迭代式CDIO工程教育模式的研究與實(shí)踐

王曉敏， 崔 巍， 宋燕林

(北京信息科技大學(xué) 信息管理學(xué)院， 北京 100192)

迭代式CDIO工程教育模式的研究與實(shí)踐

王曉敏， 崔 巍， 宋燕林

(北京信息科技大學(xué) 信息管理學(xué)院， 北京 100192)

在應(yīng)用軟件開發(fā)類課程的教學(xué)過程中，如果簡單采用CDIO的構(gòu)思、設(shè)計、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作的工程項目開發(fā)生命周期來設(shè)計教學(xué)過程，則周期長、見效慢，學(xué)生動力和興趣不足，而采用迭代式過程與CDIO工程教育模式相結(jié)合的教學(xué)模式可以有效克服以上缺陷。具體做法是課程內(nèi)容及項目任務(wù)被分解到多個相對短的CDIO迭代周期之內(nèi)，項目通過滾動迭代逐步成型，教學(xué)過程由此變得更為靈活敏捷，學(xué)生的專業(yè)技能和知識能夠快速地學(xué)以致用，盡早地并持續(xù)地獲得可見的項目成果，從而有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。通過調(diào)查問卷進(jìn)行的教學(xué)后評價顯示，該方法的應(yīng)用明顯改善了教學(xué)效果。

CDIO； 迭代過程； 課程設(shè)計

1 研究背景概述

我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對技術(shù)人才的需求和高等教育人才培養(yǎng)之間存在嚴(yán)重失衡，為了解決這一問題，我國高等教育近年來一直致力于調(diào)整人才培養(yǎng)結(jié)構(gòu)，降低學(xué)術(shù)型人才的培養(yǎng)熱度，思路是以培養(yǎng)知識、能力和素質(zhì)全面協(xié)調(diào)發(fā)展，面向生產(chǎn)、建設(shè)、管理、服務(wù)一線的應(yīng)用型人才為目標(biāo)定位，并構(gòu)建各個層次的技術(shù)技能型人才培養(yǎng)體系。這一轉(zhuǎn)變從近年來推廣卓越工程師計劃和600所本科院校向職業(yè)技術(shù)教育轉(zhuǎn)型等重大高等教育改革中可見一斑。

CDIO工程教育理念是20世紀(jì)90年代末麻省理工學(xué)院、瑞典皇家工學(xué)院等多所國際知名大學(xué)聯(lián)合成立跨國研究合作組織并創(chuàng)立的現(xiàn)代工程教育模式。CDIO代表構(gòu)思(conceive )、設(shè)計(design)、實(shí)現(xiàn)( implement )和運(yùn)作(operate)，它以產(chǎn)品研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實(shí)踐的、課程之間存在有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程理論和技能。具體來說，就是選擇接近工程實(shí)際的涉及技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、企業(yè)和社會的團(tuán)隊綜合類項目為教學(xué)案例，結(jié)合專業(yè)核心課程的教學(xué)，使學(xué)生在CDIO的全過程中不斷地在工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團(tuán)隊能力和工程系統(tǒng)能力4個方面得到全面的訓(xùn)練和提高[1]。CDIO理念不僅繼承和發(fā)展了歐美20世紀(jì)90年代工程教育大改革的理念，更重要的是提出了系統(tǒng)的能力培養(yǎng)教學(xué)大綱，對工程教育應(yīng)達(dá)到的能力目標(biāo)給出全面、系統(tǒng)、具體的表述。全球多所院校采用CDIO工程教育理念和教學(xué)大綱，取得了良好效果。

