計算機專業基于課程群的EIP-CDIO項目設計

　　摘要：CDIO的教育模式致力于構建學生的可擴展知識體系、個人能力、人際交往能力和系統競爭力，汕頭大學工學院計算機系實施以設計為導向的CDIO三級項目設計體系。本文闡述此三級項目設計的基本概念和方法，結合具體教學實踐，介紹在計算機科學與技術專業進行的基于課程群的二級項目設計理念和實施過程。此項教學改革在提高學生對課程體系的理解，項目構思、設計、實施和操作的能力，以及團隊合作精神等方面取得顯著效果。
　　關鍵詞：CDIO；項目設計：核心課程；課程群
　　
　　國際上先進的CDIO(構思(conceive)、設計(design)、實施(implement)、運行(operate)工程教育理念是麻省理工學院、瑞典皇家工學院等四所國際著名工科院校創立的國際組織所提出，描述了工程教育所應遵循的培養準則，代表了近年來國際工程教育改革的最新成果。CDIO強調個人工程能力不僅應包含個人的理論知識和專業技能，而且還應包含終生學習、團隊交流、大系統掌控等一系列能力。結合我國的實際情況，汕頭大學顧佩華教授提出了EIP-CDIO工程教育模式，并在汕頭大學工學院全面進行工程教育實踐。EIP是指有道德(Ethics)、講誠信(Integrity)和專業化(Professionalism)，CDIO是現代工業產品從構思研發到運行改良乃至終結廢棄的生命全過程。EIP-CDIO就是注重職業道德與誠信，與構思，設計，實施，運作的工程訓練進行有機結合，以培養高級工程專業人才為目標的高等工程教育新模式。
　　EIP-CDIO是一種以工程項目設計為導向、工程能力培養為目標的工程教育模式，它是“做中學(Learnhag by doing)”和“基于項目的學習(Projectbased learning)”的集中概括和抽象表達?！白鲋袑W”，即“從活動中學”、“從經驗中學”是著名教育理論家杜威提出的一種教育原則，他指出：“從做中學要比從聽中學是更好的學習方法”。做中學充分體現了學與做的結合，它使得課堂里知識的獲得與生活過程中的活動聯系起來。“基于項目的學習”以工程項目(包括產品、生產流程和系統)從研發到運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程。EIP-CDIO即是通過項目設計將整個課程體系有機地結合起來，其特點是，所有需要學習和掌握的知識圍繞項目設計這個核心形成一個完整的有機體。
　　
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　　1　EIP—CDIO培券模式
　　CDIO理念描述的是各類工程專業開展高等教育所應遵循的普遍原則，而在各個工程領域中的教育環節和具體實施尚處在摸索階段，本文介紹了我們在CDIO教育模式下，通過計算機專業二級項目的設計與實施，在新形勢下所做的探索。
　　EIP-CDIO的工程教育理念，將培養過程劃分為四個層次，第一層次為技術能力培養，目標是使學生掌握開發復雜工程系統的基本理論知識和技術；第二層次為個人能力培養，目標是使學生成為有思想的成熟個體；第三層次為團隊能力培養，目標是使學生適應在基于團隊的現代化環境中進行研發：第四層次實現構思一設計一實現一運作能力的綜合。基于項目的學習方法可以很好地體現各個層次培養的目標，通過項目活動，學生在完成項目任務過程中，總能夠自發地尋求知識和資源支持，這既鍛煉了學生自主學習的能力，又使學生掌握了開發工程系統的理論知識和技術；通過集體項目的實施可以培養學生的團隊精神，充分認識個人和集體之間的關系，它對學生的思想成熟及適應現代環境中的團隊研發方式起到至關重要的作用；完成項目的全過程是對構思一設計一實現一運作的一次訓練，多次的訓練可以使學生綜合CDIO的能力得到充分的鍛煉和培養。
　　
　　2　CDIO學習項目的構成
　　
