基于CDIO和OBE模式的教学管理平台设计与实现

董静静 杨天化 叶寒锋 吴滢 辛均益

摘   要：传统的教学管理平台存在以教师为主体、无法激起学生的认知主体作用、教学效果无法反馈等弊端。此外，传统的教学管理平台服务于所有课程，没有考虑计算机类课程的特殊性。针对上述问题，文章设计并实现了基于CDIO和OBE模式的教学管理平台。该平台以学生为导向，结合计算机类课程特点，全面系统地收集教与学的过程数据，实时观察和分析教学效果与教学目标之间的差异，有利于教师及学生探索更高效的教学及学习方法，提升教师的教学效果与学生的学习成绩。

关键词：CDIO;OBE;教学管理平台;计算机类课程;教学改革

中图分类号：G647 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2021）07-0056-05

一、构建基于CDIO和OBE模式教学管理平台的重要性

随着互联网的普及，各行各业都在接入互联网，通过网络平台辅助各项工作。以教学为核心的学校也在逐步接入互联网。[1]现有的网络教学管理平台（以下简称平台）能够辅助教师的教学工作，实现平台授课、管理课程表、布置作业、批改作业等功能，但存在功能单一、以教师为主体、以应试为中心、缺少教学质量监控和展示等问题，忽略了学生的主动性、创造性，无法充分体现学生的认知主体作用，导致学生无法得知学习成果，教师无法得知教学效果、无法及时改进授课方式等弊端，并且现有的平台是服务于所有课程，没有考虑计算机类课程的特殊性。

当前工程教学模式主要有CDIO和OBE模式。CDIO由麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学提出，基于“构思（conceive）-设计（design）-实施（implement）-运行（operate）”的生命周期理论进行系统学习。[2]让学生以主动、实践、课程之间有机联系的方式去学习。能力导向教育OBE（Outcomes-Based Education），指教学设计和教学实施的目标是学生通过教育过程最后所取得的学习成果。[3]基于CDIO和OBE模式并结合计算机类课程特点实现一个全新理念的教学管理平台，实现对教师教学和学生学习的全流程追踪，并采集结果数据，基于数据反馈教师的教学成果和学生的学习成果。结合计算机类课程特点，实现线上线下、课内课外、校企合作、职业需求与学科交叉融合、多角色参与教学、多单位承担培养、多项目实操结合的教学方法，有利于提升教师的教学效果与学生的学习成绩。

二、系统构架及总体设计

1.系统开发环境

该系统在Windows/Linux环境下，基于Visual Studio Code，采用B/S（Browser/Server）体系架构开发。服务端采用Docker容器部署服务，并对外提供API（Application Programming Interface）服务。

2.系统总体设计

系统采用前后端分离，浏览器端为SPA（single page web application），服务端提供API，通过OAUTH2.0的鉴权方式进行交互。服务端使用“Node.js相关技术栈+MySQL”等开源数据库提供并实现教学过程管理、工科教学编程类OnlineJugde模块、实习管理、毕业生跟踪反馈等功能。由于教学管理平台的访问用户包括教师、学生以及企业人员，访问用户量多，容器部署具有先天分布式优势，通过部署容器镜像集群，实现教学管理平台分布式模式。系统采用B/S模式，用户通过浏览器访问管理平台，考虑到数据安全性，前端通过浏览器基于HTTPS协议访问教学管理平台的服务。

系统的主要数据全部存储在数据库中，拟使用Redis作为Cache，对系统的更新删除等操作都会同步更新到数据库以及Redis，对系统的查看等操作都会先请求Redis缓存层。如果Redis缓存里有数据就直接返回;如果没有就降级从数据库中取数据返回给后端服务，并且异步更新缓存。[4]通过这种机制保障了后端服务的快速响应以及缓存和存储的一致性，后端分布式多台部署服务，后期可以横向无限扩展。系统总体功能模块如图1所示。

