成果導(dǎo)向教學(xué)模式下的計算機CDIO教學(xué)研究

盧愛臣 馬文彬 魏建宇

摘要：針對傳統(tǒng)計算機教學(xué)存在的供需脫節(jié)，學(xué)員機械學(xué)習(xí)且積極性不高的問題，研究從崗位需求和學(xué)員的能力素質(zhì)培養(yǎng)這個成果目標(biāo)反向出發(fā)，逆向設(shè)計教學(xué)思路，從培養(yǎng)學(xué)員的計算思維和創(chuàng)新意識出發(fā)，設(shè)計達到目標(biāo)的課程矩陣。提出從專業(yè)領(lǐng)域的項目中發(fā)現(xiàn)需求，挖掘項目需要的知識，反推出知識模塊，將項目搬進課堂。以《大學(xué)計算機基礎(chǔ)》為例，在教學(xué)設(shè)計和實施過程，提出以CDIO項目牽引知識，激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣，使之獲得做中學(xué)的創(chuàng)客體驗，開發(fā)學(xué)員計算思維、工程思維和系統(tǒng)思維的能力，提升學(xué)員的信息素養(yǎng)，為進一步提升崗位任職能力提供支持。

關(guān)鍵詞：CDIO;反向設(shè)計;信息素養(yǎng)

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）17-0146-02

1 引言

計算機課堂是軍事人才信息素質(zhì)培養(yǎng)的主陣地，但傳統(tǒng)的課堂還存在著供需脫節(jié)、訓(xùn)用不一等問題。我們的課堂和崗位之間、課堂和科研項目之間、課堂和培養(yǎng)目標(biāo)不能互通互享，課堂成了一個個“功能孤島”。

解決如何通過課堂喚醒學(xué)員的力量，將所學(xué)所獲用于實踐，滿足崗位需求。學(xué)員中，還存在著“虛假學(xué)習(xí)”，只注重學(xué)什么;機械學(xué)習(xí)，只關(guān)注考什么;競爭性學(xué)習(xí)，自己學(xué)好就行了，缺乏對話學(xué)習(xí)和分享合作。很多學(xué)員動手能力較差，知識不能有效地形成能力。OBE（Outcome Based Education），即成果導(dǎo)向教育理念，也稱能力導(dǎo)向教育、目標(biāo)導(dǎo)向教育、需求導(dǎo)向教育[1]。受到美國、英國、加拿大等國家著名大學(xué)的廣泛認(rèn)知和重視。

為提升課堂教學(xué)效果、提高學(xué)員的任職能力，從崗位需求和學(xué)員的能力素質(zhì)培養(yǎng)這個成果目標(biāo)反向設(shè)計培養(yǎng)思路，從解決專業(yè)領(lǐng)域現(xiàn)實問題的項目中，發(fā)現(xiàn)需求，構(gòu)建項目，將項目搬進課堂，研究項目需要的知識，反推出知識模塊。在教學(xué)中，結(jié)合大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程對計算機可感知、可操作、可觸摸的要求和特點，采用CDIO（構(gòu)思-設(shè)計-實現(xiàn)-運行）的教學(xué)模式，以實際項目激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣，開發(fā)學(xué)員計算思維、工程思維和系統(tǒng)思維的能力，為提升學(xué)員信息素養(yǎng)服務(wù)。

2 OBE理念下計算機課程教學(xué)思路的反向設(shè)計

OBE成果導(dǎo)向人才培養(yǎng)設(shè)計和傳統(tǒng)的學(xué)科導(dǎo)向的教學(xué)模式，在知識結(jié)構(gòu)強調(diào)學(xué)科知識體系的系統(tǒng)性和完備性，在一定程度上忽視了專業(yè)的需求。

OBE強調(diào)以學(xué)員學(xué)習(xí)成果為起點反向設(shè)計人才培養(yǎng)方案和培養(yǎng)過程，圍繞學(xué)員學(xué)什么？為什么學(xué)？如何學(xué)？學(xué)得怎么樣？依次構(gòu)建從培養(yǎng)目標(biāo)到畢業(yè)要求，從畢業(yè)要求到畢業(yè)要求指標(biāo)點分解，再到課程體系，從課程體系到教學(xué)內(nèi)容多層次關(guān)聯(lián)矩陣，建立持續(xù)改進的閉環(huán)式教學(xué)質(zhì)量保障體系，推進人才培養(yǎng)持續(xù)改進。根據(jù)課程承接的畢業(yè)要求指標(biāo)點，從工程知識、問題分析、設(shè)計/開發(fā)解決方案、研究、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展等方面細(xì)化教學(xué)目標(biāo)，以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向設(shè)計教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)策略和考核辦法并開展教學(xué)，然后進行目標(biāo)達成情況的評價。通過實施課程的OBE改造，任課教員和學(xué)員都更加清楚課程在知識、能力、素質(zhì)等方面的教學(xué)要求，對教員的“教”和學(xué)員的“學(xué)”均產(chǎn)生了顯著的促進作用。

