面向研究生创新实践能力培养的TP+CDIO教学模式——以计算机视觉课程为例

白 琳，潘晓英，王 燕

（西安邮电大学计算机学院，陕西西安 710121）

0 引言

2020 年7 月召开的全国研究生教育会议明确了新时代背景下研究生教育的主要任务，即在全球高素质人才竞争的新格局下进一步夯实建设创新型国家的人才基石。研究生教育作为国民教育体系的顶层，肩负着我国应用型、复合型高层次拔尖创新人才培养的重要使命［1］，更是建设和发展创新型国家的核心要素。课程教学作为高等教育的主阵地，是培养研究生的重要渠道，应在教学过程中强化研究生创新思维和实践能力培养，积极推动其科研素质提升［2］。为此，本文以计算机学科核心课程计算机视觉为例，探索出一套基于分级制项目驱动的TP+CDIO 混合式教学模式，以期培养工科研究生的创新实践能力。

1 面向研究生的计算机视觉课程教学存在的问题

1.1 传统教学方法不再适用

研究生计算机类课程普遍具有理论抽象、实践性强、系统化程度高的特点。计算机视觉课程作为一门紧跟学术前沿，融合人工智能、数字图像处理等多学科技术的专业课，其内容广泛、理论与实践紧密结合、综合性强。该课程要求学生不仅能够掌握基本的理论和算法，学以致用地解决实际问题，而且要了解热点和前沿技术，培养创新思维与科研能力。目前，传统教学方法并不利于充分发挥学生的主观能动性和创造性，以及促进其各项能力的有效提升。为实现课程教学目标，应推动教学模式由知识学习型向知识创造型转化，使学生从做中学，教师在做中教［3］，将理论与实践高度融合，促进学生研究和创新能力的提升与进阶［4］。

1.2 混合式教学流于形式，个性化学习难以推行

在“互联网+教育”的新形势下，混合式教学模式在高校中应用越来越广泛，然而其日趋普及的发展态势使诸多实践者感到困惑和迷茫［5］。目前，国内外教学界一直缺少一个清晰、系统的概念框架和分析框架引导混合式教学的研究和实践［6-7］。在实际教学中，由于缺乏对学习者的准确分析及其学习需求的精准掌握，很容易陷入形式上的混合式教学。研究生教育的目标是使其具有个性化的科研品格和视野，具有独立思考和创新研究能力［8］。研究生经过本科教育后已具有固有的人格特质和特有的思维能力，个体差异性较大，统一的教学内容和非弹性化的教学设置难以满足学习的个性化需求。

1.3 创新教育实践性不强

随着国家创新驱动发展战略的实施，切实提高研究生的创新能力已成为各高校的重点培养目标［9］，在课程教学阶段加强对研究生创新实践能力的培养有利于其后续科研工作的顺利推进［10］。计算机视觉课程内容学科交叉性强、系统性与实践性要求高，与实际工程应用密切相关。然而，现有教学模式并未将工程实践有效融入课堂，教学过程缺少系统性思维培养与提升的助力点，更缺乏对学生创新与实践能力的训练。

2 CDIO教学模式

CDIO 是以产品和系统从研发到运行所包含的构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）和运作（Operate）4 个生命周期为载体培养学生工程实践能力与创造力的教育模式。其中，构思是指学生掌握工程实践专业知识和理论，并将理论与实践相结合进行知识运用；设计是指以项目的产品设计与规划为核心，通过研发成果解决具体工程问题；实施是指以建造或创造为核心巩固专业知识，进行一体化的课程实践；运作是指项目产品应用的各个环节。CDIO 模式的核心为一体化，着重解决工程教育中长期存在的二元分裂问题，如理论与实践、知识与能力、硬素质与软素质等之间存在的鸿沟［11］。在教学过程中引入CDIO 模式可以将理论与实践紧密结合起来，使学生从实践中总结经验、内化知识，达到提升综合能力的目的。

为促进学生实践能力的提升，CDIO 模式已被广泛应用于教学改革中。例如，姜大志等［12］提出一种基于CDIO模式的主动式项目驱动学习方法，通过建立基于Java 课程群的能力培养目标矩阵，细致刻画了课程具体培养目标，提升了学生的主导地位。该方法在激发学生学习主动性方面效果显著，但却使教师的任务和职责剧增；王向辉等［13］在数据库课程教学的各个环节中引入CDIO 模式，有效激发了学生的创造思维。然而引入CDIO 模式后带来了大容量、系统化的工程教学内容，这与有限的课堂教学时间和资源之间产生了矛盾，因此可以考虑将混合式教学与CDIO 模式相结合，充分利用翻转课堂的效率优势解决这一矛盾。例如，王志强等［14］将CDIO 模式引入单片机课程的混合式教学中，效果良好。

