唐成華，張瑞霞，張 凈

（桂林電子科技大學(xué) 計算機與信息安全學(xué)院，廣西 桂林 541004）

基于認知曲線的項目案例實踐教學(xué)法研究

唐成華，張瑞霞，張 凈

（桂林電子科技大學(xué) 計算機與信息安全學(xué)院，廣西 桂林 541004）

針對當(dāng)前項目教學(xué)法中學(xué)生認知能力的滿足性問題，基于傳統(tǒng)知識網(wǎng)概念，描述了以案例封裝知識點的要求和方法，引入認知能力思想。以計算機類專業(yè)為例，該文提出了學(xué)習(xí)編程的認知曲線概念，精心設(shè)計了案例教學(xué)的多認知階段課程與實踐方法，為改革教學(xué)模式，培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力提供了新思路。

項目教學(xué)法；創(chuàng)新教育；認知曲線；案例設(shè)計

項目驅(qū)動式是一種探究性的能力教學(xué)方法。自德國以“實踐為導(dǎo)向”雙元制教育［1］的成功實施和北美推行的基于能力的教育（CBE）［2］模式于20世紀(jì)80年代傳入我國，項目式教學(xué)方法的應(yīng)用興起。項目式教學(xué)法特別適合于高等教育中需要融入職業(yè)教育或企業(yè)實踐的一些專業(yè)或課程，已有許多高校在這方面進行過初步探索，比如在IT教學(xué)領(lǐng)域，運用項目教學(xué)法在計算機基礎(chǔ)教學(xué)、C、Java、Web等程序設(shè)計方面已有了一些成果，本著“團隊協(xié)作、項目實踐、科技創(chuàng)新”的教學(xué)理念，因地制宜，因材施教，項目驅(qū)動式教學(xué)法在高校本科生綜合素質(zhì)創(chuàng)新培養(yǎng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

文獻［3］對項目驅(qū)動在計算機基礎(chǔ)實踐課程教學(xué)中的應(yīng)用進行了研究，分析了項目驅(qū)動教學(xué)要素，并對教學(xué)過程和項目進行了設(shè)計。文獻［4］是以任務(wù)驅(qū)動的概念探討了大學(xué)計算機教學(xué)模式的改革，并提出了具體的方案。文獻［5］則是基于任務(wù)和項目結(jié)合的思想研究實現(xiàn)“Android開發(fā)技術(shù)”課程的協(xié)作教學(xué)。也有文獻是以案例驅(qū)動的模式帶動課程教學(xué)改革［6］，而文獻［7］是將案例與任務(wù)驅(qū)動相結(jié)合，并強調(diào)了其關(guān)鍵點在于案例的選取和任務(wù)的設(shè)計。以上這些可統(tǒng)稱為項目教學(xué)法，均強調(diào)發(fā)揮教師的指導(dǎo)作用和學(xué)生的主動性，以項目、任務(wù)、案例、問題或情景等驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生運用知識去探究和發(fā)現(xiàn)問題，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。在項目教學(xué)法實踐過程中，每個學(xué)生的學(xué)習(xí)情況有著很大的差異，如果忽視學(xué)生特點則教學(xué)效果將大打折扣。因此，文獻［8］提出了分層任務(wù)驅(qū)動的方法，實現(xiàn)學(xué)員動手實踐能力的階梯式提高，通過分層小任務(wù)劃分為導(dǎo)向，完成學(xué)習(xí)過程的漸升，滿足學(xué)員的成就感，增加學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，有效提高了教學(xué)效果。

1 存在的問題

盡管我國在項目驅(qū)動式教學(xué)方面已取得了一些成果，但與先進國家相比仍處于初步建設(shè)和比較落后的狀態(tài)，特別是在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)空間安全領(lǐng)域人才非常缺乏，相關(guān)的信息安全、信息對抗等專業(yè)本科設(shè)置與教學(xué)起步也較晚的情況下，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)編程、安全檢測等信息系統(tǒng)和軟件工程領(lǐng)域，培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新性精神和實踐創(chuàng)新能力的過程中尚存在著一些問題。

