基于CDIO理念的计算机专业实验教学改革

廖湘琳，余晓晗，张所娟，綦秀利，解文彬

（中国人民解放军陆军工程大学 指挥控制工程学院，江苏 南京 210007）

1 背 景

随着信息化建设步伐的不断加快，社会对计算机专业人才的需求与日俱增，其与国家信息化的目标、信息化的进程密切相关。因而，作为计算机专业的学生，仅仅掌握基础理论知识是远远不够的，更要具备综合运用能力和创新能力。这些能力的培养，与实验教学是密不可分的。近些年来，高校在实验教学方面进行了一系列的改革措施，无论是观念还是各个环节，都取得了不少成就，但总的来说，还存在着重理论轻实践（最终考核仍以理论成绩为主，实践动手能力所占比例偏低）、实验内容单一（验证性实验多而探究性实验少）、课程间无联系（各课程改革各自为战，学科之间联系性不强，没能充分利用教学资源）等问题。如何充分利用各种资源，更加注重扎实的工程基础理论和专业知识的培养，突出培养学生的实践能力和创新能力，是急需解决的问题。

2 数据库技术与应用课程教学现状分析

数据库技术与应用是计算机科学与技术专业的核心课程，重点研究如何对数据进行存储、使用和管理。这门课程教学内容较多，一般先进行理论教学，再进行实践教学。目前实践教学内容主要围绕“关系数据库查询语言SQL”展开，采用“出题—练习—讲解”的形式，提高语言的学习效率。

从目前学习效果来看，主要存在以下问题：

（1）课程理论性强，特别是在学习规范化设计、数据组织与存储、事务并发控制、数据恢复等内容时，学生普遍感觉枯燥无味，导致学习兴趣低落。

（2）实验内容单一，大多针对建表、查询、更新等SQL语言的验证性实验，且由于实验学时少，导致训练强度不够，不能很好地完成任务。

（3）学到的东西与实际应用脱节，无论是理论课还是实验课，都局限于数据库本身技术的学习应用，学生不能深刻体会它的真正用处，不能学以致用，没有成就感。

（4）在教师出题、学生解题的模式下，学生一直处于被动状态，没有充分激发其积极性、主动性。

（5）考核采取理论考核（卷面成绩）和实践考核（SQL语言掌握情况）的方式，并不能全面考查学生对课程知识的掌握能力，没有体现对学生创新能力的培养要求。

3 CDIO教学理念

CDIO（Conceive、Design、Implement、Operate，构思、设计、实现、运作）工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果[1-6]，它包括3个核心文件：1个愿景、1个大纲和12条标准。愿景是为学生提供一个真实的背景环境，在此环境中，学生通过构想、设计、制作、运行的全过程，实现一个真实产品。大纲对学生提出4个层面的能力要求：在技术上要求学生具备复杂的工程基础知识；在个人能力上要有成熟的思维；在团队交流方面要有团队协作能力；在CDIO层面要具备从构思、设计、实现到运作的全过程能力。CDIO的12条标准（以CDIO为基本环境、学习目标、一体化教学计划等）是实践CDIO教学理念的判定标准，对学生和教师都具有重要的指导意义。

4 基于CDIO的数据库技术与应用课程实验教学改革

4.1 一体化课程体系构建

CDIO的一体化教学计划，要求以培养学生综合能力为目标，包括专业能力、分析解决问题的能力、自我学习的能力、团队合作的能力、表达能力等。这些能力的培养，不应是独立分割的，而应作为一个整体共同提高。

