以无线充电传感网为例改进基于CDIO的“程序设计基础”课程教学计划研究

蒋婵 梁俊斌 孙宇 彭颖

摘要：我国本科教育存在过分追求研究型模式的问题，虽然有很多研究提出各种培养应用型人才的方法，但是这些方法仍然存在片面追求提高动手能力而没有强调综合能力的提升、实施成本过高、缺乏具体可行措施等缺点。结合当前我们开展的关于无线充电传感器网络的科研项目，以已经建立的科研平台和获得科研成果作为具体实施载体，利用CDIO工程教育模式，设计一套切实可行的培养学生综合能力的教学体系。我们以“程序设计基础”课程作为试点，改进课程的教学计划，使学生能在专业前沿技术为背景的项目中学习基础理论，增加了学生的兴趣和主动性。试点获得了良好的结果，学生的成绩和积极性明显提高，为我们将来进一步地深化改革和推广应用打下了坚实基础。

关键词：无线充电传感网；CDIO；人才培养模式；教学计划

中图分类号：G420 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）50-0160-03

一、引言

2014年6月，在国新办举办的职业教育改革和发展情况新闻发布会上，教育部相关负责人证实了国家将推动600所本科院校转型为应用型高校的战略。该战略提出的背景是，我国目前拥有1000多所地方本科院校，其中绝大部分与国家重点培养的211与985高校在办学宗旨、专业设置、培养计划等方面高度雷同。211及985高校注重科研与创新，重点培养学生的理论水平，强调对前沿或不成熟技术的跟踪与持续深入。但是，社会上广泛需要大量的人力资源来从事成熟技术的使用和集成创新，重视以团队协作方式完成任务，并不强调个人理论上的深入。因此，目前高校过于追求研究型、理论型的人才培养模式，很难适应社会上对应用型、团队型人才的需求。

虽然很多研究者针对应用型人才培养模式进行了广泛的探索和研究，但是目前的大量研究只是突出培养学生的动手能力，而对于学生的思维能力、团队协作能力和管理能力的培养存在明显不足。此外，传统教育模式需要学校投入大量的师资、教学资源和社会实践机会，这些要求所带来成本是高校难以负担的。因此，导致目前大量高校即使知道培养的毕业生不符合社会需要，就业率不断下跌，但是仍然不得不继续当前的人才培养模式。

为了缓解当前高校人才培养模式与社会需求的矛盾，我们提出以当前我们正在从事的科研项目——2015年广西高校科技研究项目“大规模无线充电传感器网自适应充电及路径规划研究”为基础，通过具体的事例和科研平台，设计信息类专业中的程序设计基础课程的教学计划，以此为试点，探索一条更高效、低成本的人才培养道路。

我们计划结合CDIO[1][2]工程教育模式来进行改革，它是目前国际上一个正在受到日益重视的人才培养方法。CDIO的主要思想是围绕构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）及运作（Operation）这4个工程项目开发的主要环节来建立人才培养方案。它的特点是以实际工程项目为背景，强调学生主动参与，通过在具体实践中增加各方面的能力（包括专业基础知识的消化和吸收，实践应用的设计和组织管理，大型项目的运作和协调，技术的运用和实现，思维能力和世界观及人生观等）。可以看出，CDIO是具有综合能力培养目标的一种教育模式。

我们将CDIO的综合性和目前本校已经开展的基于无线充电传感网项目的前沿性相结合，利用当前已有科研平台和科研成果的低成本性，设计新的人才培养模式。我们选择以具体范例研究改革“程序设计基础”课程的教学计划和教学模式作为试点，通过在多个年级和班级的应用，获得了初步的教学改革经验，为持续深入推进整个信息类专业的培养方案和教学改革打下了良好的基础。

二、无线充电传感网研究

无线传感器网络在军事、工业、农业、医疗等多个领域具有重要而广泛的应用前景。无线传感器网络中节点的能量通常是有限的，因此网络的生命周期成了制约网络长期部署及应用的瓶颈，不利于传感器网络的进一步发展。近年来，通过无线充电传感器网络[3]的自适应充电方法来解决这一问题已成為该领域的研究热点问题。

采用无线的能量传输技术，网络中部署若干台充电车，将电能以无线的方式传输给能量即将耗尽的节点，可以极大地延长网络生命周期。本项目在已有的周期性、静态自适应充电机制的基础上，主要考虑非周期性和动态的网络因素对充电车的影响，通过综合考虑路径规划、实时控制、分布式调度等理论，建立适用于大规模无线充电传感器网络节点与充电车的自适应充电模型，规划短距离的充电车行走路径，在合理时间内访问需要充电的节点并完成充电，提高网络生命周期。

本文作者所在的广西大学行健文理学院目前已经建立了电工电子实验室、电工实验室、电力电子与电机控制实验室、控制工程实验室、计算机原理与单片机实验室、网络实验室、电力系统实验室、检测技术实验室、计算机软件实验室等9个相关实验室，拥有计算机、计算机网络、工业控制计算机、单片机开发装置、可编程控制器、印刷电路板设计制作装置等一批软硬件设备，满足项目开展的需要。

