竞教协同下基于CDIO-CTBL的软件工程实践教学探索.pdf

第 9 期2023 年 9 月 10 日计 算 机 教 育Computer Education中图分类号：G642176竞教协同下基于 CDIO-CTBL 的软件工程实践教学探索陶飞飞1，皮妍玲1，倪 丹2（1.河海大学 计算机与信息学院，江苏 南京 210098；2.南京工业大学 研究院，江苏 南京 211816）摘 要：针对当前软件工程实践教学中存在的学生创新能力培养薄弱等问题，从竞教协同视角出发，提出融合竞教协同的 CDIO-CTBL 软件工程实践教学模式，从教学体系构建、教学方案设计、基于任务全场景的“云”课程资源体系重构、面向任务全流程的进度监控与反馈机制制订、面向阶段任务的多维混合式考核评价标准构建方面，介绍具体实践教学过程。关键词：竞教协同；CDIO-CTBL；软件工程实践；实践教学改革文章编号：1672-5913(2023)09-0176-050引 言新工科建设的提出是为了培养出多元化、创新能力强的优秀工程人才，而创新人才培养的核心是注重对大学生实践能力和创新能力的全面培养1。近年来，教育部大力推进新工科建设，鼓励高校探索形成领跑全球工程的中国教育模式，促进国家人才培养和强国建设，而各类高校大学生学科竞赛的开展恰好可以为教学改革及创新人才培养带来积极的促进作用。近年来，各类面向信息学科的竞赛层出不穷，如“中国软件杯”大学生软件设计大赛、中国大学生计算机设计大赛以及中国大学生服务外包创新创业大赛等2-3。这类学科竞赛不仅注重强化基础知识和专业能力的运用，还注重引导尝试新技术、新方法、新设备的使用，不仅可以激发学生的学习兴趣，还可以培养学生的创新思维。软件工程是一门对实践性要求很高的课程。结合软件工程实践教学的特点及教学过程中存在的问题，探索实践教学与学科竞赛相互促进、互联互通的“竞教协同”创新培养模式，进而形成竞赛驱动的软件工程实践教学改革措施，进一步提升实践教学质量，培养学生的实践能力及探索新技术的能力。1当前软件工程实践教学的主要问题1）传统实践教学模式难以激发学生自主学习。传统的软件工程实践教学模式和教学方法着重对实践结果的“验证”，对学生的考核方式相对单一，难以有效调动学生自主学习的兴趣。大部分实践任务都是完成基础型操作，如实现软件系统中的 CRUD 操作：增加（Create）、查询（Retrieve）、更新（Update）和删除（Delete)等，缺乏综合型、创新型的项目任务驱动。这就会导致缺少自主学习与创新设计的空间，学生自主设计开发的能力难以得到提升，与社会工程需求存在较大距离。2）实践教学案例缺乏学科竞赛等多元资源的协同支持。目前软件工程的实践环节大多采用固定教案的内容，缺乏当前热门或前沿的行业案例、竞赛项目及网络媒体等多元资源渗透到教学案例中，而以竞促教、竞教结合的实践教学模式，则可以基金项目：教育部产学合作协同育人项目“双创竞赛视角下基于专创融合的信息类专业教师教学能力提升研究”（220600627280456）；江苏省教育科学“十三五”规划重点资助项目（X-a/2018/05）；河海大学本科实践教学改革研究重点项目“新工科背景下基于竞教协同的信息类创新实践教学改革与研究”（202204）。第一作者简介：陶飞飞，男，副教授，研究方向为大数据与智能决策，。教育与教学研究第 9 期177优化学生的知识结构，实现理论与实践的有机结合。因此，可以考虑从各大学科竞赛的赛题库中抽取知识点和案例，融合各种网络媒体的多元化资源与实践教学内容之间互融互通，引导学生参加高水平竞赛，提升学生的创新实践能力。3）实践过程中学生的创新意识亟待培养发掘。软件工程实践涉及多门专业课程的综合应用，如高级程序设计语言、数据库系统与原理、Web 技术开发等，要求学生能按照软件生命周期完成各个阶段的实践开发。传统的考核方式只检验学生是否完成工程任务的需求功能，教师未必能深入了解学生在工程设计每个阶段存在的问题。因此，教师需要积极引导学生从竞赛任务的需求角度考虑解决问题的设计思路，不仅要帮助学生将理论知识应用于实践中，还要促进各阶段的互动交流，让学生根据任务需求进行创新型研发，提升竞赛作品的亮点，力争在竞赛中获奖，实现以竞促教。