应用型高校基于CDIO工程...——以软件工程概论课程为例_张琛.pdf

信息化与计算机教育本栏目责任编辑：王力Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第6期(2023年2月)第19卷第6期(2023年2月)应用型高校基于CDIO工程教育理念的智慧课堂教学模式探索以软件工程概论课程为例张琛，张新，屠菁，华珊珊（合肥学院 人工智能与大数据学院，安徽 合肥 230000）摘要：CDIO工程教育理念的教学模式以项目驱动为导向，有利于培养学生的实践动手能力和创新意识，已经成为一种最具创新性和改革性的教学模式。结合 CDIO 理念的“构思、设计、实施、运行”四个阶段来设计智慧课堂“课前、课中、课后”的软件工程概论课程教学活动，以学生为主体、教师为主导的“项目驱动”+“团队合作”交互式学习，将具体软件项目引入教学过程中，综合培养学生的团队合作能力和自主学习能力。关键词：CDIO；智慧课堂；教学模式；软件工程中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2023)06-0165-03开放科学（资源服务）标识码（OSID）：0 引言为了解决工程教育中理论学习与实践应用偏差问题，美国麻省理工学院与瑞典皇家工学院、瑞典查尔姆斯理工大学和瑞典林雪平大学共同规划CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate,CDIO）教 育 架构，并成立以CDIO命名的国际合作组织1-2。CDIO工程教育模式一经提出就得到了广泛的认可，也是近年来国际工程教育最佳的实践成果3。随着移动互联网的发展，智慧课堂作为目前课堂教学新的技术手段，得到了广泛应用。通过CDIO理念组织教学过程，以智慧课堂方式进行教学活动4-5，将符合CDIO理念的学习资源和符合智慧课堂的教学活动进行创新性融合，利用现代教育技术与建构主义学习理论对课堂教学进行改革。1 现有软件工程概论课程的不足之处软件工程概论课程是软件工程专业的核心课程6-7，在计算机学科人才培养体系中占有重要地位。课程指导学生以工程化的思想进行软件的开发、维护和管理。软件工程概论课程已经成为国内外各大高校计算机软件教学体系中的一门核心课程。通过本课程的学习，要求学生能掌握软件工程的基本概念、基本原理，具备软件项目开发的技术，掌握开发过程中的流程、准则等。培养学生开发高质量软件、策划和管理软件开发的能力。传统的软件工程教学内容陈旧，实践环节薄弱，而且评价体系单一，具体体现如下。1.1 传统软件工程概论课程教学内容陈旧，教学实践环节薄弱软件工程概论课程设计的初衷，是为了培养学生完成较大规模的软件项目开发能力，但是软件项目开发是一门实践性很强的系统工程，实践经验在软件项目开发中扮演着至关重要的角色。现阶段，传统的软件工程概论课程课堂教学模式以生硬的理论知识教学为主，采用“填鸭式”教学方法，以教师讲授为主，学生缺少具体的项目实践经历，使得理论脱离实际，学生很难领会软件工程概论课程的精髓，难以对课本上的理论知识产生共鸣，让没有项目实践经验的学生感觉很枯燥，忽视了学生的主动性和参与性。这种教学模式培养出来的学生缺乏项目经验，走上工作岗位后往往难以立刻满足企业需求，需要在企业再培训一段时间才能胜任工作。1.2 传统软件工程概论课程评价体系简单，教学评价形式单一传统软件工程概论课程评价体系主要是以笔试收稿日期：2022-11-15基金项目：省级质量工程项目（2021xxkc157，2022zyxwjxalk200,2022xxsfkc050,2021xsxxkc263,2020szsfkc0757）；合肥学院教学研究项目（2020hfujyxm05，2021Ynooc02、2020hfuhhkc06、2020hfujyxm20）；国家级新工科研究与实践项目（E-ZYJG20200225)；教育部委托项目（2021wtxm04）作者简介：张琛（1986），女，安徽合肥人，副教授，博士，硕士生导师，主要研究方向为CDIO工程教育、智慧课堂、数据挖掘；张新（1988），女，山东新泰人，讲师，博士，主要研究方向为信息检索、数据挖掘；屠菁（1979），女，浙江诸暨人，副教授，硕士，主要研究方向为数据智能处理、区块链技术；华珊珊（1979），女，安徽合肥人，讲师，硕士，主要研究方向为人工智能。E-mail：http：/Tel：[phone] 65690964ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术Vol.19,No.6,February2023165DOI:10.14004/ki.ckt.2023.0280本栏目责任编辑：王力信息化与计算机教育Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第6期(2023年2月)第19卷第6期(2023年2月)考试为主，评价标准片面，评价形式单一。