基于CDIO的面向?qū)ο筌浖こ虒?shí)踐教學(xué)模式研究

葉俊民+王敬華+李蓉+周偉+陳曙+楊艷

摘 要：針對(duì)軟件工程實(shí)踐教學(xué)存在的學(xué)生動(dòng)手能力不強(qiáng)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)差等問題，從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)維這一橫向維度以及目標(biāo)、內(nèi)容、培養(yǎng)過程和時(shí)間基線這一縱向維度出發(fā)，提出基于CDIO的面向?qū)ο筌浖こ虒?shí)踐教學(xué)模式，闡述在該模式指導(dǎo)下開展的面向?qū)ο筌浖こ虒?shí)踐教學(xué)活動(dòng)和實(shí)際效果。

關(guān)鍵詞：CDIO；軟件工程實(shí)踐；實(shí)踐教學(xué)模式

1 背 景

1.1 研究背景與研究現(xiàn)狀

軟件工程專業(yè)人才培養(yǎng)是一項(xiàng)復(fù)雜且周期很長(zhǎng)的教育活動(dòng)，面向?qū)ο筌浖こ虒?shí)踐教學(xué)是其中一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)。如何通過研究面向?qū)ο筌浖こ虒?shí)踐教學(xué)模式來提升學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，已成為一個(gè)亟待解決的問題。

麻省理工學(xué)院、瑞典皇家工學(xué)院等4所大學(xué)經(jīng)過4年的探索研究，提出并踐行了一種重要的工程理念，即CDIO。CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），可讓學(xué)生以主動(dòng)和實(shí)踐的方式學(xué)習(xí)工程，強(qiáng)化學(xué)科課程之間的關(guān)聯(lián)[1]。CDIO理論最先在機(jī)械、計(jì)算機(jī)等工程領(lǐng)域的部分專業(yè)中應(yīng)用，并取得了令人矚目的成就，如汕頭大學(xué)工學(xué)院在2005年開始學(xué)習(xí)研討CDIO工程教育模式并加以實(shí)施，讓學(xué)生的工程實(shí)踐能力得到了發(fā)展，取得明顯的效果[2]；清華大學(xué)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)兩門課中采用CDIO方法教學(xué)，使學(xué)生的編程實(shí)踐能力取得了突出進(jìn)步[3]。

關(guān)于教學(xué)模式，文獻(xiàn)[4]認(rèn)為，不論什么樣的教學(xué)模式，都包含了培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)制度、培養(yǎng)過程4個(gè)最主要的要素，這4個(gè)要素的穩(wěn)定組合構(gòu)成了培養(yǎng)模式。因此，本文認(rèn)為面向?qū)ο筌浖こ虒?shí)踐教育模式主要涉及目標(biāo)、內(nèi)容、培養(yǎng)過程等內(nèi)容。

文獻(xiàn)[5-6]總結(jié)了當(dāng)前軟件工程教學(xué)與實(shí)踐現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)相關(guān)高校基于COID提出了自己的解決思路并落實(shí)在實(shí)踐中，取得了一定成績(jī)[7-16]，如出現(xiàn)了基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)模式、基于案例研究的實(shí)踐教學(xué)模式、基于團(tuán)隊(duì)協(xié)作的實(shí)踐教學(xué)模式、基于實(shí)訓(xùn)方案的實(shí)踐教學(xué)模式等。

1.2 軟件工程實(shí)踐教學(xué)中存在的問題

軟件工程專業(yè)教育經(jīng)過多年的探索、研究和實(shí)踐，已取得了很多令人欣喜的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但軟件工程專業(yè)目前還是面臨著嚴(yán)重形勢(shì)。第一，在教師教學(xué)方面，依然存在著重理論輕實(shí)踐、片面強(qiáng)調(diào)個(gè)人學(xué)術(shù)能力而忽視團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、重視知識(shí)學(xué)習(xí)而輕視開拓創(chuàng)新能力培養(yǎng)的現(xiàn)象。第二，在學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)方面，存在學(xué)生的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)能力欠缺、溝通表達(dá)能力不足、團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)薄弱、軟件工程文檔寫作素養(yǎng)偏低等問題。第三，在創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)方面，CDIO與面向?qū)ο筌浖こ虒?shí)踐教學(xué)模式的深度融合有待進(jìn)一步研究和實(shí)踐。因此，基于CDIO的面向?qū)ο筌浖こ虒?shí)踐教學(xué)模式是一個(gè)有待進(jìn)一步研究的問題。

2 基于CDIO的面向?qū)ο筌浖こ虒?shí)踐教學(xué)模式設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