2 問題的提出

我們在應(yīng)用軟件開發(fā)課程教學(xué)過程中曾嘗試了2種項目驅(qū)動的教學(xué)方法，并觀察了教學(xué)效果。第一種是以良好系統(tǒng)性的章節(jié)結(jié)構(gòu)為講授主線，其中穿插教學(xué)示范項目部分功能的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，通過多個小案例強(qiáng)化關(guān)鍵的知識點(diǎn)。這種方法可歸納為“以知識帶動項目”。第二種是以軟件工程的開發(fā)生命周期為主線，嚴(yán)格遵照瀑布開發(fā)過程介紹教學(xué)項目的需求分析、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、界面設(shè)計、編程實(shí)現(xiàn)、測試和部署等知識，即單一CDIO周期的過程，強(qiáng)調(diào)“以項目帶動知識”。

這2種方法在實(shí)際教學(xué)中都有不足之處。前者多數(shù)學(xué)生反映知識結(jié)構(gòu)雖合理，但作為教學(xué)案例的項目被碎片化分散到多個章節(jié)，沒有充分體現(xiàn)項目驅(qū)動的整體優(yōu)勢，也未達(dá)到教學(xué)設(shè)計的以點(diǎn)帶面的效果，學(xué)生“只見樹木不見森林”，在實(shí)踐環(huán)節(jié)面對自主完成項目普遍缺乏分析設(shè)計能力，建立不了較為宏觀的解決方案。后者雖然采用典型項目驅(qū)動的CDIO教學(xué)模式，但如果學(xué)生之前從未接觸或嘗試過一個完整軟件的開發(fā)，其抽象思維能力有限，前期構(gòu)思和設(shè)計階段多數(shù)學(xué)生難以領(lǐng)悟，被動學(xué)習(xí)，而中期實(shí)現(xiàn)階段，集中大量地講解具體平臺開發(fā)技術(shù)，容易走入滿堂灌的歧路，致使部分學(xué)生陷入疲態(tài)。此外這種方式對于新知識由淺入深、循序漸進(jìn)地建構(gòu)存在一定劣勢。

針對以上問題，需要為軟件開發(fā)技術(shù)課程設(shè)計一種新的符合課程特點(diǎn)的CDIO教學(xué)模式，不僅能夠通過合理的教學(xué)項目拉動知識，讓知識服務(wù)于項目，同時又能兼顧知識的結(jié)構(gòu)性，循序漸進(jìn)地傳授技術(shù)以推動項目順利進(jìn)行。本文介紹的迭代式CDIO工程教學(xué)模式將實(shí)際軟件工程領(lǐng)域的迭代式開發(fā)過程與CDIO思想結(jié)合起來，有效地解決了這一難題。

3 設(shè)計思想

應(yīng)用軟件開發(fā)類課程以實(shí)踐和理論技術(shù)并重，學(xué)校在設(shè)置課程時可能根據(jù)培養(yǎng)方案選擇不同的開發(fā)平臺或環(huán)境(如.NET、Eclipse、Android等)、開發(fā)語言(如C#、Java、VB等)和開發(fā)技術(shù)(如Windows開發(fā)技術(shù)、Web開發(fā)技術(shù)、移動開發(fā)技術(shù)等)，而無論哪種選擇，都可以實(shí)施迭代式CDIO教學(xué)模式。課程設(shè)計主要包括項目設(shè)計、迭代周期設(shè)計、實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計。

3.1 項目設(shè)計

CDIO教學(xué)模式通過項目設(shè)計將整個課程知識體系有機(jī)地、系統(tǒng)地結(jié)合起來，以工作任務(wù)為載體，將課程知識整合到教學(xué)項目和實(shí)踐項目中。其特點(diǎn)是所有需要學(xué)習(xí)和掌握的內(nèi)容都圍繞項目設(shè)計這個核心，并與這個核心融合在一起。一個完整的應(yīng)用軟件開發(fā)項目，尤其是Web應(yīng)用程序，涉及的知識廣泛、技術(shù)細(xì)節(jié)繁多，對項目設(shè)計有很大挑戰(zhàn)。在應(yīng)用軟件開發(fā)課程中的課堂教學(xué)項目應(yīng)滿足以下特點(diǎn)：

