新工科背景下基于CDIO的混合教学研究与应用——以数据库原理与应用课程为例

李怀敏 陈秀明

(阜阳师范大学计算机与信息工程学院，安徽 阜阳 236041)

“新工科”作为我国工程教育改革方向，其核心思想是以德树人为根本，以应对变化、创造未来为建设理念，以继承与创新、交叉融合、协调与共享为主要途径，培养具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才。具有战略性、创新性、系统化、开放式的特征[1]。自2017年2月，教育部积极推进新工科建设以来，国内各高校及高校教师积极探索适应新工科要求的教学改革与实践，并取得了较为丰富的成果。其中，文献[2]以新工科为背景探索大数据专业的建设与培养，并以西南科技大学为例着重介绍大数据人才培养模式、课程体系、实践教学等方面的综合教学改革与实践，为新工科专业建设提供宝贵经验。文献[3]将CDIO工程教育模式与翻转课堂相结合，从课堂的教育理念、教学模式、教学方法和课程成绩评价机制对Java 程序设计课程开展教学改革，取得较好的效果。

CDIO工程教育模式是国际工程教育改革的重要成果，是人才培养的创新模式，强调以产品/项目的生命周期(Conceive(构思)、Design(设计)、Implement(实施)、Operate(运作))为载体[4]，以案例和项目驱动的教学模式为基础，坚持问题导向、目标导向，使学生在工程实践中不断启迪智慧、建构知识，再反过来指导实践，在理论与实践相互促进中提升工程实践能力和锐意进取的精神。但是，按照CDIO 教育理念，课程教学的内容将不再局限于书本，而是围绕项目周期展开的丰富的、有机的、系统化的工程教学内容，这是在传统课堂授课模式下难以完成的，更难以达到工程教育的目的。混合教学把传统课堂与线上教学相融合，实现“在‘适当的’时间，通过应用‘适当的’学习技术，对‘适当的’学习者传递‘适当的’能力，有效解决了传统课堂时间和地点的限制[5]。混合教学已成为教育领域普遍提倡的教学模式，数据研究表明混合教学在高等教育教学中是最有效的教学方式。

综上所述，本文专注于研究基于CDIO的混合教学模式，该模式以工程教育理念为核心，采用混合教学组织形式，通过混合递阶实践教学体系来保证工程化教学内容的有效开展。并以数据库原理与应用课程为教学改革实践对象来介绍基于CDIO的混合教学模式的实施举措和实施效果。

1 基于CDIO的混合教学体系

基于CDIO 的混合教学体系架构[6]，如图1所示。

图1 基于CDIO混合教学体系架构

由图1可知，基于CDIO混合教学体系主要由工程化的教学内容、混合式教学、混合递阶实践教学活动以及混合教学评价体系四个模块组成，同时这四个模块都以智慧教学平台为支撑。可见，该体系架构在智慧教学平台(本研究采用的是“超星学习通”)的支撑下，以层次化的工程项目教学内容为基础，采用三段式(课前、课中、课后)混合教学组织形式，建立递阶多元化(课上、课下、课外)实践教学体系，从而形成以“学科知识为基础、应用创新为目标、实践能力培养为重点”的创新工程教学模式。并制定了基于智慧教学平台统计数据、课堂表现、项目完成情况和考试成绩的多元混合教学评价体系。

2 基于CDIO的混合教学的实施举措

数据库原理与应用课程的主要任务是使学习者能够应用数据库基本原理、商品化的 DBMS和数据库应用系统开发工具，设计和开发面向各种实际问题的数据库应用系统[7]。而数据库及其应用系统的设计开发是典型的工程项目。所以，将基于CDIO的混合教学模式引入数据库原理与应用课程建设，设计项目化教学内容、依托智慧教学平台开展混合式教学。

2.1 项目化教学内容设计

CDIO 教育理念是以实际工程项目的生命周期为载体，将教学内容渗透到工程项目中，随着工程项目的不断推进，使学生们在真实的情境中循序渐进地掌握相关知识和技能[8]。所以，项目化教学内容的设计是开展工程教育的基础，这要求对数据库原理与应用课程的教学内容进行重新设计——项目化教学内容，将相关的理论知识渗透到具体的项目实践中。因此，本文结合数据库原理与应用的工程实践和课程的培养目标，设计三个层次的项目，即数据库基础验证项目、数据库应用实践项目和数据库综合创新项目，将教学内容有机地融入项目教学中，注重数据库原理知识的学习和应用，重视学生工程实践能力的培养。

