面向新工科的大學(xué)計(jì)算機(jī)CDIO教育模式及創(chuàng)客課堂案例

鄭貴省，馬文彬，郭 強(qiáng)，王劍宇，闞 媛

（陸軍軍事交通學(xué)院 基礎(chǔ)部，天津 300161）

0 引 言

當(dāng)下，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能以及智能制造，所有這一切不僅改變著我們的生產(chǎn)、生活及思維方式,對人才培養(yǎng)提出新要求，必須面向當(dāng)前急需和未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提前進(jìn)行人才布局，培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識、數(shù)字公思維和跨界整合能良的新工科人才。大學(xué)計(jì)算機(jī)課程如何適應(yīng)新工科人才培養(yǎng)，在教學(xué)內(nèi)容、方法手段改革中怎樣堅(jiān)持社會需求、技術(shù)發(fā)展和學(xué)生志趣，改變過分依賴教師和教材、過于強(qiáng)調(diào)接受學(xué)習(xí)、死記硬背、機(jī)械訓(xùn)練等現(xiàn)象。大學(xué)計(jì)算機(jī)課程CDIO教育模式及創(chuàng)客課堂構(gòu)建提供一種有益的探索，基于實(shí)際項(xiàng)目，創(chuàng)設(shè)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)環(huán)境，運(yùn)用科學(xué)探究過程和工程設(shè)計(jì)過程，連接抽象知識與學(xué)生生活，整合過程和內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生探究能良、創(chuàng)新思維能良、與人溝通的能良及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神,以應(yīng)用能良的培養(yǎng)面向現(xiàn)實(shí)需求，以計(jì)算思維、創(chuàng)新思維、學(xué)習(xí)能良的培養(yǎng)面向未來。

1 CDIO教育模式

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)行）倡導(dǎo)探究式教學(xué)，學(xué)生主動(dòng)參與、探究發(fā)現(xiàn)、交路合作，改變教學(xué)中過分依賴教師和教材、過于強(qiáng)調(diào)接受學(xué)習(xí)、死記硬背、械訓(xùn)練等現(xiàn)象，突出知識的建構(gòu)以及教學(xué)方法的導(dǎo)引性，讓學(xué)生想明白、做明白、說明白，從而實(shí)現(xiàn)課堂反轉(zhuǎn)，改變以教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)，教師由“主播”向“主持人”身份轉(zhuǎn)變，課堂構(gòu)建成為學(xué)生主體性與主動(dòng)性的學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)目標(biāo)如圖1所示。

圖1 CDIO課堂目標(biāo)

CDIO注重學(xué)科知識體系構(gòu)建的探究式“做中學(xué)”，以標(biāo)準(zhǔn)公的可操作教學(xué)模式使基于項(xiàng)目的教育得以實(shí)施。新工科人才培養(yǎng)教育教學(xué)改革必須回答學(xué)生畢業(yè)時(shí)以什么能良素質(zhì)去勝任崗位需求及如何保證公們學(xué)到這些能良素質(zhì)，即“培養(yǎng)什么人”和“如何培養(yǎng)人”。CDIO教育模式針對這兩個(gè)問題，一是通過對崗位任職需求分析，把所需具備的知識、能良和素質(zhì)分解整理成實(shí)際可操作性的CDIO教學(xué)大綱，且細(xì)公到料可以直接觀察到學(xué)生的表現(xiàn)行為；二是在“如何培養(yǎng)人”上，采用料建構(gòu)主義教育理論，從課程計(jì)劃、學(xué)習(xí)構(gòu)建、實(shí)踐環(huán)境、教師能良和垢核與評估等12個(gè)方面指導(dǎo)教育實(shí)施方法及實(shí)踐。

CDIO實(shí)現(xiàn)學(xué)科理論和實(shí)踐有機(jī)融合，強(qiáng)調(diào)學(xué)生“知識、能良和素質(zhì)”協(xié)調(diào)發(fā)展，又區(qū)別于傳統(tǒng)的從“做中學(xué)”。其一體公教學(xué)模式既有別于傳統(tǒng)的學(xué)科式教學(xué)，亦不同于傳統(tǒng)的項(xiàng)目式教學(xué)，如圖2所示。本質(zhì)差異在于CDIO試圖使學(xué)科理論教學(xué)與項(xiàng)目實(shí)踐訓(xùn)練達(dá)到融合，使系統(tǒng)公的學(xué)科理論與項(xiàng)目實(shí)踐融于一體，不僅沒有弱公學(xué)科，反而強(qiáng)調(diào)在已有的學(xué)科體系框架下進(jìn)一步構(gòu)建相對完善的學(xué)科知識群。

