基于“CDIO”的“1+2”新教学模式研究

2021-04-25陈菊杨汐杨珊珊彭安杰温川飙

电脑知识与技术 2021年9期

陈菊杨汐杨珊珊彭安杰温川飙

摘要： “CDIO”教学是将工程思维训练融合在教学各个环节当中，本文采用“CDIO”与“案例教学、启发教学”进行融合，组合成为一个新的“1+2”教学模式，以医学信息工程学院课程作为应用载体，将传统教学升华到工程思维教学、团队教学上，转变教师授课形式，激励和引导学生自主学习，为学生提供思维的空间和意境，帮助学生在学习时发现问题，发现、解决值得解决的问题，掌握计算在问题解决过程中发挥的作用，获得构建自身学科知识体系，终身自我学习的能力，滋生创新能力，达到学科知识与工程思维能力互相促进，共同提高的目的。

关键词：CDIO;案例教学;启发教学;教学模式

中图分类号： G424 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）09-0008-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research on "1+2" New Teaching Mode Based on "CDIO"

CHEN Ju， YANG Xi， YANG Shan-shan， PENG An-jie， WEN Chuan-biao*

（College of Medical Information Engineering， Chengdu University of Traditional Chinese Medicine， Chengdu 611137， China）

Abstract： "CDIO teaching" is to incorporate engineering thinking training in teaching， this article USES "CDIO" and "case teaching， heuristic teaching" integration， combined into a new "1+ 2" teaching mode， as a carrier for application to medical information engineering college courses will be traditional sublimation to engineering thinking， team teaching， changing teachers' teaching form， encourage and guide students' autonomous learning， provides students with the space of thinking and artistic conception， to help students find problems in learning， find and solve problems that are worth， mastery the role in the process of problem solving， Acquire the ability to construct their own discipline knowledge system， lifelong self-learning， breed innovation ability， and achieve the goal of mutual promotion and joint improvement of discipline knowledge and engineering thinking ability.

Key words ：CDIO;case teaching;inspiration teaching;teaching mode

引言

一项获得Knut and Alice Wallenberg基金会近2000万元巨额资助的跨国研究由麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学合作进行。经过四年的探索研究，CDIO教育模式在2004年建立起，并由这四个国家联合成立了CDIO国际合作组织。引入该CDIO教学模式的学校众多，至今为止已有美国、新加坡、中国等国家的几十所知名大学，并有众多学者继续研究和改进CDIO教学模式[1]。CDIO概念目前已经继承和发展了欧洲和美国工程教育改革概念20多年，并建立了一套符合成长规律和工程人员特征的教育模式，能培养工程人员全面发展。

CDIO国际组织已有几十所著名大学加入，这些大学将CDIO工程教育理念和教学大纲用于机械系和航空航天系的教学之中，并有一些学校已全面取得了良好效果。这些经过CDIO工程教育培养的学生尤其受社会与企业的欢迎。美国麻省理工学院已有两届CDIO学生毕业，这些学生广泛得到工业界的好评。一些公司甚至专门制定了高于其他教育模式毕业生15%的工资标准来对待这些 CDIO 毕业生[2]。清华大学工业工程学教授顾学雍博士的老師克劳利（Crawley）曾在麻省理工学院（MIT）任职，并在美国担任软件工程师已有10年以上。他在理论和工程实践方面拥有丰富的经验，通过创造性地在“数据结构”和“数据库技能”中采用CDIO教学方法，取得了丰富的成绩[3]。

CDIO教育模式的引进在中国国内快速发展，在过去的十年间，国内多所大学采取并实施了CDIO工程教育改革，并共有105所高校加入“CDIO工程教育联盟”[4]，取得了良好的成效，为满足经济全球化背景下人才的需求，工程教育改革势在必行。江西理工大学在“双一流”的背景下，化工专业根据区域特点和学校特点，结合CDIO模式，提出"五个注重"，实施“五项现代化改革”，对地方高校研究生创新人才培养体系改革进行实证研究。阜阳师范大学积极引入CDIO模式并运用在信息工程专业人才培养上。从专业培养模式、理论和实践教学体系建设、评价体系建设等方面入手，提出了CDIO模式下信息工程专业课程教学改革[5]。国防科技大学系统工程学院以控制学科与工程系统仿真方向研究生培养为例，提出一个基于CDIO模式的研究生创新能力培养五边形模型。最后，经过化学工业区大气污染物监测和管理案例，给出了模型的具体应用，培养结果证明了模型的有效性。浙江大学在当前新工程学背景下，针对近年来土壤力学教学中的一些问题，基于CDIO模式，结合BIM虚拟仿真技术和高等土壤力学的内涵，提出了解决方案，为土壤力学的教学改革提供参考。