(1)基础验证项目

基础验证项目是以熟知、易懂的数据库项目为研究对象(一般采用教材中的案例)将数据库原理的基础理论知识融入项目的相应阶段，按照项目的实施设计成单元项目(详见表1)，并在教材实例的基础上增加一定的难度和创新，引导学生依托项目进行理论验证，同时学会用验证的理论解决实际问题。基础验证项目通过对熟知、易懂的数据库的分析(C)、设计(D)、实现(I)和使用(O)，使学生掌握数据库原理的基础理论知识，具备基本实验能力和基本系统设计能力，并对数据库的应用有一定的认知。

(2)应用实践项目

应用实践项目是由教师给出，主要选取与学生生活和学习密切相关的实际课题(如学生宿舍维修上报管理系统、线上考试系统、小型超市管理系统、疫情信息管理系统等)，课题规模和进度由教师把控，学生分组(每组5-6人，选一名组长负责组内协调)选择感兴趣的课题。确定课题之后，各小组结合所学数据库相关知识、上网查阅相关资料和对课题业务的调研分析，并在教师指导下按照企业和社会的工程实践构思、设计、实施和运行(CDIO)项目。应用实践项目的进度通常与基础验证项目同步，是基础验证项目学习的有益补充。通过应用实践项目可以进一步提升学生的系统分析和设计能力、自主探究和解决问题的能力，培养学生工程思维和团队协作与交流意识。

(3)综合创新项目是面向实际需求的复杂数据库应用系统开发大作业，综合性较强。各小组在课后独立完成数据库系统的分析和设计，并撰写相关文档。这不仅要求学生对数据库相关理论和技术进行整合，还要能够创新地应用于实践，解决实践问题。在项目实施过程中充分发挥个人探究和团队协作精神，完成系统级数据库应用产品的构思(C)、设计(D)、实现(I)和运行(O)全过程，着重培养学生的工程系统能力、多学科交叉能力和开拓创新、团结合作能力。

三个层次的模块化项目之间存在由理论到应用、由局部到全局、由简单到综合的递进关联性，为学生提供了“强调工程基础的、建立在真实世界的产品和系统的构思-设计-实现-运行(CDIO)过程”的学习情境。可以使学生在理论指导下完成项目，在项目实践中建立起完整的课程知识体系，最终实现由“知识”到“实践”到“能力”再到“综合工程素养”的不断提升，进而能够解决复杂的工程问题。

2.2 基于CDIO混合教学组织形式

基于CDIO混合教学组织形式仍然是由“课前、课中、课后”所组成三段式教学模式，每个阶段都为项目化教学内容服务，而项目的教学实施则按照工程的“构思—设计—实现—运行”等四个步骤来组织。具体如图2所示。

图2 基于CDIO三段式混合教学组织

(1)课前项目任务导入

课前采用线上形式，教师基于智慧教学平台进行学情分析，不断优化教学设计，提供高质量线上教学资源，科学制定学习任务单，完成项目导入；学生自主完成线上学习任务，并反馈问题，通过课前线上的教学活动使学生提前了解课堂项目教学的内容，初步形成对项目阶段性任务的构思(C)。

(2)课中项目设计与实施

课中是线下主题见面课，教师首先讲解项目中涉及的重点、难点知识，同时对线上反馈的问题答疑解惑，再结合项目创设情景，分解小项目，设计互动主题，每个小组课内协作完成，通过这样的课堂教学活动，帮助学生在课前对项目任务有了初步构思的基础上进一步理解项目任务，自主完成项目的设计(D)和实现(I)。

(3)课后项目运维

课后教师通过智慧教学平台开展个性化辅导，进行阶段性测验等，帮助学生总结反思；布置单元项目作业和应用实践项目的阶段性任务并评阅相关文档。学生在课后完成线上单元测验、单元项目任务，在完成任务的过程中遇到问题可以随时线上反馈和讨论，按时在平台提交相应的文档资料(如：实验报告、项目总结等)。通过课后项目相关文档的完善以及项目运行和维护(O)可以不断提升学生的综合工程素养。

