CDIO模式下JaVa程序设计课程教学改革探索

索望　昌燕　何林波

摘要：基于CDIO的教学模式已成为计算机编程类课程改革的新方向，针对当前lava程序设计课程CDIO教学模式存在的不足，文章提出了基于OBE教学理念改进课程设置、配套工程实践课程、设计与专业紧密结合的教学案例项目、实施过程化考核以及基于MOOC理念改进授课方式等改革措施。实践证明，这些改革措施符合学校全面推行的CDIO工程教育模式，取得的成果对培养符合社会需求的工程技术人才具有一定的指导作用。

关键词：工程教育；CDIO模式；教学课程改革；过程化考核；大规模在线公开课

1.背景

随着Java技术平台的广泛应用，Java程序设计已成为国内大多数高校计算机相关专业的必修课程。针对Java程序设计课程，基于CDIO的教学模式以及项目驱动的教学方式已成为公认的发展方向，近几年得到了广泛的发展与应用。虽然基于CDIO的工程教育模式得到了肯定，但由于传统的课程设置以及教学方法还普遍存在，工程教育模式如何落地实施、如何充分利用网络新技术实施多样化的教学手段、如何更好地培养学生的工程能力，还需要不断地探索与改进。目前，社会对计算机开发人员的专业素质和技能都有较高的要求，这就要求高校培养的学生既有扎实的理论基础，又具有一定的开发经验与实践技能。

2.存在的问题

基于项目驱动的教学方式是目前计算机编程类课程的主要改革方向，也是实现CDIO工程教育模式的重要形式，但在实施过程中还存在一些问题：

（1）学习需求与教学目标不清晰。目前的Java程序设计课程制订的教学目标还停留在本课程的范畴，计算机相关专业开设的Java程序设计课程的教学目标几乎是一样的，这就导致教学目标过于笼统，学生学习的需求不清晰，未与其专业培养目标相结合。

（2）教学案例项目设计不合理。项目设计不合理主要体现在：①项目以实现功能为主，缺少设计环节，使学生忽视设计能力的训练，只会依葫芦画瓢；②案例项目的设计不具备连续性和整体性；③教学目的未与专业知识相结合。

（3）教学方式单一。基于CDIO的工程教育模式虽然已成为教育发展的新趋势，但课堂授课依然是大学授课的主要模式。我们在课堂教学中引入了大量的程序案例讲解，学生也更加直观地了解如何编写程序，但由于学生缺乏自我思考与编程实践，未全程参与工程项目的设计开发，导致大部分学生无法独立完成软件项目的设计与开发。

（4）课余时间师生之间缺乏沟通渠道。当学生在课后有问题时，由于沟通渠道不通畅，学生无法及时解决学习中遇到的问题，影响学生学习的积极性。

上述问题都是当前Java程序设计课程在教学中存在的典型问题，而这些问题的存在影响了Java课程的教学效果。结合本校推行的CDIO教学模式及OBETM（Outcomes-based Education）教学理念，我们从以下几方面对Java程序设计课程实施教学改革，力求结合新的教学理念和模式，培养符合时代需求的计算机相关专业技术人才。

3.课程设置的改革探索

目前，Java已成为一种广泛应用的软件开发技术平台，包括Java Web开发、Android应用开发、Java Card应用开发等。Java语言则是Java技术平台的基础和核心，其重要性不言而喻。基于此，对Java程序设计课程的设置也应作相应调整。

3.1增加教学课时

本学期各个专业的培养方案中，Java程序设计都是一门核心课程，在课程体系中具有承上启下的地位。鉴于Java程序设计课程的重要性，应该加大该课程的教学课时，将总课时增加到64学时甚至更高，也可以采用分两学期教学的方式，第一学期为Java程序设计入门，第二学期为Java高级编程。加大Java程序设计课程的总课时量才能为以项目为驱动的教学模式以及工程教育理念的实施提供保障。

