工程認(rèn)證背景下數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)實踐

鄭彬彬， 王海龍， 徐 飛

(中原工學(xué)院 計算機(jī)學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

2016年6 月，我國成為工程教育學(xué)位互認(rèn)協(xié)議《華盛頓協(xié)議》的正式會員。加入《華盛頓協(xié)議》，能夠推進(jìn)我國工程教育改革，提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量。這是實現(xiàn)工程師資格國際互認(rèn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，對我國工程技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)對國際競爭、走向世界具有重要意義。

工程教育專業(yè)認(rèn)證有三大核心理念: 成果導(dǎo)向(Outcome Based Education，OBE)、以學(xué)生為中心和持續(xù)改進(jìn)。成果導(dǎo)向教育是一種以學(xué)生的學(xué)習(xí)成果(Learning outcomes)為導(dǎo)向的教育理念，認(rèn)為教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施的目標(biāo)是學(xué)生通過教育后所取得的學(xué)習(xí)成果。成果導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計遵循反向設(shè)計(Backward Design)原則[1-2]。

2017年，中原工學(xué)院開始籌備工程教育專業(yè)認(rèn)證工作，計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)成為首批6個試點專業(yè)之一。計算機(jī)學(xué)院依據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，以學(xué)生為中心，在廣泛社會和市場調(diào)研的基礎(chǔ)上，確定了面向社會發(fā)展需求、適應(yīng)計算機(jī)行業(yè)技術(shù)發(fā)展及國際化需求的培養(yǎng)目標(biāo)。以培養(yǎng)目標(biāo)為依托，制定了計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)要求，并將其分解為可衡量的指標(biāo)點。基于畢業(yè)要求，建立了相關(guān)的課程體系，并構(gòu)建了課程與能力指標(biāo)點對應(yīng)的能力矩陣，以期培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜問題的能力。數(shù)據(jù)庫是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門重要專業(yè)課，對培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)科素養(yǎng)和工程實踐能力非常重要。本文依據(jù)反向設(shè)計原則，對數(shù)據(jù)庫課程的教學(xué)設(shè)計進(jìn)行了改革和創(chuàng)新，旨在為學(xué)院的工程教育專業(yè)認(rèn)證工作提供借鑒，進(jìn)而提高計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生的工程教育質(zhì)量。

1 反向設(shè)計的教育理念

反向設(shè)計的思想是由美國著名教育學(xué)家、課程理論專家Ralph Tyler在1949年談到目標(biāo)陳述時首次提出的[3]。1998年，在《Understanding by design》一書中，WIGGINS等首次將“反向設(shè)計”這個術(shù)語引入課程的設(shè)計中，書中認(rèn)為最有效的教學(xué)設(shè)計應(yīng)該是反向的。反向設(shè)計的定義為：教師從教學(xué)的結(jié)果——預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)出發(fā)，根據(jù)目標(biāo)對學(xué)生學(xué)習(xí)的要求以及為達(dá)到此要求而實施的教學(xué)手段和措施等來設(shè)計課程[4]。圍繞目標(biāo)開展教學(xué)能夠確保教學(xué)過程不偏離、不松散，從而促進(jìn)學(xué)生更好地理解教學(xué)過程。反向設(shè)計不同于傳統(tǒng)的課程設(shè)計過程，首先從目標(biāo)入手，然后選擇評價方式，最后設(shè)計教學(xué)過程。

反向設(shè)計的3個階段為：①確定預(yù)期達(dá)到的學(xué)習(xí)效果/學(xué)習(xí)目標(biāo)；②設(shè)計支持預(yù)期學(xué)習(xí)效果的評估方案；③設(shè)計能產(chǎn)生預(yù)期效果的教學(xué)/學(xué)習(xí)活動。反向設(shè)計過程如圖1所示。

