以無線充電傳感網(wǎng)為例改進基于CDIO的“程序設(shè)計基礎(chǔ)”課程教學(xué)計劃研究

蔣嬋 梁俊斌 孫宇 彭穎

摘要：我國本科教育存在過分追求研究型模式的問題，雖然有很多研究提出各種培養(yǎng)應(yīng)用型人才的方法，但是這些方法仍然存在片面追求提高動手能力而沒有強調(diào)綜合能力的提升、實施成本過高、缺乏具體可行措施等缺點。結(jié)合當(dāng)前我們開展的關(guān)于無線充電傳感器網(wǎng)絡(luò)的科研項目，以已經(jīng)建立的科研平臺和獲得科研成果作為具體實施載體，利用CDIO工程教育模式，設(shè)計一套切實可行的培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的教學(xué)體系。我們以“程序設(shè)計基礎(chǔ)”課程作為試點，改進課程的教學(xué)計劃，使學(xué)生能在專業(yè)前沿技術(shù)為背景的項目中學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論，增加了學(xué)生的興趣和主動性。試點獲得了良好的結(jié)果，學(xué)生的成績和積極性明顯提高，為我們將來進一步地深化改革和推廣應(yīng)用打下了堅實基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：無線充電傳感網(wǎng)；CDIO；人才培養(yǎng)模式；教學(xué)計劃

中圖分類號：G420 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）50-0160-03

一、引言

2014年6月，在國新辦舉辦的職業(yè)教育改革和發(fā)展情況新聞發(fā)布會上，教育部相關(guān)負(fù)責(zé)人證實了國家將推動600所本科院校轉(zhuǎn)型為應(yīng)用型高校的戰(zhàn)略。該戰(zhàn)略提出的背景是，我國目前擁有1000多所地方本科院校，其中絕大部分與國家重點培養(yǎng)的211與985高校在辦學(xué)宗旨、專業(yè)設(shè)置、培養(yǎng)計劃等方面高度雷同。211及985高校注重科研與創(chuàng)新，重點培養(yǎng)學(xué)生的理論水平，強調(diào)對前沿或不成熟技術(shù)的跟蹤與持續(xù)深入。但是，社會上廣泛需要大量的人力資源來從事成熟技術(shù)的使用和集成創(chuàng)新，重視以團隊協(xié)作方式完成任務(wù)，并不強調(diào)個人理論上的深入。因此，目前高校過于追求研究型、理論型的人才培養(yǎng)模式，很難適應(yīng)社會上對應(yīng)用型、團隊型人才的需求。

雖然很多研究者針對應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式進行了廣泛的探索和研究，但是目前的大量研究只是突出培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，而對于學(xué)生的思維能力、團隊協(xié)作能力和管理能力的培養(yǎng)存在明顯不足。此外，傳統(tǒng)教育模式需要學(xué)校投入大量的師資、教學(xué)資源和社會實踐機會，這些要求所帶來成本是高校難以負(fù)擔(dān)的。因此，導(dǎo)致目前大量高校即使知道培養(yǎng)的畢業(yè)生不符合社會需要，就業(yè)率不斷下跌，但是仍然不得不繼續(xù)當(dāng)前的人才培養(yǎng)模式。

為了緩解當(dāng)前高校人才培養(yǎng)模式與社會需求的矛盾，我們提出以當(dāng)前我們正在從事的科研項目——2015年廣西高校科技研究項目“大規(guī)模無線充電傳感器網(wǎng)自適應(yīng)充電及路徑規(guī)劃研究”為基礎(chǔ)，通過具體的事例和科研平臺，設(shè)計信息類專業(yè)中的程序設(shè)計基礎(chǔ)課程的教學(xué)計劃，以此為試點，探索一條更高效、低成本的人才培養(yǎng)道路。

