CDIO教学模式在编程类课程中的改革与评价探索
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）31-0123-03
新型的工程化教育理念CDIO，即将构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）和运行（Operate）四个环节移植到教学过程中，集中体现“基于项目的教育和学习”（Project based education and learning）的教育本质和“做中学”原则。然而，它并没有一个适合各专业教学的标准，仅仅提供的是一种方法论，引进CDIO的专业必须根据专业不同来重新设计以顺应专业要求[1]。因此，我们的CDIO教学必须结合院校的实际情况及编程类基础课程教学的特点，充分利用高校丰富的学科资源，以接近工程实际、涵盖专业技能的团队综合设计项目为载体，使学生逐渐掌握现代工程师的必备技能与素质。
编程类课程是学生从事计算机学科的理论研究、软件应用开发、技术管理工作的理论基础。目前，本学院通信专业的编程类课程基本上都是以大量的理论课程再辅以少部分的实验课程来进行的，学生在学习过程中往往反映学习理论基础比较吃力，而最终的教学效果及学生的编程实践能力也差强人意。在CDIO工程化教育理念的指导下，我们的教学改革包括了四个方面主题[2]：一是以需求为导向的课程体系改革；二是提高教与学的质量；三是提供更良好的上机实验环境；四是完善评估体系，科学考查学生能力。
一、问卷调查体现需求
以《数据结构与算法设计》课程为例，它是本校通信工程学院面向通信、微电子、电子等各专业学生开设的公共基础必修课。每周4个学时的理论课，加2个学时的上机课程，共计10周。该课程包含了数据与数据之间的关系，如何在计算机中进行表示、组织和处理，以及对应结构设计、语言实现和算法性能分析等技术内容。
为了了解学生在课程学习开始方面的状况和意见等，笔者通过问卷在学期开始的第二周进行了调查，共202份，有效问卷共191份，回收率100%，有效率94.5%。总结问题大致如下：（1）约31%的学生认为很重要，能掌握并且很感兴趣，约45%的学生对C语言的学习能掌握，考试能过关，但是不感兴趣，约19%的学生认为考试能过关，但是认为课程不重要，剩下的少部分学生认为课程很难，无法理解和掌握知识。（2）在编程过程中，学生认为最大的难点在于：能听懂概念，能掌握例题，但是上机的实际能力较差，调试经验较少。因此，约60%的学生认为课程重点难点应该是上机编程的学习。（3）经过两周的数据结构课程学习，对课程产生浓厚兴趣的学生约33%，认为课程教学效果一般，想听就听的学生约36%，认为学习课程主要就是应付考试的学生约27%，剩下的少部分学生认为课程无聊。（4）在课程的考核方面，学生的意见主要集中在“编程及理论均采用上机考核”和“上机编程考核加理论笔试考核”两个大类，其中“上机编程考核加理论笔试考核”占42%，另一类则占39%，而传统的理论笔试考核被大部分学生所诟病，仅占19%。因此，我们对课程的改革考试方式也是非常必要且符合学生主体情况的。
二、提高教与学的质量
教师指导的重要性是教育工作者的共识，在此我们不再探讨教师指导的比例问题。我们在CDIO的教育理念下，需要把原编程类的学科化知识体系按“项目化和任务导向”理念重新进行整合[3]，结合教学规范，转化为学习性工作任务或项目[4]，把知识的被动学习转化为面向具体问题的解决训练，输出可展示、可测量的学习成果[5]。
因此，我们旨在通过分层教学法实现因材施教，根据学生的情况准备基础任务（验证型）、较高任务（设计型）、终极任务（综合型）三个层次。课堂教学设计照顾到绝大多数学生水平；基本教学任务完成后，给先完成的学生提出进一步的课堂要求；在教学过程中鼓励学生合作完成，并自己寻求完成方法。课堂上教师会给出启发学生解决问题的不同思路，让学生自己尝试解决，从而锻炼学生克服困难的意志和进取的决心。
还应该在以下两个方面有所加强：（1）教师们要加强对学习和教学心理的研究，多花精力探讨如何在课堂教学中应用教育学的研究成果，并把已有的教育心理学成果应该用到课堂教学中时；同时要充分考虑到本身编程类课堂教学的特殊性，寻找探讨有效的实战型教学方式来努力发展自己特色的教学理论。（2）教学大纲中教育改革创新和教育政策的制订实施需要有严谨和充分的科学研究基础，因为理论研究往往只关注某些方面的成果，片面的教育理论指导下的改革会造成严重的后果，比如：过分强调动手及实验任务的成果，而忽略基础理论知识的理解及掌握。