圖1 反向設(shè)計過程示意圖

1.1 確定預(yù)期達(dá)到的學(xué)習(xí)效果

工程教育認(rèn)證的根本目的，是考核“教育產(chǎn)出”(學(xué)生學(xué)到什么)，而非“教育輸入”(教師教什么)，也就是更加關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。反向設(shè)計是從行業(yè)和社會需求開始，由需求決定專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，再由培養(yǎng)目標(biāo)確定學(xué)生的畢業(yè)要求，最后根據(jù)畢業(yè)要求設(shè)置專業(yè)課程體系。以培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求為導(dǎo)向，通過課程體系的設(shè)置、師資隊伍的配備和支持條件的配置等來保證各類課程教學(xué)的有效實施，并通過完善的質(zhì)量保障制度推進(jìn)專業(yè)質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)和提高，最終保證學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量滿足要求。

1.2 設(shè)計支持預(yù)期學(xué)習(xí)效果的評估方案

確定預(yù)期學(xué)習(xí)效果后，需要有一個相應(yīng)的評估體系來衡量學(xué)生是否達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)效果，達(dá)到哪種程度。這個評估體系既要關(guān)注學(xué)生對知識和技能的掌握，又要重視學(xué)生綜合應(yīng)用能力的發(fā)展，同時還要關(guān)注其在學(xué)習(xí)過程中的情感態(tài)度和參與表現(xiàn)。在反向設(shè)計中，學(xué)習(xí)效果的評價方案必須與預(yù)期學(xué)習(xí)效果保持高度一致[5-6]。

科學(xué)的評價體系是達(dá)成學(xué)習(xí)效果的重要保障，不僅要做到真實有依據(jù)，起到檢測、激勵、促進(jìn)學(xué)生發(fā)展的作用，而且也要涉及到對深層次學(xué)習(xí)(Deeper Learning)[7]的評估。深層次的學(xué)習(xí)本意是強(qiáng)調(diào)理解重于識記的學(xué)習(xí)，在布魯姆教育目標(biāo)分類學(xué)(Bloom’s Taxonomy of Educational Objectives)中它屬于較高的層次[8]，如圖2所示。在實際教學(xué)中，會把涉及到應(yīng)用、評價、分析、創(chuàng)新等范圍的學(xué)習(xí)作為深層次學(xué)習(xí)來對待。

圖2 布魯姆教育目標(biāo)分類法

1.3 設(shè)計能達(dá)到預(yù)期學(xué)習(xí)效果的教學(xué)活動

近年來，高校教育的教學(xué)設(shè)計有了長足的改進(jìn)和發(fā)展。但是不少教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計時依然是從選擇要講授的內(nèi)容、教學(xué)大綱和課堂活動入手，重點關(guān)注了教師的“教授”——要講授哪些知識，如何組織這些知識，如何去講授，要達(dá)到什么樣的效果；將知識輸入的過程作為主要的考慮內(nèi)容，而作為教學(xué)主體的學(xué)生的“學(xué)習(xí)”，也就是學(xué)生知識接收的過程被放在了次要位置。

而OBE理念中，教學(xué)關(guān)注的重點應(yīng)該是“學(xué)”，所有的教學(xué)活動應(yīng)該圍繞“學(xué)”展開，建構(gòu)“教”與“學(xué)”的一致性[9]。教師要從學(xué)生的學(xué)習(xí)效果或?qū)W習(xí)目標(biāo)(即教學(xué)活動完成之后，學(xué)生將會獲得哪些關(guān)鍵知識和技能，使用這些知識技能，他們可以解決什么問題)開始著手，根據(jù)學(xué)生預(yù)期要達(dá)到的學(xué)習(xí)效果來設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)活動，從而將關(guān)注的重點放在學(xué)生的“學(xué)”上，使學(xué)生樂意學(xué)、學(xué)得會。

2 數(shù)據(jù)庫課程的教學(xué)設(shè)計改革

2.1 設(shè)定課程學(xué)習(xí)目標(biāo)

數(shù)據(jù)庫是計算機(jī)領(lǐng)域一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，內(nèi)容涉及數(shù)據(jù)庫的基本理論和概念、設(shè)計方法、應(yīng)用開發(fā)、管理和新技術(shù)等，是軟件開發(fā)和維護(hù)必不可少的技術(shù)基礎(chǔ)，其應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及社會上各個行業(yè)。在工程教育專業(yè)認(rèn)證思想的指導(dǎo)下，基于學(xué)生的畢業(yè)要求，本文對數(shù)據(jù)庫這門專業(yè)課程的教學(xué)設(shè)計進(jìn)行了改革與創(chuàng)新。將數(shù)據(jù)庫課程的性質(zhì)、教學(xué)內(nèi)容、在整個課程體系結(jié)構(gòu)中的位置和作用、教學(xué)環(huán)境、本校學(xué)生的具體情況等全部納入考慮范圍，確定了這門課程支撐畢業(yè)要求的4個指標(biāo)點。

