工程认证下计算机类实践课程的BOPPPSI教学模型设计与实践.pdf

第 8 期2023 年 8 月 10 日计 算 机 教 育Computer Education中图分类号：G642166工程认证下计算机类实践课程的 BOPPPSI 教学模型设计与实践肖 尧1，王娇琳1，刘胜蓝2，张丽榕1，穆 濛1（1.大连东软信息学院 数字艺术与设计学院,辽宁 大连 116000；2.大连理工大学 创新创业学院，辽宁 大连 116000）摘 要：为提高计算机类实践类课程教学效果，以“数字媒体技术专业能力实践”课程为载体，借鉴BOPPPS 教学模型，提出 BOPPPSI 教学模型。从复杂工程问题分解出发，遵循成果导向、学生中心和持续改进的工程教育核心原则，阐述落实工程教育改革课内持续改进循环的具体方法，介绍依托信息化系统开展的实践类课程达成度分析。关键词：工程教育认证；BOPPPS；实践教学；持续改进；复杂工程问题文章编号：1672-5913(2023)08-0166-06基金项目：辽宁省教育厅科学技术一般项目基金项目“基于自适应学习的 AR 科普游戏设计与开发研究”（LJKZ1418）；辽宁省教育科学规划“十三五”项目“新工科背景下跨学科+双师多级教学模式研究”（JG20DB036）；辽宁省教育科学规划“十三五”项目“民办高校本科层次职业教育专业建设研究”（JG20EB016）。作者简介：肖尧，男，讲师，研究方向为计算机视觉及教学管理，；刘胜蓝（通信作者），男，副教授，研究方向为机器学习及教学管理，。0引 言随着 2016 年 6 月我国成为华盛顿协议正式会员，华盛顿协议 成果导向、学生中心、持续改进的 3 个核心要求为中国工程教育专业改革的 3 个基本问题教什么、怎么教和教得怎么样指明了方向1。工程教育采用的是以学生能力产出为中心的教育模式，依托面向产出的评价和持续改进质量保障机制，达成培养能解决复杂工程问题工程师的核心目标。因此，中国工程教育专业认证协会学术委员会 2019 年第一次扩大会议上明确提出，建立面向产出的评价机制是认证工作的“底线”，建立以产出为核心，以培养目标、毕业要求和课程教学为关键要素的教育体系是认证工作的“主线”2。面向产出教学体系的核心内容是毕业要求的制定、落实和评价。毕业要求的制定需要基于根据社会需求产生的培养目标，毕业要求的评价需要依托面向产出的评价机制，毕业要求的落实则需要依托课程体系和课程设计。其中，课程设计是工程教育改革的深水区，主要存在教学模式无法支撑教学目标达成、教学内容缺乏“两性一度”、考核方式无法评价教学目标达成情况等问题。针对复杂工程问题各主要环节，引入 BOPPPS 教学模型3，并根据工程教育认证标准进行改良，利用 BOPPPSI 教学模型，探索支撑教学目标达成的有效途径，为计算机类实践类课程设计提供参考。1复杂工程问题分解在中国知网以“复杂工程问题”为关键字进行检索，文章数量如图 1 所示。将上述标准落实到具体课程或专业的实践案例中，很多学者对此开展了经验性探讨4-5。数字媒体技术专业是计算机大类下的交叉学科专业，其核心目标是培养同时具备计算机学科工程能力和设计学科实践能力的数字媒体技术工程师，面向数字传媒及文化领域的数字媒体编辑、数字内容制作、数字游戏开发等岗位。专业除 2 个常规理论学期外，每学年暑假前 4 周为综教育与教学研究第 8 期167合实践学期。数字媒体技术专业能力实践课程是大二综合实践学期的唯一课程，通过 80 学时的综合实践，培养学生综合运用计算机技术基础知识、原理和工具，设计并开发复杂数字媒体应用的能力。大二学生初步具备了基本交互软件的设计和开发能力，能够完成二维平面素材的设计和制作。课程的终结性考核内容为“设计并制作一款具有基础数据管理、资源动态加载、智能 AI 交互等功能的 2D 数字媒体应用”。本项目需要深入利用软件工程基本原理，在调研、分析现有同类软件功能需求和创意设计的基础之上完成开发，并满足复杂工程问题的基本要求。本项目主要支撑复杂工程问题的 3 条特征，具体分析见表 1。基础应用开发问题只需常用方法即可解决，本项目不满足第条特征。遵循工程规范是本项目的教学目标之一，无论是软件开发规范还是界面设计规范都需要遵守，不满足第条特征。本项目的目标案例虽来源于真实生产环境，但在开发过程中仍以学生自拟题目开发为主，缺少利益相关方，不满足第条特征。综上，本项目符合工程教育认证对复杂工程问题的标准要求。