模型理念在CDIO培养中的重要作用

袁满，富宇，郭玲玲（东北石油大学计算机与信息技术学院，黑龙江 大庆163318）

佟喜峰，张方舟 （东北石油大学计算机与信息技术学院，黑龙江 大庆163318）

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果，是基于工程项目全过程的学习模式，是对以课堂讲课为主的教学模式的一种创新改革。从2000年起，麻省理工学院和瑞典皇家工学院等4所大学组成的跨国研究机构，经过4年的探索研究，创立了CDIO工程教育理念，并成立了以CDIO命名的国际合作组织。中国教育部也十分重视CDIO工程教育模式，并给予了一定经费支持［1－2］。所谓CDIO教育模式，即将学生的能力培养分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力4个层面，每门主干课程均配有实践环节，从构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）4个方面对学生加以训练。CDIO人才培养模式以探究式课堂教学（Inquiring－based Learning）和实践教学（Experimental Learning）为主要特色，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式开展专业课程的学习［3］。CDIO是倡导“做中学”（Leading by doing）和“基于项目的教育和学习”（Project based on education and learning）的新型教学模式［4］，以工程项目从研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程，培养学生的工程能力、职业道德、学术知识、运用知识解决问题的能力、终生学习能力、团队协作能力、交流能力和大系统掌控能力［5］，从而培养既有过硬的专业技能，又有良好的职业道德的国际化工程师［6］。

尽管CDIO教育模式具有很多优点，但是，随着CDIO教育理念的深入，部分教育工作者和学生出现了重实践轻理论的现象。笔者在多年计算机科学与技术教学中发现，“模型”这一概念贯穿着每门专业课程始终。因此，建议主讲教师深入理解这一概念，并将这一概念融入到专业课的教学中去，从而使学生更加容易地理解并掌握专业知识。

1 模型思想

模型是所研究的系统、过程、事物或概念的一种表达形式，也可指根据实验、图样放大或缩小而制作的样品，一般用于展览或实验或铸造机器零件等用的模子。

模型的分类具有多种形色，关注的维度不同，其分类结果也不尽相同，具体分类有以下几种分类法：

1）按用途分类，包括房地产模型（可分为住宅模型、商业模型、户型模型、别墅模型、地标）、城市规划模型、区域模型、数字模型、环境景观模型、方案模型、工业模型（可分为军事模型、机械模型、车辆模型）、桥梁模型等。

2）按技术分类，包括传统模型、数字化沙盘、多媒体模型、虚拟漫游、半境画模型、互动投影沙盘等。

3）按材料分类，包括木质模型、水晶模型、ABS树脂模型、金属模型等。

模型可以取各种不同的形式，不存在统一的分类原则。按照模型的表现形式可以分为物理模型、数学模型、结构模型和仿真模型，这些模型在计算机科学与技术专业理论课中均有体现。

2 计算机科学与技术专业中理论模型透视

2.1 《数据结构》课程中的图模型

计算机科学与技术专业课程《数据结构》中的图模型属于结构模型范畴。图模型由点和线组成，用以描述系统的图形。图模型可用于描述自然界和人类社会中的事物和事物之间的关系，可以利用图论作为工具进行图模型建模；基于图的性质进行系统分析，从而为各种系统研究，特别是复杂系统研究提供了一种有效的方法。构成图模型的图形不同于一般的几何图形，如它的每条边可以被赋以权，组成加权图；权可取一定数值，用以表示距离、流量、费用等。

图模型广泛应用于自然科学、工程技术、社会经济和管理等方面，如动态结构图、信号流程图、计划协调技术、图解协调技术、风险协调技术、网络技术、网络理论等。因此，在讲授图论的内容时，一定要讲图的基本理论，通过这种模型的形式讲全、讲透，特别要强调图的应用领域。之后，在CDIO中的实践过程中，结合这些理论，设计出不同的实践课的内容，让学生通过编程实现基于图模型的最优解计算，从而使学生深深体会到图模型的广泛应用。