2.1 OBE成果導(dǎo)向人才培養(yǎng)設(shè)計和開展過程

遵循反向設(shè)計原則，即從專業(yè)需求對學(xué)員要達到的信息化素養(yǎng)和能力出發(fā)，由需求決定培養(yǎng)目標(biāo)，由培養(yǎng)目標(biāo)決定畢業(yè)要求，再由畢業(yè)要求反推出知識模塊。最終的學(xué)習(xí)成果（終極目標(biāo)）既是OBE的終點，也是其起點。OBE教育是反向設(shè)計、正向?qū)嵤?。圖1所示是成果導(dǎo)向人才培養(yǎng)設(shè)計和開展過程。

為了最大程度上保證了教育目標(biāo)與結(jié)果的一致性，OBE成果導(dǎo)向人才培養(yǎng)設(shè)計和開展過程從學(xué)員專業(yè)的能力需求出發(fā)，細(xì)化各能力分項指標(biāo)。依據(jù)各能力需求點，提出要解決的問題模型，進一步形成教學(xué)項目。依托科研項目和成果，形成能力落腳點，即構(gòu)建適合課堂開展的教學(xué)項目，最后反推出項目實施的知識模塊。

2.2 基于OBE的《大學(xué)計算機基礎(chǔ)》教學(xué)設(shè)計

以《大學(xué)計算機基礎(chǔ)》課程為例，借鑒OBE成果導(dǎo)向人才培養(yǎng)設(shè)計和開展過程，進行教學(xué)過程的反向設(shè)計。研究專業(yè)領(lǐng)域人才培養(yǎng)方案及對信息化素質(zhì)的要求，分析課程對專業(yè)領(lǐng)域的服務(wù)指標(biāo)，細(xì)化依托課程需要達到的思維、習(xí)慣、能力等分項指標(biāo)，制定《大學(xué)計算機基礎(chǔ)》課程的教學(xué)大綱。改造科研項目、成果，轉(zhuǎn)化成課堂實施的綜合項目，使目標(biāo)落地。在此基礎(chǔ)之上，進一步分解項目，設(shè)計可實施的子項目。例如在學(xué)習(xí)計算機的輸入/輸出（I/O）時，引入溫濕度檢測、運動信息獲取、灰度檢測等子項目[2]。通過項目反推出涉及的知識模塊，用項目來牽引知識。圖2所示的就是《大學(xué)計算機基礎(chǔ)》課程教學(xué)思路的反向設(shè)計過程。

3 OBE模式下CDIO計算機項目式教學(xué)實施

3.1 CDIO教學(xué)過程設(shè)計

CDIO（構(gòu)思-設(shè)計-實現(xiàn)-運行）理念，是以項目為遷移，通過參加基于問題、項目和活動的學(xué)習(xí)體驗開源、合作、分享的創(chuàng)客精神，激發(fā)出學(xué)員的好奇心和參與的積極性，讓學(xué)員能零距離感知計算機，從而有效地促進知識內(nèi)化遷移和高階思維能力的提升。

CDIO教學(xué)，提煉于專業(yè)領(lǐng)域的實際需求，以項目的構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運行為載體，使學(xué)員在項目實施過程中得到知識的獲得感和能力的成就感。CDIO教學(xué)通過探究式的、創(chuàng)客式的課堂，顛覆了傳統(tǒng)的理念，不再是機械式灌輸，而是反轉(zhuǎn)了課堂角色，讓學(xué)員帶著好奇心積極地參與到課堂當(dāng)中，不是教員一個在表演，教員是主持、導(dǎo)演，學(xué)員不是觀眾，而是主角，這樣的課堂是生動的，活躍的。

3.2 《大學(xué)計算機基礎(chǔ)》的CDIO教學(xué)

