基于CDIO理念的計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

廖湘琳，余曉晗，張所娟，綦秀利，解文彬

（中國人民解放軍陸軍工程大學(xué) 指揮控制工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

1 背 景

隨著信息化建設(shè)步伐的不斷加快，社會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的需求與日俱增，其與國家信息化的目標(biāo)、信息化的進(jìn)程密切相關(guān)。因而，作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，僅僅掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，更要具備綜合運(yùn)用能力和創(chuàng)新能力。這些能力的培養(yǎng)，與實(shí)驗(yàn)教學(xué)是密不可分的。近些年來，高校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面進(jìn)行了一系列的改革措施，無論是觀念還是各個(gè)環(huán)節(jié)，都取得了不少成就，但總的來說，還存在著重理論輕實(shí)踐（最終考核仍以理論成績?yōu)橹鳎瑢?shí)踐動(dòng)手能力所占比例偏低）、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一（驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多而探究性實(shí)驗(yàn)少）、課程間無聯(lián)系（各課程改革各自為戰(zhàn)，學(xué)科之間聯(lián)系性不強(qiáng)，沒能充分利用教學(xué)資源）等問題。如何充分利用各種資源，更加注重扎實(shí)的工程基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)的培養(yǎng)，突出培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，是急需解決的問題。

2 數(shù)據(jù)庫技術(shù)與應(yīng)用課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

數(shù)據(jù)庫技術(shù)與應(yīng)用是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課程，重點(diǎn)研究如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、使用和管理。這門課程教學(xué)內(nèi)容較多，一般先進(jìn)行理論教學(xué)，再進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。目前實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容主要圍繞“關(guān)系數(shù)據(jù)庫查詢語言SQL”展開，采用“出題—練習(xí)—講解”的形式，提高語言的學(xué)習(xí)效率。

從目前學(xué)習(xí)效果來看，主要存在以下問題：

（1）課程理論性強(qiáng)，特別是在學(xué)習(xí)規(guī)范化設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)組織與存儲(chǔ)、事務(wù)并發(fā)控制、數(shù)據(jù)恢復(fù)等內(nèi)容時(shí)，學(xué)生普遍感覺枯燥無味，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣低落。

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，大多針對(duì)建表、查詢、更新等SQL語言的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，且由于實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少，導(dǎo)致訓(xùn)練強(qiáng)度不夠，不能很好地完成任務(wù)。

（3）學(xué)到的東西與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，無論是理論課還是實(shí)驗(yàn)課，都局限于數(shù)據(jù)庫本身技術(shù)的學(xué)習(xí)應(yīng)用，學(xué)生不能深刻體會(huì)它的真正用處，不能學(xué)以致用，沒有成就感。

（4）在教師出題、學(xué)生解題的模式下，學(xué)生一直處于被動(dòng)狀態(tài)，沒有充分激發(fā)其積極性、主動(dòng)性。

（5）考核采取理論考核（卷面成績）和實(shí)踐考核（SQL語言掌握情況）的方式，并不能全面考查學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的掌握能力，沒有體現(xiàn)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求。

3 CDIO教學(xué)理念

CDIO（Conceive、Design、Implement、Operate，構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作）工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果[1-6]，它包括3個(gè)核心文件：1個(gè)愿景、1個(gè)大綱和12條標(biāo)準(zhǔn)。愿景是為學(xué)生提供一個(gè)真實(shí)的背景環(huán)境，在此環(huán)境中，學(xué)生通過構(gòu)想、設(shè)計(jì)、制作、運(yùn)行的全過程，實(shí)現(xiàn)一個(gè)真實(shí)產(chǎn)品。大綱對(duì)學(xué)生提出4個(gè)層面的能力要求：在技術(shù)上要求學(xué)生具備復(fù)雜的工程基礎(chǔ)知識(shí)；在個(gè)人能力上要有成熟的思維；在團(tuán)隊(duì)交流方面要有團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力；在CDIO層面要具備從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)到運(yùn)作的全過程能力。CDIO的12條標(biāo)準(zhǔn)（以CDIO為基本環(huán)境、學(xué)習(xí)目標(biāo)、一體化教學(xué)計(jì)劃等）是實(shí)踐CDIO教學(xué)理念的判定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)學(xué)生和教師都具有重要的指導(dǎo)意義。

4 基于CDIO的數(shù)據(jù)庫技術(shù)與應(yīng)用課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

