IPR-CDIO环境的计算机工程教育研究

李继芳 奚李峰 董 晨

摘要: CDIO(构思—设计—实现—运行)是国外高等工科教育的一种创新教学环境,IPR-CDIO是将学生探索兴趣、解决问题毅力和社会责任感的培养,融入到项目研发的CDIO过程中。文章论述了IPR-CDIO环境下的计算机专业课程体系设置,描述了针对课程级项目,IPR-CDIO环境的设立、“做中学”教学方法研究,多元化评价标准制订等,IPR-CDIO环境教学大大促进了专业教学质量的提高。

关键词:IPR-CDIO;工程教育;环境教学

中图分类号:G642 文献标识码:B

1引言

CDIO是国外高等工科教育的一种创新模式,它代表构思(Conceive),设计(Design),实现(Implement)和运行(Operate)。它以产品的从研发到运行的生命周期为载体,让学生以主动的、实践的、课程之间存在有机联系的方式学习工程。CDIO是由美国麻省理工学院(MIT)和瑞典皇家工学院等四所世界前沿工程大学从2000年起组成的跨国研究组织,在1600 多万美元巨额的资助下,经过四年探索研究的成果,他们创立了CDIO 工程教育理念并成立了CDIO 国际合作组织。CDIO因其与社会需要一致性、具有国际先进性、实践可操作性、全面系统性和普遍适应性等特点而被国际上几十所院校所采纳,其育人成效显著。2006年,汕头大学成为首所加入CDIO国际组织的中国大学,从此,CDIO之风吹进了中国大地,其先进的教育理念引起了中国高等工程教育界的高度关注。

经过10年的扩大招生,普通本科院校招进了中国95%的大学生,与早期的大学生相比,他们有着:思维灵活、兴趣广泛,但不能专一;热情高昂、积极参与,但不能持久;做事遇难而退,虎头蛇尾,责任意识不强等特点,加上接受着单一的、知识型的高等工程教育模式培养,使毕业生在能力和素质上与当代经济发展需求不相适应,供需矛盾日益突出,因此,中国高等工程教育模式的改革迫在眉睫。作为工程教育的典型代表,计算机专业工程教育目标是培养IT行业工程师,即培养必须掌握基础技术中深厚的应用知识;善于构思、设计、实现、运作计算机产品或系统的技能;能完成较为复杂的系统工程;能适应现代化开发团队和开发环境的工科毕业生。CDIO不妨是实现这一目标的可探索之道。

从2004年起,浙江万里学院计算机专业致力于学生的工程技术能力和素质培养,率先在集中实践性课程中实施“项目化”训练,即在课程中引进具有实际意义的软件工程项目,通过对项目进行构思(需求分析)、设计、开发、运行和维护的全过程,训练学生的综合知识能力、自学能力、组织沟通和协调能力,这与CDIO的教学方法和教育宗旨是完全一致的。近年来,通过学习CDIO国际先进的教育理念,结合学生实际,提出了IPR-CDIO的工程教育思路,其中IPR是指兴趣(Interest)、毅力(Perseverance)和责任(Responsibility),IPR-CDIO就是将学生探索兴趣、解决问题毅力和社会责任感的培养,融入到项目研发的CDIO过程。通过不同级别的项目设计,激发学生学习兴趣,培养其获取知识(自主学习)、共享知识(团队合作)、运用知识(解决问题)、总结知识(技术创新)和传播知识(沟通交流)的能力与素质,同时训练其职业道德修养和社会责任意识。

本文重点讨论的是IPR-CDIO教育环境下的计算机专业课程体系设置,教学方式方法改革及实施效果分析。

2IPR-CDIO教育环境及课程体系设置

工程教育是为了培养具有熟练技术基础和广泛专业能力的工科学生,使其成为未来的行业工程师,工程师角色的核心是在一定的环境下设计和实施问题的解决方案,而环境是理解并学习知识和技能的一整套文化,因此,只有良好的文化氛围才能培育出合格优秀的工程师。以CDIO作为工程师的培养环境,通过多个项目生命周期的完整训练,能够帮助学生进行知识学习和技能培养,而且使其IPR素养得以锻炼。

以工程能力培养为核心的计算机专业课程体系设置应该充分体现IPR-CDIO环境教学,如图1所示是计算机专业课程体系鱼骨图,即以三级项目体系为育人环境。其中1级是能体现知识综合与专业能力要求的项目,从专业入门——产生学习兴趣——专业基本技能训练——专业核心能力培养,最终达到创新应用知识的能力和素质;2级为包含课程群和某一方面专业能力要求的项目,一般为某一阶段或某一方向上的综合知识和能力;3级为单一课程级和基本技能的项目。工程教育过程就是通过3级和2级的知识及能力支撑,最终实现1级能力目标的培养过程。该体系是经过了课外的素质拓展实践,课内的集中实习训练,专业课程的教学试点而最终形成的。与传统的课程体系相比,在总学分不变的情况下,每门课程的授课学时减少了30%～35%,用于学生在项目环境中自学与合作研讨,增加了团队设计项目,以提升学生的自主学习能力、团队协作能力及工程项目的驾驭能力。其特点体现在以下几个方面:

(1) 加强了基础学科和兴趣培养课程,奠定工程知识基础,有利于开展IPR教育体验。

(2) 强调以课程群为单位组织教学,有利于师资团队建设,也避免了知识重复,递进培养学生专业技能。

(3) 重视阶段性综合性训练和工程实践课程,逐步培养学生工程意识和实践能力。

(4) 全程实施CDIO环境教学,通过校企合作,引进师资、项目,使学生在创新意识、项目设计能力、团队合作精神、职业道德修养等方面得到有效训练。

基于以上课程体系,针对不同年级的学生,经过由产品概念设计到工程意识再到综合能力的提升式训练,最终实现学生的IPR素质及CDIO能力的培养目标。图2是IPR-CDIO环境下的分层项目训练体系。