这种片面、单一的评价体系导致学生为了应对期末考试，往往采取在考前突击复习和死记硬背来应付考试，这种“应试教育”式的评价体系，对提高学生实际软件开发能力效果甚微，严重缺乏对学生的分析解决问题能力、动手能力、团队协作能力和设计能力的考核，导致理论知识与实际能力的失衡，考核结果无法衡量学生的真实能力。基于CDIO的教学模式的课程评价体系以项目成绩为核心，形成多维度的复合评价体系。其核心指标项目成绩由小组每次作品评议成绩和汇报成绩构成，使得评价标准能够将理论知识与项目实操结合起来，通过具体的项目实操，完成具体产品的设计和产出，更能够评价学生的综合能力。2 CDIO 工程教育模式与智慧课堂2.1 CDIO 工程教育模式CDIO 工程教育理念一经提出，就得到了世界范围的认可与采用，汕头大学工学院是我国最早采用CDIO 工程教育模式的高校之一。目前，我国采用CDIO的教育模式也已经有十多年，经过长期的发展，已有清华大学、北京交通大学等一百多所高校和单位加入了“CDIO 工程教育联盟”，开展了大量的研究工作，取得了优秀的成果8。CDIO表示构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)，代表着是一套全面的工程教育人才培育模式和架构，该模式参考真实的公司产品生产设计流程和需求，实现理论学习与应用实践协同发展，让学生真正了解社会与产业的需求，完整经历产品生产设计全流程，成为“问题的解决者”。CDIO工程教育理念的目标是培养学生成为一名优秀的工程师，具有创新精神、专业技术以及社会责任感。目前，国际上大量的学校加入了“CDIO工程教育联盟”，开始关注该教学模式，主要是因为该模式能够将应用型人才培养目标和工程教育等紧密结合，培养适应于现代企业的工程师。2.2 智慧课堂近年来，互联网技术迅猛发展，大数据、云计算已经被广泛应用于学校的教育教学，在教学数据采集、教学结果评价、线上线下互动等方面，打破了传统的教学模式，逐步向智能化、信息化发展，而“智慧课堂”的产生为新型的教学模式提供了技术支持，智慧课堂是新一代信息技术发展的必然产物，推动了教学模式的改革。智慧课堂聚焦于教学、课堂、师生活动，因此从诞生之后，就得到了极大的关注9-11。智慧课堂教学活动分为三段，即课前、课中和课后。课前，教师确定教学目标，制定软件开发项目，线下传递教学资源，学生线上随时随地预习，互动答疑完成预习，根据学生的表现及时调整教学重难点，不仅提高了课堂效率，还促进了学生的学习兴趣。课中，线上以学生为主体、教师为主导“项目驱动”+“小组讨论法”交互式学习，充分调动学生的参与积极性。课后：线上动态完成过程考核。智慧课堂通过智慧的“教”与“学”，借助信息化手段提高教学数据分析能力、交流互动能力、个性化辅导，符合学生学习和成长的自然规律12。3 CDIO 工程教育模式下的融合智慧课堂的软件工程概论课程教学模式体系构建以 CDIO 工程教育理念为指导，在软件工程概论课程教学中引入智慧课堂，进行教学模式的构建。在CDIO工程教育理念的指导下，从培养学生的工程教育和实践能力出发，研究课程教学技术，安排教学重难点，优化教学内容，设计合理的教学方法，对教学讲授方法继续创新，提升师生互动，通过全方位、多角度的教学评价方式继续教学效果考核。将符合 CDIO工程教育理念的学习模式和软件工程概论课程的教学活动进行创新性融合，旨在借助智慧课堂，从课前、课中、课后三个环节继续课程学习。CDIO 工程教育模式下的融合智慧课堂的软件工程概论课程教学模式体系构建基本设计思路如图1所示。将构思、设计、实施和运行融合到课前、课中、课后三个环节中。3.1“构思”阶段（课前）“构思”阶段，教师根据课程培养目标，按照 CDIO工程教育理念的要求对教学内容、教学重点与难点进行整合。以软件测试为例，首先引导学生进行需求分析，为什么要做软件测试，然后学习软件测试的具体方法。教师课前准备环节需要制定软件开发任务，在课前向学生分享课程需要的学习资料，督促学生进行课前学习，引导学生有重点、有方向、有目的进行学习。教师在课前“构思”阶段主要工作包括：制定软件开发任务、分享学习资料、引导自主预习，针对学生遇到的问题，及时通过线上沟通的方式进行交流，解决问题。3.2“设计”阶段(课中)针对“设计”阶段，借助前期“构思”阶段学生反馈的信息，通过项目的需求分析进行新课导入，并通过超星学习通下达本节课的软件开发任务，老师在课堂教学过程中，针对学生反馈的问题，有针对性地对教学疑难点进行课堂讲授，同时对学生提出的问题进行专项答疑。