3.2明确学习需求与教学目标

针对各个专业的培养目标，制定该专业Java，程序设计课程的学习需求与教学目标。在OBE教学模式中，明确学习需求并制定教学目标是关键步骤，也是最后进行学习产出评估的标准。借鉴OBE教学模式，我们基于各专业的培养目标来确定本课程的学习需求和教学目标。编写计算机程序是为了更高效、更准确地解决专业问题，所以将程序设计学习与专业知识紧密结合才是更加合理的做法。Java程序设计课程的教学目标不只要求学生掌握Java程序设计，更要求学生编写Java程序来解决专业问题。基于此，我们明确了学生学习的需求，制订了相应的教学目标，并以此为基础更新教学内容。基于Java技术广泛应用于Web平台和Android平台的应用开发，我们去掉了原有的AWT和SWING部分内容，根据各个专业的要求加入与专业相关的Java技术内容，这更符合学生的培养目标。表1列举出了本学院各专业Java课程新增的Java技术内容。

3.3配套工程实践课程

为了彻底贯彻CDIO工程教育模式、应用OBE教育理念，我们强化了各个专业的实践课程体系，也加强了工程实践训练，配套增加了对应的工程实践课。针对各个专业设计了不同的工程实践大项目，项目从第2学期延续到第6学期，所需知识囊括了其专业培养方案的所有课程，项目训练的内容涵盖了CDIO工程教育模式的4个方面：构思（conceive）、设计（design）、实现（implement）和运作（operate）。针对Java程序设计课程，我们在开课学期开设对应的工程实践。该学期的工程实践要求学生完成一个Java项目的设计与开发，该项目是工程实践大项目下的一个子项目，重点训练学生在本专业中应用Java编程技术，以达到Java课程的培养目标及本专业的培养目标。例如，信息对抗专业在第四学期的工程实践项目就是用Java语言设计开发一个数据加解密程序，综合训练学生密码算法的应用实现能力与Java程序设计开发能力。

4.教学项目设计改革探索

基于项目驱动的教学方式是实施CDIO工程教育理念的主要方式，但是教学案例项目并不是随意设计的，教学案例项目是否合理直接决定了工程教育理念的实施效果，也影响着学生的学习效果。前文已经提到了目前项目驱动教学模式存在的一些问题，因此，我们对教学案例项目的设计作出以下改进。

1）按照工程项目的完整流程设计案例项目。

目前常见的教学项目是按章节设计的，而且各个项目之间并无直接的关联，这样的案例项目设计并不合理。我们设计了一个贯穿教学全过程的教学案例项目。案例项目包含分析、设计、实现、测试等环节，教学内容各个章节的知识点在项目中都有对应的应用场景，而学生在编程实践环节也基于此项目。案例项目背景要贴近应用，并且要由浅入深、循序渐进。贴近具体应用项目让学生不再觉得所学的知识是抽象的，而由浅入深的步骤也能让学生克服畏难情绪，有利于激发学生的学习兴趣，引导学生主动学习与实践。随着教学内容不断深入，项目涉及的功能越来越多，也越来越复杂。当课堂教学结束时，教学案例项目也完成了一个相对完整并具有实用性的Java应用程序。学生在课堂学习环节和实践环节都以此项目为例，在此案例项目的学习与实践中既能收获知识与技能，也能体会完成项目的成就感，提高其学习的主动性和积极性。

2）教学项目设计强化专业知识应用。

学院的网络工程、信息安全、信息对抗与物联网工程都开设了Java程序设计课程。显然，这4个专业的培养目标与方案是截然不同的，因此这4个专业开设的Java课程，不仅要学习Java编程的知识与技能，还要结合本专业的培养目标和方案，在教学案例项目设计中引入专业知识与技能的应用。比如网络工程专业的培养方案涉及网络应用程序、Web应用及无线互联网应用程序（主要是Android）的开发，因此，网络工程专业的Java课程教学案例项目一定要包含基于Java.net开发网络应用程序的模块，由此可帮助学生学习如何利用Java.net开发网络应用程序；而对于信息安全/信息对抗专业，案例项目中必然要包含使用Java语言开发密码算法程序的模块，体现密码学专业知识在Java项目中的应用。在教学项目中加入与专业密切相关的功能模块的设计与实现，有助于学生理解与掌握本专业的相关知识与应用。