2.2 计算机网络课程中的模型体系结构

为了解决不同体系结构的网络的互联问题，国际标准化组织ISO于1981年制定了开放系统互连参考模型（Open System Interconnection Reference Model，OSI／RM）。这个模型把网络通信的工作分为7层，它们由低到高分别是物理层（Physical Layer），数据链路层（Data Link Layer），网络层（Network Layer），传输层（Transport Layer），会话层（Session Layer），表示层（Presentation Layer）和应用层（Application Layer）。第1层到第3层属于OSI参考模型的低3层，负责创建网络通信连接的链路；第4层到第7层为OSI参考模型的高4层，具体负责端到端的数据通信。每层完成一定的功能，每层都直接为其上层提供服务，并且所有层次都互相支持，而网络通信则可以自上而下（在发送端）或者自下而上（在接收端）双向进行。当然并不是每一通信都需要经过OSI的全部7层，有的甚至只需要双方对应的某一层即可。OSI标准制定过程中采用的方法是将整个庞大而复杂的问题划分为若干个容易处理的小问题，这就是分层的体系结构办法。在OSI中，采用了3级抽象，即体系结构，服务定义，协议规格说明。

以上是计算机网络通信中的总体体系结构模型，对于不同层间的通信模型，其通信采用C／S计算模型。对于不同的层，如果对应用到底层编程模型，就是Socket编程模型。对于这套编程模型，在计算机系统中所处的位置是有区别的，有的编程模型处于操作系统层面，如Windows操作系统提供的WinSocket编程模型；有的处于应用层面，如当下流行的2大开发平台——JAVA和微软的.NET均提供了Socket编程模型，还有第3方的Socekt编程模型。因此，在CDIO实践过程中可以根据具体需求，在不同层次进行编程实现。

图1 基于CDIO的实验课程体系

2.3 模型理念在综合性或创新性实验中的应用

上面，笔者仅仅以《数据结构》和《计算机网络》2门课程为例论述了模型理念的重要性。其实，在计算机类课程中，这样的模型还是相当的多。文献 ［4］给出了4类实验的关系，如图1所示。下面，笔者将《数据结构》中树模型、数据库课程中的关系模型以及XML中的DOM模型综合在一起，探讨如何将这些模型的理念应用于综合性或创新性的实验中。

在《数据结构》课程中，以树模型为核心，可以演生出许许多多的应用。如企业的组织机构就是一个典型的树模型，计算机磁盘上文件目录的组织也是一个典型的树型模型。围绕这个模型，假设进行软件开发，要对一个组织机构的数据进行存储、查询、删除、更新等操作。首先是利用关系模型创建表来存储这一关系结构，典型的组织机构关系表如表1所示。当然，在进行该表的设计时，不同的人可能设计出的关系表是不一样的，而且有许多是用来存储树型模型的关系表。该表的最大好处是有利于组织机构的扩充、并且适合于多级下属机构的组织。

表1 典型的组织机构关系表

在软件实现过程中，可以从关系表中将组织机构的这些信息读出来，采用一个树模型对其进行表示，可以方便地实现对它的各种操作。

如果将这一思想再进行拓展，考虑目前流行的基于XML的DOM模型（DOM本身就是将XML文件中的各个要素按着树来组织，通过XML解析器对XML中存储的各种元素进行解析），当XML文件相当大的时候，DOM解析的效率不高，因此，可以从这点入手设计一个创新性实验，让学生通过该实验，考虑如何利用树模型来实现DOM的高效解析功能。

3 结语

事实上，模型理念的应用远非如此，笔者的研究只是起到一个抛砖引玉的作用，相信通过深入探究这一理念，并不断地将其应用于教学实践中，使其渗透到理论与实践教学中去，将会使教师和学生受益终生。

［1］ 陈巧莉 .基于CDIO理念的教学做一体化软件工程课改构思和实践 ［J］.软件，2013，34（7）：148－151.

［2］ 陈巧莉，宫护震 .基于CDIO的教学做一体化ASP.NET课改和实践 ［J］.软件，2012，33（12）：145－147.

［3］ 许庆炜，余慧 .基于CDIO模式开展计算机科学与技术专业校企合作人才培养 ［J］.湖北第二师范学院学报，2012，29（2）：44－246.

［4］ 郭皎，鄢沛 .基于CDIO的计算机专业实验教学改革、实验技术与管理 ［J］.2011，28（2）：155－157.

［5］ Grawley E F，Malmqvist J，Ostlund S.Rethinking Engineering education－The CDIO Approch ［M］ .New York：Springer，2007.

［6］ Grawley E.The CDIO Syllabus：A statement of Goals for undergraduate Engineering Education ［M］.New York：Springer，2008.