基于CDIO工程教育理念的Java课程翻转教学方法研究

李贻涛 邢晓敏 尹维春

摘   要：CDIO工程教育理念和翻转课堂教学手段在高等教育课程改革过程中逐渐被引入，为高校学生能力和素养提升都带来了很好的促进效果。文章正是基于这一大的教育背景，结合二者共性特征，将其应用于Java课程教学当中，通过对课前、课堂、课后3个阶段的精心设计，使理论、实验和实践3种教学环节环环相扣，有效达成了知识、能力、素养等多维度的教学目标，使学生综合能力和素质得到更好地提升。教学实践表明，该方法切实有效，具有良好的推广价值。

关键词：构思、设计、实现、运作工程教育理念;Java课程;翻转教学方法

1    CDIO相关简介

构思、设计、实现、运作（Conceive Design Implement Operate，CDIO）工程教育理念是近年来国际工程教育改革的最新成果，它以产品研发到产品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。CDIO培养大纲将学生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力4个层面，大纲要求以综合的培养方式使学生在这4个层面达到预定目标。截至2017年4月，共有104所高校自愿加入“CDIO工程教育联盟”。国内高校也在CDIO工程教育理念上做了很多探索，其改革思路是以学生为中心，引导学生主动思考，进行巧妙构思，强调学生动手实践，打破课程之间的实践壁垒，从而提升学生分析问题和解决问题的能力[1]。

随着“互联网+”概念在国内的兴起，基于“互联网+”课程的翻转课堂作为一种关注学生差异性和学习自主灵活性的教学模式，也被看作是对传统教学模式的有效改革，近年来在国内外教师群体中逐渐被接受和推广。但将CDIO工程教育理念与翻转课堂有机结合的教学模式在国内尚处于初期发展阶段。

本文就是结合“CDIO教育理念”和“翻转课堂教学模式”均能在培养学生多层次能力方面发挥良好作用的特点，将二者有机地结合起来应用于Java课程教学改革，并取得了传统教学模式无法达到的良好效果。本文的教学方法具有一定的先进性和较好的推广价值。

2    Java课程教学现状及学情分析

Java课程是工程性、应用性及实践性较强的课程，特点是知识点多且分散。利用Java语言在移动智能终端上开发的应用程序，其市场占有率随着智能手机的普及也越来越高。在传统的Java课程教学过程中，教学内容与教材选择上比较落后，与市场需求脱离严重;理论教学手段上，一般采用单纯的“理论讲授+程序演示”方法，很难达成相应的教学目标;在实践教学环节上，理论与实践脱节、能力和素质培养不到位的问题也非常突出。

根据课前给学生发放的学情调查问卷反馈可见：目前的大学生绝大部分都存在既渴望开放的学习方式，却又不能控制自己，无法使自己全身心投入学习的矛盾心态。一方面，大学生学风不严谨，较懒散，怕吃苦，学习大多带有一种功利性。另一方面，大学生对于学习的轻重缓急能够客观对待，学习目标明确，这些方面是值得肯定的。基于这种情况，就需要教师在授课过程中加以引导和监督，设计好教学活动，使大学生学习趋于理性化，这样就一定能达到知识、能力、素养共同提高的良好教学效果[2]。

3    教学设计思路与实施方案

3.1  教学设计思路的提炼

本文核心思想是以CDIO教育理念为中心，结合翻转课堂教学模式，探索研究如何既服务于Java教学，又能贯穿其诸多先修课程的教改方案。提炼教学设计思路为以下3个阶段：

（1）基础知识学习储备阶段。在Java课程教学的基础知识阶段，按照翻转课堂的模式组织教学，可以关注学生差异性和实现学习自主灵活性，通过网络学习、测验、答疑，用最少的学时完成基础知识的储备。

（2）综合知识巩固提升阶段。在Java课程教学的综合运用阶段，按照CDIO教育理念組织教学。将在“DSP”课程、“单片机”课程上所开发的智能家居硬件模块作为控制目标，分组讨论、分析问题，共同完成手机APP的编写任务，实现硬件的驱动。这一阶段对基础知识是一个查遗补漏、巩固提高的过程。

（3）工程意识培养实训阶段。在Java课程教学的课程设计阶段，按照CDIO教育理念组织教学。模仿小米之家APP的组成方式，共同制作完成一个有着智能窗帘、智能充放电的微电网、智能监控相机、智能温湿度采集器、智能门窗感应器、智能空调控制器、智能照明灯、智能开关设备等智能家居产品系列的模型。实现控制规约的设计、软件接口的开放设计、人工智能的调用等APP的编写。