2.3 基于CDIO混合递阶实践教学

实践教学是理论教学内容的具体化过程，是增强学生感性认识，培养学生动手能力、解决问题能力和构建创新意识的重要环节。基于CDIO的课程教学改革的核心思想就是将理论知识渗透到实际工程项目中，尽可能把理论教学转换为实验实践教学，以学生为中心，培养学生自主学习能力和探索精神。基于CDIO构建的“实验室实践教学—课下虚拟实验—课外实训”的混合递阶实践教学体系为完成项目化教学内容提供了重要保证。

(1)实验室实践教学

课堂教学全部在实验室进行，实验室要求具备教、学、做一体化的软硬件配套设施，教师在实验室授课，授课内容围绕项目开展。在实际教学中，教师根据课前线上学习反馈，梳理共性问题和重、难点知识进行讲解和演示。然后让学生现场实验加深理解。教师可以根据学生现场实验情况，适时给出启发性问题，引导学生思考理论对实践的指导意义，学会用理论解决实际问题。基础验证项目的实验内容主要在课堂上完成，而应用实践项目和综合创新项目则主要是由小组成员在课下完成，遇到问题在线上进行反馈和互相讨论。教师根据线上的反馈和讨论找出共性问题，在课堂上予以讲解，对于个别问题进行有针对性的指导，推进项目的顺利开展。表1给出了基础验证项目细分成单元项目后实验室实践教学设计。

表1 单元项目实验室实践教学设计

从表1可以看出，通过将理论知识渗透到实际工程项目中，真正做到了让学生在“学中做”和“做中学”。同时教师根据学生在应用实践项目中的问题反馈，结合具体项目答疑解惑，进一步强化学生对理论知识的理解和应用，使学生的工程能力和工程素养得到不断提升。

(2)课下虚拟实验平台实训

学院引进蓝桥高校实验教学平台，有效解决了大容量的工程实践教学与实验课时有限的矛盾，帮助老师轻松完成大规模的在线实验教学任务。数据库原理与应用课程利用蓝桥在线实验平台进行综合创新项目的线上实训。教师将项目的实验指导内容在蓝桥实验平台上以步骤化的形式展示，并对各步骤设置自动验证，同时通过设置项目挑战考核，驱动学生一步步完成实验任务，理解项目实施流程。学生只需使用浏览器登录“蓝桥在线实验教学系统网站”进入课程的实验环境就可进行在线实验，提交实验报告。学生也可以将在虚拟实验平台实训中产生问题和想法带到课堂上进行小组讨论，教师现场指导。线上实训，较好地克服实验室教学中时间、设备等因素的限制，还能保证项目教学进度和质量，提高工程教学效率。

(3)课外实训

简单的校园学习是培养不出优秀的数据库开发人员的。第二课堂与校企合作相结合的课外实训则是简单校园学习的有益补充。如：以赛促教，创立创新实验室，经常组织、培训学生参加相关的科技创新竞赛；鼓励学生结合项目到企业相关部门进行调研，了解与分析企业的业务需求，调研结果在课堂上做汇报，并进行讨论；定期集中安排学生到校企合作实训基地参加实训，这不仅能让学生真正体验企业项目研发的全过程，还能向企业工程师学习项目研发中使用技术、方法和管理经验，进一步了解企业项目开发规范等，是对校园学习的有益补充。通过这样的课外实训，学生们不仅可以获得更多的新知识、新技术、新信息，也可以更好地实现由“知识”到“实践”到“能力”再到“综合工程素养”的不断提升，为将来就业提供核心竞争力。

2.4 多元化混合教学评价体系

传统的结果性评价机制难以体现学生的工程实践和应用创新能力，因此，基于CDIO的混合教学模式依托网络教学平台设计了“形成性评价+结果性评价”的多元混合评价体系，通过对具体指标赋予权重强化过程性评价，重点考查学生在混合学习、协作学习过程中态度、能力和综合工程素养等方面表现。建立了多元化混合评价指标体系，见表2。

