多方面取得了很好的成績。在教學資料庫建設方面，團隊教師完成了理工科“C程序設計”教學大綱、課件和實驗指導的修訂，并完成了習題庫和試題庫的建設；在教學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發(fā)表了3篇有關教學改革和教學研究的論文；在申請教改項目方面，申請并獲批了兩項大理大學的教育教學改革項目，一項“C程序設計”雙語教學項目；在教師獲獎方面，一位教師的教學課件在學校的課件比賽中榮獲特等獎，團隊教師指導學生在藍橋杯全國軟件和信息技術專業(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。學生的學習效果方面，以下表1是2016級6個班期末成績平均分的對比。從表中可以看出，采用CDIO教育模式教學使學生的學習成績得到提高，學習效果顯著。前3個班的學生有48人次參加全國計算機等級（二級C）考試，有7人通過考試取得合格證。參考人數和過級人數比以往都有明顯增加。2017年僅有計算機專業(yè)5個學生參加了藍橋杯大賽，取得1個一等獎、1個二等獎和2個三等獎，經過教學改革后，2018年有計算機、統(tǒng)計學、信息與計算科學、數學與應用數學、統(tǒng)計學等不同專業(yè)的19個學生參加了比賽，并取得了1個一等獎、4個二等獎、7個三等獎的好成績。綜上，為了適應信息化時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”課程進行了建設和改革探索，在探索過程中，體現了把課堂還給學生、學生自主學習和課堂教學相融合的精神，引入CDIO工程教育理念，使理論和實踐并重，加強學生實踐能力的訓練，以項目為導向，使學生在做中學，培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神和合作能力、創(chuàng)新能力。實踐表明，這種教學方式能夠激發(fā)學生的學習興趣和熱情，提高學生的學習主動性和積極性，開闊學生的創(chuàng)新視野，使其團隊合作能力和綜合素質等得到提高，同時也增強了自信心和責任感。
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作者:張曉玲 趙榆琴 蘇鵬 楊健 單位:大理大學數學與計算機學院