图 1 在中国知网中以“复杂工程问题”为关键字的文章检索数量表 1 数字媒体技术专业能力综合实践复杂性分析复杂工程问题特征实践项目的工程复杂性分析涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有一定冲突本项目涉及数据存储、资源管理、用户交互、人工智能等多方面计算机技术，同时需要具备艺术设计能力和工程管理能力需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性功能需求分析、软件架构设计是对软件功能的抽象，低保真模型是对界面设计的抽象，创造性主要体现在低保真、高保真模型设计上不是仅靠常用方法就可以完全解决的无对应内容问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业工程实践的标准和规范中无对应内容问题相关各方利益不完全一致无对应内容具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题项目需要综合运用计算机和设计学基础知识、技能和工具，包含多个独立功能模块2基于成果导向理念的课程目标设计我国发布的最新工程认证标准（2022 年 7 月15 日发布）来源于华盛顿协议2013 版，其中要求专业制定的毕业要求完全覆盖工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、研究、使用现代工具、工程与社会、环境和可持续发展、职业规范、个人和团队、沟通、项目管理、终身学习等12 条标准。根据成果导向和逆向设计原则，本课程高支撑工程教育认证中第 3 项毕业要求“设计/开发解决方案”，中支撑第 8 项毕业要求“职业规范”，低支撑第 11 项毕业要求“项目管理”。本课程的总体教学目标是综合运用前两学年所学的计算机和设计学基础知识，设计并开发具有独立知识产权和视觉创新性的复杂数字媒体应用软件（高支撑“设计/开发解决方案”要求）；同时，在开发过程中，通过深入运用软件工程基本原理培养学生按照软件工程规范开发项目的能力，独立完成创意设计、素材制作和代码编写（中支撑“职业规范”要求）；最后，通过制订简要项目计划，培养学生制订项目计划并按计划实施的能力（低支撑“项目管理”2023168计 算 机 教 育Computer Education要求）。本课程根据毕业要求对应的 5 个观测点制定教学目标，通过采用布鲁姆能力分层词汇描述教学目标，确保教学目标明确、可衡量。按照金课要求，制定符合“两性一度”要求的教学目标。核心能力层次为“设计、分析、开发”等高阶能力，体现高阶性。创意和素材的原创性体现创新性。学生在完成该综合项目时，已具备界面设计、用户体验设计、引擎使用等软件工程基础能力，具备综合完成本项目的基础，符合“跳一跳”够得着的“挑战度”要求。详细教学目标及对应的毕业要求见表 2。表 2 逆向设计的课程目标毕业要求支撑强度观测点教学目标3.设计/开发解决方案高3.1 能够面向常见数字媒体应用领域，重点针对软件系统和视觉需求，综合运用数字媒体领域基本设计/开发方法和技术，设计复杂数字媒体工程问题的解决方案1.应用界面设计原则，使用 Axure、AI 等设计工具，设计复杂应用的低保真和高保真视觉方案3.2 能够针对特定需求，设计数字媒体工艺（工作）流程，特别是视觉设计流程/应用软件框架，在设计中体现“五新”要求，体现创新意识2.针对数据存储、动态加载、智能交互等需求，应用百度 AI 等新技术设计对应功能流程3.3 能够针对特定需求，设计数字媒体软件模块、视觉元素/单元（部件）/数字模型部件，并在设计中能够考虑安全、健康、法律、文化及环境等制约因素3.针对数据存储、动态加载、智能交互等需求，分析可行性，编写开发文档，开发软件模块8.职业规范中8.3 在工程实践中理解并遵守职业道德和规范，诚实公正、诚信守则，不欺骗、不作弊、不抄袭4.按照软件工程规范开发项目，原创度超过 90%11.项目管理低11.1 初步理解并基本掌握计算机工程项目管理原理。能够初步制定管理流程、制度及方案，并组织开展工程项目管理5.初步制定项目开发计划，按计划完成项目开发3基于BOPPPSI模型的教学过程设计工程教育认证通过建立持续改进的底线机制确保课程教学目标达成。培养目标、毕业要求、课程目标 3 个持续改进循环目前已经成为共识6，但对于课程内部如何支撑课程目标达成则缺少统一方法。在 BOPPPS 教学模型的基础上提出BOPPPSI 模型，探索工程教育改革的第 4 个持续改进循环，即单次课内或教学单元内的教学目标达成与持续改进循环。