学生在老师的组织下，以小组为单位，对软件测试方法进行专题讨论。在设计阶段，学生需要软件测试的方法，在学习过程中，师生共同就实施阶段遇到的难点问题进行讨论，对方案进行优化。此外，通过随堂测试的方式，了解学生对于知识的掌握程度，及时调整教学内容，并进行个性化作业的布置。166信息化与计算机教育本栏目责任编辑：王力Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第6期(2023年2月)第19卷第6期(2023年2月)制作材料资源发布教学方案课题导入新任务下达精讲与点评个性化推送批改作业在线交流展现分享合作探究随堂测试巩固提升完成作业总结反思教师教师学生学生自主预习构思课前设计课堂实施运行课后图1 CDIO模式下的软件工程概论课程教学模式3.3“实施”阶段（课中）CDIO 工程教育理念教学体系的核心环节就是“实施”。根据软件开发任务的内容对学生进行分组。在软件测试中，教师要求学生对任务中的关键知识点、技能点进行完善，明确项目实施方案。例如等价分类法、边界值分析法、错误猜测法等。在课中的评价反馈上，教师通过对学生的学习过程进行综合评价，重点突出对软件工程项目设计能力的考核，注重实践能力、创新能力以及团队协作能力的综合评价，以软件测试这一小节为例，本次智慧课堂的课中教学设计如表1所示：表1 软件测试教学内容教学过程案例导入新课讲解例题讲解总结知识点项目驱动：Exchange 2000 和 Windows2000 的人员结构，说明测试的重要性1、软件测试的基本概念软件测试的目的、特性，测试的种类、测试文档2、黑盒测试等价分类法边界值分析法错误猜测法针对奖金计算系统等例题进行讲解交互练习在学习通上推送练习，学生作答，统计学生提交的答案，及时分析学生对该知识点的掌握情况时长3分钟7分钟7分钟7分钟6分钟10分钟5分钟3.4“运行”阶段（课后）通过课中学生的综合表现（实践能力、创新能力、团队协作能力等），进行实践效果和过程把控分析，通过总结和反思，优化基于CDIO工程教育理念的软件工程概论课程教学理念模式研究与实践，让其具有更强的可行性和推广性。课后个性辅导，兼顾学生差异，推送自主学习内容。首先，改变传统的布置统一作业的模式，进行个性化课后作业与指导，根据学生课前预习和课堂学习的情况，有针对性地发布作业任务，使用超星学习通等现代化的教学平台推送个性化复习资料。其次，学生完成作业后通过平台将作业提交给教师，客观题通过平台设置自动批改和评分，而对于主观题，教师针对每个学生的作业情况录制作业批改微课，这种方式可以让学生得到及时的反馈，通过平台反馈，让学生指导自己的薄弱点，进而进行强化学习。同时通过个性化辅导，满足不同层次学生的学习要求。最后，推送自主学习内容。通过自主学习进一步加强学生的学习能力，扩展学生的知识面。CDIO 工程教育模式下的智慧课堂教学，按 CDIO理念组织教学过程，将教学内容项目化，采用项目驱动式教学方法，按智慧课堂方式进行教学活动，突出以学生为中心，为学生构建积极和谐的学习情境，通过项目引领学生自主构建完整的知识体系。3.5 多维评价机制基于CDIO工程教育理念的智慧课堂教学模式采用多维的评价机制，基于“以学论教”的思想，使用以学生的“学”来评教师的“教”。因此，学生成为评价的主体。该模式下学生的学习由课内和课外组成，课内主要是线下课堂学习，课外主要是线上平台学习。相较于传统、单一教学评价方式，基于CDIO工程教育理念的智慧课堂教学模式采用了多元评价的方法，即评价主体多元、评价方式多元、评价内容多元，充分发挥其激励和导向功能，具体如图2所示：图2 智慧课堂多元评价机制4 结论在CDIO工程教育理念下结合智慧课程进行软件工程概论课程的模式构建，该模式通过构建项目驱动的教学内容，改革优化课堂教学环节和教学方法，同时增加大量软件项目开发案例，将理论与实践紧密结合。这种围绕项目开发周期的方式提高了学生学习的主动性、创新能力以及团队合作能力。此外，健全（下转第180页）167本栏目责任编辑：王力信息化与计算机教育Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第6期(2023年2月)第19卷第6期(2023年2月)案例综合需要运用几次子网划分，之前的案例是用子网数来划分子网，而本案例是需要用最大主机数确定子网个数。学生实践:1)判断192.168.16.0/24,地址类型，确定主机位数，并写出对应的子网掩码255.255.255.0。2)子网数=2，从主机位高位需要借1位，21=2，一共可以表示2个子网，完全够用。两个子网分别是：192.168.16.0/25和192.168.16.128/25。3)1楼选择192.168.16.0/25这个子网段，1楼105个IP地址（27-2105），7位主机位，最大表示主机数126。