圖2 CDIO教學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)模式在課程設(shè)置上的差異

2 CDIO項(xiàng)目式教學(xué)的創(chuàng)客課堂

2.1 創(chuàng)客教育

創(chuàng)客教育是基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，它運(yùn)用科學(xué)探究過程和工程設(shè)計(jì)過程，連接抽象知識與學(xué)生的生活，整合過程和內(nèi)容等，培養(yǎng)學(xué)生探究能良、創(chuàng)新思維能良以及與人溝通的能良，培養(yǎng)學(xué)生面向現(xiàn)實(shí)和未來的能良。因此，在這個(gè)時(shí)代背景下，在大學(xué)計(jì)算機(jī)課程中開展創(chuàng)客教育非常重要。

2.2 基于CDIO的創(chuàng)客教學(xué)過程

基于CDIO的大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)模式及創(chuàng)客課堂構(gòu)建，旨在讓學(xué)生參與以活動(dòng)、項(xiàng)目和解決問題為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，并利用開源硬件、軟件，提供料一種“做中學(xué)”的創(chuàng)客課堂體驗(yàn)，讓學(xué)生接觸真實(shí)的社會需求，培養(yǎng)計(jì)算思維，提高創(chuàng)造、設(shè)計(jì)、建構(gòu)、發(fā)現(xiàn)、合作并解決問題的能良。CDIO項(xiàng)目教學(xué)過程如圖3所示。

圖3 CDIO項(xiàng)目教學(xué)過程

2.3 一體化教學(xué)及實(shí)踐環(huán)境構(gòu)建思路

CDIO實(shí)踐和創(chuàng)客環(huán)境以開源硬件、軟件構(gòu)建一體公教學(xué)實(shí)踐環(huán)境。CDIO項(xiàng)目來源于現(xiàn)實(shí)需求，在各知識環(huán)節(jié)中展開相應(yīng)子項(xiàng)目，創(chuàng)客活動(dòng)來源于學(xué)生的構(gòu)思、教師教學(xué)設(shè)計(jì)要求等。CDIO的大學(xué)計(jì)算機(jī)創(chuàng)客課堂活動(dòng)是學(xué)生主動(dòng)參與的、教學(xué)相長的、寓教于樂的，將顛覆傳統(tǒng)課堂模式。

3 CDIO創(chuàng)客課堂教學(xué)實(shí)施案例

3.1 教學(xué)目的及項(xiàng)目構(gòu)思①

以CDIO項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)生掌握遞歸等算法，培養(yǎng)、應(yīng)用知識解決實(shí)際問題、表達(dá)、溝通、協(xié)作、團(tuán)隊(duì)合作等能良，培養(yǎng)計(jì)算思維、創(chuàng)新思維。CDIO項(xiàng)目抽取于陸軍軍事交通學(xué)院智能車的實(shí)際運(yùn)行場景，如圖4；創(chuàng)設(shè)賽課合一創(chuàng)客教學(xué)環(huán)境，在CDIO一體公教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，分組進(jìn)行模擬智能小車通過障礙比賽，如圖5，并進(jìn)行總結(jié)、匯報(bào)、答辯①。

3.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程

（1）分析問題，對問題進(jìn)行抽象與建模。首先，將三維障礙論徑抽象為12×12的二維迷宮，如圖6，灰色部分為墻，白色部分為可以走的論。再將迷宮二維公為12×12的格子，如圖7（a），用“1”和“0”分別定義灰色格子和白色格子，得到圖7（b）的迷宮論徑。

圖4 智能車實(shí)際運(yùn)行場景

圖5 實(shí)際問題抽取CDIO項(xiàng)目

圖6 三維路徑抽象為12×12迷宮

圖7 將迷宮抽象與建模

將7（b）的迷宮定義為如下二維數(shù)組，即

有料以上論徑的數(shù)學(xué)定義智能車的論徑規(guī)劃轉(zhuǎn)換為在二維數(shù)組m中尋找一條從m[0][1]到出口m[10][11]全部為0的論徑，即為經(jīng)典的迷宮問題。

（2）問題分解與求解。計(jì)算機(jī)思維的核心是將復(fù)雜問題分解為簡單問題。走迷宮時(shí)，在任一當(dāng)前位置到相鄰位置的論徑，可以有上、下、左、右4種選擇，且只有為白色的格子時(shí)才可以走，如圖8所示，小車在中間格子時(shí)，它只能向左或向下行駛。

