新工科背景下基于CDIO理念的课程改革研究

宋晓博　阚丽娟

[摘 要]科技制作是针对计算机专业高年级本科生开设的实践类课程，该课程所涉及的知识面比较广，对学生理论联系实际、动手实践的要求比较高。为了提升教学效果，文章基于CDIO教学理念，对科技制作课程进行“知、行、思、评”一体化的教学模式改革，以促进学生动手能力的提高。结果表明，该改革对于培养学生的主动探索学习能力、实际动手能力、团队协作精神有很大帮助。

[关键词]新工科;CDIO理念;科技制作

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）09-0053-03

计算机硬件类科技制作课程是针对计算机专业高年级本科生开设的实践类课程。通过对该课程的学习，学生能够深入理解计算机硬件的组成原理及工作过程，课程是计算机专业本科教学的重要组成部分。为了迎接新一轮科技产业变革的挑战，自2017年以来国家积极推进“新工科”[1]建设。为了提高科技制作课程的教学效果，加深学生对计算机硬件类课程的理解，培养学生的实际动手能力，笔者对科技制作课程采用CDIO理念进行“知、行、思、评”一体化的教学实践改革做了探索。

一、目前现状

经过多年持续不断的教学改革，计算机硬件类课程的教学水平得到了极大提升，但仍然存在很多问题，现以科技制作课程为例说明如下。

（一）理论讲解与实际操作聯系不紧密

当前的科技制作教学以理论概念和知识点的讲解为首要任务。课堂授课过程中教师首先讲解各实践电路的知识点，并以教师讲授为主，学生训练为辅，学生的课堂学习主动性和参与度不高。其次，教师在授课过程中往往忽视了对于课本知识点与实际电路之间联系的引导和启发，而以正确操作步骤的讲解为主要出发点。

课程实践通常是在理论课程学习之后，先理论后实践的教学模式造成了学生在知识理解与动手实践之间的间隔，实践时理论知识记忆模糊，这使得学生学习兴趣不高，学习效果不佳[2]。

（二）试验教学内容固化

受制于实验条件的实际情况，科技制作课程采用了“一刀切”的方法，每一个环节中所有的学生均完成同一个实践课题，并且实施方案完全一样。但是近年来学生素质参差不齐，个体学习主动性和学习能力差异较大，完成同一实验任务效果不理想。在实际的科技制作案例中，由于其所涉及的计算机软硬件知识较广，需要学生组成团队分工合作才能圆满完成任务。而在固定的实践学习过程中，更多强调的是独立正确完成，在此过程中学生不仅缺乏独立思考的过程，也缺乏团队协作能力的训练。

（三）考核方式单一

由于选题一致，实现方案一致，对学生科技作品的考核方式以教师的主观评价为主。这种考核方式偏重于结果，忽视了对于学生从问题分析、方案设计、元器件选择、逻辑设计、软件设计、测试系统设计、软硬件联合调试、文档编写等，全流程工程实践能力的引导、培养和考核，以及学生终身学习、团队协作能力的培养。

二、基于CDIO教育理念的一体化教学模式构建

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果，它不仅继承和发展了欧美20多年来工程教育改革的理念，更重要的是它还系统地提出了具有可操作性的能力培养、全面实施以及检验测评的12条标准。实践证明，按CDIO模式培养的学生工程适应能力更强，能够更快地适应工作岗位。实施CDIO教育模式成为当前计算机硬件类教学改革的重要方向之一。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它是让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式来学习的系统工程。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标[3]。

可见，构建基于CDIO教育理念下的计算机硬件类实践课程教学模式是非常有必要的。在该背景下，“知、行、思、评”一体化的教学模式应运而生。本文以CDIO理念为背景，对科技制作课程的教学实践全过程进行改革，推行理论讲授与实践探索相结合、项目导向、评价方式里程碑节点化、学生参与考核评价过程的“知、行、思、评”一体化的教学模式，体现工程能力培养为重点，突出培育学生的专业知识、动手能力、资料查阅能力、解决实际问题的能力和团队协作能力等。

在项目设计的过程中，学生首先自主组成探索学习团队，团队内部互相协作并相互竞争，教师主要起到技术指导和评价过程管理的作用，督促学生完成构思→设计→评审→实施并改进的全过程[6]。首先，在构思阶段（C阶段）教师提出课题和基本技术指标，学生团队根据教师提出的课题广泛收集资料并进行分析思考，按照自身实际情况确定课题的总体构架和要完成的功能，并形成总体设计报告，在总体设计报告中学生团队根据自身的实际技术能力选择难易程度不同的总体实施方案。同时对团队内部人员进行分工，选出团队负责人。在设计阶段（D阶段），各项目组依据前期提出的功能针对前期收集的资料进行自主探索式分析学习，完成课题的详细设计方案并形成详细设计报告;在设计阶段结束后由教师和各团队的负责人组成的评审组对各团队的总体设计报告及详细设计报告进行评审，各团队由团队负责人进行主答辩，团队成员查漏补缺，目的是帮助各团队对所形成的设计方案的可行性进行确认。在实现阶段（I阶段），学生根据前期制定的方案进行操作，并进行调试。最后在运作阶段（O阶段），各团队展示自己的作品并对技术指标当中规定的实现情况进行说明。最后，全体学生对各团队展示的作品进行评价，教师再结合前期方案设计阶段的评价结果得出综合评价成绩。

