任 芳，吳 茜，潘妍妍

（陸軍軍事交通學(xué)院 基礎(chǔ)部，天津 300161）

0 引 言

計算機的高速發(fā)展促進了信息技術(shù)的不斷進步，而信息技術(shù)的進步不僅改變著人們的生產(chǎn)、生活方式,更對高校各專業(yè)人才信息化素質(zhì)培養(yǎng)提出了新的要求。作為國際工程教育改革的最新成果——CDIO 工程教學(xué)模式，是一種在“做中學(xué)”的新模式，它以構(gòu)思、設(shè)計、實施及運作4 個步驟為載體，形成了新的人才培養(yǎng)模式。以CDIO 模式的先進理念為指導(dǎo)，對高校大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)進行改革，是對計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)進行的有益探索。

1 大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)現(xiàn)狀

大學(xué)計算機基礎(chǔ)作為高校信息化教育的基礎(chǔ)課程，被各專業(yè)定為低年級的一門必修課，也是各專業(yè)后續(xù)課程的一個前導(dǎo)內(nèi)容。筆者希望通過該課程的教學(xué)，系統(tǒng)培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，并利用計算機這個工具將該思維體現(xiàn)在解決各專業(yè)實際需求的應(yīng)用中。

然而，傳統(tǒng)的教學(xué)模式以教師講授為主，學(xué)生在課堂上沒有或很少有動手操作的機會，機械式、灌輸式的講授，容易誤導(dǎo)學(xué)生將“ 自己理解了”和“可以動手實際編程”混為一談。課下學(xué)生自主上機調(diào)試程序的動力不足，導(dǎo)致了教學(xué)效果達不到預(yù)期，學(xué)生自主編程解決實際問題能力差的現(xiàn)狀，教師付出的辛苦和收到的效果完全不成正比。

面對信息化的發(fā)展對高校教學(xué)的沖擊，必須依據(jù)現(xiàn)實情況和未來對人才的需求進行預(yù)先規(guī)劃布局，培養(yǎng)具有想象力、創(chuàng)造力、跨學(xué)科整合能力的“新工科”人才。大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)必須大膽改革教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段，創(chuàng)新突破傳統(tǒng)的以教師為中心、過分依賴教師和課本的模式，以實際需求為牽引，以具體項目為驅(qū)動，將科研引入教學(xué)，充分尊重學(xué)生的學(xué)習(xí)特點，激發(fā)其探究式學(xué)習(xí)的主動性與好奇心。

2 CDIO教學(xué)模式

CDIO 工程教育模式[1-2]是近年來國際工程教育改革的最新成果。CDIO 教育模式是以產(chǎn)品研發(fā)到運行的整個生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的、各課程之間有機聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程的理念、技術(shù)與經(jīng)驗，其教學(xué)框架體現(xiàn)了創(chuàng)新的教育思想。

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate：構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)—運行）倡導(dǎo)探究式教學(xué)，教師由以前的“主講”向“主持”的身份轉(zhuǎn)變，從現(xiàn)實需求出發(fā)提取出教學(xué)項目，充分激發(fā)學(xué)生的好奇心，引導(dǎo)他們主動參與、積極探究、分享合作，讓學(xué)生獨立思考、自主探究、系統(tǒng)實現(xiàn)，改變傳統(tǒng)以教師為主導(dǎo)的課堂教學(xué)，真正實現(xiàn)反轉(zhuǎn)課堂。構(gòu)建以學(xué)生為主體的開放學(xué)習(xí)環(huán)境，具體培養(yǎng)目標(biāo)見圖1。

圖1 CDIO 培養(yǎng)目標(biāo)

應(yīng)將CDIO 教育理念通過科學(xué)的、多形式的教學(xué)方法融入課程教學(xué)，突出實踐環(huán)節(jié)和學(xué)生課內(nèi)主動參與度，提高學(xué)生獨立探究和團隊協(xié)作的能力。結(jié)合高校大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程課堂教學(xué)實際情況，依據(jù)CDIO 研究方法，我們構(gòu)建新型課堂及創(chuàng)客實驗室，目的在于讓學(xué)生參與以實際需求和具體項目為基礎(chǔ)的課堂學(xué)習(xí)，并利用開源軟（硬）件，參與整個項目的構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)及運行，讓學(xué)生體驗“做中學(xué)”，在這個過程中持續(xù)訓(xùn)練其計算思維，不斷提高解決現(xiàn)實問題的能力，CDIO 項目教學(xué)完整過程見圖2[3]。