　　CDIO項目按規模和范圍劃分為三級，一級項目圍繞本專業核心課程基礎、應用知識及培養能力要求而設定；二級項目是圍繞一組核心課程的知識點，以及能力培養要求的項目；三級項目是單門課程設計的項目，旨在增強理解和培養相關能力。
　　一級項目一般要求完整地、前后銜接地貫穿于整個本科教育階段，使學生得到構思、設計、實現、運作的系統訓練。每專業至少有兩次一級項目訓練。一級項目訓練一般在一二年級開始，學生在教師指導下，通過選擇一個涵蓋本專業基礎知識和應用的實例產品進行解剖分析，了解其內部結構構成與設計思想，從而提前了解本專業核心知識內容與實際產品的聯系，從設計工程師的角度去面對即將開始的專業課程學習，建立所學與所用之間的聯系；同時，早期項目的構思與設計，使學生了解各主要課程的知識對本專業的作用，激發學習興趣，通過初步的創新思維與產品構思訓練，在一定程度上建立起與專業相關的整體概念。畢業實習和畢業設計為第二次一級項目訓練。兩次項目訓練相互銜接。經過第一個一級項目訓練和本專業課程的學習，學生對本專業的基礎知識有了全面的了解，資格方面的能力得到了鍛煉，為第二個一級項目——畢業實習和畢業設計奠定了基礎。第二個一級項目要求學生利用所學知識，對一個產品項目完整地展開構思、設計、實現、運用，系統地完成一個工程實踐，目的是讓學生從解決工程問題的角度學習專業知識，初步掌握工程思維方法。
　　二級項目圍繞核心課程知識點，以培養相關能力要求為基礎。訓練一般以3～6個二級項目為載體，加強本專業核心課程的學習與應用。作為一級項目的支撐，二級項目是對相關課程群所涉及的知識點的整合，要求學生綜合利用幾門相關核心課程的知識，構思、設計并實施有一定實際背景的項目，培養學生綜合應用相關知識的能力；另外，作為對整個教學體系的補充，二級項目對培養學生創新思維能力與終生學習能力將發揮重要作用。由于每個項目只涉及一組核心課程組成的課程群，由多個(3～6個)二級項目隊以級項目形成支撐作用，項目設計圍繞相應課程群的知識點，而不必追求本專業知識的全面運用和項目功能的齊全，在必要時，為了強調基礎知識的作用，也可限制學生利用現成的合成工具。從時間上看，第一個二級項目是一般學生完成的第一個完整項目，訓練其對項目設計的認識、團隊精神和作為工程師的思維模式是主要目的，同時，它對激發學生對本專業的興趣起到至關重要的作用。
　　三級項目是單門課程內的項目。在為學生提供強大基礎知識背景和數學、科學方法訓練的基礎上，三級項目根據課程教學自身需要設立小規模實踐項目，旨在加深和強化學生對課程內容的理解與應用。
　　就整個培養計劃來看，以一級項目為主線，以二級項目為支撐，以三級項目與核心課程為基礎，將核心課程教育與對專業的整體認識統一起來，并結合項目訓練對學生的自我更新知識的能力、人際和團體交流能力以及對大系統的掌握、運行和調控能力進行整體培養。
　　
　　3　計算機專業各級項目的設計思路
　　
　　計算機是當代信息科學與技術的重要支柱之一。本專業學生要求受到良好的科學思想、科學實驗與工程設計的基本訓練：系統地掌握計算機科學與技術，包括計算機硬件、軟件與應用的基礎理論、知識和技能；了解本學科的知識結構、基本形態、核心概念，典型技能和基本工作流程；熟悉計算機系統和計算機應用的環境和工具；掌握計算機系統分析與設計的基本方法；能應用所學知識分析和解決實際問題，并具有研究開發的基本能力；學生畢業后能在科研、教育部門、企業、事業單位等計算機科學與技術諸領域從事研究、開發、教學及管理等工作，亦可攻讀本專業或相近專業及交叉學科的研究生學位。
　　以EIP-CDIO培養模式為框架，以培養個人能力(包括自學能力和創新能力)、協同工作能力和系統調控能力為主要目標，基于項目學習的理念和科學的課程(內容)設置作為能力培養的載體，我們設計了新的課程體系和培養模式，如圖l魚骨框圖所示。