由自上而下精英主导的“理论导向”型转向自下而上大众主导的“实践导向”型成为当代高等工程教育改革的基本趋势之一。近年来，我国CDIO工程教育模式改革逐渐兴起，这正顺应了教育改革趋势，也促使“理论”与“实践”问题得以解决[6]。

目前，全世界都面临着工程人才缺乏和工程教育质量不高的问题，都在对工程教育新模式进行探索、融合、改革、创新。因此，寻找适合应用型专业的工程教育模式刻不容缓[7]。通过对国内外文献的查阅，未见将CDIO与“案例教学、启发教学”进行融合课堂教学模式，因此，本文尝试通过分析CDIO方法的内涵与“案例教学、启发教学”进行融合，组成一个新的“1+2”教学模式，以医学信息工程专业课程《操作系统》为应用载体，构建基于CDIO的应用型创新人才的教学模式，该模式以学生为教学主体，以培养学生计算思维能力、创新创业能力为目的，学习者在“案例教学、启发教学”思维活动中学习，同时也学习思维本身，构建自身科学知识体系，终身自我学习的能力。

1 基于“CDIO”的“1+2”线上线下教学模式

1.1 基础知识

CDIO：是英文单词Conceive（构思）、Design（设计）、Implement（实施）、Operate（运行）的缩写。CDIO教育受技术产品/系统生命周期的启发，积极调整教育培养方式，以弥补高等教育与工业生产需求之间的差距[8]，教育学生以扎实的基础技术理论和专业知识为目标，将整个人才培训过程放在特定的实践环境中，通过在团队和培训过程中进行创新的动手培训，以扎实的专业基础和高度的职业素养教育下一代工程师。CDIO体现了系统、科学与进步的融合，并代表了现代工程教育的发展趋势。

案例教学：事实是教育内容与真实经验之间的桥梁，提倡“学生案例分析”的教学理念，以冲突，矛盾和危机事件为例。案例培训可以通过最大限度地提高学生的参与度，内容的实用性。灵活性的教学方法，可以提高整体能力，使学生的思想和知识得到激发。将教育实例带到课堂上，使学生处于案例的背景和角色中，自觉地探索有效的信息，发现真相，得出认知结论并作出决定、选择。它是通过独立思考和集体合作进行独立探究和合作学习的一种有效形式。

启发教学：教师在教学中的积极调动学生学习积极性，强调以学生为主，系统的学习知识[9];注重对学生智力的开发，培养学生独立思考的能力; 积极培养学生的自主学习能力，激发学生内在的学习动力; 重视对理论知识的应用，在实践实现理论应用化的过程中培养学生的创新能力[10]。启发式教学意味着老师在教学过程中会采用多种方法来鼓励学生，根据教学任务和客观的学习规律来反思学生的现实情况，调动和激发学生的学习热情。

1.2 “1+2”教学模式的理论模型

“1+2”教学模式指“CDIO”+“案例教学、启发教学”，CDIO将以设计开发过程为全载体，以构思、设计、实施和运作等方法贯穿于整个教学过程，与“案例教学、启发教学”进行融合，如图1所示。在医信学院专业课程每个教学任务或单元的教学首先采用案例教学，根据讲述的内容扩展讲述知识点的发展历史、IT界的重要人物，讲述成功和失败的具体案例，端正学生思想，激发学生的兴趣;接着使用启发式教学，根据课堂任务、讲课思路和节奏设置启发式问题，启发活跃学生的思维，该过程注重于教师的引导，学生的自主思考以发现问题解决问题，构建自我知识体系[11];最后教师设定一些需要团队协作完成的任务，让学生分小组完成，以12人为一CDIO实施小组协作完成学习任务，从不同角度讨论、发现、解决问题，实现知识的应用，问题解决方法创新。

图1中Conceive展示了CDIO教学中构思的具体实施步骤，Design展示了设计的具体实施步骤，同理，对于Implement、Operate也是一样的实施步骤。这个新教学模式强调团队协作、教师引导、反思提高，实现知识的应用，形成创新创业学习思维。

1.3 “1+2”教学模式的理论实践

1.3.1 理论实践过程

本教学模式将以操作系统为例进行理论实践，操作系统是医学信息工程专业的专业核心基础课，它管理着整个计算机的软件和硬件资源，是应用软件开发的基础，在专业教学中占有非常重要的地位。我们使用清华大学出版社出版，陶永才主编的《操作系统原理与实验教程》作为教材，该教材内容丰富，结构合理，思路清晰，语言简练流畅，示例翔实，内容难度适中，适合交叉学科同学使用。