(1) 項目目標(biāo)和功能易于理解。因?yàn)檎n程主要目標(biāo)是讓學(xué)生熟練掌握一種開發(fā)平臺和工具，提高開發(fā)能力，因此充當(dāng)載體的項目不要完全脫離學(xué)生日常學(xué)習(xí)生活環(huán)境，盡量不要選擇特定專業(yè)領(lǐng)域的項目，從而保證學(xué)生能較快進(jìn)入角色。

(2) 項目有一定代表性和通用性。很多教師傾向于直接選擇學(xué)生非常熟悉的校園類項目，比如圖書館借閱管理系統(tǒng)、成績管理系統(tǒng)等，這類項目理解性強(qiáng)，但應(yīng)用面較窄，適合于低年級課程采納。高年級課程要考慮與畢業(yè)設(shè)計、實(shí)習(xí)等環(huán)節(jié)接軌，信息社會常見的電子商務(wù)、商品進(jìn)銷存管理軟件、人力資源管理系統(tǒng)等類項目則更具代表性，有利于學(xué)生將教學(xué)項目積累的經(jīng)驗(yàn)拓展或推廣應(yīng)用到實(shí)際工程中[2]。

(3) 難度分布合理，可由淺入深逐步推進(jìn)。軟件項目規(guī)模適中，數(shù)據(jù)庫表4～8個為宜，軟件功能和界面經(jīng)過分解形成任務(wù)后，形成難度遞進(jìn)關(guān)系，同時保證教學(xué)內(nèi)容能隨著難度實(shí)現(xiàn)循序漸進(jìn)。

鑒于以上考慮，我們在為大三信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)學(xué)生講授ASP.NET應(yīng)用程序設(shè)計時，選擇“網(wǎng)上圖書商城”作為課堂教學(xué)項目。此外為了幫助學(xué)生明晰所學(xué)內(nèi)容在課程知識體系中的位置，找到完善自身知識框架的方向和途徑，在項目驅(qū)動的同時，可以構(gòu)造一張知識體系與項目任務(wù)之間的對照表，當(dāng)學(xué)生在頭腦中構(gòu)建并逐步豐富這個知識框架時，能通過知識快速索引到相關(guān)案例，學(xué)生學(xué)習(xí)的方向性和主動性大大提高，課內(nèi)外都能實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”、“邊學(xué)邊做”[3]。如果將制作知識與案例對照表作為課程大作業(yè)留給學(xué)生自行完成，則更符合知識建構(gòu)的基本過程。

3.2 迭代過程設(shè)計

在迭代式軟件開發(fā)過程中，整個項目開發(fā)工作被組織為一系列短小的、固定長度的小項目或工作任務(wù)，被稱為一系列的迭代[4]。每一輪迭代都包括了定義、需求分析、設(shè)計、實(shí)現(xiàn)與測試，顯而易見，企業(yè)界提出的迭代方法與CDIO思想如出一轍。采用這種方法，開發(fā)工作可以在需求被完整地確定之前啟動，并在一次迭代中完成或完善系統(tǒng)的一部分功能。每次迭代的工作任務(wù)，既可以是新功能開發(fā)，也可以是對上一輪迭代任務(wù)的改進(jìn)和完善[5]。將該方法應(yīng)用到教學(xué)中，就是本文提出的迭代式CDIO教學(xué)模式。

上面提到項目分解的工作任務(wù)有難度梯隊，與之配套的知識也是有序的，因此只要項目設(shè)計合理，將CDIO的項目實(shí)現(xiàn)部分劃分為多個小的迭代周期并安排課程，教學(xué)進(jìn)程也就迎刃而解。迭代次數(shù)最好與課堂授課次數(shù)一一對應(yīng)[6]。為了保證項目整體性和全局觀，還要設(shè)計一個項目的總體CDIO周期，使之貫穿于全課程。項目的具體實(shí)現(xiàn)根據(jù)功能模塊劃分為多次CDIO迭代，復(fù)雜模塊甚至可以在1～3次CDIO迭代中完成，簡化表示為：CDI{CDIO}nO，示意圖見圖1。