对照工程教育认证标准，BOPPPS 模型有 2 个环节需要优化和调整：将学习目标（Objective）调整为产出（Outcome）；增加改进（Improvement）环节，从而形成完整的课内持续改进闭环。3.1BOPPPSI 模型基本内容BOPPPSI 教学模型共包含 7 个过程，分别是导言（Bridge-in）、学习产出（Outcome）、前测（Preassessment）、参与式学习（Participatory learning）、后测（Post-assessment）、总结（Summary）和改进（Improvement）。学习产出、后测和改进，直接对应于基于产出的教学目标、达成情况评价和持续改进 3 个关键环节，因此 BOPPPSI 模型是一种符合工程教育认证思想的参与式学习模型，适用于实验和实践类教学。（1）导言，其作用是吸引学生注意力，帮助学生专注于即将学习的内容。可以通过视频、图片、即兴演讲等形式结合时事热点、课程思政等内容吸引学生注意力，并通过内容自然衔接到学习产出上。（2）学习产出，其作用是让学生明确学习方向。对于工程教育认证来说，这里用产出代替学习目标。单次课产出的基本要求与课程目标一致，要明确、可衡量，且能够反映学生通过本次课程学习所获得的能力产出。（3）前测，其作用是通过了解学生兴趣和能力，进而调整课程内容的深度和进度，同时获悉是否需要复习先备知识。可采用的手段有问卷、小测验、提问、投票、头脑风暴等。（4）参与式学习，其作用是增强师生互动和生生互动，提高学生参与度，在参与学习的过程中锻炼能力。参与式学习的特点决定了其非常适合于实验和实践类课程。通过问答、讨论、案教育与教学研究第 8 期169例、演示、实验等形式可以支撑其他多样化学习目标。（5）后测，其作用是掌握学生学习目标达成情况，为后续总结和持续改进提供数据支撑。后测可在课中或课后进行，对低阶目标可采取知识点测试、投票等形式，对高阶目标可采取成果演示、项目报告等形式，对价值观等非技能目标可采取调查问卷、谈心得体会等方式。（6）总结，其作用是通过总结课堂内容帮助学生整合所学知识和技能并预告下次课程内容。可采用教师总结或组内/组间点评等形式，并通过布置延伸思考或作业等形式进一步引导学生反思存在的问题和不足。（7）改进，其作用是根据达成情况分析结果，及时分析未达成产出目标学生的共性原因和个性原因，通过课后补充 PPT、微课等学习资料的形式帮助未达成学生尽快达成课堂产出目标，引导学生自主发现问题、解决问题。3.2基于 BOPPPSI 教学模型的课程设计本课程包含用户交互模块、数据存储模块、资源动态加载模块 3 个基础技能训练单元和项目设计、项目实现 2 个自主实践教学单元。以用户交互模块中的人工智能接入项目为例，BOPPPSI教学模型的具体内容见表 3。BOPPPSI 教学模型在实施过程中要注意以下几点：将学习产出落实到具体可衡量的项目上，如“阐述百度 AI 使用流程”这一产出可以通过设置主观题来知晓达成情况；使用大量的在线测试、问卷、投票等手段辅助教学，因此要有能够方便快速完成上述功能的信息化教学平台作为支撑；突出改进作用，同时给出共性和个性问题的解决方法，帮助学生有效达成能力产出目标。表 3 一个单元的 BOPPPSI 教学模型的课程设计阶段教学内容与手段学生活动导言思政元素：从美国商务部对华为、抖音等中国科技公司的制裁引出技术自主的重要性问题引入：抖音 APP 中用到大量的语音识别技术，是否能够举例说明。如何能够快速在项目中实现 AI 技术？最希望能够自己动手实现的功能是哪个？根据能够实现的功能设置投票并统计学生选择结果打开抖音等短视频软件，查看相关 AI 技术的应用情况。并参与投票学习产出产出一：能够阐述百度 AI 使用流程，解释相关 API 参数含义及使用方法产出二：能够应用百度 AI 框架在开发引擎中实现特定功能（上述产出支撑表 1 中的观测点 3.2），采用课内在线测试的方法了解学生掌握情况理解产出含义，参与在线 测试前测前测一：各组汇报百度 AI 控制台应用 APPID 创建情况前测二：利用雨课堂等学习平台发布在线测试习题，重点考查百度 AI 背景知识掌握情况，根据前测结果动态补充相关教学内容课前查看百度 AI 官网，掌握背景知识；完成前测习题参与式学习教师示范：采用示范教学法演示百度 AI 完整使用流程和注意事项学生参与：采用实践教学法指导学生根据项目指导书开展编程实践，并提交项目报告2 人一组开展编程实践后测采用互动讲评法，各组完成之后上台讲解并互评，教师进行补充讲评观看其他小组成果并互评总结根据后测结果总结实践得失，引导学生对照学习产出查找存在问题和不足；课后根据信息化工具统计结果进行达成度分析在项目报告中撰写心得体会改进根据达成度分析针对共性问题补充相关资源和练习。