我們計劃結(jié)合CDIO[1][2]工程教育模式來進行改革，它是目前國際上一個正在受到日益重視的人才培養(yǎng)方法。CDIO的主要思想是圍繞構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）及運作（Operation）這4個工程項目開發(fā)的主要環(huán)節(jié)來建立人才培養(yǎng)方案。它的特點是以實際工程項目為背景，強調(diào)學(xué)生主動參與，通過在具體實踐中增加各方面的能力（包括專業(yè)基礎(chǔ)知識的消化和吸收，實踐應(yīng)用的設(shè)計和組織管理，大型項目的運作和協(xié)調(diào)，技術(shù)的運用和實現(xiàn)，思維能力和世界觀及人生觀等）。可以看出，CDIO是具有綜合能力培養(yǎng)目標(biāo)的一種教育模式。

我們將CDIO的綜合性和目前本校已經(jīng)開展的基于無線充電傳感網(wǎng)項目的前沿性相結(jié)合，利用當(dāng)前已有科研平臺和科研成果的低成本性，設(shè)計新的人才培養(yǎng)模式。我們選擇以具體范例研究改革“程序設(shè)計基礎(chǔ)”課程的教學(xué)計劃和教學(xué)模式作為試點，通過在多個年級和班級的應(yīng)用，獲得了初步的教學(xué)改革經(jīng)驗，為持續(xù)深入推進整個信息類專業(yè)的培養(yǎng)方案和教學(xué)改革打下了良好的基礎(chǔ)。

二、無線充電傳感網(wǎng)研究

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等多個領(lǐng)域具有重要而廣泛的應(yīng)用前景。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量通常是有限的，因此網(wǎng)絡(luò)的生命周期成了制約網(wǎng)絡(luò)長期部署及應(yīng)用的瓶頸，不利于傳感器網(wǎng)絡(luò)的進一步發(fā)展。近年來，通過無線充電傳感器網(wǎng)絡(luò)[3]的自適應(yīng)充電方法來解決這一問題已成為該領(lǐng)域的研究熱點問題。

采用無線的能量傳輸技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)中部署若干臺充電車，將電能以無線的方式傳輸給能量即將耗盡的節(jié)點，可以極大地延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。本項目在已有的周期性、靜態(tài)自適應(yīng)充電機制的基礎(chǔ)上，主要考慮非周期性和動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)因素對充電車的影響，通過綜合考慮路徑規(guī)劃、實時控制、分布式調(diào)度等理論，建立適用于大規(guī)模無線充電傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與充電車的自適應(yīng)充電模型，規(guī)劃短距離的充電車行走路徑，在合理時間內(nèi)訪問需要充電的節(jié)點并完成充電，提高網(wǎng)絡(luò)生命周期。

本文作者所在的廣西大學(xué)行健文理學(xué)院目前已經(jīng)建立了電工電子實驗室、電工實驗室、電力電子與電機控制實驗室、控制工程實驗室、計算機原理與單片機實驗室、網(wǎng)絡(luò)實驗室、電力系統(tǒng)實驗室、檢測技術(shù)實驗室、計算機軟件實驗室等9個相關(guān)實驗室，擁有計算機、計算機網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制計算機、單片機開發(fā)裝置、可編程控制器、印刷電路板設(shè)計制作裝置等一批軟硬件設(shè)備，滿足項目開展的需要。

三、CDIO簡介及標(biāo)準(zhǔn)

1.CDIO簡介。CDIO是由美國麻省理工大學(xué)MIT提出的一種基于工程教育模式的人才培養(yǎng)方法[4][5]。經(jīng)過20多年的實踐、研究和改進，該方法已經(jīng)在國際上得到了廣泛的認(rèn)可，成功推廣到了數(shù)十個國家。該方法的主要思想是以工程項目管理中，從開始的項目構(gòu)思、過程設(shè)計、具體實施到系統(tǒng)運行的一個完整流程為背景，設(shè)計以學(xué)生主動參與為主的課程模式和實踐方案，讓學(xué)生在實際項目中邊做邊學(xué)。這樣可以由實踐引出理論需求，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性和出自內(nèi)心的興趣。在此過程，學(xué)生不僅能積累良好的學(xué)習(xí)經(jīng)驗，而且能以更實際和直觀的形式理解專業(yè)理論，利于學(xué)生進一步深入學(xué)習(xí)和擴展應(yīng)用。