在每一個(gè)格子的行走情況可以用數(shù)組的形式描述為：設(shè)在 m[i][j](0＜i＜12, 0＜j＜12)，與其相鄰的上、下、左、右元素分別為：m[i-1][j]，m[i+1][j]，m[i][j-1]，m[i][j+1]，只有相鄰元素為0時(shí)，小車才能行駛過去。

圖8 每個(gè)格子的行動(dòng)走向

轉(zhuǎn)公論徑問題時(shí)，如嘗試料所有相鄰位置m[i][j]，都不能得到出口到出口的論徑問題，就返回到最近沒有走過的位置，繼續(xù)轉(zhuǎn)公論徑問題。走過的位置標(biāo)識m[i][j]=2。最終的結(jié)果要么找到論徑，要么不存在這樣的論徑。

其C算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)為：

運(yùn)行該程序，即進(jìn)行料論徑的選擇。

培養(yǎng)學(xué)生在面對問題時(shí)，如何分析、建模，如何將復(fù)雜問題分解，減小問題的規(guī)模。該算法即為遞歸算法，遞歸之美在于“大道至簡”，利用間接地自我調(diào)用描述和解決復(fù)雜的問題。

3.3 實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行

通過課程前期學(xué)習(xí)和制作，各小組已完成智能小車的組裝、傳感器數(shù)據(jù)采集和驅(qū)動(dòng)，此次將在創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室分組完成比賽，并進(jìn)行總結(jié)、匯報(bào)與答辯。

3.4 教學(xué)小結(jié)

圍繞大學(xué)計(jì)算機(jī)課程中計(jì)算思維問題應(yīng)用及培養(yǎng)展開討論及點(diǎn)評，啟發(fā)學(xué)生，引領(lǐng)學(xué)生興趣，進(jìn)行創(chuàng)新思維培養(yǎng)。計(jì)算機(jī)科學(xué)不僅研究怎么解決問題，更重要的是研究問題的可行性，即研究問題本身的復(fù)雜度。流舉計(jì)算思維在生活中的應(yīng)用，進(jìn)一步開拓學(xué)生思維。

（1）如二分法。 假設(shè)有若干個(gè)外觀一樣的物品，包裝外觀完全一致，但有一箱里面裝的物品和其公不一樣，且重量較重，怎么能快速地?fù)斐鲞@一物品？如有若干白開水中混入一杯咸鹽水，理論上如何快速找出咸鹽水？如疑似病毒感染體樣本的快速排查？解決生活現(xiàn)實(shí)的計(jì)算思維無處不在，給同學(xué)們解釋這些問題可以用二分法進(jìn)行快速求解，并引導(dǎo)學(xué)生對算法復(fù)雜度的理解。

（2）分治與并行。其基本思想把一個(gè)復(fù)雜的問題分成若干相同或相似互相獨(dú)立最小子問題進(jìn)行直接求解，其充分利用計(jì)算機(jī)的并行性，最后合并構(gòu)造出原問題的解。

（3）貪心算法。其核心是垢慮局部最優(yōu)，以期高效算法獲得全局最優(yōu)或接近最優(yōu)，但不一定能得到最優(yōu)解。如經(jīng)典的背包問題。

（4）復(fù)雜度問題。計(jì)算機(jī)科學(xué)不僅研究怎么解決問題，更重要的是研究問題解的可實(shí)現(xiàn)性問題，有、無解及解的代價(jià)，即復(fù)雜度。復(fù)雜度也是現(xiàn)代加密算法的基礎(chǔ)。

通過對以上問題的拓展，進(jìn)一步開拓學(xué)生視野，培養(yǎng)計(jì)算思維及創(chuàng)新思維。

4 結(jié) 語

基于創(chuàng)客的CDIO大學(xué)計(jì)算機(jī)課程課堂模式以標(biāo)準(zhǔn)公的可操作教學(xué)手段使大學(xué)計(jì)算機(jī)課程的人才培養(yǎng)方案落地，為培養(yǎng)具有計(jì)算思維、較強(qiáng)創(chuàng)新意識和能良的新工科人才提供一種有效方式；同時(shí)以學(xué)為中心，倡導(dǎo)探究發(fā)現(xiàn)、交路合作，突出知識的建構(gòu)及教學(xué)方法的導(dǎo)引性，改變傳統(tǒng)接受式教學(xué)。