圖1 迭代式CDIO示意圖

以32課時為例，2節(jié)課為一次授課單元，分配方案如下：項目構(gòu)思1次，項目設(shè)計3次，項目實(shí)現(xiàn)11次，項目部署運(yùn)行1次。其中項目實(shí)現(xiàn)劃分為11個CDIO迭代周期，每次迭代實(shí)現(xiàn)或完善一個功能模塊，可實(shí)現(xiàn)的模塊有6～10個。根據(jù)課時長度和學(xué)生基礎(chǔ)不同，項目規(guī)模(功能)可以相應(yīng)調(diào)整分配。

由于數(shù)據(jù)庫應(yīng)用開發(fā)技術(shù)的靈活性，軟件功能的實(shí)現(xiàn)技術(shù)有很多種，即使采用相同開發(fā)平臺和環(huán)境，不同開發(fā)團(tuán)隊也可能使用不同技術(shù)。為了提高學(xué)生的適應(yīng)性，教學(xué)中可能需要介紹2種或以上的主要技術(shù)，比如.NET平臺上數(shù)據(jù)庫記錄的訪問技術(shù)多達(dá)數(shù)種。在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，如果在一次授課中為解決某個問題介紹2種或以上技術(shù)，會造成學(xué)生消化不良，而如果將不同技術(shù)放入不同的迭代周期，甚至放入另一個問題中講解，則學(xué)生印象更為深刻。

3.3 實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計

CDIO教學(xué)模式突出實(shí)踐的重要性，要保證學(xué)生在“做中學(xué)”，軟件開發(fā)類課程應(yīng)設(shè)計課后實(shí)踐環(huán)節(jié)和獨(dú)立實(shí)踐環(huán)節(jié)[7]。

(1) 課后實(shí)踐環(huán)節(jié)。課堂雖然可以跟著做，學(xué)著做，但短期記憶在大腦中難以建構(gòu)穩(wěn)定的知識體系，因此需要課后實(shí)踐環(huán)節(jié)來鞏固和進(jìn)一步消化課堂學(xué)習(xí)的知識。例如可以將每次CDIO迭代的任務(wù)原封不動或稍加修改作為上機(jī)作業(yè)布置給學(xué)生。此外，為保證所有學(xué)生都能正確流暢地推進(jìn)項目，可以將上一輪迭代完成后的工程源文件打包下發(fā)，本輪課堂講授的源代碼和文件則不予提供。通過這種方式，絕大多數(shù)學(xué)生能緊跟教師節(jié)奏，并能在項目由易到難逐步走向成功的過程中深刻體會到學(xué)習(xí)的樂趣和成就感。

(2) 獨(dú)立實(shí)踐環(huán)節(jié)。獨(dú)立實(shí)踐環(huán)節(jié)的主要目的是希望學(xué)生能全面綜合地運(yùn)用課程知識，開發(fā)一個相對完整的中小型應(yīng)用系統(tǒng)，鍛煉項目設(shè)計能力和主動學(xué)習(xí)能力，進(jìn)一步增強(qiáng)項目實(shí)現(xiàn)能力。獨(dú)立實(shí)踐環(huán)節(jié)的項目由學(xué)生自主完成開發(fā)，以下稱為學(xué)生自主項目[8]。自主項目可以由教師布置或?qū)W生自擬。教師布置的好處是需求明確，弊端是學(xué)生興趣不足，學(xué)生自擬則相反。折衷的辦法是教師給出一個可選項目清單，學(xué)生從中挑選。與課堂教學(xué)項目一樣，獨(dú)立實(shí)踐環(huán)節(jié)的項目同樣應(yīng)挑選易于理解、難度和規(guī)模適中的項目。為符合CDIO大綱對“人際交往能力：團(tuán)隊工作與交流”方面的要求，獨(dú)立實(shí)踐環(huán)節(jié)應(yīng)由學(xué)生組隊完成自主項目的開發(fā)，小組規(guī)模以3～5人為宜。