三、CDIO简介及标准

1.CDIO简介。CDIO是由美国麻省理工大学MIT提出的一种基于工程教育模式的人才培养方法[4][5]。经过20多年的实践、研究和改进，该方法已经在国际上得到了广泛的认可，成功推广到了数十个国家。该方法的主要思想是以工程项目管理中，从开始的项目构思、过程设计、具体实施到系统运行的一个完整流程为背景，设计以学生主动参与为主的课程模式和实践方案，让学生在实际项目中边做边学。这样可以由实践引出理论需求，激发学生的创造性和出自内心的兴趣。在此过程，学生不仅能积累良好的学习经验，而且能以更实际和直观的形式理解专业理论，利于学生进一步深入学习和扩展应用。

2.CDIO标准。CDIO能够在国际上得到广泛的认可和推广，得益于其规范而严谨的教学标准和评价体系。从它被创建之初，MIT及多个国际组织就对它的内涵、形式、实施及评价等各个环节进行了研究，提出了一系列切实可行的规范，便于不同的学校采用。此外，还可以根据学校自身情况对CDIO体系进行合理的调整和扩充，使其具有广泛的适用性和灵活性。

基本的CDIO教学标准有12条[6][7]：（1）通过项目为实例让学生参与；（2）教学目标；（3）与项目实例结合的教学计划；（4）项目实施的工程化导引；（5）项目的设计和实现；（6）项目具体实践环境；（7）多方面的综合性学习；（8）培养学生主动性；（9）培养教师实践能力；（10）培养教师的教学能力；（11）综合性学习评价和考核；（12）教学评估等。围绕这些标准，可以设计具有综合实践和理论培养的课程教学体系。CDIO目前已经在推广过的学校得到了广泛认可，社会承认度也很高。以这些标准为中心，实施的高校可以加入适合本校人才培养目标的环节，也可以与其他实施CDIO体系的高校进行课程联合和交换，促进多方面的交流和互补。

四、以无线充电传感器网络为例设计基于CDIO的“程序设计基础”课程教学计划的实施

1.背景。由于对CDIO的理解还处于初级阶段，不适宜立即推广到整个专业的全部课程。我们选择信息类专业最基础的专业课程——“程序设计基础”作为试点。长期以来，虽然“程序设计基础”受到教师的高度重视，但是教学效果不佳。综合原因主要有以下几点：

（1）学生兴趣度不高。学生主要希望能学习目前比较热门的编程语言，但是“程序设计基础”主要是教授学生编程的基本原理和技巧，比较枯燥。

（2）学生动手机会少。目前学校能安排的上机时间只是一个学期不到20学时，这对于掌握深入的编程技巧远远不足。

（3）学生课后继续跟进学习较少。虽然目前大部分学生都有电脑，但是课后主要的活动是娱乐，主要精力并不会主动投入到复习和扩展学习上。

（4）学生协作机会不多。课程的学习主要依靠个人学习为主，学生之间缺乏相互合作完成任务的基礎，导致学生之间的协作较少。

基于以上原因，我们选择利用目前已经开展的无线充电传感器网络的研究为背景，设计课程实例，把最新的科研信息展现在学生面前，调动他们的积极性。此外，通过相互合作完成一个大型任务，提高学生的团队协作能力。最后，由于我们已经开展了前期的研究工作，获得了一定的研究基础，能以较低成本提供实践环境和内容给学生进行参与。

2.实施方案。我们将无线充电传感器网络的研究分为4个模块，分别对应CDIO 4个方面技能的培养目标。

（1）大规模网络部署的构思。在网络中，存在大量的节点，这些节点需要协同地开展监测、跟踪、定位等工作。为了满足用户在实时性、低成本、能量有效性、安全性等方面的要求，节点需要采取不同的部署策略，例如：随机部署、区域部署、栅栏部署、兴趣点部署等。选择合适的部署策略，并且编写模拟实现的程序，是学生编写程序的基本任务。完成该模块有助于培养学生整体构思的能力。

（2）充电模式的设计。在网络中，选择哪些节点进行充电，直接影响网络的性能。比如：有10个节点的能量即将耗尽，如何选择最短的路径，让充电车访问所有的节点并完成充电，对网络保持持续的监测能力至关重要。学生将被要求设计合理的充电模式和路径规划，保证网络持续工作。该模块有助于培养学生的设计能力。

（3）网络模拟的实现。如果将整个网络工作的过程展示给用户，是关系到网络能否得到用户支持和信心的关键。网络模拟需要开发直观的图形界面，考查学生综合使用不同软件工具的能力。此外，模拟展示的环境需要呈现各个学生负责模块的结果，这需要学生协作完成模拟器的开发。