在以項目驅(qū)動的教學(xué)方法過程中，需要解決項目案例的實踐對不同學(xué)生認知能力要求的滿足性問題。學(xué)生的認知能力是一個過程，從被動轉(zhuǎn)向主動，在主動學(xué)習(xí)中也是不斷適應(yīng)和提高的過程；另外，在每個項目階段，學(xué)生的心理調(diào)適也是存在或許不同的緩沖期［9］；因此，合理難度的項目案例設(shè)置能給予學(xué)生更好的發(fā)揮空間，并更快地實現(xiàn)自我認知。所以，在以項目案例教學(xué)為導(dǎo)向，符合培養(yǎng)目標(biāo)并掌握相關(guān)知識點要求下的案例實踐教學(xué)方法，應(yīng)能夠滿足不同知識基礎(chǔ)、不同能力水平的學(xué)生培養(yǎng)。要按嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)進行案例設(shè)計和投放，課程的設(shè)計應(yīng)能與學(xué)生的認知能力保持一致，也就是要確保這些基于認知設(shè)計的案例有一定的層次性和階段性。

2 以案例為教學(xué)向?qū)В黄苽鹘y(tǒng)知識認知局限

與傳統(tǒng)的課堂灌輸式理論教學(xué)不同，采用以講案例和做案例并舉的形式，以案例對知識點進行封裝講解的教學(xué)與實踐，這是一種革新的教學(xué)方法，能突破在傳統(tǒng)理論知識體系講授過程中學(xué)生對知識點認知的局限，可以為學(xué)生提供一個很好的創(chuàng)新平臺，使學(xué)生的創(chuàng)新思維不只是停留在理論創(chuàng)新上，而在于更廣泛地發(fā)現(xiàn)問題、思考問題并解決實際問題的創(chuàng)新過程。

2.1 傳統(tǒng)知識網(wǎng)

知識本身是張網(wǎng)，案例教學(xué)的實踐就是這張網(wǎng)的紡織過程，并努力讓學(xué)生具有善于使用這張網(wǎng)的能力。如在程序設(shè)計語言及應(yīng)用等相關(guān)課程的教學(xué)中，基于案例的實踐教學(xué)，正是構(gòu)建諸如集合、數(shù)組和關(guān)鍵詞之間，以及它們與變量定義、運算符、流程控制、面向?qū)ο?、?nèi)部類、GUI、I／O、多線程和網(wǎng)絡(luò)編程等知識點之間的關(guān)系網(wǎng)，如圖1所示。案例的教學(xué)，要疏清這些知識點之間的脈絡(luò)關(guān)系，抓住各點在知識網(wǎng)中存在的作用與意義，使學(xué)生明白它們之間相輔相成的關(guān)系，在設(shè)計程序時能夠觸類旁通，舉一反三。

圖1 程序設(shè)計知識網(wǎng)

2.2 以案例封裝知識點

以案例過程為學(xué)生建立各知識點關(guān)系網(wǎng)和作用網(wǎng)，即用案例封裝有關(guān)系的各知識點。如在程序設(shè)計中，每個案例都是一個有著實際應(yīng)用方向的軟件工程，所涉及的知識點不局限于相關(guān)的計算機編程知識，也涵蓋了那些為軟件工程服務(wù)的人文知識，以及人體工學(xué)和美學(xué)等知識，讓學(xué)生有主動學(xué)習(xí)的興趣，在擴充知識的同時能提高編程能力，促進學(xué)生知識向生產(chǎn)力、創(chuàng)造力的轉(zhuǎn)變。例如一個俄羅斯方塊游戲案例，主要包含了C＋＋基本語法及運用流程、TCP／UDP協(xié)議、Socket的使用、線程，以及操作系統(tǒng)等知識點，并且為了游戲程序的趣味性、美觀性和操作靈活性，也應(yīng)考慮界面色彩設(shè)置、按鍵布置等方面。

3 面向編程的認知曲線設(shè)計案例

案例的設(shè)計和投放應(yīng)該有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計不同的案例以適應(yīng)不同知識基礎(chǔ)、不同編程能力以及不同學(xué)習(xí)階段的學(xué)生，即基于學(xué)生學(xué)習(xí)編程的認知曲線來設(shè)計案例。