地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性評價的指標(biāo)體系中各指標(biāo)重要性是不同的，合理確定權(quán)重是提高評價結(jié)果可靠性的關(guān)鍵點之一。利用熵值法計算出了各指標(biāo)的權(quán)重w=( 0.103 1,0.104 5,0.105 4,0.103 6,0.104 6,0.105 7,0.105 8,0.105 8,0.056 9,0.104 6)。

(1) 能用計算機(jī)科學(xué)的基本原理、典型方法、基本概念和理論描述復(fù)雜計算機(jī)工程問題。

(2) 能夠建立合適的模型,表達(dá)復(fù)雜計算機(jī)工程問題。

(3) 能夠正確選擇和使用恰當(dāng)?shù)钠脚_、技術(shù)、資源和工具，對復(fù)雜計算機(jī)工程問題進(jìn)行合理的模擬和預(yù)測。

(4) 能夠按照設(shè)計方案進(jìn)行軟硬件系統(tǒng)或組件的開發(fā)和實現(xiàn)。

根據(jù)以上指標(biāo)點，確定了計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫這門課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

(1) 掌握數(shù)據(jù)庫的基本概念、原理和開發(fā)方法，能對計算機(jī)領(lǐng)域中復(fù)雜工程問題的解決方案進(jìn)行分析和處理。

(2) 能夠運用數(shù)據(jù)庫知識對實際工程中的業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行抽取和正確表達(dá)，并能夠映射到計算機(jī)中。

(3) 能夠運用數(shù)據(jù)庫知識設(shè)計并規(guī)劃實際工程項目。

(4) 能夠運用數(shù)據(jù)庫知識、計算機(jī)語言進(jìn)行數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)。

2.2 設(shè)計評估方案

傳統(tǒng)的評估方式有過程性評價(如課堂表現(xiàn)評價、觀察和對話、不同階段的學(xué)生自我評價和互相評價等)和終結(jié)性評價(如期末考試等)。本文依據(jù)反向設(shè)計理念和數(shù)據(jù)庫課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)，設(shè)計了如下評價體系，如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)庫課程評價體系

平時作業(yè)、課堂討論參與度、期末成績、課程報告這幾部分考核支持學(xué)習(xí)目標(biāo)(1)-(2)，實驗和實踐大作業(yè)的考核支持學(xué)習(xí)目標(biāo)(2)-(4)。其中平時作業(yè)、課堂討論參與度、期末成績這幾部分考核主要屬于識記、理解、應(yīng)用、分析層次；實驗和實踐大作業(yè)的考核屬于知識應(yīng)用和創(chuàng)新層次；課程報告則屬于分析、評價層次。這些考核方式既包含了對識記、理解、應(yīng)用等初級認(rèn)知學(xué)習(xí)的評估，也包含了對分析、評價、創(chuàng)造等深層次認(rèn)知學(xué)習(xí)的評估。

在制定具體評估細(xì)則時用到了規(guī)則矩陣(Rubrics)，這個矩陣描述了具體知識點的學(xué)習(xí)目標(biāo)、評估梯度級別和針對該級別的答案的具體描述。對一門具體課程制定評估細(xì)則時，按照第一階段制定的學(xué)習(xí)目標(biāo)和確定給分的評估梯度來繪制評分規(guī)則矩陣。在此階段，以定量或者定性指標(biāo)的方式來具體描述對學(xué)習(xí)目標(biāo)完成情況的評判。這種方式不僅適用于考試、作業(yè)等書面任務(wù)的評估，也適用于實踐環(huán)節(jié)動手能力的評估。圖3是一個簡單的規(guī)則矩陣的例子，展示了在對一個具體應(yīng)用問題進(jìn)行數(shù)據(jù)庫概念模型設(shè)計時的評分細(xì)則。

圖3 數(shù)據(jù)庫概念模型設(shè)計評分細(xì)則(滿分100)