2融合竞教协同的CDIO-CTBL模式CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate），即构思、设计、实现和运作4。CDIO 以工程项目研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动实践、课程间有机联系等方式学习工程设计，其目标是确保学生的理论学习与实践保持一致，较为注重实践学习的过程。任务驱动式教学法（Task Based Learning，TBL）则是一种以建构主义学习理论为基础的教学方法5，它将传统的传授知识为主转变为完成任务为主，通过完成任务来学习知识、获得技能、形成能力。竞赛任务驱动式教学法（Competition Task Based Learning，CTBL）是将竞赛项目中的研发任务分解、设计成一个或多个具体待执行的任务选题，力求以竞赛任务为驱动，教师和学生均围绕如何完成任务开展实践教学活动。从竞教协同的视角出发，将 CTBL 与 CDIO 相融合的模式则是以竞赛任务为导向，结合软件工程的产品生命周期进行实践教学的全过程实施，具体包括了竞赛任务创设、任务需求确认、任务作品设计、任务实施、成果展示与评价等环节。CDIO-CTBL模式以强化学生的创新思维、研发能力、实践强度为主要内容，以培养学生参与竞赛的积极性、实现竞赛与教学的相互促进为宗旨，其与常用的项目教学法6区别见表 1。3CDIO-CTBL模式下的软件工程实践教学将 CDIO 与 CTBL 模式进行融合，以 CDIO工程教育理念组织教学内容，采用竞赛任务驱动法等先进教学方法混合实施教学活动。两者的融合不仅可以发挥培养工程实践和创新能力的优势，还可以发挥竞赛任务驱动学生对新技术学习表 1 CDIO-CTBL 模式教学法与项目教学法的区别评价指标项项目教学法CDIO-CTBL 模式教学法培养目标侧重点提高项目研发能力、培养学生独立或合作解决实际问题的能力学习新知识、掌握新技能、锻炼创新思维、发展团队协同研发的综合能力任务完成标准课设作品级（实现基本功能需求）产品级（基本达到商用软件的标准）课程实践特点将前期课程知识、技能融合到具体项目中，让学生通过分析和努力解决实际问题以本专业为基础选择课程相关的新知识和新技能解决遇到的综合性需求实施特点任务设定任课老师统一布置项目任务小组自主命题或按企业需求设定学生参与度由学生按统一的项目需求进行任务分割、选择与分工由学生讨论确定任务计划，指导教师辅助进行创新点的细化学习模式以小组协作或个体模式为主，利用已掌握技术进行项目研发以小组协同开发为主，在竞赛任务执行过程中边做边学难度系数相对简单（实现基本功能）较难（实现特色功能）教师作用布置作品任务需求，实施过程中答疑辅助作品需求与创新点构思，全流程任务监控、实现过程中的互动答疑及作品考核评价2023178计 算 机 教 育Computer Education和研发的效率，有助于激发学生的学习兴趣，加强师生之间、学生之间的互动交流、头脑风暴和思维碰撞，促进实践教学活动的质量提升。3.1实践教学体系构建CDIO-CTBL 模式的软件工程实践教学的组织与实施以软件项目为载体，结合竞赛作品的生命周期，将 CDIO 工程教育模式包括的 4 个阶段（构思、设计、实现、运作）贯穿于课程设计实践的始终。在竞教协同的理念下，这 4 个阶段进一步拓展为赛题任务需求理解与作品构思、竞赛作品任务设计、竞赛作品任务开发及竞赛作品运行展示，其理念与软件工程项目实践紧密联系。CDIO-CTBL 模式强调以学生为主体，采用以竞赛作品任务的实践过程为导向的教学方法，所构建的实践教学体系如图 1 所示。3.2实践教学方案设计CDIO-CTBL 模式的软件工程实践教学方案设计应尽可能满足理论课知识与专业开发技术相结合的要求，既要联系工程实际，也要能启发创新，且符合软件工程的发展趋势7。（1）培养目标：教学方案的设计不仅需满足CDIO-CTBL 模式定义中的 4 个阶段能力，而且要结合社会对软件工程人才培养的实际要求，以信息学科竞赛任务为导向，结合工程产品生命周期进行实践教学的全过程实施，由此制定竞教协同理念下符合信息类学生特点的软件工程实践教学方案，方案符合工程教育培养模式的 12 条 标准8。