基于CDIO理念的統一建模語言UML教學改革探索

摘要：分析了目前“統一建模語言UML”課程的教學狀況，闡明課程教學改革的必要性以及運用CDIO工程教育理念進行改革的可行性，提出“知識+能力+素質”并行培養的一體化教學方法，將項目設計、能力培養融入課程體系，知識點之間通過項目相互關聯，培養學生的CDIO能力。構建了課程質量控制環，不僅及時反映課程章節的教學效果，還能整體地把握課程教學質量。

關鍵詞：CDIO；統一建模語言；一體化；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）19-0013-04

一、引言

面向對象方法是軟件開發方法的主流，事實已經證明，它適合于在各種問題域中建造各種規模和復雜度的系統。“統一建模語言UML”主要講授面向對象分析與設計的方法和工具，培養計算機專業人員必備的分析設計系統的能力，是計算機科學與技術專業學生的必修課程。然而，目前的教學模式不能很好地滿足培養要求，具體表現在以下幾個方面：（1）傳統的填鴨式教學偏重專業知識，且只有老師一個人在臺上表演，缺少互動和討論，更沒有學生參與，難以達到啟萌與誘訓學生分析解決問題和自學創新能力的效果，更談不上交流溝通和團隊協作能力的培養。（2）實踐教學內容的單一使傳統知識與實踐應用間的鏈接載體匱乏無力，缺少可操作的可視度，自然就缺少那種知識交迭中碰撞出創新靈感火花的導火線，致使學生不能更好地適應企業環境。（3）教學結果過于看重考試成績，缺少結合形象思維、構思表達和創造設計這種綜合能力的考核和測評。

因此，急需一種更加合理的教學理念，以改進當前的教學方法，構建一種全新的教學模式。2000年10月以來，由美國麻省理工學院（MIT）等四所大學組成的工程教育改革研究組提出全新的CDIO（Conceiving-Designing-Implementing-Operation）即構思—設計—實現—運行的工程教育理念，指出對應四種能力培養的CDIO大綱（四個層次）和檢驗CDIO改革程度的12條標準[1]。將工程教育視為一系列的服務性工程產品制造過程，并以層次化的架構來組織師生的學習活動。MIT的《航空工程和設計導論》課程運用CDIO進行教學改革，學生小組要自己動手努力完成一項飛行器設計專題，通過實際項目使理論與實踐結合[2]。清華大學顧學雍教授將CDIO運用于“數據結構及算法”和“數據庫原理”課程的教學改革，學生通過運用課程中所學原理創造出具象的產品，不但漸進式地加強了運用抽象知識創造產品的能力，也理解了更深層的數據結構和信息處理的理念[3]。CDIO在課程中的成功實踐，證明了其應用于課程教學改革的可行性和廣闊前景。

二、基于CDIO理念的教學改革

就課程本身而言，統一建模語言UML授課內容是枯燥的系統分析設計理論，授課對象是一群沒有系統分析設計應用環境的學生，他們因為無法直觀地認知課程內容與工程技術的連接關系而缺乏學習的興趣。另外，課程的教學受到很多環境因素的影響，如學生、教師、學習風氣等。許多學生片面地認為學校所教的各項工程技術和原理是獲取學歷而不得不去攻克的關卡，這種學習態度極大地降低了學生在課堂內外的學習主動性和創新動機。學生的真正問題恰恰是缺乏學習動力，從而影響到對課程的理解與學習。許多學生處于非常被動的狀態：他們不知道課程知識點之間的連接關系，不知道專業知識如何在實踐中具體應用，在安排學習時間的決策上，經常是被動地受到同學和教師的影響，教師要求嚴格，花的時間就多。這種態度使他們不能有效地達到學習的整體目標。課程的考核是以期末的考試得分為主，這也錯誤地將學生的學習重點指向了考試的分數。

以如何培養學生學習興趣、調動學生積極性、培養學生工程價值觀為突破口對課程教學改革作探索，采用合適的產品來連接抽象理論知識與具象產品，幫助學生體會到抽象知識的工程價值，提高學習興趣；確定評分手段使其盡可能與提升素質的目標保持一致，并將這些考量納入具體課程活動中；系統地幫助學生培養個人及群體的學習習慣，使學生主動地發掘課程知識點之間的關系，而且找到貫穿全部課程的學習策略。倡導尊崇工程與科學素養的價值觀，讓學生對工程師的本質有所認識，在設計課程教學時必須培養學生的工程價值觀。