3.1 學(xué)習(xí)編程的認知曲線

對于本科學(xué)生學(xué)習(xí)編程而言，其認知能力是指學(xué)生以編程語言系統(tǒng)為認知對象，對編程目標(biāo)、編程要素、學(xué)習(xí)任務(wù)、學(xué)習(xí)方法、自身特點以及學(xué)習(xí)情境等進行分析和判斷的能力。較高的認知能力，對于良好的學(xué)習(xí)體驗的積極作用是顯著的［10］。這種能力因人而異，因此，應(yīng)該記錄教學(xué)過程，因材施教，避免傳統(tǒng)模式下的精英教育易造成對部分學(xué)生忽視現(xiàn)象的蔓延。這是一個漸進的過程，按學(xué)生不同的認知能力促進學(xué)生的自主能動性和創(chuàng)新性的提升。

在應(yīng)用案例學(xué)習(xí)編程的具體實踐中，其認知能力曲線，則體現(xiàn)在不同階段、不同時期（如周、月等）對于編程語言系統(tǒng)中的關(guān)鍵詞、語句語法、程序邏輯、完整程序、系統(tǒng)耦合和代碼復(fù)合等不同方面認知能力的變化趨勢，如圖2所示。這種認知曲線的變化也反映了這些不同方面在不同時期的上升與下降的關(guān)聯(lián)關(guān)系，表明了學(xué)習(xí)者對這些認知方面的掌握能力的變化過程，是我們建立多認知階段課程案例的依據(jù)。

圖2 學(xué)習(xí)編程的認知曲線

3.2 案例教學(xué)的多認知階段課程設(shè)計

以信息安全專業(yè)為例，在學(xué)習(xí)編程的軟件工程項目中，以認知曲線為指引，多認知階段的課程設(shè)計是循序漸進的，為不同階段制定學(xué)習(xí)要點并確定所培養(yǎng)的認知能力，設(shè)計相關(guān)的具體案例，促進學(xué)生發(fā)揮不同階段對不同知識方面的優(yōu)勢能力，如表1所示。學(xué)習(xí)編程分為打基礎(chǔ)階段、編程能力提高階段、綜合案例階段和大項目階段，各階段的課程案例對應(yīng)著不同的認知能力，而且每個階段還可以進行細分。

3.3 典型的編程認知課程設(shè)計

對不同認知階段的課程，精心設(shè)計教程案例和教學(xué)方法，在符合專業(yè)培養(yǎng)方案的前提下，明確相關(guān)的階段教學(xué)目標(biāo)、對應(yīng)的知識要點和實踐操作的內(nèi)容。例如，設(shè)計俄羅斯方塊控制臺編程的認知課程，按以下3個認知階段進行課程設(shè)計。

表1 多認知課程階段設(shè)計

階段1教程：控制臺基本操作。

目標(biāo)：程序概念、鍵盤與鼠標(biāo)事件、循環(huán)控制。

知識點：函數(shù)、類和對象；Windows API；窗體使用；隨機數(shù)生成；定位、色彩與繪圖；鍵盤控制。

實踐：編程并測試關(guān)于色彩顯示、字符閃爍和移動的案例；設(shè)計并測試關(guān)于鍵盤控制的案例；開發(fā)并測試簡單圖形旋轉(zhuǎn)的案例。

階段2教程：單機俄羅斯方塊游戲。

目標(biāo)：多線程方法、控制程序邏輯。

知識點：輸入／輸出流類庫；面向過程／對象的設(shè)計；多線程控制物體運動；游戲流程與邏輯。

實踐：設(shè)計單機俄羅斯方塊，并測試功能。例如：1）能夠隨機顯示多種形狀的方塊；2）能用鍵盤控制方塊的下落和左右移動及翻轉(zhuǎn)；3）能在某行的方塊連滿后進行消行和計分；4）具有計時和限時；5）能保存游戲結(jié)果等。

階段3教程：網(wǎng)絡(luò)俄羅斯方塊對戰(zhàn)。

目標(biāo)：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)編程。

知識點：延時重繪；TCP／IP協(xié)議；Socket網(wǎng)絡(luò)編程；網(wǎng)絡(luò)消息機制（消息發(fā)送與存取、消息隊列）。

實踐：設(shè)計網(wǎng)絡(luò)俄羅斯方塊對戰(zhàn)游戲，并測試功能。例如：1）在游戲前后與過程中，雙方可文字交談；2）在游戲中，當(dāng)一方消行時，另一方隨機增加一行方塊；3）當(dāng)任意一方方塊先觸頂時，游戲結(jié)束并計分比較。