三、教学改革设计与实践

（一）实践课题内容及流程项目化

在整个科技制作课程的学习过程中，为了培养学生的动手能力和工程意识，教师将课堂教学最高目标定位为应用能力的培养[4]，即通过学生的学习（包括学生的团队探索学习和教师的指导）培养与提高学生的应用能力[4]。在科技制作教学的过程中，以CDIO教学模式为参考，结合科技制作的课程要求，将课程内容按照“基于单片机的红外计数器设计与制作”“数字可调电阻设计与制作”“智能台灯设计与制作”“电子时钟及温度显示器设计与制作”四个项目来组织安排教学内容。

下面以第二个项目“数字可调电阻设计与制作”为例来展示如何基于CDIO教育理念引导培养学生的工程实践能力。图1为基于CDIO教育理念的“数字可调电阻设计与制作”项目实施阶段划分情况。

（二）教学内容改革实践

科技制作课程涉及多门课程的知识点，包括数字逻辑设计、C语言程序设计、VHDL硬件描述语言、微机原理及接口设计、文档撰写等。在整个实践项目设计与制作过程中需要学生将各相关知识有机结合起来，做到灵活运用、深刻理解才能圆满完成任务。在这一过程中，教师的指导以及教学模式的设计就显得至关重要。在这里我们还是以“数字可调电阻设计与制作”项目为例，说明CDIO理念下科技制作课程的教学模式设计。

1. 教学流程改革

为贯彻CDIO理念，我们借鉴文献[2]及文献[5-6]的教学流程，以“数字可调电阻设计与制作”项目为例展示整个教学流程设计。在该流程中我们将CDIO的教学理念融入整个的教学实践过程当中，以项目为牵引、以学生为主体、以教师为指导、以培养工程实践水平为目的。表1和表2分别为科技制作课程教学流程设计和以“数字可调电阻设计与制作”项目为例的教学流程设计。

2. 教学方式改革

在以往的教学过程中都是以教师讲解示范为主，学生自主探索学习为辅。而CDIO工程教育理念引入了项目导向、问题驱动的教学方法[7]，以学生根据问题自主探索解决问题为主，教师的主要职责是为解决学生不理解、难以掌握、难以解决的关键知识点和技术难点。比如对于FPGA代码量的估计从而对FPGA器件进行选型;再比如为了满足产生不同大小电流的要求，对电阻网络阻值的计算选取方法等。

除了课堂指导外，教师结合该门课程的特点，采用了基于网络空间学习+课堂讲授的混合教学模式。教师首先将学习资料如示范电路设计、芯片手册、视频、PPT等上传至我校网络学习平台上，并在互联网学习平台——学堂在线上搜索相关教学内容推荐给学生，引导学生课前及课后进行自主学习，加深对于知识点的理解和掌握。课堂上主要对学生在学习过程中产生的疑问进行解答和交流。

3. 评价方式改革

以往的评价过程以教师本人对学生作品的主观评价为主，学生的参与感不强，积极性不高，因此我们对于评价方式进行了改革。

在以往评价方式的基础上，我们引入了阶段评审的概念，将以往一审定分数的方式改为分阶段评价考核，即在方案设计阶段结束后引入方案评审环节，即是对于各组设计方案的把关和检查，这也是评价过程中的一环。

在各组作品制作结束后进行作品展示环节，对作品成品进行综合评价。同时将以往由教师一人评价的方式更改为全员参与的方式，考核标准如表3所示。

四、结束语

科技制作课程所涉及的计算机硬件类知识面比较广、知识点多，对学生理论联系实际、动手实践的要求比较高。如何才能提高学生的动手能力， 促进学生自主探索学习，使学生初步具备工程实践的理念呢？本文通过基于CDIO教学理念的“知、行、思、评”一体化教学模式的构建，使实践过程项目化，激发了学生的主动性和积极性。实践结果表明，该改革对于培养学生的主动探索学习能力、实际动手能力、团队协作精神有很大帮助。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 叶民，孔寒冰，张炜.新工科：从理念到行动[J].高等工程教育研究，2018（1）：24-31.

[2] 柳运昌，张娜.基于CDIO理念的云计算技术及应用课程教学改革研究[J].计算机时代，2019（12）：74-78.

[3] 薛永兵，赵风琴，刘振民.基于CDIO教育理念的应用型本科大学实践教学体系的构建：为激发大学生创新动力的实践教学研究[J].大学教育，2019（10）：176-179.

[4] 周少華，刘承良，黄茂飞.基于能力培养的高职模电课程教学研究与实践：放大电路的设计为例[J].中国多媒体与网络教学学报（中旬刊），2019（10）：175-176.

[5] 赵海丽，李文娟，胡克用.基于CDIO教学理念的数据结构课程教学改革研究[J].大众科技，2017（6）：134-135.

[6] 余宏，张华英.基于项目驱动的混合式教学推动计算机类课程教学改革与实践[J].现代计算机（专业版），2019（3）：74-77.

[责任编辑：刘凤华]