2.3 設(shè)計教學(xué)活動

數(shù)據(jù)庫課程的先修課是程序設(shè)計語言和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在講授這門課時學(xué)生已經(jīng)具有了一定的程序設(shè)計基礎(chǔ)和編程經(jīng)驗。這門課程的特點是理論知識點不太多，但系統(tǒng)性強(qiáng)、實踐操作性強(qiáng)、工程應(yīng)用性強(qiáng)。

針對數(shù)據(jù)庫課程的特點，為了達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)，采用基于案例的教學(xué)法(Case Based Learning, CBL)[10]，結(jié)合現(xiàn)實生活中一個具體的例子(教務(wù)處學(xué)生選課系統(tǒng))，將數(shù)據(jù)庫設(shè)計的整個過程分步講授，同時結(jié)合實踐操作。

按照數(shù)據(jù)庫設(shè)計的6個階段，每當(dāng)講授完一階段的理論，立即開展實驗教學(xué)，讓學(xué)生在具體的工程實踐中體會和掌握所學(xué)習(xí)的知識。例如在完成數(shù)據(jù)庫設(shè)計的第二步——“數(shù)據(jù)庫概念模型設(shè)計”這一階段的理論講授之后，讓同學(xué)們結(jié)合實際生活進(jìn)行分析，歸納出教務(wù)處學(xué)生選課系統(tǒng)中涉及的所有人、事、物類型，設(shè)計出數(shù)據(jù)庫概念模型(實體-聯(lián)系模型，又稱E-R模型)，并分小組討論各自設(shè)計方案的優(yōu)缺點和改進(jìn)策略，最后各小組推選代表進(jìn)行匯報。

為培養(yǎng)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)(active-learning)能力，將其中部分難度較低、易于自學(xué)的章節(jié)(如SQL語言程序設(shè)計)以翻轉(zhuǎn)課堂的形式進(jìn)行。讓學(xué)生在課前閱讀教材和相關(guān)資料，觀看微課視頻，了解相關(guān)理論知識，課堂上采用對部分有難度的知識點進(jìn)行個人思考、分組討論、小組代表演示討論結(jié)果(think-pair-share)，最后由老師點評總結(jié)的教學(xué)方式進(jìn)行。

這種教學(xué)活動充分體現(xiàn)了 “以學(xué)生為中心”的教育理念，方式多變、互動性強(qiáng)、學(xué)生參與度高，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動性、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。通過對項目實施過程中的問題進(jìn)行歸納總結(jié)，能夠達(dá)到知識的升華和應(yīng)用能力的提高。教學(xué)改革兩年來的實踐證明，學(xué)生的編程能力和工程實踐能力有較大幅度提升。

數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)改革取得的成績，為計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的工程教育專業(yè)認(rèn)證工作提供了較好的思路。在未來的教學(xué)中，更多的計算機(jī)專業(yè)課程會被納入反向教學(xué)設(shè)計改革計劃中，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和實踐的教學(xué)方法也會越來越廣泛地引入到教學(xué)工作中來，以確保課程目標(biāo)能夠達(dá)成，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

3 結(jié)語

“反向設(shè)計”作為一種有效的教學(xué)設(shè)計方法被廣泛接受，但依然存在一些不足，比如：對于教學(xué)經(jīng)驗不足的老師來說，如何準(zhǔn)確地確定學(xué)習(xí)目標(biāo)是比較困難的；教學(xué)效果更多的是根據(jù)學(xué)生的成功程度來衡量，但學(xué)生接受能力和學(xué)習(xí)能力的多樣性等也需要被考慮進(jìn)去。教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)對象的多樣性決定了教學(xué)設(shè)計方法的多樣性，“反向設(shè)計”也需要與其他教學(xué)理念相結(jié)合，以取長補(bǔ)短，科學(xué)設(shè)計教學(xué)活動。

如何最大化地將工程教育專業(yè)認(rèn)證的理念真正融入到專業(yè)課程的教學(xué)中、推進(jìn)我國工程教育改革、提高高校工程教育質(zhì)量、培養(yǎng)社會發(fā)展需要的畢業(yè)生，依然是一個需要不斷地進(jìn)行探索、改革、實踐的課題。