圖2 CDIO 項目教學(xué)過程

3 CDIO課堂教學(xué)具體實施項目

3.1 項目構(gòu)思

大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程中，算法這一章教學(xué)內(nèi)容具有很重要的地位。通過學(xué)習(xí)算法，可以系統(tǒng)訓(xùn)練學(xué)生的計算機思維，訓(xùn)練其對問題的抽象、探究、分析以及利用計算機編程表達和解決問題的能力。

本項目以學(xué)習(xí)最短路徑算法為例，來闡述CDIO 創(chuàng)客課堂教學(xué)的具體設(shè)計與實施過程。CDIO 項目從現(xiàn)實需求出發(fā)，選取學(xué)院開發(fā)的應(yīng)急鐵路輸送總方案決策支持系統(tǒng)中某運輸場景，見圖3，要求在最短時間內(nèi)將物資由裝在地域運輸?shù)礁髋渲玫赜颍寣W(xué)生編程計算出耗時最短的運輸方案及具體用時。創(chuàng)設(shè)賽課合一的教學(xué)環(huán)境，在CDIO 創(chuàng)客教學(xué)實驗室，分組進行鐵路輸送方案的探究，并進行方案的匯報、互評以及改進。

圖3 某應(yīng)急運輸?shù)貓D

3.2 項目設(shè)計

1）提煉需求，對問題原型進行抽象、建模。

首先，將問題進行抽象和簡化，選取北京、武漢、南京、南昌、鄭州5 地作為研究對象，求出從北京到其他4 個地點間的最短路徑，見圖4。

為了研究問題的本質(zhì)，將背景地圖撤走，然后用數(shù)據(jù)結(jié)點代表各地點，將各點間的鐵路線標(biāo)注出來，繼續(xù)整理出該圖形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是只研究數(shù)據(jù)結(jié)點及結(jié)點間的關(guān)系，而忽略結(jié)點的大小、線的曲直。此時得到圖5 的有權(quán)無向圖，圖的邊上標(biāo)注的是兩點間的權(quán)值，在該實際問題當(dāng)中，其數(shù)值代表各地點間的鐵路線長度。

圖4 CDIO 項目選取地圖

圖5 CDIO 項目帶權(quán)無向圖

用二維矩陣存儲該圖信息，其中，列方向表示出發(fā)地點，行方向表示到達地點，兩點間的距離就記錄在相應(yīng)的位置上。其中兩點間沒有直達的鐵路線時，距離記錄為正無窮。對應(yīng)該二維矩陣，程序中用二維數(shù)組表達即可。該項目中的原始鐵路線距離信息記錄如下：

有了原始各地間鐵路線距離的數(shù)據(jù)模型，就可指定出發(fā)（裝載）地點，具體分析和研究從該地點到其他各地點的最短路徑問題。

2）問題分析與求解。

本項目實際是在求解某一個點到其他各點間的最短路徑問題。最短路徑算法有很多，其中最為經(jīng)典的是Dijkstra 算法、Floyd 算法等。選取學(xué)生容易理解的Dijkstra 算法解決該具體問題。

Dijkstra 算法的思想是：按照各條最短路徑遞增的順序找出某一點到其他各頂點間的最短路徑。

假設(shè)該題目中，將北京記為頂點1，就要用該算法具體求解頂點1 到其他各頂點間的最短路徑。

首先指定源點并分組頂點，分為已找到最短路徑的頂點分組和未找到最短路徑的頂點分組。

從已找到最短路徑的頂點出發(fā)，找出其到未找到最短路徑的各頂點間的最短路徑。

n個頂點循環(huán)n-1 次找最短路徑。

（1）取小距離值，對應(yīng)頂點作為新選點；

（2）調(diào)整分組，將新選點加入已確定最短路徑組；

（3）源點到未確定最短路徑頂點分別做：原距離值與源點→新選點→未定點距離和，回到（1）。

學(xué)生探究分析該算法，教師引導(dǎo)學(xué)生獨立編寫程序，培養(yǎng)學(xué)生在面對問題時如何分析、建模，如何用具體的語言工具描述算法的思想來，初步建立計算思維及模塊化編程的能力。