4.1 一體化課程體系構(gòu)建

CDIO的一體化教學(xué)計(jì)劃，要求以培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為目標(biāo)，包括專業(yè)能力、分析解決問題的能力、自我學(xué)習(xí)的能力、團(tuán)隊(duì)合作的能力、表達(dá)能力等。這些能力的培養(yǎng)，不應(yīng)是獨(dú)立分割的，而應(yīng)作為一個(gè)整體共同提高。

現(xiàn)有的學(xué)科課程之所以不能全面實(shí)現(xiàn)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，主要原因在于缺乏整體化的、綜合性的工作任務(wù)和工作過程，即缺乏“愿景”。各個(gè)課程局限于本課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)更是相互分割、獨(dú)立的。比如學(xué)習(xí)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)，只是讓學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)有個(gè)基本了解；學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)，主要學(xué)習(xí)C語言，實(shí)驗(yàn)課只是基于控制臺(tái)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，例如排序算法的實(shí)現(xiàn)；學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫技術(shù)與應(yīng)用，實(shí)踐環(huán)節(jié)重點(diǎn)是練習(xí)SQL語言。學(xué)生學(xué)習(xí)完這些課程，并沒有一個(gè)整體的概念，也不確定這些知識(shí)具體能應(yīng)用到哪里、解決什么實(shí)際問題。為了解決這些問題，必須實(shí)施一體化課程體系的構(gòu)建，將孤立的各門課程有機(jī)整合，特別是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中加強(qiáng)課程之間的聯(lián)系，在內(nèi)容上尋找課程之間的交叉點(diǎn)，充分利用教學(xué)資源，幫助學(xué)生構(gòu)筑全面知識(shí)、提高應(yīng)用能力、增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)等[7]。以上述3門課程為例，它們看似分離，其實(shí)本身具有連貫性，環(huán)環(huán)相扣，一脈相承，因此可設(shè)置統(tǒng)一的目標(biāo)，以總體培養(yǎng)目標(biāo)作為引導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)小型信息系統(tǒng)為牽引，圍繞該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，合理設(shè)置各門課程的內(nèi)容。具體實(shí)踐環(huán)節(jié)中，可在學(xué)完數(shù)據(jù)庫技術(shù)后增設(shè)工程實(shí)踐課程，或在數(shù)據(jù)庫課程實(shí)踐課中增設(shè)小型信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。隨著該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，3門基礎(chǔ)課程所學(xué)內(nèi)容都得到了應(yīng)用，加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，更重要的是提高了學(xué)生的能力。

4.2 根據(jù)專業(yè)特性，確定課程培養(yǎng)目標(biāo)

對(duì)于數(shù)據(jù)庫技術(shù)與應(yīng)用這門課程，一般的課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生掌握數(shù)據(jù)庫的基本概念、基本理論和技術(shù)，掌握數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。可對(duì)此目標(biāo)提出高級(jí)目標(biāo)——通過該課程的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，能進(jìn)行簡單數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，具備構(gòu)建小型信息系統(tǒng)的能力。

4.3 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

目前大多實(shí)驗(yàn)教學(xué)還停留在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，即學(xué)生依葫蘆畫瓢，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證已學(xué)過的理論知識(shí)，即“照方抓藥”模式。這種模式，無法起到培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問題的能力，因此需要改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，注重知識(shí)培養(yǎng)，更要重視能力的提高。

在實(shí)踐內(nèi)容環(huán)節(jié)上，除了基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)外，需要多安排設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)。作為基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的延深，設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)更關(guān)注培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，可以通過不同層次的實(shí)驗(yàn)體系，實(shí)現(xiàn)CDIO大綱中對(duì)學(xué)生4個(gè)能力培養(yǎng)的要求。

在數(shù)據(jù)庫技術(shù)與應(yīng)用課程中，可以將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為多個(gè)層次，即在基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，鼓勵(lì)學(xué)生自選項(xiàng)目、自主設(shè)計(jì)、自己動(dòng)手、自己實(shí)現(xiàn)。通過設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力及團(tuán)體協(xié)調(diào)能力的目的，見表1。另外，還可將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容劃分為必做實(shí)驗(yàn)和選做實(shí)驗(yàn)，見表2。這種方式，一方面便于實(shí)踐成績的考核，另一方面也可促進(jìn)學(xué)生達(dá)到更高要求。以綜合性實(shí)驗(yàn)——實(shí)現(xiàn)“圖書管理系統(tǒng)”為例，可設(shè)置如表2的具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