2.CDIO標(biāo)準(zhǔn)。CDIO能夠在國際上得到廣泛的認(rèn)可和推廣，得益于其規(guī)范而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)標(biāo)準(zhǔn)和評價體系。從它被創(chuàng)建之初，MIT及多個國際組織就對它的內(nèi)涵、形式、實施及評價等各個環(huán)節(jié)進行了研究，提出了一系列切實可行的規(guī)范，便于不同的學(xué)校采用。此外，還可以根據(jù)學(xué)校自身情況對CDIO體系進行合理的調(diào)整和擴充，使其具有廣泛的適用性和靈活性。

基本的CDIO教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)有12條[6][7]：（1）通過項目為實例讓學(xué)生參與；（2）教學(xué)目標(biāo)；（3）與項目實例結(jié)合的教學(xué)計劃；（4）項目實施的工程化導(dǎo)引；（5）項目的設(shè)計和實現(xiàn)；（6）項目具體實踐環(huán)境；（7）多方面的綜合性學(xué)習(xí)；（8）培養(yǎng)學(xué)生主動性；（9）培養(yǎng)教師實踐能力；（10）培養(yǎng)教師的教學(xué)能力；（11）綜合性學(xué)習(xí)評價和考核；（12）教學(xué)評估等。圍繞這些標(biāo)準(zhǔn)，可以設(shè)計具有綜合實踐和理論培養(yǎng)的課程教學(xué)體系。CDIO目前已經(jīng)在推廣過的學(xué)校得到了廣泛認(rèn)可，社會承認(rèn)度也很高。以這些標(biāo)準(zhǔn)為中心，實施的高校可以加入適合本校人才培養(yǎng)目標(biāo)的環(huán)節(jié)，也可以與其他實施CDIO體系的高校進行課程聯(lián)合和交換，促進多方面的交流和互補。

四、以無線充電傳感器網(wǎng)絡(luò)為例設(shè)計基于CDIO的“程序設(shè)計基礎(chǔ)”課程教學(xué)計劃的實施

1.背景。由于對CDIO的理解還處于初級階段，不適宜立即推廣到整個專業(yè)的全部課程。我們選擇信息類專業(yè)最基礎(chǔ)的專業(yè)課程——“程序設(shè)計基礎(chǔ)”作為試點。長期以來，雖然“程序設(shè)計基礎(chǔ)”受到教師的高度重視，但是教學(xué)效果不佳。綜合原因主要有以下幾點：

（1）學(xué)生興趣度不高。學(xué)生主要希望能學(xué)習(xí)目前比較熱門的編程語言，但是“程序設(shè)計基礎(chǔ)”主要是教授學(xué)生編程的基本原理和技巧，比較枯燥。

（2）學(xué)生動手機會少。目前學(xué)校能安排的上機時間只是一個學(xué)期不到20學(xué)時，這對于掌握深入的編程技巧遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。

（3）學(xué)生課后繼續(xù)跟進學(xué)習(xí)較少。雖然目前大部分學(xué)生都有電腦，但是課后主要的活動是娛樂，主要精力并不會主動投入到復(fù)習(xí)和擴展學(xué)習(xí)上。

（4）學(xué)生協(xié)作機會不多。課程的學(xué)習(xí)主要依靠個人學(xué)習(xí)為主，學(xué)生之間缺乏相互合作完成任務(wù)的基礎(chǔ)，導(dǎo)致學(xué)生之間的協(xié)作較少。