2.1.1 教學(xué)理論研究

研究基于CDIO的面向?qū)ο筌浖こ虒?shí)踐教學(xué)模式，主要以提升本專業(yè)本科生的實(shí)踐動(dòng)手能力為目標(biāo)，重點(diǎn)解決面向?qū)ο筌浖こ探虒W(xué)中的部分突出問題，主要思路包括：第一，通過研究面向?qū)ο筌浖こ讨枨蠊こ虒?shí)踐教學(xué)模式，解決軟件工程專業(yè)學(xué)生的溝通表達(dá)能力不足、團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)薄弱的問題以及軟件系統(tǒng)需求分析能力不強(qiáng)和軟件工程文檔寫作能力偏低的問題；第二，通過研究面向?qū)ο筌浖こ讨浖軜?gòu)與軟件設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)模式，解決軟件工程專業(yè)學(xué)生的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)能力欠缺的問題；第三，研究面向?qū)ο筌浖こ讨浖y(cè)試實(shí)踐教學(xué)模式，解決軟件工程專業(yè)學(xué)生的軟件測(cè)試用例設(shè)計(jì)能力與項(xiàng)目維護(hù)能力不強(qiáng)的問題。

2.1.2 實(shí)踐教學(xué)模式的實(shí)證研究

針對(duì)上述教學(xué)模式理論研究開展實(shí)證活動(dòng)，一方面通過實(shí)踐活動(dòng)檢驗(yàn)相關(guān)理論成果的正確性，同時(shí)為實(shí)踐活動(dòng)提供指導(dǎo)；另一方面分析和評(píng)估實(shí)踐活動(dòng)獲得的數(shù)據(jù)，作為進(jìn)一步改進(jìn)理論研究的依據(jù)。實(shí)證研究的主要內(nèi)容是：第一，提出基于CDIO的面向?qū)ο筌浖こ虒?shí)踐教學(xué)模式的實(shí)踐教學(xué)計(jì)劃，反映出軟件工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求；第二，制訂針對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力要求的考核指標(biāo)體系及其實(shí)證研究；第三，針對(duì)實(shí)證研究過程中所采集的數(shù)據(jù)，開展學(xué)習(xí)分析研究，以更好地預(yù)測(cè)軟件工程專業(yè)本科生的學(xué)習(xí)過程和其未來學(xué)習(xí)發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 面向?qū)ο筌浖こ虒?shí)踐教學(xué)模式

依據(jù)CDIO的面向?qū)ο筌浖こ虒?shí)踐教學(xué)模式的運(yùn)行指標(biāo)見表1。具體做法是劃分階段完成面向?qū)ο筌浖こ虒?shí)踐教學(xué)模式的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)維活動(dòng)。為此，對(duì)應(yīng)各個(gè)階段，教學(xué)目標(biāo)分別是：①構(gòu)思課程教學(xué)目標(biāo)與需求；②設(shè)計(jì)課程任務(wù)、教學(xué)過程和評(píng)價(jià)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；③分步驟實(shí)施課程任務(wù)、教學(xué)過程和評(píng)價(jià)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；④評(píng)價(jià)課程教學(xué)效果。在此基礎(chǔ)上定義了實(shí)施做法和具體的時(shí)間基線。

第一，在開課前完成構(gòu)思階段的具體目標(biāo)，具體做法是結(jié)合IT企業(yè)用人反饋，全面分析面向?qū)ο筌浖こ虒?shí)踐教學(xué)的目標(biāo)和本專業(yè)人才培養(yǎng)需求。第二，在開課前完成設(shè)計(jì)階段的具體目標(biāo)，具體做法是在開課前設(shè)計(jì)滿足課程目標(biāo)和人才培養(yǎng)需求的教學(xué)計(jì)劃和可行的教學(xué)活動(dòng)。第三，在開課前完成實(shí)施階段的具體目標(biāo)，具體做法是在實(shí)際教學(xué)過程中開展?jié)M足教學(xué)設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)，并重視收集教學(xué)活動(dòng)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，這些步驟貫穿整個(gè)教學(xué)活動(dòng)。第四，在開課后完成運(yùn)維階段的具體目標(biāo)，具體做法是依據(jù)數(shù)據(jù)開展教學(xué)效果評(píng)價(jià)活動(dòng)，為進(jìn)一步改進(jìn)該課程實(shí)踐教學(xué)提供依據(jù)，使該課程教學(xué)形成一個(gè)良性循環(huán)的生態(tài)鏈。

3 基于面向?qū)ο筌浖こ讨O(shè)計(jì)模式實(shí)踐教學(xué)的實(shí)踐活動(dòng)

3.1 教師方面需做的實(shí)證準(zhǔn)備

3.1.1 設(shè)計(jì)基于CDIO面向?qū)ο筌浖こ虒?shí)踐的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)

開課前，完成教學(xué)目標(biāo)與需求的構(gòu)思和課程教學(xué)任務(wù)、教學(xué)過程和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)工作。