依据“1+2”教学模式我们对每一个教学任务或单元设计一个具有代表性的项目，进行思维能力培養，我们详细介绍第三章中进程调度算法这个知识点。

首先进行案例教学讲解时，我们引入进程由来案例讲解、进程概念讲解、进程调度先来先服务、短作业优先、高相应比调度、多级队列反馈调度算法的案例讲解。接着融合启发式教学，我们通过所学计算机语言实现进程调度过程，如C语言、java语言等。让同学们产生学习兴趣、形成学习心理，掌握学习基础知识。接下来进入到CDIO教学环节，将学生按12人进行分组，每4人一个工作内容，包括需求分析、实施方案、代码实现三个工作内容，分四个步骤开展教学。在这四个步骤中关键的要求是，学生提前形成行动方案，教师课上根据学生提出的方案进行专业指导，团队讨论修正方案，以保证方案的可行性，每个环节都要教师总结、学生总结以提高本环节对应能力[12]。整个CDIO教学完成后小组成员完成进程调度代码实现。形成“教—学—用—思考”的教学效果。

1.3.2 实验结果

通过2019年秋季学期对两个56余人的实验教学班级进行对照教学发现，使用“1+2”新教学模式的学生对该教学方法的赞同度和认可度较高，我们发放问卷对学生学习思维的影响、对学习方式的影响进行了统计，如图2、图3所示，新教学模式对学习思维的影响非常大的增多150%，93%的同学们觉得对学习方式的影响有改变。

我们记录了对照实验班级的期末考试成绩，分别如图4、图5、图6所示，图4、图5为学生成绩统计图，为学校教务系统导出数据，在此基础上完成图5，成绩折线对比图，从图5可以看出新教学模式下的同学，低分段人数更少，高分段人数更多，特别是80-84分段人数提升50%，结果图说明了本教学模式的效果比传统教学模式更为优秀。

2 总结（未来智慧教育的引入）

医学信息工程专业课程在高校存在“狭义课程设计论”，认为医学信息工程专业课程就是让学生每人完成一个课程设计，即完成一個简单的应用系统。除了在课堂上同学们学习必需的专业语法知识，更多地需要在课后查阅资料解决编程调试中的各种问题，因此，同学们在解决不到某个问题时常出现放弃学习、被动学习的状况[13]。

本文所述“1+2”教学模式（“CDIO”+“案例教学、启发教学”），改变目前传统教学模式，以学生“学习思维”为培养目标，充分锻炼学生动手能力，滋生学生创新能力。极大丰富了医信学院专业课程教学，为教学赋予活力，引发学生学习主动性。按照CDIO教学理念将学生分成学习团队，形成组内配合，组间竞争的学习模式，配合案例教学激发学生兴趣;启发教学引导学生应用知识发现问题、解决问题、掌握工程能力;团队合作锻炼学生协作解决问题、构建自我学习知识体系，寻找问题解决方法创新的能力[14]。

随着新一代人工智能技术的发展，互联网+AI深度融合智慧教育，借助智慧工具优化医学信息工程专业课程教学、实践和创新能力培养，建立基于大数据的教学过程质量评价体系，形成以学习者为中心的“精准教育、个性培养”的教育新生态[15]，构建以中医药高校“智慧教育”为核心的教育发展新模式，将是本文下一步继续优化教学模式的方向。

参考文献：

[1] 杜红，刘照升，多佳.基于大学数学基础课的CDIO教育模式探索与实践[J].2011（7）：82-83.

[2] 查建中.论“做中学”战略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究，2008（3）：1-6，9.

[3] 邱国路.应用型高校专业课程实践教学质量研究——以N校计算机科学与技术专业为例[D].南昌：南昌大学，2019.

[4] 胡文龙.创新时代的工程教育发展：挑战与应对——2016年“CDIO工程教育联盟成立会议”纪要[J].高等工程教育研究，2016（2）：32-33.

[5] 李佩君，韩波，侯大有，等.CDIO模式下信息工程专业课程教学改革的研究[J].电脑知识与技术，2020，16（8）：118-120.

[6] 陈冬松.国际创新型工程教育模式中国化研究述评[J].化工高等教育，2010，27（6）：4-7，23.

[7] 赵静文，刘翔，石蕴玉，等.操作系统课程启发式教学方法探索[J].教育教学论坛，2020（10）：240-241.

[8] 陶勇芳，商存慧.CDIO大纲对高等工科教育创新的启示[J].中国高教研究，2006（11）：81-83.

[9] 汤小丹，梁红兵，哲凤屏.计算机操作系统[M].4版.西安：西安电子科技大学出版社，2014：153-157.

[10] 马晓丹，尹淑欣，邰建华，等.操作系统课程知识体系构建及研究性教学探索[J].高师理科学刊，2019，39（1）：71-75.

[11] 牟琴，谭良，吴长城.基于计算思维的网络自主学习模式的研究[J].电化教育研究，2011，32（5）：53-60.