现有的学科课程之所以不能全面实现学生综合能力的培养，主要原因在于缺乏整体化的、综合性的工作任务和工作过程，即缺乏“愿景”。各个课程局限于本课程内容的学习，实验环节更是相互分割、独立的。比如学习大学计算机基础，只是让学生对计算机有个基本了解；学习程序设计，主要学习C语言，实验课只是基于控制台的验证性实验，例如排序算法的实现；学习数据库技术与应用，实践环节重点是练习SQL语言。学生学习完这些课程，并没有一个整体的概念，也不确定这些知识具体能应用到哪里、解决什么实际问题。为了解决这些问题，必须实施一体化课程体系的构建，将孤立的各门课程有机整合，特别是在实验教学中加强课程之间的联系，在内容上寻找课程之间的交叉点，充分利用教学资源，帮助学生构筑全面知识、提高应用能力、增强团队协作意识等[7]。以上述3门课程为例，它们看似分离，其实本身具有连贯性，环环相扣，一脉相承，因此可设置统一的目标，以总体培养目标作为引导，以实现一个小型信息系统为牵引，围绕该系统的实现，合理设置各门课程的内容。具体实践环节中，可在学完数据库技术后增设工程实践课程，或在数据库课程实践课中增设小型信息系统的实现。随着该系统的实现，3门基础课程所学内容都得到了应用，加深了学生对理论知识的理解，更重要的是提高了学生的能力。

4.2 根据专业特性，确定课程培养目标

对于数据库技术与应用这门课程，一般的课程标准要求学生掌握数据库的基本概念、基本理论和技术，掌握数据库结构的设计。可对此目标提出高级目标——通过该课程的学习和训练，能进行简单数据库应用系统的设计与开发，具备构建小型信息系统的能力。

4.3 实践教学内容设计

目前大多实验教学还停留在验证性实验，即学生依葫芦画瓢，通过实验验证已学过的理论知识，即“照方抓药”模式。这种模式，无法起到培养学生综合运用所学知识解决问题的能力，因此需要改革实验教学内容，注重知识培养，更要重视能力的提高。

在实践内容环节上，除了基础性、验证性实验外，需要多安排设计性、综合性实验。作为基础性、验证性实验的延深，设计性和综合性实验更关注培养学生分析问题、解决问题的能力，可以通过不同层次的实验体系，实现CDIO大纲中对学生4个能力培养的要求。

在数据库技术与应用课程中，可以将实验内容分为多个层次，即在基础性、验证性实验结束后，鼓励学生自选项目、自主设计、自己动手、自己实现。通过设计性实验和综合性实验相结合的方式，达到培养学生综合设计能力及团体协调能力的目的，见表1。另外，还可将实验内容划分为必做实验和选做实验，见表2。这种方式，一方面便于实践成绩的考核，另一方面也可促进学生达到更高要求。以综合性实验——实现“图书管理系统”为例，可设置如表2的具体实验内容。

4.4 基于项目的教学方法

在具体教学实施过程中，可采取基于项目的教学方法，即“教、学、做”一体化。以实现一个真实项目为目标，学生在这个任务的驱动下，充当调查研究者、设计者、开发者、应用者等多重身份，最终完成项目的制作。在整个项目制作的各个环节，不断提高完善知识和技能以及团队协作能力。这种基于项目的教学方法改变了一直以来学生被动接受的学习方式，在项目的驱动下，学生通过独立主动学习、合作学习、项目汇报等方式，构建自己的知识结构[8-12]。

表1 多层次实验内容

表2 实验内容

通过分析数据库技术与应用课程的教学目标，确定以图书管理系统作为项目目标，可以将数据库设计、数据库逻辑结构设计、数据的组织与存储、数据安全与数据恢复、关系数据库标准查询语言SQL、数据访问技术等主要章节知识点内容，合理巧妙地穿插在这个综合项目之中，具体实施步骤见图1。

图 1 基于项目的教学方法

整个实验以图书管理系统的实现为引导，其中1、3、4、7为教师参与部分，2、5、6为学生独立完成部分。

在实验课前，教师应合理切分图书管理系统这个综合项目，切分为一个个子项目，如系统功能设计、数据需求分析设计、数据结构设计、界面设计、数据组织与存储设计等，同时，应对学生进行合理的分组。单凭一个学生从头至尾实现整个案例系统，其难度是很大的，而且独立工作也无法体现团队协作精神。小组协同工作，可以使小组学生之间相辅相成、同心并力、共同进步。划分小组时，可根据逻辑思维能力、编程能力、口头表达能力等合理划分，最好使各小组实力大致均等，从而保证项目顺利完成。小组内人员的分工，可由小组内部自行根据任务要求划分。