3.2  教学实施方案的确定

本文按照课前进行自主学习、课堂进行知识内化、课后进行知识固化的递进层次完成整个教学实施方案的设计[3]，具体如图1所示。

课程组以在Java课程教学中采用CDIO教育理念和翻转课堂方式为依托，以学生素质的全面发展为目标，使学生熟练掌握和运用Java中的知识和技术完成工程应用程序的开发。既强调知识的传授，又注重对学生知识的内化和实践创新能力的培养。通过有工程价值的项目及微课等丰富教学资源的支撑，确保学生能够做到课外有支持地学习，培养学生的自主学习能力、协作学习能力，通过课堂讨论、小组交流、教师答疑等方式提升学生的语言表达能力、创新思维、组织管理能力等。该教学实施方案的特色如下。

3.2.1  CDIO与翻转课堂相结合

遵循CDIO教育理念，以众多中小案例和一个综合性较强的工程案例为主线，将学生应该掌握的专业知识、技能和职业素质融入整个教学过程中。在应用程序的开发过程中，某些知识点的讲解可以采用翻转课堂的教学模式，进而将CDIO与翻转课堂两者有机结合。

将Java课程的理论知识点分解为150个，课题组教师录制了150个教学视频，采用泛雅网络教学综合服务平台，定时发布学习任务，要求学生在规定时间内完成视频的学习，并完成发布在平台上的自测题，完成网络作业。通过平台，学生可以向老师或者其他学生提问，参与讨论，学生成绩会自动统计，按照教师设定的评分比率，统计视频观看进度、重复率、网络讨论参与度，减少了教师的工作量。

3.2.2  將工业级项目融入教学中来

将工业级项目融入教学中来是本文研究的重点。能否实施CDIO工程教育理念，关键在于是否能够引入恰当的工程项目到Java的教学实践中。项目要具有连贯性，要和先修课程相关联。考虑到工程项目要和学生的知识储备相匹配，要容易理解、容易操作、容易判断成绩高低，因此，本文选取“智能家居系统”项目为教学案例，基础知识阶段用翻转教学模式讲授，综合运用阶段再选取几个难度适中的智能家居硬件驱动项目。先让学生分组，每组选出一个组长，再让学生选题，最后，分组实现相应的项目，课程设计阶段再完成系列产品的控制规约设计、软件统一接口、整合APP等工作。

3.2.3  理论、实验和实践3种教学环节环环相扣，共同检验学习效果

Java课程本身是一门实践性很强的课程，通过一个“智能家居系统”的控制程序可以将理论、实验和实践环节关联起来，每一个步骤都可以检验学生的学习效果，并对DSP、单片机、模拟电子、数字电子、通信、电子电路、算法与数据结构的相关课程知识起到一个联动学习促进的作用。因为课程负责人还讲授“DSP原理及应用”课程，课程组成员还负责“数字电子技术”“模拟电子技术”“单片机技术”课程的教授任务，因此，可以无障碍地推行CDIO教育理念，在先修课程中引入相应的智能家居项目，将一些智能家居的硬件设计作为实践内容加以要求，这样在学生学到Java课程时，可以直接使用自己以前的硬件作品作为控制对象。因此，无论软件还是硬件学生了解得都很深刻，便于项目的联调联试。

4    结语

本文创新性地将CDIO教育理念与翻转教学模式进行有机结合，探索出一种适合与Java课程特点相类似的课程进行结合的教学改革方法。通过教学实践充分显示，这种创新能够有效激发学生的学习热情，提升学生实践能力、解决实际问题的能力。项目案例贯穿整门课程教学，与相关10余门课程内容有强关联，使学生工程实践能力得到大大提升，为以后无缝对接工作岗位打下坚实的基础。

[参考文献]

[1]董黎明，焦宝聪.基于翻转课堂理念的教学应用模型研究[J].电化教育研究，2014（7）：108-120.

[2]徐静.卓越工程师培养计划下“Java程序设计”课程改革[J].计算机时代，2013（9）：65-66.

[3]郭树荣.基于“互联网+对分课堂”混合式教学模式研究与实践[J].黑龙江教育，2017（3）：39-41.

Abstract：The concept of CDIO engineering education and the reversal of classroom teaching methods have been gradually introduced in the process of higher education curriculum reform， it has been a good promotion effect for the improvement of college students ability and quality. Based on this educational background， this paper combines the common features of them and applies them to Java curriculum teaching. Through careful design of the three stages of pre-class， classroom and after-class， the three teaching links of theory， experiment and practice are connected， and the multi-dimensional teaching objectives of knowledge， ability and quality are effectively achieved， so that the comprehensive ability and quality of students are better improved. The teaching practice shows that this method is effective and has good popularization value.

Key words：conceive design implement operate engineering education concept; Java curriculum; flipped teaching method