　　圖1中，系統設計與集成和畢業設計是兩個一級項目，它們貫穿整個四年的學習過程，成為本科期間項目學習的主線。第二年至第四年每年都有一個具體的設計和研究項目(open-ended)，學生分成4～6人的團隊，每個團隊有一個項目，從設計要求、功能設計、概念設計、系統設計到制造出來；培養設計、創新、協調、溝通和領導能力(每個團隊的組成輪流擔任，每個學生都有當領導的機會)，增強學生的自信心；這種開放型的項目，使學生有機會把知識有機地聯系起來，應用知識。在這一過程中，學生有可能用到沒有學過的知識，因此，學生要學會以探究方式獲取知識，整個過程要體現CDIO的教育理念。
　　二級項目是基于課程群，每個課程群都有一個項目。這些項目相當于綜合性的課程設計，把相關聯的課程知識有機地結合起來，使學生認識到有機和關聯的知識群而不是孤立的知識點，課程群建設與實踐的結合可以避免內容重復，減少學時。
　　通過對教育部計算機專業課程指導計劃所要求的課程和知識點的要求進行深入分析，并結合EIP-CDIO教育模式，我們將計算機專業主干課程分為四個課程群：第一個課程群由程序設計基礎、離散數學和數據結構組成，第二個課程群由電路與電子線路、數字邏輯、匯編語言、計算機組織與體系結構和微機原理與接口技術組成，第三個課程群由軟件工程、面向對象系統分析與設和數據庫原理組成，第四個課程群由操作系統和網絡與通信組成。
　　三級項目是基于單個課程而設計，相當于課程設計。在EIP-CDIO教學模式下，每個教師都應充分了解自己課程在整個專業培養體系中的作用，包括知識能力培養中的貢獻。利用三級項目，我們將每門課程涉及的能力和各知識點串接起來，在構建學生的知識體系中發揮其應有的作用。在課堂教學中，圍繞課程設計(三級項目)，每門課程中應有20～30％時間用于互動、啟發式、探究式的學習，引導學生提出問題，找到解決問題的方法，提取概念和有規律性的方法。另外，我們鼓勵學生參加各種創新競賽活動，將這些活動納入到三級項目中，以增加新的知識，培養創新能力。
　　
　　4　計算機專業二級項目設計
　　
　　如前所述，二級項目的宗旨是綜合幾門主要課程，對一級項目起到支撐作用。對計算機專業而言，從知識點的角度上看，大致上可分為軟件及算法基礎知識、硬件基礎知識、大型軟件項目組織、網絡工程項目組織等?；谶@種認識，結合我校具體情況，我們將計算機主要課程分為以下四個課程群。
　　第一個課程群主要涉及的是軟件基礎課程，知識點主要包括計算機物理結構、結構化程序編程、數據文件系統、關系理論、數理邏輯、代數系統、線形表結構、樹結構及算法、圖結構及算法、查找算法、排序算法等。一般來講，這是一二年級與軟件基礎相關的主要課程，我們為此課程群設計的二級項目是軟件算法綜合設計——大學教學管理系統設計。在此項目中，我們充分考慮到運用本課程群所涉及到的基礎知識點，對學生提出了如下要求。
　　(1)使用文件系統存儲數據。此項要求學生充分理解文件系統知識并靈活運用，特別是二進制文件、文本文件和數據流的操作與管理。
　　(2)不使用現有數據庫系統?，F有數據庫系統(如SOL、Visual FoxPro等1可以很好地完成查詢、排序等基本操作，使用這些現有系統會使學生忽略數據結構、算法等在計算機專業的基礎作用，不利于對計算機專業基礎理論的理解和掌握。為此，我們要求學生自行完成數據庫及管理方案設計與實現。
　　(3)利用關系理論建立自己的數據信息結構。關系型數據庫系統是現代數據庫系統中應用最廣的一類數據庫模型，此模型建立在嚴密的關系理論的基礎上，為了讓學生充分認識離散數學等基礎課程對本專業所起的作用，加強各課程之間的知識聯系和銜接，更深刻完整地理解本專業知識結構，我們提出了此項要求。
　　(4)建立與常用辦公平臺通信的導入導出功能。現代軟件系統往往需要多平臺系統的銜接整合，通過此項要求可以使學生對現代軟件有更深入認識。另外，現有課程對此類知識的介紹不多，需要學生通過其他手段(如網絡等)自主地搜索查找，從而培養學生的主動學習能力。