（一）課程教學的構思

明確“統一建模語言UML”課程在整個專業培養體系中的作用，確定課程目標：培養學生面向對象分析設計的能力，提高個人素質、職業能力；培養學生人際交流能力、在企業和社會環境下構思、設計、實施、運行系統的能力。表1給出了各種CDIO能力在課程中的培養情況。

表注：對于表中第二列所列技能應對照CDIO大綱全文來理解。目標欄內以A，B，C，D來表示對此條能力要求達到的程度，A為最高要求，無要求則留空。接觸指在教、學活動中有所提及但沒有訓練和測試要求；訓練指有明確要求并有測試項目；應用指在教、學中有所應用而不論是否曾給與相關訓練或考核。

專業理論是按照知識點的邏輯需要進行分類的，而工程實踐則是綜合性的。傳統的基于知識的設計不符合學生對工程問題的認知規律進而影響工程能力的發展，而基于項目的學徒式設計又缺少對知識的關聯和深層的理解。將項目設計、能力培養融入課程體系，知識點之間通過項目相互關聯，培養個人和人際能力，以及產品、過程和系統構建的能力，構成一體化的課程教學方法。充分體現“知識+能力+素質”的整體培養思路。

按照一體化的教學思想，圍繞能力培養的課程目標，確定課程內容。內容設定為三部分：專業理論知識、由個人完成的簡單項目、由小組協作完成的綜合項目。通過理論知識的學習，學生可以掌握面向對象分析與設計的基本方法和工具，提高專業技能；通過簡單項目的實施，學生可以把所學理論知識應用于實踐，將專業技能轉變為個人能力和職業能力，提高個人綜合素質；通過綜合項目的實施，學生可以體驗在企業環境中構思、設計、實施、運行項目的全過程，使自身的能力得到提升，并在此過程中提高交流能力和團隊協作能力。

（二）教學過程設計

理論知識講授和簡單項目實施同時進行，邊學邊練，達到鞏固知識、加深理解的效果，使學生能夠盡快做到學以致用。理論知識的講授要能指導簡單項目進行，啟發學生尋找知識點之間的聯系。

簡單項目以學生作業的形式完成，設計學生的個人作業，強調不同作業之間的相關性，前一次作業是后一次作業的軟件基礎，讓學生體會到產品開發的連續性，產品開發的過程與產品同樣重要。這種作業的設計手法，可以通過實踐向學生傳輸可持久化的工程理念。通過項目的完成及得到的產品，學生可以體認到抽象知識的工程價值，真正做到將專業理論知識轉化為個人的專業技能。

簡單項目完成后緊接著實施綜合項目，這樣可以由淺入深，循序漸進。綜合項目以小組合作的形式完成，項目環節的安排要基于工程學習理念，以創造產品為導向。在小組項目的實施過程中，主要應用整合與劃分——“分而治之，合而擊之”的團隊協作思想，培養學生的人際能力。作為小組中的一員，平時不僅要做好自己那部分工作，還要與本組同學溝通，從而使各自的子系統可以互相兼容，在學期末的時候把所有的子系統整合在一起，從而形成一個完整的產品。利用課堂及課外時間積極與其他小組相互討論進行交流。這種相互關聯的學習過程，也體現了工程師需要培養縱觀全局的可持續設計能力的理念。圖1為教學模式示意圖。

（三）課程教學實踐

首先選擇合適的項目，按照前面的設計我們將項目分為三類，一類用于理論知識課堂講授，該類項目注重專業知識的掌握和啟發性，各知識點盡量應用同一項目進行示例，這樣既可以對簡單項目實施做出示范，也可以啟發學生對知識點關聯性的思考。教學過程以教師為主導。教師在課前需要按照教學目的，結合示例項目內容列出相關概念和案例要點，特別是要準備兩類問題。一類是幫助教師了解學生是否掌握面向對象分析設計的基礎問題，另一類是在示例項目中需要重點討論的問題，如存在的問題、適應的具體應用環境和改進建議等。教師在課堂上對案例進行詳細講解，過程中不斷對用到的知識點進行提問。這些問題不僅可以幫助教師了解學生的掌握情況，還可以促使學生在聽課的過程中進行思考。