教学案例项目的设计要具有完整性、连续性、专业性以及实用性等特点，以此来驱动教学活动的开展才能取得更好的教学效果。

5.教学方式方法改革探索

虽然慕课（massiveopenonlinecourse.MOOC）等新型教学方式得到了快速发展与广泛应用，但目前大学的授课方式还是以传统的课堂教学方式为主，对学生进行填鸭式教育，教学效果差。对此，可采取以下措施改变学生在教学活动中的被动地位，促使学生主动、自主地学习，提高学习效果。

5.1机房授课模式

传统模式中，教师在课堂上讲授Java语言的语法与规则及相关程序案例，虽然现代化的教学设施能以直观的方式为学生展示知识和案例，但由于学生始终被动地接受知识而未主动地思考与实践，导致学生在课后无法独立完成程序的设计与实现。可将Java课程开设在机房，整个授课过程不再是教师唱独角戏，而是以教学项目为导向，充分发挥项目驱动式教学模式的作用，在机房进行项目驱动的现场教学，将学生推到教学活动的主体位置上，在教师的引导下，师生一起完成教学项目中相关功能的设计与开发工作。将教学项目引导的教学方法贯穿整体教学过程中，让学生感受到学习的乐趣，并分享其学习成果，实现教与学的共同进步。

5.2分组讨论机制

CDIO工程教育理念既提倡学生独立思考，也提倡学生重视团队合作，因此，可以将学生分组，日常课堂项目的设计与实现以小组为单位完成。将学生分成3-5人的小组，每组由基础较好的学生或助教担任组长；每3-4次课后布置一个题目交由小组完成，包括查阅资料、讨论、设计与开发等，完成后由小组统一提交，并安排小组人员答辩，包括资料汇总、设计方案、程序演示与解答等。这种分组完成题目、课堂答题的方式有利于培养学生的团队合作精神，也利于培养学生的表达能力。

5.3过程化考核方式

传统的课程考核方式是期中加期末考试，这样的考试安排，会使部分学生放松平时的学习，而在考试前突击复习，也不利于教师及时掌握学生的学习状况。而过程化考核机制就是把对知识点的考核分散到教学过程中，每3周左右安排一次考试，考核这段时间学习的知识点，及时把握学生的学习状况。我们利用自行开发的过程化考试平台实施过程化考试，过程化考试主要考核学生的编程能力。每次过程化考试，学生需要完成一个问题项目的设计、编码及调试，最后教师根据学生的完成情况评分。实施过程化考核的方式是将考核分散到平时教学过程中，强化了学生工程实践能力的训练与考核。

5.4基于MOOC的授课方式改进

MOOC是近几年来新兴的一种教学模式，提供了一种脱离课堂的教学方式，扩大了知识传播的途径与范围。虽然大学教学工作现阶段还不能脱离课堂教学，但慕课的教学方式还是值得借鉴的。比如录制课堂教学的内容，制作成一个个简短的主题学习视频，发布到本课程网站上供学生下载观看学习。学生在课堂上未弄懂的问题可以在课后通过观看这些视频资料来寻求帮助。借鉴MOOC的授课方式，既是对课程教学的有效补充，又能解决师生之间日常沟通渠道不畅的问题，有利于帮助学生维系学习的积极性与主动性。

6.结语

基于OBE教学理念设计清晰的学习需求、教学目标及配套工程实践课程，设计更加合理的教学案例项目、实施过程考核方式，基于MOOC改进教学方法，是笔者提出的CDIO教学模式下Java程序设计课程教学改革的主要措施。其目的是更好地将CDIO工程教育理念落地实施，强化工科院校学生的工程实践能力和创新能力，提高学生的就业竞争能力。笔者所在学院的Java程序设计课程已实施了本文提出的部分改进措施，通过对比评估证明这些措施是行之有效的，也符合我校推出的CDIO工程教育与专业认证的教学理念。当然，这些改进措施并不是放之四海而皆准的方案，只希望起到抛砖引玉的作用，为Java程序设计课程的教学改革提供参考。