然而，目前基于CDIO 模式的教学改革大多面向高校本科生课程，研究生教育与本科生教育教学目标不同、课程设置各异、学情差异显著。同时，作为高阶人才，研究生的教育更突出知识、能力、素质的协调发展，在强化能力进阶的同时使道德教养、职业素质、社会责任等教育同向同行。因此，本教学团队将技术创新（Technology）、职业素质（Professionalism）教育融入CDIO 工程教育体系，提出面向研究生计算机视觉课程的TP+CDIO 混合式教学模式。

3 基于分级项目的TP+CDIO混合式教学模式

3.1 TP+CDIO模式

研究生教育强调专业化、系统化和前沿化，肩负着我国高素质创新型人才培养的重要使命。基于工程教育的培养模式，研究生教育还需融合社会认知与责任、道德与职业素养教育以迎合现代企业用人需求。因此，本文基于价值导向、面向企业需求，将学生的情感、态度和价值观提升作为教学的重要目标之一，通过引入技术创新、职业素质教育改进CDIO 体系，提出面向综合能力提升的TP+CDIO 教学模式（结构见图1），使学生以主动性、个性化、协作性、创造性的方式完成项目任务，在内化知识的同时培养创新意识，获得专业实践能力、团队协作能力、人际交往能力以及产品和系统的建造能力。

3.2 基于4个环节的混合式教学流程

Fig.1 TP+CDIO teaching model structure图1 TP+CDIO教学模式结构

为平衡系统化、复杂性高的工程项目教学内容与有限的课堂教学时间和资源配置之间的矛盾，在TP+CDIO 模式下实施混合式教学手段，构建基于分级项目的翻转课堂+小组讨论教学模式，通过设置理论与实践相互嵌套和支撑的课程体系，使学生将专业知识与工程项目实践融会贯通［15］。教学环节包括课前分组协作、多任务翻转课堂、课后讨论与评价反馈4 个环节，利用信息化工具超星学习通辅助教学过程，具体实施流程见图2。

3.2.1 课前分组协作

根据教学安排提前设计项目任务指南（导学设计），学生分组交流讨论、合作完成项目，并撰写项目总结报告、制作翻转课堂答辩课件。小组组织与分工由组长带领组员完成，每组需根据教师提供的项目指南查阅相关文献和技术资料，并遵循提出问题→构思→设计→运行→验证→总结与评价的流程完成项目任务，以锻炼学生的团队协作、自学自查和系统化解决实际工程问题的能力。

项目任务按照难度和工程复杂性分为A、B、C 3 个等级，难度和复杂性依次递增。其中，A 级为面向典型算法的仿真实现；B 级为教学团队在机器视觉领域进行科学研究和工程实践中积累的课程案例库项目；C 级为团队具有工程背景的科研项目衍生的案例或近年主流计算机视觉会议的典型竞赛题目。A 级项目为必做，B、C 级项目任选其一完成。分级制项目设计可有效对接不同能力水平的学生，实现个性化学习。简单的A 级项目使学生先巩固基础、积累经验、树立信心。随着项目难度的递增，学生会递进式地发现问题、解决问题，并从中培养不断探索、不畏困难、精益求精的工程师专业素养和持之以恒、严谨求实的学术作风。

3.2.2 多任务翻转课堂

翻转课堂包括以下3 个按照顺序执行的任务：①算法解析（个人任务）。按照课前发布的提纲随机选择学生讲解知识点和算法；③项目答辩（小组任务）。每组安排组员进行项目答辩和论证；③课内讨论（师生任务）。答辩后针对质疑的问题展开讨论和辩论。

学生通过算法解析和项目答辩完成知识的内化以及成果的展示与分享；通过课内讨论将自主学习过程中产生的个性化认知与同伴进行交流，从中释疑解惑、深化学习内容。这3 个任务环环相扣、循序渐进，递进式地将自主学习过程中的浅层认知深化为探究式学习过程中的高阶认知。

3.2.3 课后讨论

C 级项目难度较大，为选做任务，未完成的小组需要在课后以小组讨论和协作的方式构思和设计解决方案并完成论证，实现发现式学习，以期达到从解决常见工程问题到解决复杂工程问题的能力飞跃，并寻找突破口实现创造力的提升。