（2）实践要求：赛题任务的实践要求要与软件工程课程设计的教学大纲要求相一致。候选赛题任务应具有一定的可操作性、设计性和挑战性，设计内容的难易程度要以中等水平学生在规定时间内能完成任务为依据。为了在指导与评价上尽可能统一与公平，默认由指导教师提供一个赛题候选列表，每一年或两年补充、更换新选题，选题主要来源于大学生软件设计大赛、中国大学生计算机设计大赛等各大信息学科竞赛的赛题手册，这样学生在调研、分析设计时更能明确竞赛作品的需求。在此基础上，明确选题任务的具体内容、过程要求、时间安排及考核方式与评分标准等。具体选题类型与竞赛或科研项目的关联见表 2。（3）组织形式：参加实践的学生组织形式与作品类竞赛的参赛形式相似，每组学生以团体形式协作完成任务的设计与开发9。在教师的引导和帮助下，每组选择的赛题任务难易程度应与本组学生的实践能力相匹配，以保证学生在规定的时间内能顺利完成。图 1 CDIO-CTBL 的软件工程实践教学体系 构思 设计 实现 运行 以软件项目为载体，以竞赛作品生命周期为对象，进行软件作品构思 高级程序设计 数据库原理 Web技术开发 竞赛选题参考 作品需求分析 作品亮点设计 竞赛作品任务设计 任务全场景的 云课程资源 竞赛作品任务开发 任务进度监控 任务反馈与互动 竞赛作品运行展示 拓展型成果提交 作品答辩与评价 多维全程的混合式考核评价教育与教学研究第 9 期179（4）考核标准：CDIO-CTBL 模式的教学不同于传统的教学方式，因此相应的考核评价机制也要做出合理的改变。传统的软件工程实践考核只需学生提交所设计的软件作品及文档，而 CDIO-CTBL 模式则需建立面向任务全过程的多维混合式考核评价标准（具体见 3.5 中相关内容）。3.3基于任务全场景的“云”课程资源体系重构在后疫情时代，CDIO-CTBL 教学法必须支持“线上-线下”混合式实践授课模式，对各种实践课程资源进行分类、组织、重构及云端部 署10。“云”课程资源体系具有如下特点。1）支持任务场景回溯的分阶段课程资源结构。资源库以创建实战型竞赛作品资源和互动式网络教学为核心，将任务知识点分析、竞赛作品案例等课程资源与实践过程的场景实录信息聚合在云端。每节课中师生之间的互动答疑信息也被系统记录并用于场景复现，学生可根据需求自行选择相应内容进行学习和复习，大大提高了课程资源共享的效率。区别于 QQ 群以“群文件”的碎片形式存储、共享课程资源文件，CDIO-CTBL 模式下的“云”课程资源体系按照 CDIO的 4 个阶段进行有序管理，并按照竞赛任务场景对课程资源进行分类组织，形成了高效的系列 资源。2）集成多源多类型的全场景课程资源形式。资源库以师生共建共享为主，除了教师所提供的演示型教案（含 PPT、视频）、实践指导手册、程序包、实验用例等常规资源，还集成了由师生提供的相关多媒体资源、技术精华文章URL资源、竞赛作品范例库，如 B 站等自媒体平台的学习视频和 CSDN 等开源技术社区的经验类文表 2 软件工程实践选题与竞赛关联信息选题类型选题来源匹配的学科竞赛学科竞赛类型自主选题指导教师的科研项目中国大学生计算机设计大赛自主命题类（限定方向，如大数据、人工智能）“英特尔杯”全国大学生软件创新大赛竞赛选题竞赛组织方大学生软件设计大赛企业命题类（企业方提供选题需求及测试样本数据）中国大学生服务外包创新创业大赛章等。区别于腾讯会议等在线辅助教学方式，基于“云”课程的全场景课程资源是学生获取信息、情境探究、协作交流、自我评测的认知工具，其作用是为学生提供更加丰富的学习情境，扩大学生的知识面和视野。3.4面向任务全流程的进度监控与反馈机制制订在以往的实践教学过程中普遍缺少对过程的监控和管理，教师的教学过程和学生的学习过程无法通过可视化形式或数据来反映，对于教学效果的考核评价大多只是结果性的，说服力不够。基于上述重构的“云”课程资源平台来组织和实施教学活动，充分利用大数据技术，记录学生在完成任务各阶段流程的实践进度与反馈信息，如难度等级反馈、任务是否完成及完成时长、课程评价意见以及是否还需向老师提问等。