在云计算环境下基于CDIO思想的自主学习平台的设计与研究

孙伟 马永强 贺志宇

（集宁师范学院计算机系，内蒙古 乌兰察布 012000）

在云计算环境下基于CDIO思想的自主学习平台的设计与研究

孙伟 马永强 贺志宇

（集宁师范学院计算机系，内蒙古 乌兰察布 012000）

该文分析了我国当前网络教学的现状及存在的问题，介绍了CDIO工程教育理念，尝试将CDIO工程教育理念利用RPG游戏的方式引入到传统网络教学过程中，利用计算机技术在网络上为学生营造一个虚拟的项目学习空间，实现知识的“玩中学”。本文最后给出了使用Google App Engine和Flex技术设计实现自主学习平台的方案，尝试找出了一种更适合当前网络环境的网络教学模式。

CDIO；云计算；自主学习平台；RPG游戏

引言

进入21世纪以来，计算机和网络技术飞速发展，信息技术不断的改变着人们的生活方式。在这样的时代背景下，计算机网络教育得到了高速的发展并取得令人瞩目的成绩，各高校和社会教育机构把大量的资源投入到了网络教育平台建设中，各类远程教育网站、在线学习平台层出不穷。这些网络教学平台的出现改变了人们的学习习惯，以用户为中心定制的多样化学习方式，突破了传统课堂教学的时空界限，扩大了教育的范围，为全民的终身教育搭建了另一个的平台[1]

网络教育与传统教学相比有许多优势，也存在许多不足。

首先，网络教育理念落后，没有完善的教学体系。当前的网络教学实际上是传统课堂教学在网络上的延续，教学的内容和教学方法与传统课堂教学基本一致，主要是采用以课程为单位的教学内容讲义和教学视频的展示，在时空分离的网络环境下这种单向的知识传播方式因为缺乏有效的激励手段很容易让学生产生厌学情绪。同时由于缺乏有效的交流，学生的实践能力、团队协作能力得不到应有的锻炼。

其次，网络教育资源虽然丰富但同质化严重。网络技术的高速发展带来了丰富的网络教学资源，但是这些资源在内容上千篇一律，缺乏精品。这些资源缺乏统一的标准，无法共享，造成了大量的浪费。

最后，现有的网络教学模式没有充分利用软硬件技术发展带来的便利。当前大多数网络教学平台采用的都是B/S设计模式，这种模式主要采用文字、图片和视频来展示信息，其表现手段和交互方式单一，将业务逻辑集中在服务端，无法充分的发挥客户端的软硬件资源。

然而以云计算和富客户端为代表的新一代的互联网技术的出现为探索全新网络教育模式提供了可能。

1、CDIO工程教育模式简介

CDIO（Conceive——构思，Design——设计，Implement——实施，Operate——运行）是由MIT（麻省理工学院） 和瑞典皇家工程学院在Wallenburg基金会资助下，通过几年的探索、研究和实验，在2004年创立的。CDIO教育模式是以产品、过程和系统的构造、设计、实施、运行整个生命周期为背景的教育理念为载体，以CDIO教学大纲标准为基础，使学生通过主动的、实践的、全局联系的方式学习并且获得工程实践能力。包括个人的知识、技术、终身学习、相互交流和团队协作能力，以及适应社会和企业环境下开发产品和系统的能力。

2、CDIO与自主学习平台的整合

CDIO工程教育思想包括 12条标准：以CDIO为基本环境、学习目标、一体化教学计划、工程导论、设计-实现经验、工程实践场所、综合性学习经验、主动学习、教师能力的提升、教师教学能力的提高、学生考核、专业评估。

网络教学与传统课题教学有显著的不同，将CDIO思想引入到网络教学过程中应灵活的理解这12条标准。在网络环境中，教师因素被弱化，而计算机技术的因素被放大，可以充分利用计算机技术为学生创作一个良好的学习环境，充分激发学生的主动学习热情，弥补因为缺乏有效的师生之间以及同学之间的交流而产生的孤独感，同时为保障学习的效果还要引入合理的评价和激励机制。

本次研究以软件工程课程为例，建立了一个软件工程自主学习平台，该平台以学生们比较感兴趣的RPG（角色扮演游戏）网络游戏为切入点，将CIDO工程教育中的“做中学”理念通过游戏实现“玩中学”。