表2 数据库原理与应用课程多元化混合评价指标

如表2显示，课程的总评成绩=线上平时成绩(35%)+线下平时成绩(35%) +考试成绩(30%)。其中，线下平时成绩各项指标的评分依据是各层次项目的完成情况和课堂综合表现，而项目完成情况的综合得分由教师对各组评价得分、小组间的互评得分和组内成员互评得分的加权平均计算得到。文章旨在通过这样多维度、全方位展现学生能力的多元化混合评价体系，能更全面、更准确地评价学生的综合能力和素质，促进和鼓励学生全面发展。

3 基于CDIO的混合教学实践效果分析

将基于CDIO的混合教学模式引入数据库原理与应用课程建设，并开展教学实践，正是授课前就确定了一个普通班(55人)和一个试验班(52人)。普通班仍采用原来的授课模式，课堂教学区分理论教学和实验教学，按照教材顺序开展相应教学内容。试验班则采用基于CDIO的混合教学模式，课堂教学全部在实验室进行，配合课前线上导入和课后线上拓展，围绕项目开展相应的教学内容。期末闭卷考试采用同一套试卷。

为了调查基于CDIO的混合教学模式是否达到预期的教学效果，课程结束后，一方面通过智慧教学平台对试验班开展了课程体验问卷调查。问卷主要调查学生对教学体系的评价和教学效果满意度。统计结果表明：绝大多数同学对新的教学体系和教学效果表示满意，都给出了正向肯定的评价，这与学生在日常学习过程中的表现相互佐证。

另一方面，将试验班和普通班的学习成绩进行比较。由于试验班采用多元化混合评价体系(详见3.4节)与普通班的综合评价体系(平时成绩(40%)+期末考试成绩(60%))不同，所以比较两个班的卷面成绩。卷面成绩统计结果如表3所示。可以看出试验班卷面成绩整体优于普通班，进一步说明项目化教学内容有助于学生对理论知识的理解和应用。

表3 期末闭卷考试卷面成绩分档统计表

综上，基于CDIO的混合教学模式达到预期的教学效果，且相比于原来的教学模式有如下优势：

(1)更能激发学生的学习兴趣，提升自主学习能力

基于CDIO混合教学组织形式促使学生在课前完成项目导入，在课堂上可以带着想法和问题学习，在老师的指导下和项目实践中证实自己的想法、解决遇到的问题，在学习中不断获得成就感，从而激发他们的学习兴趣，兴趣是最好的老师能进一步促进学生进行多渠道自主学习，自主学习能力不断提升。

(2)更有助于提高学生的工程实践能力

基于CDIO混合教学为学生提供了强调工程基础、建立在真实世界产品的学习情境，学生的产品构思、设计、实施和运行的工程思维在不同层次的项目学习情境中得到训练和强化，工程实践能力不断提高。具体表现在试验班的同学相比于普通班更喜欢迎难而上，积极参加各类大学生竞赛，动手能力更强；课堂更活跃，积极参与讨论，基础知识掌握扎实，能够应用实践解决实际问题。

(3)更能培养学生团队协作与交流意识

基于CDIO混合教学过程中强调项目的团队合作，特别是应用实践项目和综合创新项目必须是小组成员分工合作，共同完成，过程中遇到问题先是组内讨论解决，仍有问题带到课堂上进行交流、讨论。教师在课堂上可以结合共性问题统一讲解，讲解的过程中抛出问题让学生思考进行教学互动，若是个别问题则进行一对一指导。在项目的推进过程中小组成员都积极参与，有问题共同解决，使学生在潜移默化中培养了团队协作意识和交流意识。

4 结束语

基于CDIO的混合式教学模式遵循CDIO教育思想，通过混合教学的组织形式，开展以学生为中心、项目为主线的多元实践教学，并设计了强调形成性评价的多元混合教学评价体系。以数据库原理与应用课程为实践对象，首先设计模块化项目教学内容，然后以项目为载体，智慧教学平台为支撑开多元递阶实践教学。教学效果表明：基于CDIO的混合式教学使学生们在“学中做、做中学”的良性循环中，收获学习的乐趣和各种能力的提升，获得了良好的教学效果，符合新工科背景下教学改革的目标。