4.4 基于項(xiàng)目的教學(xué)方法

在具體教學(xué)實(shí)施過程中，可采取基于項(xiàng)目的教學(xué)方法，即“教、學(xué)、做”一體化。以實(shí)現(xiàn)一個(gè)真實(shí)項(xiàng)目為目標(biāo)，學(xué)生在這個(gè)任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下，充當(dāng)調(diào)查研究者、設(shè)計(jì)者、開發(fā)者、應(yīng)用者等多重身份，最終完成項(xiàng)目的制作。在整個(gè)項(xiàng)目制作的各個(gè)環(huán)節(jié)，不斷提高完善知識(shí)和技能以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。這種基于項(xiàng)目的教學(xué)方法改變了一直以來學(xué)生被動(dòng)接受的學(xué)習(xí)方式，在項(xiàng)目的驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生通過獨(dú)立主動(dòng)學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、項(xiàng)目匯報(bào)等方式，構(gòu)建自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)[8-12]。

表1 多層次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

表2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

通過分析數(shù)據(jù)庫技術(shù)與應(yīng)用課程的教學(xué)目標(biāo)，確定以圖書管理系統(tǒng)作為項(xiàng)目目標(biāo)，可以將數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)的組織與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)安全與數(shù)據(jù)恢復(fù)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)查詢語言SQL、數(shù)據(jù)訪問技術(shù)等主要章節(jié)知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容，合理巧妙地穿插在這個(gè)綜合項(xiàng)目之中，具體實(shí)施步驟見圖1。

圖 1 基于項(xiàng)目的教學(xué)方法

整個(gè)實(shí)驗(yàn)以圖書管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為引導(dǎo)，其中1、3、4、7為教師參與部分，2、5、6為學(xué)生獨(dú)立完成部分。

在實(shí)驗(yàn)課前，教師應(yīng)合理切分圖書管理系統(tǒng)這個(gè)綜合項(xiàng)目，切分為一個(gè)個(gè)子項(xiàng)目，如系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)需求分析設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)組織與存儲(chǔ)設(shè)計(jì)等，同時(shí)，應(yīng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行合理的分組。單憑一個(gè)學(xué)生從頭至尾實(shí)現(xiàn)整個(gè)案例系統(tǒng)，其難度是很大的，而且獨(dú)立工作也無法體現(xiàn)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。小組協(xié)同工作，可以使小組學(xué)生之間相輔相成、同心并力、共同進(jìn)步。劃分小組時(shí)，可根據(jù)邏輯思維能力、編程能力、口頭表達(dá)能力等合理劃分，最好使各小組實(shí)力大致均等，從而保證項(xiàng)目順利完成。小組內(nèi)人員的分工，可由小組內(nèi)部自行根據(jù)任務(wù)要求劃分。

教師按案例系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程，布置子項(xiàng)目要求，如通知各小組設(shè)計(jì)圖書管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)物理存儲(chǔ)方式及如何提高數(shù)據(jù)存取的效率。學(xué)生在課前預(yù)習(xí)階段，各小組結(jié)合前期分析的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，自行預(yù)習(xí)理論知識(shí)數(shù)據(jù)的組織與存儲(chǔ)等相關(guān)內(nèi)容，并結(jié)合上網(wǎng)查資料、交流等形式，找到解決問題的方法，記錄下解決問題過程中遇到的難點(diǎn)問題。

接下來的課堂上，各小組匯報(bào)本組解決問題的方案。在這個(gè)過程中，其他小組可提出意見和建議，碰撞出更多的火花。匯報(bào)結(jié)束后，教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生通過對(duì)比，探討究竟如何組織數(shù)據(jù)才能有效地提高存取效率，從而引出第四個(gè)環(huán)節(jié)——精講引導(dǎo)：數(shù)據(jù)如何進(jìn)行組織與存儲(chǔ)。

在精講引導(dǎo)環(huán)節(jié)，教師主要?dú)w納總結(jié)理論知識(shí)，對(duì)學(xué)生掌握的內(nèi)容一帶而過，對(duì)重難點(diǎn)問題和學(xué)生在解決問題過程中遇到的疑惑進(jìn)行精講、細(xì)講。