这样就可以对师生的“教”与“学”进行任务全流程的监控及实践教学过程的反馈。全流程任务进度监控与反馈机制如图 2 所示，所设计的面向 CDIO-CTBL 任务全流程的进度跟踪与反馈机制中，学生对实践过程中竞赛任务的完成情况进行分阶段提交，在提交时需对本阶段任务的难度、完成情况及评价进行反馈；教师可以跟踪、掌握学生每一个阶段任务完成情况的细节信息，从而可以对每一阶段知识点的教学效果进行评估与改进。3.5面向阶段任务的多维混合式考核评价标准构建软件工程实践基于 CDIO-CTBL 模式的竞赛任务一体化教学，强调 4 个阶段的实践环节，培养学生工程实践能力、自我学习能力和创新能力。传统的软件工程实践考核只需提交所设计的2023180计 算 机 教 育Computer Education参考文献:1 仝月荣,陈江平,姜艳霞.“新工科”背景下以智能技术为牵引重构工程实践课程体系J.实验技术与管理,2020,37(12):33-38.2 邓娟.以赛促教,以赛促学,创新人才能力培养:中国大学生计算机设计大赛参赛有感J.计算机教育,2018(8):19-21.3 刘伟.基于学科竞赛的创新型人才培养探索与实践:以中国大学生服务外包创新创业大赛为例J.高教学刊.2017(9):22-23.4 杨栩,冯诗瑶.“双一流”建设背景下基于CDIO理念的研究生创新型人才培养模式研究J.黑龙江高教研究,2018(8):6-10.5 王文娟,孙奕,杨智,等.基于任务驱动和翻转课堂深度融合的信息安全技术课程实践教学模式探索J.计算机教育,2022(8):123-127,132.6 庞继芳,张夏蕾,王元龙,等.以“双一流”和“新工科”为导向的数据库系统课程教学改革研究J.计算机教育,2022(5):150-154.7 陈长清,陈传波,肖来元,等.项目驱动产学结合的软件工程系列课程构建探讨J.计算机工程与科学,2013,33(21):178-1818 杨毅刚,宋庆,唐浩.工程教育专业认证与CDIO模式异同分析与相互借鉴J.高等工程教育研究,2018(5):45-51.9 王贵鑫,昝乡镇.基于团队协作的项目驱动教学模式实践J.实验技术与管理,2018(5):205-207.10 陈学军,黄利华.基于云计算的义务教育学科课程资源共建共享模式J.中国电化教育,2013(1):81-87.（实习编辑:欧 阳）软件作品及文档，本文所建立的多维混合式考核评价，针对学生在 4 个任务阶段的表现，包括作品构思阶段（25%）、软件作品设计阶段（30%）、软件作品实现阶段（35%）以及最终的作品运行阶段（10%）。具体的混合式考核评价标准见表3。4结 语通过近一年对河海大学计算机与信息学院各专业班级进行的软件工程实践教学改革实施发现，积极利用已开发的软件作品参加大学生软件设计大赛、中国大学生计算机设计大赛等竞赛并获奖的学生数量有明显增加。融合竞教协同理念与 CDIO-CTBL 模式的软件工程实践教学探索，充分体现了以培养学生工程能力为核心的竞赛任务驱动模式，实现了学科竞赛与软件工程实践教学体系的融合及学科竞赛对提升学生工程实践能力与创新创业能力的促进，为培养具有较强图 2 全流程任务进度监控与反馈机制软件工程任务实践赛题作品需求分析软件概要设计作品创新点设计软件详细设计赛题作品设计实现实验报告撰写项目成果汇总答辩难度等级：1-5任务是否完成任务完成时长课程评价意见向老师提问反馈信息表 3 面向阶段任务的多维混合式考核评价标准作品设计阶段任务任务考核环节考核评定标准所占比例/%软件作品构思选题分析需求分析创新点构思竞赛选题的综合性、对选题进行需求分析是否完整、选题任务的整体方案设计是否正确、作品构思的创新性25软件作品设计软件功能分析与设计软件业务流程设计、软件技术架构设计和软件功能结构设计是否满足竞赛的基本要求30软件作品实现软件作品编码、集成及测试任务中各阶段的业务功能编码的正确性、任务中协同开发与代码集成度、任务最终完成后的各项测试35软件作品运行作品提交作品展示相关成果提交是否完成竞赛作品的实质性提交、对作品功能及特色进行展示情况、是否撰写或提交了其他拓展型的成果（如软件著作权或专利申请等）10软件工程设计能力的复合型创新人才提供了改 革思路。