3.2.4 评价与反馈

学生课后需完成自评、互评以及问卷反馈，教师根据反馈结果及时调整教学思路，并为后续教学内容设置提供参考。

Fig.2 TP+CDIO blended teaching implementation process图2 三级制项目驱动的TP+CDIO混合式教学实施流程

以上4 个教学环节有序结合形成闭环，将教师、学生、信息化工具、工程项目资源有机融合，形成了一套规范化混合式教学模式。混合式教学过程凸显了学生的主体作用和教师的主导作用，通过课外的个性化学习、合作式学习以及发现式学习，课中的翻转课堂和探究式学习，学生的综合能力得到了提升，能力结构实现了进阶。

在实施过程中发现，课前的导学设计对于后续教学活动意义重大。教师首先要根据学生的学情分析和问卷反馈以学定教，有针对性地进行教学内容设置，完成项目案例筛选。在此基础上，教师需精心设计和策划案例中知识点的引入方式、分级项目的级别设计以及不同级别项目对学生各项能力指标的考量方式。教师要善于鼓励学生自主实践，引导其树立合作意识，协调个体与团队之间的矛盾，强化问题意识与创新思维，帮助学生从工程项目构思阶段的概念设计开始，经过设计、实现与运作，初步形成产品设计、系统制作的能力。

3.3 多维度评价体系

CDIO 模式重视学习效果的综合评价，要求体现教学过程评价的同时关注学习成果，其评价核心为以学评教。在此基础上，本文还将学生的学习态度纳入评价范畴，制定出包含学习过程和学习成果、面向不同阶段的多维度评价体系，以全面检验学习效果。表1 为多维度评价体系，其以过程化考核和成果化考核为标准，将课前、课中、课后以及期末考核全过程纳入其中，每项考核设计了有针对性的能力指标。

Table 1 Multidimensional evaluation system表1 多维度评价体系

4 实施效果

为检验TP+CDIO 教学模式的实施效果，随机选取学习计算机视觉课程的一个班级作为试点班，共有36 名学生，采取自愿组合的方式分为6 个学习小组，并选择一人为组长。另选择一普通班作为对照，共39 名学生，采用传统教学模式授课。因普通班未开展翻转课堂，为客观比较学习效果，仅对成果性考核的课程论文评价结果进行比较。课程论文要求学生围绕教师提供的计算机视觉会议竞赛项目议题，按照CDIO 开发流程进行项目设计、开发与论证并体现创新性和高阶性。图3 展示了两个班级各等级比例的分布情况，其中A、B、C、D 为成绩等级，分别对应优、良、中、及格，两个班级均未有论文不及格者。可以看出，试点班的论文综合水平明显高于普通班。

Fig.3 Grade distribution of experimental class and ordinary class图3 试点班和普通班成绩等级分布

通过问卷调查反馈，89%的试点班学生对TP+CDIO 教学模式表示满意，33%的学生给予了高度认可，无学生表示不满意，详见图4。绝大多数学生认为通过1 个学期的项目引导与实训，个人实践能力得到提高，并且在交流协作、人际关系、科研态度、专业精神等方面有不同程度的获益，详见图5。

Fig.4 Student satisfaction图4 学生满意度

Fig.5 Self assessment of practical ability improvement图5 实践能力提升自评

此外，在2021 年12 月举办的中国研究生创新实践系列大赛第18 届研究生数模竞赛中，试点班有9 位同学获得全国三等奖，证明经过系统的工程项目实训，试点班的部分学生已经具备了良好的创新实践能力。

5 结语

新工科背景下的研究生教育无论是偏重科学研究探索，还是强调实践问题解决，都需要创新性思维，因此创新实践能力培养成为新时代研究生教育的主旨［16］。课程团队以提升研究生创新实践能力为出发点，在计算机视觉课程中践行多层次项目驱动的TP+CDIO 混合式教学模式，以面向问题和基于项目的方式组织教学活动，通过课前合作式学习、课内翻转课堂和课后发现式学习规范化混合式教学流程；引入三级制项目任务实现学生的个性化学习和探究式学习，使其在专业指导下通过一定数量和复杂度工程项目的设计与实现，体会不同技术的功能，在获得知识的同时积累实践经验，达到技能水平和能力结构的进阶。

将理论与实践深度结合的TP+CDIO 教学方法充分体现了从做中学的教育理念，通过打造以学生学习活动为中心或本体的课堂，使学生成为教学活动的主动参与者和教学知识的创生者［17］，有效促进其高阶思维的发展与综合能力的提升。当然，学生问卷反馈中也存在一些消极信息，教学方法的革新不是一蹴而就的，需要根据每个阶段教师与学生的反馈与评价持续改进［18］。在TP+CDIO 教学模式中，课前导学设计对接学情的精准化程度、项目案例库建设的规范化与标准化程度均直接影响翻转课堂的质量与个性化学习的效果，在这两点上还需继续深入研究。