该子网起始地址为192.168.16.1/25，终止地址为192.168.16.（1+126-1）/25（192.168.1.126），子网掩码255.255.255.128。4)2楼选择192.168.16.128/25该子网段再进行划分。2楼需要58个IP地址（26-258），主机位保留6位，最大表示主机数62，由于192.168.16.128/25为子网地址，主机位中高位中第一位已经作为网络地址，剩余只有7位主机地址，从7位最高位只能借走1位划分2个 子 网，分 别 为192.168.16.128/26、192.168.16.192/26，2 楼网段选择 192.168.16.128/26。2 楼子网起始地址 192.168.16.129/26，终止地址为192.168.12.190,子网掩码：255.255.255.192。5)1 楼 与 2 楼 两 个 互 联 路 由 端 口 地 址 从192.168.16.192/26这个子网段中继续划分。2个IP地址，主机位只要保留2位（22-22）。即在现有主机位6位基础上，可以向主机位借4位（可划分出16个子网）2,子网IP地址范围：192.168.16.192/30192.168.16.252/30，学生任选两个即可。子网掩码255.255.255.252。以 流浪地球2 引入IP地址资源的耗尽主题，微课动画构建本课题情境，引领学生养成信息意识，通过数字化学习和计算思维，培养学生信息社会责任，促使学生有意识地通过学习信息技术，再以综合项目实践，将知识与技能向实际工作迁移，提升竞争力。同时，教师拓展IPv9的概念，学生通过查阅资料，独立深入思考，判断和识别IPv9是否自主创新的新技术？强调要有意识地提升对事物的判断力，培养学生主动思考和鉴别力，提升批判性思维能力。4 实践反思与生活相关的主题具有极强的社会现实性，本身它对学生具有较强的吸引力。本节课以IP地址资源耗尽背景进行主题式教学，以博士与机器人小Q网络之旅为情境展开，采用“问题链、任务线、知识链”相结合的教学方法，学生通过自主实践探究和小组协作解决情境问题完成任务，不再是单一“填鸭式”教学，突破子网划分这一教学难点，活动过程有助于培养学生多视角、深层次的思考能力，对于落实信息技术学科核心素养具有重要意义。发现的问题及改进措施：育人效果反馈机制仍需探索，扩展多种反馈方式，提升问卷质量。持续改进计划：（1）在保证课堂教学生动的同时，凝练思政元素表达方式，培养学生信息社会责任；（2）提升育人层次，进一步挖掘能够强化国家认同与社会责任感的元素。参考文献1 魏真真,刘山虎,谭蕾,等.基于主题式教学发展化学核心素养的教学设计以“糖类”为例J.化学教与学,2022(1):46-48.2 朱晓菊.基于网络平台教学交互策略设计D.金华:浙江师范大学,2006.LinkOut【通联编辑：朱宝贵】（上接第167页）教学评价机制，采用多维评价机制，全方位、多角度地衡量学生的综合能力，以及教师的教学效果。参考文献:1兰添才,陈振武,黄婧,等.OBE与CDIO融合的Python程序设计教学模式研究J.计算机时代,2022(3):98-100,103.2 徐颖颖.CDIO工程教育模式下的高职影视创作课实验性探索J.国际教育论坛,2021,3(1):22-24.3 张芹,何彦虎,王秦越.基于创新能力提升的CDIO工程教学改革研究J.教育教学论坛,2020(9):139-140.4 邱小燕,肖雄.细胞生物学“智慧课堂”教学模式的实践与探索J.中国细胞生物学学报,2021,43(12):2377-2381.5 余俊,赵惠忠,祝柏林,等.基于“MOOC+翻转课堂”的高校智慧课堂教学模式探索J.课程教育研究,2020(20):251-252.6 车海燕,冯铁,马东辉.新工科背景下软件工程课程设计教学新模式J.计算机教育,2020(3):52-55.7 赵伟,夏晓东.“互联网+”背景下软件工程课程精准教学模式的构建J.教育教学论坛,2020(24):271-272.8 顾佩华,胡文龙,陆小华,等.从CDIO在中国到中国的CDIO:发展路径、产生的影响及其原因研究J.高等工程教育研究,2017(1):24-43.9 刘邦奇,李新义,袁婷婷,等.基于智慧课堂的学科教学模式创新与应用研究J.电化教育研究,2019,40(4):85-91.10 管珏琪,陈渠,楼一丹,等.智慧教室环境下的课堂教学结构分析J.电化教育研究,2019,40(3):75-82.11 刘邦奇,李鑫.智慧课堂数据挖掘分析与应用实证研究J.电化教育研究,2018,39(6):41-47.12 王荣桥.利用数字信息资源打造化学智慧课堂的策略J.教学与管理,2018(13):70-72.【通联编辑：唐一东】180