通過討論策略和精講引導(dǎo)環(huán)節(jié)后，各小組進(jìn)入制作環(huán)節(jié)，即實(shí)踐本小組修改后的策略，完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織存儲(chǔ)。該步驟完成后，再次進(jìn)入下一個(gè)子項(xiàng)目的分析、討論、精講、制作，即重復(fù)1—5環(huán)節(jié)。當(dāng)所有子項(xiàng)目完成后，則進(jìn)入最終的系統(tǒng)演示匯報(bào)。各小組展示最終成果——圖書管理系統(tǒng)。當(dāng)然，除了演示系統(tǒng)之外，還要匯報(bào)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、遇到的問題、不足等。匯報(bào)完畢后，小組對(duì)自己的研究過程與成果進(jìn)行自評(píng)、總結(jié)、反思；小組間進(jìn)行互評(píng)；教師進(jìn)行總結(jié)講評(píng)。這些自評(píng)、互評(píng)、總評(píng)的結(jié)果也可以作為實(shí)踐成績考核的部分依據(jù)。

4.5 多元考核方式

課程考核方式應(yīng)采用多因子加權(quán)綜合測評(píng)法，除了理論考核，還要加大實(shí)踐部分的分值。對(duì)于實(shí)踐成績，不僅要考慮實(shí)現(xiàn)結(jié)果，也要注重實(shí)現(xiàn)過程。實(shí)踐的成績，可以從多方面進(jìn)行考量。

（1）從完成質(zhì)量上，根據(jù)完成情況、創(chuàng)新性、團(tuán)隊(duì)協(xié)作情況考量。

（2）從完成內(nèi)容上，將項(xiàng)目完成內(nèi)容分為必做和選做，學(xué)生如果只完成必做內(nèi)容只可得到基礎(chǔ)分，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生完成選做部分的情況進(jìn)行加分。這種方式，也對(duì)學(xué)生起到了極大的促進(jìn)作用。

（3）從項(xiàng)目評(píng)價(jià)上，可根據(jù)小組自評(píng)和小組互評(píng)以及教師評(píng)價(jià)3個(gè)方面考量。

同時(shí)，若學(xué)生積極參與各類創(chuàng)新競賽，可以在實(shí)踐成績適當(dāng)加分，以鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新。

4.6 多渠道提高學(xué)生實(shí)踐能力

僅僅靠有限的課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)還不夠，還需鼓勵(lì)學(xué)生參加各類競賽。這些競賽提供了一個(gè)平臺(tái)，可以使學(xué)生更加深入地關(guān)注社會(huì)需求，與社會(huì)接軌。同時(shí)，通過競賽，可鍛煉學(xué)生各方面的能力，還能培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、與人溝通能力。

實(shí)踐表明，學(xué)生的實(shí)踐項(xiàng)目如果能和實(shí)際相結(jié)合，就更能調(diào)動(dòng)其主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。教師可以組織、指導(dǎo)學(xué)生參與真實(shí)項(xiàng)目的開發(fā)，這種“實(shí)訓(xùn)”教學(xué)，可增加真實(shí)感，激發(fā)學(xué)生的斗志，也為學(xué)生今后走向工作崗位做好準(zhǔn)備。

學(xué)生之間的幫帶也很重要，除了同年級(jí)之間的幫帶，也可嘗試高低年級(jí)的互幫作用。比如在完成一個(gè)項(xiàng)目過程中，項(xiàng)目小組可以由不同年級(jí)的學(xué)生組成，在一體化課程體系的指導(dǎo)下是可行的，每個(gè)學(xué)生根據(jù)自己目前所學(xué)知識(shí)完成項(xiàng)目中相應(yīng)的部分內(nèi)容，對(duì)于知識(shí)的掌握、協(xié)同的能力的發(fā)展及共同進(jìn)步都有益處。

5 結(jié) 語

通過一體化課程體系構(gòu)建、基于項(xiàng)目的教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、多元考核方式等多種渠道，筆者進(jìn)行了基于CDIO的計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了一定的成效。學(xué)生在項(xiàng)目的牽引下，在完成項(xiàng)目的過程中，不僅加深了對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論的理解，而且提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)新能力，小組之間也互相競爭，爭先恐后，你追我趕，形成了良好的競爭機(jī)制，極大地促進(jìn)了共同進(jìn)步。基于CDIO的計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，以調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性為核心，以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神為目標(biāo)，關(guān)注提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。當(dāng)然，這種模式，需要學(xué)生在課前和課后花大量時(shí)間，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)，另一方面，也對(duì)教師的教學(xué)能力提出了更高的要求，需結(jié)合課程和學(xué)生的具體特點(diǎn)，不斷探討實(shí)踐。

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