第二類是由個人以作業形式完成簡單項目。課程初始由教師給出項目問題域的描述，描述盡量清晰，難易程度和課堂示例相當，主要用于知識點的應用和鞏固。作業之間要有相關性，如第一次作業要求學生完成需求分析，給出例圖；第二次作業要求學生完成系統用例的描述，學生必須要調用第一次作業的成果，來完成第二次作業的指定功能，讓學生形成工程持續性的價值觀，體會知識點之間的關聯性。

第三類是綜合項目，學生在掌握專業知識的基礎上自組團隊進行研究、分析和討論完成的項目，要比簡單項目略微復雜和詳細。整個過程以學生為主導，教師提供項目的詳細材料和一些引導性的問題，學生自主討論的過程要記錄，階段成果要在課堂上以分享的形式向其他小組介紹，介紹完后其他同學可以提問，給出建議，展開討論。

課程考核：學習成果應反映在工程技術而不是分數上，從以下幾個方面來考核學生：基本概念、原理和方法、相關規范、實際工程、本學科前沿知識、分析解決問題能力、自學創新能力、交流溝通能力、團隊協作能力。基本概念、原理和方法、學科前沿知識可通過筆試來評定；實際工程能力可通過個人簡單項目產品和小組產品來綜合評定；各種CDIO能力通過過程記錄、匯報、討論、課堂表現進行評定，最后給出學生全面的綜合評定成績。

（四）教學過程評價反饋

內反饋環節是在批改作業后，通過個人簡單項目的進展考察學生對相關知識點的掌握情況，據此制定單個知識點教學過程的改進措施；外反饋環節是通過分析期末學生考核的結果、后繼課程的評價等，發現整門課程教學實施過程中存在的不足，據此改進課程的教學過程。圖2為教學過程反饋機制示意圖。

三、總結

通過探索與實踐證明，采用CDIO工程教育理念進行“統一建模語言UML”課程的改革是可行的。在教學中采用“知識+能力+素質”并重的一體化教學方法可以很好地完成課程的教學目的，而且可以有效貫徹CDIO的教育理念，提升學生的四大能力。以產品為導向的漸進式項目可以讓學生主動發掘課程各知識點之間的關系，認識到抽象知識的工程價值，培養學生正確的學習習慣和工程價值觀，從而糾正為學歷而學的錯誤動機，提高學習的主動性和創新性。為了保證教學確實達到教學目的，整個教學的實施過程中不斷地加強學習反饋，通過廣泛評估與評價不斷對教學過程進行改進。總之，將CDIO教育理念引入“統一建模語言UML”是可行的，以漸進式項目為載體，采用“知識+能力+素質”并重的一體化的教學方法進行課程改革效果是顯著的，對學生工程能力、職業能力的培養起到了重要的作用。

參考文獻：

[1]Edward F.Crawley，etc..Rethinking engineering Education the CDIO Approach[M].2007.

[2]Jens Sparso.TOWARDS CDIO-BASED B. ENG. STUDIES AT THE TECHNICAL UNIVERSITY OF DENMARK[C]. Proceedings of the 3rd International CDIO Conference，MIT，Cambridge，Massachusetts，June 11-14，2007.

[3]顧學雍.聯結理論與實踐的CDIO[J].高等工程教育研究，2009，（1）：11-23.

[4]胡雄心等.CDIO模式下模電授課模式的探討[J].電氣電子教學學報，2008，4（30）：106-108.

[5]姜桂榮.工程圖學CDIO立體動態教學平臺的探索[J].教學研究，2008，6（31）：539-541.

基金項目：本文獲河北省高等教育教學改革項目“具有地方和行業雙重特色的計算機科學與技術專業CDIO人才培養模式研究”的資助

作者簡介：孫勝娟，女，講師，1981.2，碩士，河北工程大學信電學院計算機系教師，主要研究方向為軟件工程；劉彥瑞，女，講師，1980.3，碩士，河北工程大學信電學院計算機系教師，主要研究方向為軟件工程；倪健，女，副教授，1975.1，碩士，河北工程大學信電學院計算機系教師，主要研究方向為軟件工程。