教师按案例系统的实现过程，布置子项目要求，如通知各小组设计图书管理系统的数据物理存储方式及如何提高数据存取的效率。学生在课前预习阶段，各小组结合前期分析的系统功能结构和数据结构，自行预习理论知识数据的组织与存储等相关内容，并结合上网查资料、交流等形式，找到解决问题的方法，记录下解决问题过程中遇到的难点问题。

接下来的课堂上，各小组汇报本组解决问题的方案。在这个过程中，其他小组可提出意见和建议，碰撞出更多的火花。汇报结束后，教师进一步引导学生通过对比，探讨究竟如何组织数据才能有效地提高存取效率，从而引出第四个环节——精讲引导：数据如何进行组织与存储。

在精讲引导环节，教师主要归纳总结理论知识，对学生掌握的内容一带而过，对重难点问题和学生在解决问题过程中遇到的疑惑进行精讲、细讲。

通过讨论策略和精讲引导环节后，各小组进入制作环节，即实践本小组修改后的策略，完成系统的数据组织存储。该步骤完成后，再次进入下一个子项目的分析、讨论、精讲、制作，即重复1—5环节。当所有子项目完成后，则进入最终的系统演示汇报。各小组展示最终成果——图书管理系统。当然，除了演示系统之外，还要汇报系统总体设计、详细设计、数据分析、数据结构设计、遇到的问题、不足等。汇报完毕后，小组对自己的研究过程与成果进行自评、总结、反思；小组间进行互评；教师进行总结讲评。这些自评、互评、总评的结果也可以作为实践成绩考核的部分依据。

4.5 多元考核方式

课程考核方式应采用多因子加权综合测评法，除了理论考核，还要加大实践部分的分值。对于实践成绩，不仅要考虑实现结果，也要注重实现过程。实践的成绩，可以从多方面进行考量。

（1）从完成质量上，根据完成情况、创新性、团队协作情况考量。

（2）从完成内容上，将项目完成内容分为必做和选做，学生如果只完成必做内容只可得到基础分，在此基础上，根据学生完成选做部分的情况进行加分。这种方式，也对学生起到了极大的促进作用。

（3）从项目评价上，可根据小组自评和小组互评以及教师评价3个方面考量。

同时，若学生积极参与各类创新竞赛，可以在实践成绩适当加分，以鼓励学生创新。

4.6 多渠道提高学生实践能力

仅仅靠有限的课程实验环节还不够，还需鼓励学生参加各类竞赛。这些竞赛提供了一个平台，可以使学生更加深入地关注社会需求，与社会接轨。同时，通过竞赛，可锻炼学生各方面的能力，还能培养团队协作精神、与人沟通能力。

实践表明，学生的实践项目如果能和实际相结合，就更能调动其主动学习的积极性。教师可以组织、指导学生参与真实项目的开发，这种“实训”教学，可增加真实感，激发学生的斗志，也为学生今后走向工作岗位做好准备。

学生之间的帮带也很重要，除了同年级之间的帮带，也可尝试高低年级的互帮作用。比如在完成一个项目过程中，项目小组可以由不同年级的学生组成，在一体化课程体系的指导下是可行的，每个学生根据自己目前所学知识完成项目中相应的部分内容，对于知识的掌握、协同的能力的发展及共同进步都有益处。

5 结 语

通过一体化课程体系构建、基于项目的教学方法、实践教学内容设计、多元考核方式等多种渠道，笔者进行了基于CDIO的计算机专业实验教学改革，并在实际应用中取得了一定的成效。学生在项目的牵引下，在完成项目的过程中，不仅加深了对基础知识、基本理论的理解，而且提高了学生的学习兴趣、创新能力，小组之间也互相竞争，争先恐后，你追我赶，形成了良好的竞争机制，极大地促进了共同进步。基于CDIO的计算机专业实验教学改革，以调动学生积极性为核心，以培养学生实践能力、创新精神为目标，关注提升学生的综合素质。当然，这种模式，需要学生在课前和课后花大量时间，增加了学生的学习任务，另一方面，也对教师的教学能力提出了更高的要求，需结合课程和学生的具体特点，不断探讨实践。

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