第一，教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)包括面向?qū)ο蠹夹g(shù)基礎(chǔ)、UML、需求工程導(dǎo)論、軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)模式導(dǎo)論、軟件測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)。

第二，實(shí)踐內(nèi)容設(shè)計(jì)包括：①項(xiàng)目實(shí)踐內(nèi)容設(shè)計(jì)、項(xiàng)目組組成規(guī)則（組長(zhǎng)的責(zé)任、組員的責(zé)任、小組人數(shù)）、項(xiàng)目選擇環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)、自己感興趣或自己能理解的內(nèi)容；②設(shè)計(jì)模式實(shí)踐內(nèi)容設(shè)計(jì)，每人選擇一個(gè)設(shè)計(jì)模式，23個(gè)設(shè)計(jì)模式必須均有人選擇。需解決的問題包括該設(shè)計(jì)模式的工作原理、設(shè)計(jì)模式代碼結(jié)構(gòu)、測(cè)試代碼結(jié)構(gòu)，結(jié)合本組項(xiàng)目中的應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)具體說明選擇某一設(shè)計(jì)模式的理由和具體的應(yīng)用方式，給出核心代碼片段，并演示系統(tǒng)。

3.1.2 設(shè)計(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)施細(xì)則

驗(yàn)收規(guī)則設(shè)計(jì)：①項(xiàng)目驗(yàn)收規(guī)則為每組安排講座人員1～2人，講座時(shí)間15分鐘，回答問題10分鐘；②設(shè)計(jì)模式驗(yàn)收規(guī)則為每人講座時(shí)間10分鐘，回答問題5分鐘；③提交書面心得。

3.1.3 設(shè)計(jì)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)分為4檔。優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)為演示及驗(yàn)收環(huán)節(jié)全面、提交文檔完備，各個(gè)環(huán)節(jié)得分在4～5分；良好標(biāo)準(zhǔn)為演示及驗(yàn)收環(huán)節(jié)全面、提交文檔較完備，各個(gè)環(huán)節(jié)得分在3.5～4分；及格標(biāo)準(zhǔn)為演示及驗(yàn)收環(huán)節(jié)全面、提交文檔較完備，各個(gè)環(huán)節(jié)得分在3～3.5分；不及格標(biāo)準(zhǔn)為演示及驗(yàn)收環(huán)節(jié)不夠全面、提交文檔不完備，各個(gè)環(huán)節(jié)得分在3分以下。

3.1.4發(fā)布任務(wù)和要求

在正式上課第2周發(fā)布任務(wù)和要求，選擇組長(zhǎng)并進(jìn)行團(tuán)隊(duì)/小組組建，各小組選擇自己小組愿意完成的項(xiàng)目，并制訂本小組活動(dòng)規(guī)則。

3.1.5 驗(yàn)收與評(píng)價(jià)

組織該教學(xué)活動(dòng)的實(shí)施和驗(yàn)收，判定本課程學(xué)生的各項(xiàng)成績(jī)，采集并分析教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，提出整改建議。

3.2 學(xué)生方面需做的實(shí)證準(zhǔn)備

（1）問題定義環(huán)節(jié)，包括初步查詢資料，并確定將要選擇的設(shè)計(jì)模式。

（2）規(guī)劃環(huán)節(jié)，包括時(shí)間安排、小組內(nèi)活動(dòng)規(guī)則制訂。

（3）自學(xué)環(huán)節(jié)，包括定向查找資料環(huán)節(jié)（參考書、維基百科、百度百科、論文、源代碼）、理解內(nèi)容環(huán)節(jié)（閱讀各類資料、編程實(shí)現(xiàn)算法、初步數(shù)據(jù)的測(cè)試）、應(yīng)用實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)（結(jié)合具體設(shè)計(jì)模式，找到可以應(yīng)用該模式的實(shí)際需求，構(gòu)造一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng)）、擴(kuò)展環(huán)節(jié)（學(xué)習(xí)更多的設(shè)計(jì)模式，將之應(yīng)用到該應(yīng)用系統(tǒng)之中，并分析各個(gè)設(shè)計(jì)模式之間的關(guān)系，找到使用這些設(shè)計(jì)模式的規(guī)律和心得）、書面總結(jié)環(huán)節(jié)（總結(jié)自學(xué)環(huán)節(jié)的全部工作，并制作展示文檔）。

（4）研討與交流環(huán)節(jié)，包括陳述自己的工作、說明要解決的問題、所用設(shè)計(jì)模式、該設(shè)計(jì)模式的工作原理、如何結(jié)合應(yīng)用選擇設(shè)計(jì)模式、展示自己完成的應(yīng)用系統(tǒng)、說明自己學(xué)習(xí)和使用某一設(shè)計(jì)模式時(shí)的疑惑或問題、接受老師和同學(xué)的質(zhì)詢并記錄和回答相關(guān)問題（陳述自己的觀點(diǎn)，進(jìn)行辯論）。