基于以上原因，我們選擇利用目前已經(jīng)開展的無線充電傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究為背景，設(shè)計課程實例，把最新的科研信息展現(xiàn)在學(xué)生面前，調(diào)動他們的積極性。此外，通過相互合作完成一個大型任務(wù)，提高學(xué)生的團隊協(xié)作能力。最后，由于我們已經(jīng)開展了前期的研究工作，獲得了一定的研究基礎(chǔ)，能以較低成本提供實踐環(huán)境和內(nèi)容給學(xué)生進行參與。

2.實施方案。我們將無線充電傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究分為4個模塊，分別對應(yīng)CDIO 4個方面技能的培養(yǎng)目標(biāo)。

（1）大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)部署的構(gòu)思。在網(wǎng)絡(luò)中，存在大量的節(jié)點，這些節(jié)點需要協(xié)同地開展監(jiān)測、跟蹤、定位等工作。為了滿足用戶在實時性、低成本、能量有效性、安全性等方面的要求，節(jié)點需要采取不同的部署策略，例如：隨機部署、區(qū)域部署、柵欄部署、興趣點部署等。選擇合適的部署策略，并且編寫模擬實現(xiàn)的程序，是學(xué)生編寫程序的基本任務(wù)。完成該模塊有助于培養(yǎng)學(xué)生整體構(gòu)思的能力。

（2）充電模式的設(shè)計。在網(wǎng)絡(luò)中，選擇哪些節(jié)點進行充電，直接影響網(wǎng)絡(luò)的性能。比如：有10個節(jié)點的能量即將耗盡，如何選擇最短的路徑，讓充電車訪問所有的節(jié)點并完成充電，對網(wǎng)絡(luò)保持持續(xù)的監(jiān)測能力至關(guān)重要。學(xué)生將被要求設(shè)計合理的充電模式和路徑規(guī)劃，保證網(wǎng)絡(luò)持續(xù)工作。該模塊有助于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力。

（3）網(wǎng)絡(luò)模擬的實現(xiàn)。如果將整個網(wǎng)絡(luò)工作的過程展示給用戶，是關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)能否得到用戶支持和信心的關(guān)鍵。網(wǎng)絡(luò)模擬需要開發(fā)直觀的圖形界面，考查學(xué)生綜合使用不同軟件工具的能力。此外，模擬展示的環(huán)境需要呈現(xiàn)各個學(xué)生負(fù)責(zé)模塊的結(jié)果，這需要學(xué)生協(xié)作完成模擬器的開發(fā)。

（4）網(wǎng)絡(luò)的運作。系統(tǒng)評價的指標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)能否按用戶的要求正常運行。學(xué)生需要協(xié)作地把不同的網(wǎng)絡(luò)功能組件實現(xiàn)并聯(lián)調(diào)，使得網(wǎng)絡(luò)可以穩(wěn)定地開展工作。教師通過評價網(wǎng)絡(luò)運行的效果，考核學(xué)生的能力。此外，學(xué)生也可以進行自我評價。

五、效果和經(jīng)驗

1.改革的效果。經(jīng)過將一年多的改革試點，我們的改革取得了一定的效果。

首先，教師通過課程的改革，獲得了更多的提升的空間，對自我教學(xué)能力的提高有了更明確的方向和實際的開發(fā)能力。并且，通過學(xué)生在課程中的參與度的提高，教師與學(xué)生從多角度、多渠道建立良好的融洽的親近感情，使學(xué)生愿意接受教師，更有利于教學(xué)效果的體現(xiàn)。

其次，通過項目式的教學(xué)內(nèi)容要求，學(xué)生獲得更多的目標(biāo)性和實踐性的鍛煉，由原來的單一重復(fù)和模仿練習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘀氐娜蝿?wù)型和開發(fā)性訓(xùn)練，從被動地完成作業(yè)轉(zhuǎn)變到作為重要角色參與項目并完成自選模塊，從參與過程中開始的無所適從到后來慢慢適應(yīng)并追趕，學(xué)生對“程序設(shè)計基礎(chǔ)”課程的興趣得到明顯提高。