3.系统角色

系统主要面向三类人员，包括学生、教师及实习合作单位，如表1所示。

三、系统详细设计

1.教学过程管理模块

教学过程管理模块覆盖教学全过程，包括课程管理、文章管理、话题管理、试卷管理、题库管理、资源管理、课表管理、作业管理、教学质量、作业通知、数据分析、知识产权管理、组织架构管理、系统配置等，具体功能实现如图2所示。教师可以通过课程管理模块对课程进行管理，查看课程列表、详情，编辑课程，布置作业，设置课程考试;发布各项通知公告;对学生进行管理，查看课程学生的测验、作业、考勤请假等情况。学生能够管理课表、作业;进行教学质量评价;接收各项通知等。管理后台可以对各项数据进行展示、分析;对知识产权、组织架构进行管理;建立教学质量评价体系;对系统进行配置，配置后可供系统内的其他成员使用。

系统为师生的日常教学学习活动提供便利，学生能够通过系统的考勤管理功能进行上课签到以及请假等流程处理;资源管理功能有助于教师管理课件、音视频资料，学生课后复习课程;PPT放映管理内嵌了PPT放映功能，用户可以在管理平台上放映PPT;教学同步直播功能可以在发生重大情况无法上课时保障教师通过教学管理平台直播教学;话题讨论功能类似论坛功能，用户可以在教学管理平台上发帖、拉群讨论等，利于学习交流。教学质量功能是对教师教学质量的监控以及展示，管理员可以根据实际情况设置教学质量评价体系，在校学生可以根据评价体系给自己上过的课程打分评分;毕业生就业后可根据课程内容与相关专业工作的匹配度等对在校时学习过的课程打分评分;系统会根据毕业生就业反馈数据、学生考试分数、学生对课程打分等一些数据对课程的分数进行综合评估，动态地对教师的课程进行评价反馈，教师可以根据教学质量评价体系反馈的相关内容对教学内容、授课方式等做出改进。该功能解决了传统的教学管理平台缺少教学质量监控和展示，导致教师无法得知教学效果、无法及时改进授课方式等问题。题库管理功能方便学生学习自测，题库里有教师上传的历史考试题目及作业、练习题目，学生可以使用题库进行测验复习，模块可以对学生的答题予以评分，利于学生实时获取自己的学习成果。试卷管理模块功能方便教师在学期中对学生学习情况进行摸底，教师可以在教学管理平台组织本科目的考试，平台可以根据设置自动判分，教师可以进行复审纠正平台的判分;平台会记录评分数据并将考试结果和正确答案推送给学生，同时能够根据考试分数分布情况、错题分布范围等对考試成绩进行分析，帮助教师了解学生对课程的整体掌握情况和学习痛点;教师可以根据考试难度为每次的考试设置加权分数，作为本课程最终成绩的一部分，完善过程性评价。学院相关负责教师可以在管理后台查看本学院所开课程的各项数据，如考勤次数、考试数量、考试分数分布情况、教师知识产权数量、教师质量评价数据等，平台会根据各项数据对每门课程进行横向与纵向分析，帮助学院及教师更深入地了解同个课程不同教师的差距及不同课程之间的差距;学院在征得教师本人同意后，可以将被学生广泛认可的优秀文章、题目共享给本课程的其他教师和学生，做到资源共享、共同进步;同时这些数据可以作为优秀教师的评判依据，为优秀教师的评判提供客观、公正的评判标准。

2.工科教学编程类OnlineJugde模块

工科教学编程类OnlineJugde模块充分考虑了计算机类课程的特点，为学生提高编程能力提供了良好平台。该模块按角色分为教师、学生和平台自动评估者，可实现课题演练、创建课程题库、管理学生任务数据、做题测试、历史学习记录等功能，可支持主流编程语言C、C++、Java和Python，且后续可继续扩展语言，协助学生把课堂上的学习内容转换为实际的工程项目，具体功能实现如图3所示。教师可以通过题库模块创建题目，根据组织架构中的班级分类或根据课程关联的学生修改、删除题目，只需创建一次题目，就可以通过修改等功能提供给不同层次或不同课程要求的学生使用，方便教师使用。学生提交程序代码后，系统会自动评分并给出错误提示，且会根据上交作业顺序、练习次数等给出加权评分，在提高判分时效性、协助学生快速纠错的同时，考虑到学生的主动性、认知主体作用，形成良好的激励机制;为了防止系统误判，保证分数的准确性，教师可以纠正系统判分。教师可以通过系统查看、分析学生的历史答题记录，了解学生的知识掌握情况。基于该模块采集的各项过程数据，协助教师及学生全方位、多维度地了解自己的教学效果、学习成果及学生的整体编程水平，利于教师及学生探索更高效的教学及学习方法。为保持数据一致性，OnlineJugde模块与平台内其他模块数据同源。