教學(xué)大綱使得課堂項目活動結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化。課程依托可感知、可觸摸、可操作的樹莓派實驗平臺，學(xué)習(xí)計算機基礎(chǔ)知識和初步的程序設(shè)計開發(fā)。根據(jù)《大學(xué)計算機基礎(chǔ)》課程特色編寫適合開展CDIO項目的教學(xué)大綱，盡可能使項目覆蓋更多的知識點。所設(shè)計的項目具有通用性，能夠培養(yǎng)學(xué)員程序設(shè)計和應(yīng)用計算機的能力。所設(shè)計的項目具有層次性，能滿足不同層次學(xué)員的需求。項目的設(shè)計結(jié)合著專業(yè)需求，精選和學(xué)員專業(yè)相關(guān)的案例、項目來牽引知識，讓學(xué)員在做中學(xué)，學(xué)以致用。圖3所示是以項目牽引的 CDIO教學(xué)開展實施過程。

《大學(xué)計算機基礎(chǔ)》設(shè)計的CDIO教學(xué)，以Python為編程語言，學(xué)習(xí)Python語言程序設(shè)計基礎(chǔ)，利用樹莓派開展創(chuàng)客項目，讓學(xué)員打開計算機這個“黑匣子”，讓計算機看得見、摸得著。在教學(xué)內(nèi)容安排上，將Python語言程序設(shè)計基礎(chǔ)內(nèi)容后置，利用Python語言編程實現(xiàn)LED調(diào)光燈、超聲測距、人體感應(yīng)、溫度測量、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等創(chuàng)客項目[3]。同時要求學(xué)員拓展項目，對嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)的創(chuàng)客項目進行的講、演、答、辯等活動，豐富課堂體驗，采用的方式均以可操作的方式指導(dǎo)教學(xué)實施。結(jié)合實際應(yīng)用，遴選主題進行嵌入式設(shè)計比賽等學(xué)科競賽活動，實現(xiàn)賽課合一。

4 定時器應(yīng)用——以舵機控制為牽引的CDIO項目式實戰(zhàn)化教學(xué)

在很多裝備的控制系統(tǒng)中，都需要進行實時控制、同步控制，實現(xiàn)這些功能，定時器起著舉足輕重的作用。定時器設(shè)計能幫助學(xué)員理解計算機的工作過程，體驗計算機的“智能”，并能增加學(xué)員對計算思維的認(rèn)識，體會計算思維之美。依據(jù)這個導(dǎo)向，反向設(shè)計基于OBE的教學(xué)項目，反推知識模塊，開展CDIO項目式教學(xué)。

4.1 項目引入

戰(zhàn)場不是按部就班、井然有序的流水線車間，也不是設(shè)定好的游戲場景，它正變得越來越殘酷和科幻，正在從信息化演變成無人化。

即使武裝到牙齒的士兵，也無法在戰(zhàn)場上避免傷亡。我們完全可以讓機器人進入戰(zhàn)場執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)。比如，面對復(fù)雜地形，先派無人機勘察周圍環(huán)境，再派機器人進行地面搜索、布控。甚至可以指揮機器人扣動扳機。作為指揮員，該如何面對這樣的一支機器人軍團？

4.2 項目構(gòu)思（C）

本項目通過定時器和舵機的知識，來實現(xiàn)一個17自由度的機器人。機器人能模仿人做各種動作，比如俯臥撐、前空翻，還會跳舞、唱歌，之所以能做出各種復(fù)雜的動作，靠的就是舵機。

4.3 項目設(shè)計（D）

通過時鐘脈沖寬度的控制，揭示生活中利用脈寬調(diào)光、調(diào)聲的應(yīng)用，學(xué)習(xí)定時器的實現(xiàn)、pwm的概念和原理。

點亮LED，給出控制亮度——調(diào)光（眼睛能看到的）;

讓蜂鳴器唱強軍戰(zhàn)歌——調(diào)聲（耳朵能聽到的）;

讓機器人的關(guān)節(jié)動起來——PWM舵機控制（轉(zhuǎn)起來）。

4.4 項目實現(xiàn)（I）

表1列出了CDIO項目的實現(xiàn)過程。在實現(xiàn)過程中，反轉(zhuǎn)課堂角色，在教員的引導(dǎo)下，學(xué)員得到的是做中學(xué)的創(chuàng)客體驗。