4 實(shí)踐案例

以上迭代式CDIO教學(xué)模式已應(yīng)用于我院信息管理與信息系統(tǒng)三年級本科生的“數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)高級開發(fā)”的教學(xué)中，實(shí)踐和調(diào)查證明其效果明顯好于前文所提到的另2種項目驅(qū)動式教學(xué)模式。“數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)高級開發(fā)”基于ASP.NET技術(shù)講述了“網(wǎng)上圖書商城”項目的構(gòu)思、設(shè)計、實(shí)現(xiàn)和部署運(yùn)行，授課學(xué)時32個，全部在實(shí)驗(yàn)室上課，教師邊講邊做，學(xué)生聽完即做。獨(dú)立實(shí)踐學(xué)時20個，課后實(shí)踐學(xué)生自行安排時間完成并提交。獨(dú)立實(shí)踐環(huán)節(jié)安排在實(shí)驗(yàn)室，由教師進(jìn)行指導(dǎo)完成。學(xué)生自主項目鼓勵由學(xué)生自擬，但須經(jīng)過教師審核和討論，明確范圍，具體有“訂餐系統(tǒng)”、“長途客車售票系統(tǒng)”、“旅游網(wǎng)”、“自行車租賃系統(tǒng)”、“養(yǎng)老服務(wù)系統(tǒng)”等項目，不一而足。

4.1 項目總體CDIO周期

“網(wǎng)上圖書商城”為客戶提供一個能夠通過Web網(wǎng)站購買圖書的平臺，主要使用者包括客戶(買主)、訂單管理員、倉庫管理人員[9]。表1顯示項目總體CDIO各階段的教學(xué)設(shè)計。

4.2 項目分模塊CDIO迭代周期

根據(jù)項目的設(shè)計方案，挑選部分核心且具代表性的功能模塊進(jìn)行了編程實(shí)現(xiàn)，難度逐步遞進(jìn)，知識也實(shí)現(xiàn)前后關(guān)聯(lián)，迭代設(shè)計如表2所示[10]。對于每個具體模塊的實(shí)現(xiàn)再分解為構(gòu)思、設(shè)計、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作4個階段，構(gòu)成一個微型CDIO周期。具體實(shí)例見表3。

表1 項目總體CDIO的教學(xué)設(shè)計

表2 分模塊的CDIO迭代周期設(shè)計

表3 單個迭代周期內(nèi)CDIO教學(xué)設(shè)計(以表2中的迭代4為例)

表3(續(xù))

4.3 學(xué)生自主項目CDIO設(shè)計

學(xué)生完成自主項目的開發(fā)時，要求他們參照教學(xué)項目進(jìn)行CDIO階段計劃。項目總體構(gòu)思和設(shè)計階段由小組集體討論完成并提交相關(guān)成果，教師進(jìn)行檢查指導(dǎo)。項目實(shí)現(xiàn)階段將開發(fā)任務(wù)劃分到個人，每完成一個頁面可集成一次，或個人任務(wù)完成后再進(jìn)行一次性集成[11]。最后的運(yùn)作階段與答辯相結(jié)合，每個小組將網(wǎng)站部署到教師機(jī)上，打開網(wǎng)站演示運(yùn)行各項功能，教師進(jìn)行評價。

4.4 教學(xué)效果后評價

課程結(jié)束后，我們就這一教學(xué)模式設(shè)計了調(diào)查問卷，調(diào)查問卷不記名，包括10個單選題和一個開放式問答，回收有效問卷56份，男女生各占一半。圖2顯示了其中6個重點(diǎn)問題的調(diào)查結(jié)果。

圖2 教學(xué)效果后評價

調(diào)查問卷數(shù)據(jù)顯示，迭代式CDIO工程教學(xué)模式在“數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)高級開發(fā)”課程中的教學(xué)實(shí)踐非常成功，調(diào)查還顯示93%的學(xué)生對未來其他課程采用CDIO教學(xué)模式持積極支持態(tài)度。此外，通過關(guān)聯(lián)分析，學(xué)生性別和技術(shù)基礎(chǔ)與調(diào)查結(jié)果無明顯相關(guān)，而學(xué)生對技術(shù)的個人興趣度與效果評價表現(xiàn)為正相關(guān)，即對軟件編程和數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術(shù)有興趣的學(xué)生對教學(xué)改革感覺受益更大、評價更積極，反之評價消極。