三、提倡教学与实验相辅相长
要让学生积极参与课堂，即要充分理解课堂内容，因此学生参与课堂环境应该在课程主要内容讲完后进行。可以让学生自己或者由教师选择一个微型实验，从选题依据、实验设计、实验实施、数据分析到最终结论，要求学生通过小组合作，完成一个完整的实验过程。由于合作学习被人们誉为“最重要和最成功的教学改革”[6]，发达国家普遍采用这样的教学方式来引导学生参与学习的过程。在小组合作过程中，学生可以充分体验学习过程，使参与面达到最大化，从而加深学生对所学知识的理解[7]。最后，让每个合作小组派出学生代表，以PPT的形式宣讲自己的实验设计，让同学和老师提建议，一方面锻炼学生的科学表述能力，另一方面可根据大家的建议进一步完善实验方案。其中，改革前后的实验内容及项目设置对比如下：
最后，要求学生形成一份完整的数据分析和实验报告，教师通过对报告的检查，及时指导结论中的问题和疑点。通过这些步骤，让学生既掌握了理论知识，又能在实践中合理锻炼和充分表达，必然会取得良好的教学效果。 四、成绩分析
如前所述，学生成绩的考核改变了以往纸笔测试单一的测试方式，最终的总评成绩由平时成绩和期末成绩两个部分组成。平时成绩和期末成绩均采用百分制，最终按相等的权重进行计算。其中，平时成绩由出勤、个人上机作业和小组汇报三个部分组成，期末考试则包括理论测试和实验操作两个部分。理论测试部分采用试卷的形式进行测试，所有测试部分的题目抽自课后题库；实验操作部分按实验要求临时抽题，完成实验任务。本研究在期末对4个班学生的各项成绩进行了对比分析（班级1和2为改革实验班，班级3和4为传统教学班），其结果见表2。
从表2看出，其中班级3和4是未完全按照改革的实验题目进行的，可以看出无论理论测试、实验操作还是总评成绩的标准差都大于班级1和班级2。表明学生在几个方面的表现都存在很大的两极分化现象，运用CDIO理念组织《数据结构与算法设计》课程对于教学学生的理论知识和传统授课，有显著的提高。
五、下一步改革评价体系
由于学生存在个体差异，未来的编程类课程的评价应实现评价内容的综合化，更看重学生在项目进行过程中，各方面的知识和技能在已有水平上的成长。因此，评价内容除了静态关注项目任务完成结果外，还应动态关注学生在过程中各方面能力的提高以及学习过程的评价[8]。从能力评价方面来说，按照CDIO培养学生工程能力的目标，应侧重从实际编程能力、资料搜集处理能力、合作交流能力及创造性这几方面来确定考核内容[7]。从过程评价方面来说，则主要包括：学生的参与状态即是否全体全身心地参与了学习或实验全过程；学生的交往状态即师生、学生之间的信息交流和团队合作精神；学生的学习状态即是否敢于提出质疑并动手验证及实现；学生的学习生成状态即是否能达到学习目标。所以，在保证评价科学性的基础上，构建一个评价指标体系简单明了，评价方案切实可行的模糊综合评价法模型，对实验教学质量进行多角度的考核评估。
●该体系首先包括建立一个因素集合U：{日常参与U1、编程能力U2、实验报告及讨论U3、课堂表现U4、团队合作U5}等5项。
●若确定权重向量W=（0.2，0.35，0.2，0.1，0.15），利用评判矩阵R和权重向量W，求出模糊综合评定向量B=W？莓R。之后，将该向量计算得到一个归一化的结果。
●根据评价决策的需要，将学生的课程考核判定等级划分为：“优秀”、“良好”、“合格”、“未通过”，即V={v1，v2，v3，v4}。只有当学生的决策因素均同时满足4项中的v3以上，达到均衡考核目标，才满足课程教学目标而结束课程。
希望从单纯的“打分”或“划分等级”转向定性评价与定量评价相结合的多种方式，包括书面测评、观测操作、任务答辩、学生自评等，从而实现一个模糊综合的科学评价体系。
因此，教育工作者要加强新的CDIO理论建设，尤其要注重如何综合各方观点来取长补短；并结合我校学生实际的教育情况，同时要辅以科学严谨的方法来评价和分析改革的实际成效，从而确保学生能受益于科学的教育改革创新。我们当前的教育改革是严肃和敏感的步骤，未来的探索教育规律更是一个漫长又未知的过程。