3教学实施研究

3.1营造IPR-CDIO环境,设计课程教学体系

理论讲授学时大大压缩,讨论与研究的学时增添,到底讲什么?讨论什么?怎样讨论?这些现实问题,促进教师们认真学习领会CDIO教育思想,重新梳理课程的性质及作用、教学内容与结构、教学方式方法、考核评价形式等,创设IPR-CDIO教学环境,自然形成教学团队,并在整个教学过程中联系紧密,达到了CDIO的师师互动教育目标。

例如“计算机图形学”课程,学时分配由原来的每周理论和实验各为2个,调整为理论∶讨论∶实验=1∶1∶2的结构。整个课程教学体系随之而变,如图3所示。课程设置了3级项目体系,通过3级知识和合作学习专题及2级基本能力支撑着1级课程教学目标。课程创设的IPR-CDIO教学环境主要是通过两个1级讨论项目:一是以扩展领域知识、激发探索兴趣为目的的“图形技术在某领域的应用综述”;二是贯穿教学全过程,集软件工程、算法理论和编程技能融为一体作品设计,教学过程经历着项目的构思、设计、实现、运行及答辩过程,在IPR-CDIO环境下的训练过程和结果占成绩的70%。

结果表明,这种工程环境教学成效凸显,学生的项目设计、知识综合、编程技术、团队合作等能力的提高远远超过传统的教学方式。这种综述与作品设计答辩成为整个课程体系中的一级课题——毕业设计奠定了基础,大多小组的作品扩充为毕业设计题目、获得了各级参赛奖励、软件著作权登记、甚至推动了学生的高质量就业。到目前为止,这种营造IPR-CDIO环境的教学体系设计已在专业教学的20余门课程中推广应用。

3.2教学方法研究

作为国家改革创新实验区,浙江万里学院倡导“自主学习与合作性学习相结合”的教学方法,这与CDIO的“做中学”和“基于项目的教育和学习”的原则同出一辙,目的是调动学生学习的主动性、积极性和创新性。美国著名哲学家、教育学家和心理学家杜威指出:“从做中学是比从听中学更好的学习方法”,“学与做相结合的教育将会取代传授他人学问的被动的教育”。

IPR-CDIO环境教学无论在理论课程、实验课程或集中实践课程中,均是从学生的兴趣和能力出发,设计项目目标,将学生分成小组置于“做”的情景之中,为了完成任务,他们必须去做,去学习,去讨论。教师(或工程师)负责解决学生在项目周期的全过程中所出现的典型问题。

针对不同性质和级别的课程,IPR-CDIO环境设立的项目内涵可能不一样,小到课程中某一案例分析,大到某一实用系统的综合性设计,有模拟有真实,因此,教学方式方法也不尽相同,但目标是让学生亲自去做,并坚持完成整个项目生命周期,实现专业能力和IPR素养的锻炼与提高。

3.3评价标准探索

教学评价是教学改革的关键。IPR-CDIO环境教学强调以能力和素质作为对学生个体评价的内容,如表1所示。其多元性体现在:①评价主体多方。学生本身、学生组长、教师均参与评价,对于涉及第三方(如用户)的项目,还有第三方参与评价;②评价内容多样。学习态度、参与力度、责任意识,以及对知识理解与掌握、实验技术水平、合作交流能力等综合体现;③评价方式多种。知识测试、作品展示、汇报答辩、调查报告、综述论文等等。

实践表明,多元化评价增强了学生自信心,也促进其不断反思,修正不足,有利于学生在做人、做事上的健康成长。这种重能力和素质的评价取向,杜绝了在以知识为本位的评价方式中部分学生靠投机取巧取胜的心理现象,学生都会自觉地参与CDIO项目训练过程,并坚持完成小组合作任务,共同体验成功的快乐,促进了后进者不断进步,优秀者更上一层楼。教师在这个过程中,也会与时俱进,不断优化教学设计,改进教学手段与引导方法,提升CDIO的指导水平和能力。

4结论

IPR-CDIO环境教学在计算机专业经过了从课外到课内,从集中实践课程到专业选修课程、核心课程乃至所有课程中推广实施,项目选取由小到大、由单一到综合、由模拟到实际、由校内延伸到校外,学院实验中心单独设立了项目研发实验室、训练基地及CDIO研讨室,学院95%以上的教师积极参与IPR-CDIO环境教学实践,积累了丰富的训练经验,也收获了丰硕的成果:以学生为主研发了10余项实用工程项目,获取企业资助20余万元,有14个软件获得了国家版权局计算机软件著作权登记;学生自创公司8家;在校获取挑战杯科技作品竞赛国家级三等奖1项,省级奖6项;多媒体设计竞赛省级奖20余项。毕业生普遍自信了,就业质量明显提高。教师发表相关研究论文近20篇,出版教材2部,主持省级以上教育研究课题7项。推进了计算机专业进入学校的教学改革创新实验区,并作为子项目获批国家级人才培养创新实验区。题为“基于IPR-CDIO理念的计算机专业课程教学改革与实践”项目获得了浙江省2009年教学成果二等奖。

环境教学植根于建构学习理论和认识学习理论,IPR-CDIO环境教学在计算机专业的实践表明,这种方法能激发学生的学习热情,能开阔学生的创新思路,能锻炼学生解决问题的专业能力、合作能力和毅力,能培养自信心和责任感,同时,也促进了教师的教学研究和团队建设,推动了专业整体教学质量的大幅度提高。当然IPR-CDIO还面临着很多挑战,需要更深层次地研究与探索。

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