3.实习管理模块

在实习管理模块中公司可以发布实习职位，对学生的实习进程进行评估以及对学生的实习情况做出评价等。系统中的实习公司每年可以根据实际情况进行增减，每个实习单位有若干名实习带教老师。学生可以查看实习要求，对实习指标进行评估，如果学生对某一个实习职位有兴趣，可以申请该实习职位。进入公司实习后，系统中的每个学生会与相应的带教老师绑定，带教老师根据学生的特点，为学生修改完善实习计划并录入系统，在实习过程中根据各项考核指标对学生的实习情况进行评判，实习结束后在系统中上传实习总评，系统会将过程性评价实时推送给对应学生。在实习过程中，学生可以查看自己的实习计划，根据要求上传各项材料或成果，能够实时查看实习公司对自己的过程性评价，发现自己的优势与不足，改善自己存在的问题，也可以在系统中查看自己的实习报告以及实习分数，对存在的问题进行反馈等，系统会将学生反馈的问题实时推送给带教老师和实习公司。学校可以通过管理后台查看各项过程性数据，实时了解实习公司和学生的动态，及时关注存在严重问题的学生。该模块解决了实习期间带教老师与学生交流少、学校不能实时掌握学生情况的问题;带教老师通过系统能够将信息实时反馈给学生，学生在实习过程中就能发现和改善自己的问题，为今后的工作打下良好的基础;加强学生与学校的联系，让学校在实习过程中也能及时掌握学生的情况，及时发现存在严重问题、不适应实习生活的学生，进行思想引导或实习调整，降低隐患。具体功能实现如图4所示。

4.毕业生跟踪反馈模块

畢业生跟踪反馈模块能够长期跟踪毕业生的就业情况，可基于数据反馈调整教学内容。管理员能够在平台配置需要调查的各项数据，通过邮件、短信等多种形式定期向毕业生发送并统计毕业生反馈调查表，毕业生根据调查内容填写毕业后的情况，并根据实际工作情况对校内课程的设置、课程内容、教学方法等提出意见和建议。学校能够结合毕业生的专业及反馈数据对教学内容做出适当的调整优化。同时，平台有优秀毕业生管理功能，记录了优秀毕业生的就职情况以及发展履历等，结合优秀毕业生的在校表现数据可以提供给在校学生作为学习参考。学校可以通过系统定期发送校园动态给毕业生，加强毕业生与学校的联系。具体功能实现如图5所示。

四、系统实现效果

目前该平台已经上线并试运行，平台首页如图6所示。用户登录系统后，系统会根据用户的不同权限为其初始化不同的功能菜单，只有成功登录系统，才可以使用本系统的其它功能，平台登录界面如图7所示。登录系统后普通用户主界面如图8所示，管理员用户主界面如图9所示。学生进行在线编程实践的OnlineJugde模块界面如图10所示，可以选择不同的语言进行在线编程。

CDIO和OBE理念结合的教学管理平台以项目生命周期和学习成果导向为基线，结合计算机类课程特点，全过程、全覆盖、全环节管理学生的学习、练习、考试、实习以及项目训练。在平台上沉淀学生学习行为、实验实训、考试、实习、毕业全过程数据，通过分析评估这些数据，掌握每个学生的学习进展、学习效果、学习特征、能力水平、知识应用等要素，建立人工智能的智能驱动模式，为学生的学习、练习、知识运用和能力提升提供个性化建议和路径，从而促进个性化学习和自主学习，由此形成一个完整的教与学数据闭环，走新工科培养创新之路。

参考文献：

[1]胡嘉译.计算机管理信息技术在高校教务管理中的重要性及应用[J].信息与电脑（理论版），2014（8）：36.

[2]黄美灵.CDIO理念下高校创新创业教育与专业教育融合路径构建[J].武汉职业技术学院学报，2019（3）：104-107.

[3]庞嘉萍，辛宝英.基于CDIO理念的高等成人教育工学结合培养模式研究[J].中国成人教育，2018（19）：57-60.

[4]邱祝文.基于redis的分布式缓存系统架构研究[J].网络安全技术与应用， 2014（10）：52，54.

（编辑：王天鹏）