针对个性问题引导学生通过“提问分析求解改进”的思路解决存在的问题反思自身存在的问题并提出解决方案4课程达成情况分析4.1课程考核评价设计考核由形成性和终结性考核两部分构成，形成性占 60 分（在完成实践过程中实时反馈达成情况），终结性占 40 分。线上测试由随堂前测和后测成绩加权计算得出，反映学生基础知识掌握情况，支撑教学目标 1 和 3。项目功能模块开发由技能训练、设计和开发三部分组成：功能模块技能训练为第 1 周训练内容，主要用于考核学生模块开发的基础技能掌握情况，支撑教学目标3；功能模块设计为第 2 周训练内容，基于界面设计、用户体验设计等方法完成项目调研和方案设计，制作低保真、高保真模型，支撑教学目标2023170计 算 机 教 育Computer Education2；功能模块开发为第 3、4 周训练内容，通过评价最终成果反映教学目标达成情况。功能模块开发评分标准中包含功能开发和项目规范两方面内容，支撑教学目标 3 和 4；并通过量化考评项目计划和日志记录情况支撑教学目标 5。详细考核设计见表 4。4.2达成情况分析课堂教学目标达成支撑课程教学目标的达成，进而支撑毕业要求达成。目前，教师普遍反映的问题是达成度计算费时费力，重复而枯燥的达成度计算占用了教师大量时间。因此，引入信息化系统辅助达成度计算是高效开展达成度分析的必由之路。课程采用东软教育科技集团研发的工程教育认证支撑系统，能够快速完成教学目标的个人达成度计算。2018 级到 2020 级 3 年教学目标平均达成情况分别为 0.79、0.78、0.82，采用 BOPPPSI 教学模型的 2020 级达成度较前两年度有明显提高。图 2 和图 3 分别展示了教学目标 3 的个体达成情况和达成分布。从分布上看，8.03%的学生未达成教学目标；从个体达成情况看，有 18 名学生未达成教学目标。进一步分析这些未达成教学目标学生的个体数据，可以得出达成度较低的主要问题是数据存储模块自主开发能力较弱，原因是遇到个性化问题时缺乏自主解决问题的能力。为此，应在下一轮教学中增加常见问题解决方法和思路的讲解，并在课程中采用生生互教等形式加强随堂指导。表 4 面向产出的课程考核设计毕业要求观测点教学目标评价阶段评价方法评价项分数3.设计/开发解决方案3.11.应用界面设计原则，使用 Axure、AI等设计工具，设计复杂应用的低保真和高保真视觉方案形成性采分点法线上测试5量规表法方案设计报告53.22.针对数据存储、动态加载、智能交互等需求，应用百度 AI 等新技术设计对应功能流程数据存储模块设计5动态加载模块设计5用户交互模块设计53.33.针对数据存储、动态加载、智能交互等需求，分析可行性，编写开发文档，开发软件模块采分点法线上测试5量规表法数据存储技能训练5动态加载技能训练5用户交互技能训练5终结性数据存储模块开发10动态加载模块开发10用户交互模块开发10软件开发文档编制48.职业规范8.34.按照软件工程规范开发项目，原创度超过 90%终结性数据存储模块开发4动态加载模块开发4用户交互模块开发4原创度411.项目管理11.15.初步制定项目开发计划，按计划完成项目开发形成性项目计划及落实5教育与教学研究第 8 期171参考文献：1 李志义.中国工程教育专业认证的“最后一公里”J.高教发展与评估,2020,36(3):1-13,109.2 李志义,赵卫兵.我国工程教育认证的最新进展J.高等工程教育研究,2021(5):39-43.3 曹丹平,印兴耀.加拿大BOPPPS教学模式及其对高等教育改革的启示J.实验室研究与探索,2016,35(2):196-200,249.4 邹光明,刘源泂,肖涵,等.面向解决复杂工程问题的机械工程专业实践教学体系J.实验室研究与探索,2020,39(9):221-226.5 王晓燕,董泽,翟永杰.以解决复杂工程问题能力培养为目标的综合实践课程群建设:以“大型火电机组热控系统设计及实现”为例J.实验技术与管理,2020,37(9):212-218.6 李志义.解析工程教育专业认证的持续改进理念J.中国高等教育,2015(增刊3):33-35.（编辑：史志伟）5结 语紧紧把握建立面向产出的教学体系这一主线，通过在 BOPPPS 教学模型中优化并引入产出和改进等理念，提出 BOPPPSI 教学模型并运用到实践教学中。通过完整展示从教学目标设计到达成情况分析的全过程，为相关专业课程的工程教育改革提供参考。图 2 教学目标 3 的个体达成度分布图 3 教学目标 3 的总体达成度分布