（5）論文寫作環(huán)節(jié)，包括總結(jié)本節(jié)的第3、第4相關(guān)內(nèi)容，改進(jìn)本人的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，寫出課程論文。

4 總結(jié)與分析

4.1 實(shí)踐過程中出現(xiàn)的問題

學(xué)生在實(shí)施面向?qū)ο筌浖こ虒?shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中出現(xiàn)了各種問題。第一，UML記號(hào)使用方面的問題。主要表現(xiàn)在學(xué)生對(duì)UML符號(hào)的語義理解不深，比如在畫序列圖時(shí)對(duì)生命線長(zhǎng)度的含義理解不到位，以至于畫圖錯(cuò)誤。第二，不能靈活應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)中的核心定義，如繼承關(guān)系在需求分析中可以用于抽象相關(guān)實(shí)體。第三，對(duì)面向?qū)ο蠹夹g(shù)聚集關(guān)系理解不到位，以至于用菱形符號(hào)表示聚集關(guān)系時(shí)經(jīng)常用反。第四，前期基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)不到位，知識(shí)結(jié)構(gòu)有偏差，實(shí)踐環(huán)節(jié)沒有養(yǎng)成好的設(shè)計(jì)風(fēng)格，以至于在采用面向?qū)ο筌浖こ谭椒▽W(xué)構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)出現(xiàn)了基本的設(shè)計(jì)問題，如很多學(xué)生在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)時(shí)，常常采用一個(gè)表單概括整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特征。第五，數(shù)學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力薄弱，以至于學(xué)生在構(gòu)造系統(tǒng)過程中遇見一些關(guān)鍵問題時(shí)，即便有教師指出方向，也不知所措。

4.2 解決問題的主要措施

針對(duì)學(xué)生在實(shí)施面向?qū)ο筌浖こ虒?shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的各種問題，筆者主要采取了如下措施。第一，從細(xì)節(jié)入手，遇到實(shí)際問題馬上討論并解決。第二，要求學(xué)生回頭查閱各種課程教材或參考書，重溫相關(guān)章節(jié)的內(nèi)容，結(jié)合實(shí)際問題的解決過程，做到相關(guān)知識(shí)應(yīng)用的融會(huì)貫通。第三，對(duì)于學(xué)生不太熟悉的內(nèi)容，教師指導(dǎo)學(xué)生在網(wǎng)上搜索恰當(dāng)?shù)馁Y料進(jìn)行學(xué)習(xí)或討論。第四，通過案例讓學(xué)生快速上手，由指導(dǎo)教師通過簡(jiǎn)單有效的案例（包括數(shù)據(jù)和計(jì)算過程），讓學(xué)生快速掌握其中的方法和原理。第五，給出相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的框架和部分代碼，讓學(xué)生構(gòu)造一個(gè)較為完整的應(yīng)用系統(tǒng)解決方案，深刻體會(huì)軟件重用的思路和項(xiàng)目開發(fā)過程的完整環(huán)節(jié)。第六，注重角色扮演，讓小組中的學(xué)生輪流扮演不同角色，體會(huì)項(xiàng)目活動(dòng)中各利益相關(guān)者的觀點(diǎn)，養(yǎng)成換位思考的習(xí)慣。第七，堅(jiān)持在項(xiàng)目開發(fā)中結(jié)合軟件工程理論課程的重要觀點(diǎn)。第八，通過總結(jié)和項(xiàng)目開發(fā)討論會(huì)形式讓不同小組的學(xué)生交流項(xiàng)目開發(fā)過程中的經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié) 語

通過分析與研究軟件工程實(shí)踐教學(xué)中存在的學(xué)生動(dòng)手能力不強(qiáng)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)差等問題，本研究從橫向（構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)維階段）和縱向（目標(biāo)、內(nèi)容、培養(yǎng)過程和時(shí)間基線）兩個(gè)維度出發(fā)，提出了基于CDIO的面向?qū)ο筌浖こ虒?shí)踐教學(xué)模式，并在該實(shí)踐教學(xué)模式指導(dǎo)下，開展了面向?qū)ο筌浖こ虒?shí)踐教學(xué)活動(dòng)。實(shí)際效果表明，該模式下的實(shí)施方案能與面向?qū)ο筌浖こ虒?shí)踐教學(xué)中的教與學(xué)、學(xué)中做等解決方案有機(jī)融合，使學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力得到提升，同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。未來將引入線上學(xué)習(xí)平臺(tái)，通過該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，并在學(xué)習(xí)分析技術(shù)的幫助下實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的檢測(cè)、預(yù)測(cè)與推薦，使面向?qū)ο筌浖こ虒?shí)踐教學(xué)向個(gè)性化方向發(fā)展。

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（編輯：孫怡銘）