3、游戏的设计

3.1 游戏设计理念

学习平台中的游戏是CDIO工程项目的载体，它必须包括一个项目完整的生命周期。研究人员首先挑选了一个规模适中的采用面向过程设计的软件开发项目案例，然后把这个软件开发案例作为故事背景改编成RPG游戏。游戏以软件开发的生命周期为主线，将不同的开发阶段设定为游戏的关卡，在每个关卡内打破不同课程的界限将软件开发过程中在该阶段所需的知识以任务的方式组织在一起。将软件知识巧妙的安排在游戏任务中，使学生在游戏的过程中既学到了知识又掌握这些知识在真实工程情景中的应用。

3.2 游戏的背景和任务设计

游戏故事的背景是围绕着一个 “君莫笑”的某大学计算机系大三学生为了帮助爷爷摆脱经营困境，走上软件开发之路的故事。游戏按照软件工程思想划分成可行性分析、需求分析、软件设计、代码编写、测试、运行6个关卡。游戏中还设置了许多团队任务，通过这些团队任务培养学生的沟通和团队协作能力。游戏的部分任务流程如图1所示：

3.3 游戏的激励机制

为了增加游戏的趣味性、激发学生的学习兴趣，在游戏中引入了等级系统、装备系统、交易系统以及成就系统。[2]

等级系统，通过等级系统可以控制玩家的等级。更高的等级可以获得更好的装备、更为丰富的任务奖励。另外，通过等级系统还可以控制任务的解锁，控制玩家的任务顺序，确保学生学习知识的顺序和连贯性。

装备系统，游戏中的装备不仅可以为玩家角色提供基本攻防属性游戏还可以提供许多稀有技能 （如选择题免答权等）。装备分为白色装备（普通装备）、蓝色装备（精品装备）、紫色装备（稀有装备）以及绿色装备（套装）。

交易系统，通过交易系统玩家之间可以交易道具，增加有效的可玩性以及玩家之间的互动。成就系统，通过成就系统确保学生完成任务的质量和学习效果。例如，当玩家在某个过关答题正确率超过95%时会获得“答题小超人”成就。

3.4 学习评价

在每个关卡的关底设置标准化测试对学生的学习效果进行评价，测试结果与游戏的成就系统、道具系统和虚拟货币等激励机制结合在一起，以提高游戏的可玩性和学生的学习热情。例如，学生在“需求分析”关卡的关底通过了测试，成绩在90以上并在自主学习平台的互动学习社区上传自己的需求规格说明书同时完成对5名其他同学的需求规格说明书进行评价后就可以获得特殊成就称号“需求达人”。 学生实践能力的培养需要采用网上学习与网下实践结合的方式培养，在游戏中通过成就系统引导学生进行线下实践活动并将实践结果上传到自主学习平台上，并积极的对其它学生的作品进行点评。

图1 游戏任务流程图

3.5 学习过程

玩家通过游戏任务介绍学习项目中的每个知识点，当玩家在任务中遇到无法理解的知识点或者知识应用时，玩家可以通过自主学习平台提供的在线资料中心学习相关的知识点。玩家完成一个大的关卡（软件开发阶段）时，游戏会通过测试考核玩家的知识掌握情况。同时，玩家还需要向互动学习平台上传该关卡的文档资料（例如程序代码等），只有获得老师和其他玩家的肯定后，玩家才能获得关卡的奖励。游戏为玩家提供了一个虚拟的项目开发过程，互动学习社区打破了线上、线下以及游戏内、游戏外的界限，形成一个完整的学习过程。基于CDIO设计的自主学习平台的游戏模式如图2所示：

4、教学平台设计与实现

自主学习平台包括：用户中心、资料中心、软件世界大冒险和互动学习社区4个功能模块。自主学习平台功能模块如图3所示：

4.1 用户中心

该模块的功能是完成用户信息的管理包括用户信息注册、用户登录、用户信息管理和维护。自主学习平台的典型用户有两类：学员和系统管理员。学员是自主学习系统的使用者，学员的信息包括：学号、姓名、性别、入学时间、院系、电邮地址、感兴趣的软件开发用具、感兴趣的软件技术等。通过，对自主学习系统用户的信息的收集可以进一步对学员的知识背景、学习兴趣进行分析，为CDIO软件开发任务的设定提供参考。系统管理员负责自主学习系统资料中心模块的管理和维护，包括学习资料的发布、学习资料的更新和学习资料的注销。