　　第二個二級項目“小型數字系統設計”主要涉及的課程為電路與電子線、數字邏輯、匯編語言、計算機組織與體系結構和微機原理與接口技術，所涵蓋的主要知識點為組合及時序邏輯電路的分析與設計的基本知識、小型數字系統設計的基本方法、硬件描述語言VHDL、電子設計自動化及仿真軟件(Quartus II)的使用、PLD開發版(DE2)的使用、匯編程序的輸入輸出指令、循環及延時程序設計和鍵盤控制。
　　第三個二級項目“大型軟件項目實施”主要涉及數據庫原理、面向對象系統分析與設計和軟件工程等課程，涵蓋的知識點主要包括軟件開發模型、高級語言編程，數據結構及算法，數據庫設計及管理。其目的是訓練學生綜合運用數據庫、面向對象的系統分析和系統設計方法進行大型軟件項目的實施過程。為此，我們設計的題目為“大學生運動會管理系統”，學生可選用不同的模型和方法來設計實現該項目，例如瀑布模型、螺旋模型、快速原型模型、噴泉模型及面向對象方法等。
　　第四個二級項目“網絡工程項目實施”是繼程序設計基礎、數據結構、計算機網絡與通信、操作系統和多媒體技術與應用等課之后開出的二級培訓項目。在掌握了網絡基礎知識的基礎上，通過具體網絡工程項目的實施，使學生體會一個工程項目從構思、設計、實現到運行(CDIO)的過程，并懂得如何將所學的知識運用到實際的工程項目中。我們設計的題目為“網絡即時通信平臺設計”，學生可根據興趣和愛好，選擇實現文本通信、語音通信和視頻通信中的兩種，或者選擇實現一種，但要做得有創意有特色。
　　項目以分組團隊進行大型軟件系統的設計，做到理論聯系實際，著重應用，使學生得到比較充分的實踐訓練。學生通過對系統的設計，可進一步鞏固理論知識，掌握大型系統的組成結構和深入理解數據庫對于大型系統開發的支持作用；通過設計培養學生的自學能力、創新能力和實踐探索能力，培養良好團隊合作意識，團隊分工責任明確。在項目完成時，能系統地寫出設計思想、方案論證及系統工作原理，其中包括問題及改進設計的意見。
　　
　　5　二級項目實施與評估
　　
　　二級項目的實施根據專業課程和專業基礎課程的進展安排在不同的學期階段，通常在一學期至一學年之內完成。學生通過二級項目的實施，能夠很好地鞏固所學的專業知識并獲取扎實的專業技能，培養團隊合作的精神，分工協作，互相交流，共同努力。在設計過程中能利用技術和科學知識，能有創新思維和創造力。在項目實施前，學生已經具備了一些本專業的基礎知識，并且系統地完成了相關課程群的學習，為完成較復雜的項目打下了基礎。
　　
　　5.1　項目實施方式
　　在項目實施過程中，采用分組合作方式，即每個項目按班級人數分成若干個小組進行，每組人數約5人左右，分組以隨機指定方式為主，可作適當調整。這種分組方法讓每個學生都有機會接觸不同性格的人，以達到培養溝通能力和團隊合作精神的目的，這樣做可以避免“較好的同學大家搶著要，較差的同學沒人要”的現象發生。另外，每組由學生自己選擇一名組長，組織和協調整個項目。
　　每個二級項目都有一個相關課程群的教師團隊進行指導，并制定一名負責教師。負責教師在團隊其他教師的協助下管理整個二級項目的實施，團隊中的老師有義務幫助學生解決設計實現中遇到的各種專業問題。
　　
　　5.2　項目安排與要求
　　項目是由學生自主安排實施計劃和進度，但大體上應包括下述幾個階段，每個階段都要提交相關的文檔。
　　(1)項目調研與需求分析階段。該階段需要學生收集并閱讀相關的文獻資料，進行必要的走訪和調研，并開會討論(要有會議議程和會議記錄)，最終確定選題，明確項目需求，并對項目進行分工和安排進度。該階段項目完成后，每小組需要提交項目調研和需求分析報告。
　　(2)系統整體設計階段。該階段要求學生設計出系統的整體框架。階段完成時每小組需要提交系統整體設計報告，報告中要包括系統構架、軟件框圖及說明、選定方案的論證及工作原理的闡述。