5 總結(jié)與展望

本文對迭代式CDIO工程教學(xué)模式在項目設(shè)計、迭代周期設(shè)計和實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計等方面給出了解決方案和教學(xué)實(shí)例，適用于應(yīng)用軟件開發(fā)類課程，對工程類專業(yè)的高年級技術(shù)應(yīng)用類課程同樣具有參考意義。由于在設(shè)計迭代周期時沒有充分設(shè)計課前學(xué)生主動學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)及考核措施，調(diào)查問卷中顯示有接近半數(shù)的學(xué)生表現(xiàn)出對授課節(jié)奏的不太適應(yīng)，這提示教師應(yīng)視CDIO的“基于主動經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)方法的教與學(xué)”為所有教學(xué)設(shè)計的出發(fā)點(diǎn)，即使在講授知識為主的課程里，也不能將重點(diǎn)放在被動的知識傳遞和課后練習(xí)之上，而是要調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，通過布置課前任務(wù)，引發(fā)小組討論、文獻(xiàn)搜集、概念思考、項目探究等活動，從而保證課堂教學(xué)的效果，并提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)習(xí)慣[12]。CDIO教學(xué)模式對教師的工程實(shí)踐和教學(xué)能力提出了更高要求，增大了工作量，高校應(yīng)鼓勵教師到企業(yè)中掛職鍛煉，或與相關(guān)企業(yè)、社會培訓(xùn)機(jī)構(gòu)、實(shí)訓(xùn)基地等展開合作，促使CDIO教學(xué)模式與實(shí)際社會環(huán)境的進(jìn)一步接軌融合，提高教學(xué)效果。

尚未對CDIO標(biāo)準(zhǔn)中的學(xué)習(xí)考核展開深入討論，我們在課程實(shí)際教學(xué)中也未能根據(jù)CDIO標(biāo)準(zhǔn)在學(xué)生個人、人際交往能力，產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)建造能力等方面制定詳細(xì)可操作的考核方法和考量表[1]。“以考促學(xué)”，科學(xué)全面的考核方法和標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生主動學(xué)習(xí)能力、人際交往能力、職業(yè)態(tài)度等有積極促進(jìn)作用，這也是開展CDIO教學(xué)模式改革中要解決的重點(diǎn)問題。

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Study and practice of iterative CDIO engineering education pattern

Wang Xiaomin, Cui Wei, Song Yanlin

(School of Information Management, Beijing Information Science &Technology University, Beijing 100192，China)

According to the CDIO education pattern, the four stages of conception, design, implementation, and operation can be simply used which is similar to the waterfall model to design the teaching process in some courses such as Application Software Development. However, an executive software would not be built up in the long term process quickly, which usually makes students lose motivation and interest. A new teaching method combining iterative process and the CDIO engineering education mode can overcome those shortcomings. The approach is to divide the course contents and project tasks into shorter units and form multiple iterations. During each iteration the project can be evolved more quickly, so the teaching process becomes more agile to let students’ professional skills and knowledge be able to be applied in project as quickly as possible. Thereby the students’ learning interests and learning effects would be improved effectively. Through the teaching evaluation by questionnaires, it shows that this method has brought obvious improvement of teaching effect.

CDIO； iterative process； course design

2014- 11- 12

北京信息科技大學(xué)2011年度教學(xué)改革項目(2011JGZD05)；北京信息科技大學(xué)2014年度教學(xué)改革項目(PXM2014_014224_000091)；北京信息科技大學(xué)個人項目(2014KG64)

王曉敏(1970—)，女，湖北羅田，碩士，副教授，研究方向?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)、軟件工程.

E-mail：wxm@bistu.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2015)5- 0200- 06