通過以上典型的基于認知的編程案例實踐教學(xué)設(shè)計，讓學(xué)生不僅體會了面向過程與面向?qū)ο缶幊谭椒ǖ膬?yōu)缺點，也掌握了基于網(wǎng)絡(luò)的編程要點，能對系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)實現(xiàn)和系統(tǒng)測試與分析有一個全面的軟件工程的理解。這種根據(jù)學(xué)生對編程知識點認知能力而設(shè)計的案例教學(xué)階段和實踐模式，能發(fā)揮學(xué)生運用知識發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)和實踐的興趣，能讓學(xué)生具有持續(xù)的成就感，創(chuàng)新能力被激發(fā)，具有良好的擴展性思維和動手能力。

4 結(jié)束語

依托省級可信軟件重點實驗室和已建立的校企合作創(chuàng)新實踐基地，桂林電子科技大學(xué)已開展了項目教學(xué)資源與環(huán)境建設(shè)，基于認知曲線的項目案例實踐教學(xué)法已在信息安全專業(yè)、軟件工程專業(yè)和網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)進行了初步嘗試，教學(xué)氛圍活躍，取得了較好的效果；學(xué)生的團隊精神和創(chuàng)新能力得到了不斷的提升；在實踐中形成了有特色的教學(xué)方法，為課程實踐教學(xué)改革提供了有益的嘗試平臺。

［1］陳瑩.德國雙元制高等教育體系研究［J］.外國教育研究，2015，42（6）：119－128.

［2］任國防.CBE教育模式對普通學(xué)科教育的啟示［J］.河南師范大學(xué)學(xué)報（哲學(xué)社會科學(xué)版），2012，39（5）：217－219.

［3］胡永，王東，孫海霞.項目驅(qū)動在計算機基礎(chǔ)實踐課教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］.甘肅科技，2014，30（13）：70－72.

［4］葉偉.任務(wù)驅(qū)動教學(xué)在大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)中的改革與實踐［J］.湖北成人教育學(xué)院學(xué)報，2014，20（4）：12－13.

［5］宋紅軍.任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法和項目教學(xué)法在“Android開發(fā)技術(shù)”教學(xué)中的協(xié)作研究［J］.科教文匯，2015（18）：70－71.

［6］陳偉，劉軍，谷凌雁.以案例驅(qū)動信息系統(tǒng)分析與設(shè)計課程教學(xué)［J］.教育教學(xué)論壇，2015（18）：152－153.

［7］王磊.案例——任務(wù)驅(qū)動教學(xué)在高職計算機基礎(chǔ)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.電腦編程技巧與維護，2014（20）：134－135.

［8］劉瑜，李瑛，邢翠芳.概念圖支持下的分層任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法在計算機基礎(chǔ)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.計算機教育，2015（6）：77－81.

［9］蔣琪.信息化教學(xué)模式下學(xué)生認知能力分析與研究［J］.中國新通信，2013（24）：13.

［10］郭淑婷.提高所有學(xué)生的元認知能力以保障高等遠程教育的教學(xué)質(zhì)量［J］.中國遠程教育（綜合版），2014（12）：28－34.

Research on Project Case Practice Teaching Method Based on Cognitive Curve

TANG Chenghua，ZHANG Ruixia，ZHANG Jing
（School of Computer Science and Information Security，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

In view of the satisfaction problem of students'cognitive ability in the current project teaching method，based on the concept of the traditional knowledge network，the requirements and methods of encapsulating knowledge points by case is described.The cognitive abilities thinking is introduced，and the cognitive curve concept of learning programming is proposed in the case of computer science.The multi－cognitive stage and the practice method of the case teaching have been designed.，which provides a new way for the reform of teaching mode，and the cultivation of students'innovative spirit and practical ability.

project teaching method；innovation education；cognitive curve；case design

G642.0

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.026

2015－07－27；修改日期：2015－10－12

廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項目（2015JGA219，2014JGZ117，2015JGA225）；國家級示范性實驗教學(xué)中心——桂林電子科技大學(xué)計算機實驗教學(xué)中心教育教學(xué)改革項目（桂電教［2016］3號）。

唐成華（1974－），男，博士，副教授，主要從事計算機網(wǎng)絡(luò)與信息安全方面的研究工作。