　　(3)系統實現階段。該階段要求學生對系統進行實現，在實現的過程中要定期和指導教師交流，以便教師隨時掌握項目實施情況，及時發現問題，作出必要的指導。
　　(4)系統測試階段。該階段要求學生對系統進行全面的測試，并根據測試結果對系統進行改進。該階段完成時每小組需要提交測試報告。
　　(5)系統的完善階段。當項目驗收完后，學生需要根據驗收的結果和改進意見對項目進行完善。
　　(6)交流階段。二級項目完成后，由學生自己組織一次該二級項目的交流討論會，相互借鑒，取長補短，并推薦優秀的項目加以改進和完善后參加校內外的各種競賽。
　　
　　5.3　項目驗收
　　當學生完成項目后，指導教師團隊組織對項目進行驗收。驗收時小組的所有人員都要到場。驗收的步驟如下：(1)由小組組長從宏觀上介紹整個項目的設計和實現：(2)小組各成員重點闡述自己在項目中承擔的角色和完成具體的任務，以及開發與測試中遇到的問題及其解決的辦法；(3)進行系統演示；(4)指導教師和學生針對項目進行提問，小組成員進行回答：(5)指導教師團隊總結整個項目，評定成績(系統運行成績和個人答辯成績)，并指出項目存在問題及改進設計的意見。
　　
　　5.4　成績評定
　　項目驗收后，每個小組需要提交如下文檔：集體開會(討論)議程和記錄、小組項目報告，個人項目報告并互相打分。二級項目的最終目的并不完全是要讓學生做出一個優秀的系統，而更看中整個項目的實施過程，希望學生在整個項目的實施中，各方面的能力都得到鍛煉和提高。因此，學生二級項目的最終成績從六個方面評定：系統運行(仿真)結果(20％)、小組項目報告(15％)、集體開會(討論)議程和記錄(15％)、個人項目報告(20％)，個人答辯情況(20％)和小組成員互相打分(10％)。其中前三項成績是對項目組的評分，后三項成績是對各人的評分。
　　
　　6　二級項目的收獲
　　
　　通過四個二級項目的實施，學生解決工程問題的能力將有所提高。
　　(1)每個二級項目都涵蓋相關5uq04m91elZXf9XQrTT/Yg==的多門課程的主要知識點，通過二級項目提高學生融會貫通知識的能力。
　　(2)二級項目使學生參與體驗項目從構思(c)、設計(D)、實現(I)到運作(o)的整個過程。
　　(3)在整個項目的設計和實施中，提高學生查找和閱讀各種相關文獻資料的能力。
　　(4)項目以小組為單位開展，讓學生體驗項目討論、規劃、分工、實現、整合的過程，使學生體驗集體開發的樂趣和集體的力量，提高學生分工合作能力和團隊互助精神。
　　(5)項目的有序開展離不開小組組長的指揮和協調，通過二級項目提高小組組長的組織協調能力。
　　為了評估此項目實施的結果，我們在學生中作了問卷調查，依據CDIO大綱的思想，此次問卷中涉及以下幾項內容：對課程群知識的掌握、對計算機專業的理解、自學能力的提高、設計能力的提高、實踐能力的提高、溝通能力的提高、創新能力的提高、責任心的培養、組織能力的提高(組長)、對本次二級項目的綜合評價10項內容；學生根據自己在項目中的收獲對每項內容給出很好、好、一般、差的選擇。多數同學在各項選擇中給出了好和很好的評價，其中，有6.5％和64.5％的同學對項目的綜合評價為很好和好，26.5％和19.5％的同學認為此活動對責任心的培養和自學能力的提高有很好的作用(見圖2)。
　　
　　7　結語
　　
　　二級項目圍繞核心課程群的知識點，以培養相關能力要求為基礎。作為一級項目的支撐，它是對相關課程群所涉及的知識點的整合，要求學生綜合利用幾門相關核心課程的知識，構思、設計并實施有一定實際背景的項目；二級項目是整個教學體系的補充，將為培養學生創新思維能力和終生學習能力發揮重要作用。從時間上看，第一個二級項目是一般學生完成的第一個完整項目，訓練其對項目設計的認識、團隊精神和作為工程師的思維模式是主要目的，它對激發學生對本專業的興趣起到至關重要的作