4.2 资料中心

该模块的功能是为学生提供“软件世界大冒险”游戏中涉及到的所有软件开发相关知识的查询，帮助学生解决游戏中出现的各种软件开发问题，使学生更好的完成游戏中软件开发任务。资料中心模块在功能上与传统网络学习平台知识展示部分是一致的，在内容的组织上以游戏中的软件开发任务为主线，打破了传统教学中课程的界限，将程序设计基础、数据库原理、软件工程等多门课程的知识组织在一起，通过任务的方式引导学生自主学习。

图2 自主学习平台的教学模式图

图3 自主学习平台功能模块图

4.3 软件世界大冒险

该模块是本系统的核心，包括游戏主程序、地图系统、角色系统、任务系统、成就系统、道具系统和测试系统。游戏主程序的功能是设置系统的运行环境，创建、管理各子系统。地图系统的功能是管理系统的地图信息。角色系统的功能是管理系统的各种角色。任务系统的功能是管理系统的任务信息。成就系统的功能是管理角色的成就信息。道具系统的功能是管理系统的道具和虚拟游戏币。测试系统的功能是在每个关卡的关底进行随机测试。

4.4 互动学习社区

该模块的功能是为学生和学生、学生和教师提供一个交流游戏心得、学习体验、问题答疑的平台，包括学习资源发布、学习资源下载、学习心得交流和即时学习讨论4个模块。学习资源发布和下载模块为学生提供了发布根据游戏任务开发的软件和技术资料的功能，同时也可以获得其他学生开发的程序和学习资料；学习心得交流和即时学习讨论模块为学生提供了类似BBS信息交流的工具，学生可以交流学习心得。互动学习社区模块是完善网络教学手段的重要环节，连接线上学习和下线实践的桥梁，形成完整的网络教学过程的关键。

4.5 系统实现

高速发展的计算机技术为在游戏中实现项目设计提供了可能性。云计算技术是一种低成本的资源配置方式，它可以为自主学习平台提供一个低成本的、可伸缩的运行平台，是自主学习平台的最佳解决方法，本系统采用是Google App Engine平台。[3]系统的游戏部分采用Flex技术设计, Flex是目前比较流行的富客户端技术，它很好的克服了传统BS模式中客户端表现手段、交互方法单一的缺点，提供了良好的多媒体支持能力和丰富的人机交互手段，非常适合在线RPG游戏的开发。[4]游戏运行效果如图4所示：

图4 游戏运行效果图

5、结语

CDIO工程教学作为创新教育理念下的新型教学模式，是我国工程教育改革的研究热点。本文依托云计算和富客户端技术构造了一个软件工程课程的自主学习平台，并在该平台上开展了一系列将CDIO工程教育理念引入到网络教学实践的探索性尝试，从而得出了以下结论:CDIO工程教学改革对网络教学改革有很好的借鉴意义，相信这个平台的建立也会进一步促进高校相关网络教学研究的发展。

［1］蓝丁凤.基于CDIO教育理念的远程教学平台的设计与实现［D］.黑龙江：东北石油大学，2011.

［2］马兰.基于Flash的无客户端MMORPG的设计和实现［D］.北京：北京交通大学，2011.

［3］张文军.基于Flex与SSH的富互联网企业级技术及其云架构的研究［M］.北京：科学出版社，2013.

［4］张为民，唐剑峰，罗治国等．云计算深刻改变未来［M］.北京：科学出版社，2009.

The Design and Research of Self-Learning Platform Based on the Concept of CDIO via Cloud-Computing

SUN WeiMA Yong-qangHE Zhi-yu
（Jining Normal University,Wulanchabu 012000,Inner Mongolia）

In this paper,the existing problems in the current situation for the teaching via networks are analyzed;the educational engineering concept of CDIO is introduced;as a try,the concept of CDIO is introduced into the process of traditional teaching via networks by taking advantage of the mode of the RPG game,in order to create a virtual space of project learning via networks by the computing technology and make students"learn their knowledge while playing".In the final part of the paper,the program of designing a self-learning platform by means of Google App Engine and the technology of Flex is offered as an attempt to find a more suitable mode for the current network teaching.

CDIO；cloud-computing；self-learning platform；the RPG game

G420

A

2095－3771（2014）04－0107－05

孙伟(1981—),男,汉族,讲师,硕士,研究方向:软件工程。该文系内蒙古自治区高等学校科学研究资助项目"在云计算环境下基于CDIO教学理念构造的自主学习平台的研究"（项目编号：NJZY13277）。