另外，學(xué)生能更主動地學(xué)習(xí)其他課程專業(yè)知識，同時更積極參加課外挑戰(zhàn)比賽，如：程序設(shè)計大賽。

取得的這些成果說明，當(dāng)前的改革思路是具有一定的積極意義的，我們可以繼續(xù)深入研究并推廣當(dāng)前的模式。

2.改革的經(jīng)驗。通過回顧改革的整個過程，我們總結(jié)了部分的實施經(jīng)驗：

（1）教學(xué)的內(nèi)容需要不斷更新但要保持實際。學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)的一個基本原因是傳統(tǒng)的教學(xué)環(huán)節(jié)中，教學(xué)內(nèi)容長久不更新，缺乏新意，和社會需求脫節(jié)太大。如果能選擇一個當(dāng)前社會上研究的熱點問題作為背景，將在傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上套上華麗的外衣，吸引學(xué)生的注意力。此外，具體實際的內(nèi)容，更具有可探討性，可以吸引學(xué)生深入?yún)⑴c到構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作等環(huán)節(jié)。

（2）教學(xué)方法上需更側(cè)重放手給學(xué)生探索。傳統(tǒng)教學(xué)存在教師掌控全過程，學(xué)生被動接受的缺點，這樣大量的學(xué)生只會等待老師灌輸知識，缺乏主動性和自學(xué)能力。通過CDIO模式進行教學(xué)，學(xué)生可以獲得很高的學(xué)習(xí)自主權(quán)，由接受“魚”轉(zhuǎn)為開展“漁”。學(xué)生在探索中的錯誤，將被淡化，更多得到的是鼓勵和支持，進而引導(dǎo)學(xué)生找到正確的答案。

（3）教學(xué)手段上更注重實際項目為背景。CDIO突出工程項目為背景的教育，我們以當(dāng)前開展的科研項目為背景，能以低成本的方式提供給學(xué)生進行實踐。對于學(xué)生，可以了解最新專業(yè)科技前沿的信息；對于老師，可以讓更多本專業(yè)的學(xué)生關(guān)注科研動態(tài)，提升對專業(yè)知識的理解能力。

（4）教學(xué)資源的選擇需要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)化和虛擬化平臺。教學(xué)資源缺乏一直是困擾高校教學(xué)的一個方面，購買實體教學(xué)資源不僅成本高昂，而且占用教學(xué)場所。充分利用海量的網(wǎng)絡(luò)化和虛擬化教學(xué)資源庫，可以提供更多的信息給學(xué)生進行選擇，同時大大降低教學(xué)過程實施的成本。

（5）重視科研與教學(xué)的關(guān)聯(lián)。長期以來，教師的科研與教學(xué)是分離的，導(dǎo)致部分教師不重視教學(xué)，自己的科研成果也無法讓學(xué)生接觸。通過本次改革的試點，我們將科研與教學(xué)進行了相互融合，積極轉(zhuǎn)化科研成果為教學(xué)服務(wù)，取得了較好的效果。

六、總結(jié)

當(dāng)前社會亟須大量的具有綜合能力的應(yīng)用型人才，這些人才需要具有寬廣的構(gòu)思、設(shè)計、協(xié)作及動手能力。傳統(tǒng)教學(xué)模式僅僅突出培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，不足以滿足社會發(fā)展的需要。我們提出以我們正在開展的科研項目——無線充電傳感器網(wǎng)絡(luò)研究為例，設(shè)計基于CDIO的課程教學(xué)模式，以低成本的方式實現(xiàn)多維度的人才培養(yǎng)。通過在“程序設(shè)計基礎(chǔ)”課程的試點改革，取得了不錯的效果，獲得了初步的經(jīng)驗。下一步，我們將繼續(xù)深入研究如何將科研與教學(xué)改革進行融合，尋找具有更高經(jīng)濟性和可行性的教學(xué)方案，培養(yǎng)能力更全面的綜合性高素質(zhì)人才。

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