4.5 項目運行（O）

根據(jù)項目設(shè)計和實現(xiàn)過程，設(shè)計硬件電路，編寫驅(qū)動程序。首先，點亮LED燈，控制燈的亮度和亮滅的時間。接著，通過平臺控制蜂鳴器發(fā)聲，進一步設(shè)置合適的頻率表示音節(jié)，調(diào)整節(jié)奏，播放強軍戰(zhàn)歌，例如《奮進，陸軍！》。然后，驅(qū)動舵機轉(zhuǎn)動。最后，課下進行項目拓展，調(diào)整兩個自由度的舵機，能實現(xiàn)多維度轉(zhuǎn)動。終極目標(biāo)，讓17自由度的機器人做一個課上演示的動作，例如前滾翻、后滾翻或者側(cè)滑等。

5 深層挖掘教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)高階思維能力提升

5.1 打造梯度式、增量式的知識結(jié)構(gòu)

全面梳理課程思路，通過分析核心崗位職責(zé)挖掘能力需求和知識需求，以課程體系的教學(xué)設(shè)計作為支撐，合理設(shè)計教學(xué)項目。借鑒OBE教學(xué)模式和CDIO教學(xué)方法，進行敏捷式教學(xué)。根據(jù)學(xué)員的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律和計算機課程學(xué)習(xí)特點，合理控制教學(xué)節(jié)奏，對難點進行分解，由淺入深，由易到難，進行梯度式、增量式、迭代式教學(xué)設(shè)計。打造“金字塔”式知識結(jié)構(gòu)，逐步提升學(xué)習(xí)挑戰(zhàn)度，拓展課程難度，延伸思維深度，切實提高教學(xué)效果，實現(xiàn)有效教學(xué)。

5.2 知識融合，培養(yǎng)學(xué)員思維和能力

作為人類發(fā)明和使用的最智能的工具，計算機融合了人類數(shù)千年的文明和智慧[4]。在知識更新速度快、以創(chuàng)新為主的時代，計算機的學(xué)習(xí)要打破知識壁壘，在掌握基本知識、基本技能的基礎(chǔ)上，提升認(rèn)知能力，鍛煉學(xué)員的創(chuàng)造思維能力、批判性思維能力、問題抽象和解決能力、自主學(xué)習(xí)能力等。

項目式教學(xué)打破以往程序設(shè)計教學(xué)中的只見樹木不見森林的現(xiàn)象，淡化了語言細(xì)枝末節(jié)的介紹，注重程序設(shè)計的根本思想的灌輸。程序是人類思想在計算機上的具體實現(xiàn)，人類把計算機擅長的事情交給機器來實現(xiàn)，編程實現(xiàn)只是形式[5]。人的思維才是編程最根本的、最具決定性的作用，教學(xué)要特別側(cè)重培養(yǎng)計算思維，體會計算思維之美。

6 結(jié)束語

本文采用OBE教育理念，提出了滿足專業(yè)領(lǐng)域信息素質(zhì)培養(yǎng)需求的教學(xué)設(shè)計方法，以《大學(xué)計算機基礎(chǔ)》為例，提出了開展CDIO項目式教學(xué)的手段。OBE理念的落地依托CDIO的實施。在教學(xué)過程中從專業(yè)領(lǐng)域的實際需求出發(fā)，充分調(diào)動學(xué)員學(xué)習(xí)主動性和積極性。以專業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H問題為牽引，以學(xué)員信息素質(zhì)的培養(yǎng)為導(dǎo)向，學(xué)而思，學(xué)而用。在教學(xué)方法上，以項目為主線，注重整體設(shè)計，每一項目要求學(xué)員自主完成設(shè)計。在完成各子項目設(shè)計的基礎(chǔ)上，最終完成綜合設(shè)計。為實現(xiàn)《大學(xué)計算機基礎(chǔ)》的有效教學(xué)提供了一種可行的思路。

參考文獻：

[1] 呂云翔，李沛?zhèn)?IT簡史[M].北京：清華大學(xué)出版社，2016.

[2] 吳新杰.AVR單片機項目教程：基于C語言[M].3版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2017.

[3] 張志良.單片機應(yīng)用項目式教程：基于Keil和Proteus[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[4] 董榮勝.計算思維的結(jié)構(gòu)[M].北京：人民郵電出版社，2017.

[5] 海因茨·R.帕格爾斯.大師說科學(xué)與哲學(xué)：計算機與復(fù)雜性科學(xué)的興起[M]. 牟中原，梁仲賢譯.桂林：漓江出版社，2017.

收稿日期：2021-08-25

基金項目：軍隊重點學(xué)科專業(yè)建設(shè)項目——《計算機程序設(shè)計CDIO教學(xué)模式改革》，項目類別：教學(xué)改革，項目編號：4142ZB101

作者簡介：盧愛臣，男，講師，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。