（4）网络的运作。系统评价的指标是网络能否按用户的要求正常运行。学生需要协作地把不同的网络功能组件实现并联调，使得网络可以稳定地开展工作。教师通过评价网络运行的效果，考核学生的能力。此外，学生也可以进行自我评价。

五、效果和经验

1.改革的效果。经过将一年多的改革试点，我们的改革取得了一定的效果。

首先，教师通过课程的改革，获得了更多的提升的空间，对自我教学能力的提高有了更明确的方向和实际的开发能力。并且，通过学生在课程中的参与度的提高，教师与学生从多角度、多渠道建立良好的融洽的亲近感情，使学生愿意接受教师，更有利于教学效果的体现。

其次，通过项目式的教学内容要求，学生获得更多的目标性和实践性的锻炼，由原来的单一重复和模仿练习转变为多重的任务型和开发性训练，从被动地完成作业转变到作为重要角色参与项目并完成自选模块，从参与过程中开始的无所适从到后来慢慢适应并追赶，学生对“程序设计基础”课程的兴趣得到明显提高。

另外，学生能更主动地学习其他课程专业知识，同时更积极参加课外挑战比赛，如：程序设计大赛。

取得的这些成果说明，当前的改革思路是具有一定的积极意义的，我们可以继续深入研究并推广当前的模式。

2.改革的经验。通过回顾改革的整个过程，我们总结了部分的实施经验：

（1）教学的内容需要不断更新但要保持实际。学生产生厌学的一个基本原因是传统的教学环节中，教学内容长久不更新，缺乏新意，和社会需求脱节太大。如果能选择一个当前社会上研究的热点问题作为背景，将在传统教学内容的基础上套上华丽的外衣，吸引学生的注意力。此外，具体实际的内容，更具有可探讨性，可以吸引学生深入参与到构思、设计、实现和运作等环节。

（2）教学方法上需更侧重放手给学生探索。传统教学存在教师掌控全过程，学生被动接受的缺点，这样大量的学生只会等待老师灌输知识，缺乏主动性和自学能力。通过CDIO模式进行教学，学生可以获得很高的学习自主权，由接受“鱼”转为开展“渔”。学生在探索中的错误，将被淡化，更多得到的是鼓励和支持，进而引导学生找到正确的答案。

（3）教学手段上更注重实际项目为背景。CDIO突出工程项目为背景的教育，我们以当前开展的科研项目为背景，能以低成本的方式提供给学生进行实践。对于学生，可以了解最新专业科技前沿的信息；对于老师，可以让更多本专业的学生关注科研动态，提升对专业知识的理解能力。

（4）教学资源的选择需要结合网络化和虚拟化平台。教学资源缺乏一直是困扰高校教学的一个方面，购买实体教学资源不仅成本高昂，而且占用教学场所。充分利用海量的网络化和虚拟化教学资源库，可以提供更多的信息给学生進行选择，同时大大降低教学过程实施的成本。

（5）重视科研与教学的关联。长期以来，教师的科研与教学是分离的，导致部分教师不重视教学，自己的科研成果也无法让学生接触。通过本次改革的试点，我们将科研与教学进行了相互融合，积极转化科研成果为教学服务，取得了较好的效果。

六、总结

当前社会亟须大量的具有综合能力的应用型人才，这些人才需要具有宽广的构思、设计、协作及动手能力。传统教学模式仅仅突出培养学生的动手能力，不足以满足社会发展的需要。我们提出以我们正在开展的科研项目——无线充电传感器网络研究为例，设计基于CDIO的课程教学模式，以低成本的方式实现多维度的人才培养。通过在“程序设计基础”课程的试点改革，取得了不错的效果，获得了初步的经验。下一步，我们将继续深入研究如何将科研与教学改革进行融合，寻找具有更高经济性和可行性的教学方案，培养能力更全面的综合性高素质人才。

参考文献：

[1]刘耀林，陈友荣，周莹.CDIO教学模式指导下网路工程类课程改革研究与实施[J].教育教学论坛，2015，5（20）：107-109.

[2]陈季萍.CDIO模式下教学方法的研究[J].科技创新与生产力，2015，（5）：107-108.

[3]陈雪寒，陈志刚，张德宇，曾锋.C-MCC：无线可充电传感器网络中一种基于分簇的多MC协同充电策略[J].小型微型计算机系统，2014，35（10）：2231-2236.

[4]裴玖玲，孙少杰.基于CDIO的《自动控制原理》教学改革与实践[J].科技视界，2015，（5）：48-49.

[5]薛凤.基于CDIO的数学实验课的教学设计[J].教育教学论坛，2015，5（20）：216-2017.

[6]罗频捷，温荷.基于CDIO模式的JavaScript课程实验设计[J].计算机教育，2015，5（9）：86-88.

[7]单彦霞，董志奎.融入CDIO理念的工程图学教学改革实践[J].教育教学论坛，2015，5（21）：119-120.