3.3 實現(xiàn)與運行（創(chuàng)客課堂教學(xué)實施）

1）項目分組。

2）能力培養(yǎng)目標(biāo)。

3）項目實施，見表1 和表2。

（1）環(huán)節(jié)I：項目理論知識探究，包括多種最短路徑算法思想、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，開發(fā)工具技能；

（2）環(huán)節(jié)II：項目目標(biāo)下發(fā)與學(xué)生組隊；

（3）環(huán)節(jié)III：項目構(gòu)思——通過查找資料，課前預(yù)習(xí)，瀏覽微課等多種手段學(xué)習(xí)最短路徑算法內(nèi)容，在掌握編程技能的基礎(chǔ)上，各小組明確項目目標(biāo)、確立方案可行性、完成項目報告內(nèi)容I（項目分析與創(chuàng)新分析與評估）；

（4）環(huán)節(jié)IV：系統(tǒng)設(shè)計——主要工作包括制定解決方案、制定解決計劃以及完成項目報告內(nèi)容II（項目設(shè)計方案評估、項目風(fēng)險評估）；

（5）環(huán)節(jié)V：系統(tǒng)實現(xiàn)——提供完整程序，利用程序完成問題的求解、完成項目報告內(nèi)容III（系統(tǒng)流程、系統(tǒng)架構(gòu)）兩個環(huán)節(jié)組成；

（6）環(huán)節(jié)VI：運行與評估——課內(nèi)完成項目報告內(nèi)容IV（匯報展示、學(xué)生自評、同組者互評、不同組者互評和教師點評）。

表1 實施計劃

4）課內(nèi)評估。

3.4 教學(xué)小結(jié)

通過該項目的CDIO 教學(xué)實施以及創(chuàng)客課堂的創(chuàng)建，學(xué)生成為了課堂和教學(xué)的主體，由以前“要我學(xué)”變成了現(xiàn)在“我要學(xué)”，翻轉(zhuǎn)了以往以教師為中心的傳統(tǒng)課堂。本章節(jié)內(nèi)容以算法為例，結(jié)合大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程中計算思維具體應(yīng)用及能力培養(yǎng)展開討論與點評，加深學(xué)生對算法及計算機思維的理解，激發(fā)其自主學(xué)習(xí)的興趣，進行創(chuàng)新思維培養(yǎng)。

教師通過向?qū)W生列舉計算思維在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用，幫助其提煉現(xiàn)實需求，持續(xù)訓(xùn)練其利用計算機解決實際問題的意識和能力；在充分尊重學(xué)生學(xué)習(xí)特點的基礎(chǔ)上，讓其成為課堂學(xué)習(xí)的主體，利用好奇心和主動性引導(dǎo)其探究式學(xué)習(xí)，最終達到“育人”這個教學(xué)的最高目標(biāo)。

表2 實施環(huán)節(jié)

4 結(jié) 語

基于項目的創(chuàng)客課堂是開放的、基于學(xué)生間的分享合作的。學(xué)生在這個過程中，體會到了學(xué)習(xí)時間從課內(nèi)向課外延伸，空間從教室向圖書館和實驗室拓展，內(nèi)容從教材向參考資料擴充，學(xué)生的主體地位彰顯，教學(xué)效果明顯好于傳統(tǒng)課堂。

基于CDIO 的課程教學(xué)創(chuàng)客課堂活動是生動的、活潑的。整個教學(xué)過程充分調(diào)動了學(xué)生的積極性、主動性，激發(fā)他們的好奇心，帶著疑惑和問題主動探究學(xué)習(xí)。這樣的教學(xué)更加突出知識的建構(gòu)以及教學(xué)方法的導(dǎo)引性，從傳統(tǒng)的灌輸課堂向?qū)υ捳n堂轉(zhuǎn)變、從以往的封閉課堂向開放課堂轉(zhuǎn)變、從之前的知識課堂向能力課堂轉(zhuǎn)變、從重學(xué)輕思向?qū)W思結(jié)合轉(zhuǎn)變。這種基于實際需求的項目式教學(xué)方法為培養(yǎng)具有計算思維、創(chuàng)新能力的新型工科人才提供了一種嶄新的培養(yǎng)模式，是對計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)進行的有益探索。