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摘要：分析工程教育背景下高校计算机教育培养目标，提出并初步实施结合计算机竞赛和SRTP项目，基于CDIO-OBE模式的计算机实践教学。具体说明实际工程项目如何与游戏编程结合驱动式教学，实现按照CDIO大纲工程教育目标，对高校工科学生在工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力4个方面进行培养，并总结教学模式实践反馈情况。
关键词：计算机实践；CDIO-OBE模式；项目驱动；工程能力；创新意识
本文引用格式：屈微等.项目驱动的计算机实践课程探索——结合竞赛和SRTP的CDIO-OBE模式[J].教育现代化，2019，6（7）：6-9
大学本科工程教育中，存在两种不断增长的需求：一方面，毕业生必须掌握越来越多的技术知识；另一方面，年轻的工程师必须拥有广泛的个人，人际关系和系统建设知识和技能，才能在真正的工程团队中发挥作用，生产新产品和系统。麻省理工学院、瑞典皇家工学院等四所大学通过4年的研究、探索与教学实践，建立起一种基于工程教育的先进教学模式，CDIO模式[1]。《CDIO能力大纲》通过应用工程问题解决模式，对当代工程师所需技能的给与全面诠释，其中C、D、I和O分别代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）。我国的工程教育采用与《华盛顿协议》实质等效的培养标准，需要构建“基于学习结果的工程教育模式”（Outcome-Based Education，OBE）系统，形成持续改进的质量保障体系。CDIO工程教育模式，不仅可以与工程认证标准中的“毕业生要求”完全对应，而且比其要求更加细化且可以操作，实现统筹配置教育内容、教育资源、师资队伍和教育评价。由于CDIO与OBE的关联性，汕头大学提出了CDIO-OBE模式[2]，即用CDIO大纲和标准实现OBE理念的工程专业认证要求。
一 工程教育背景下高校计算机教育培养目标
2016年教育部《中国工程教育质量报告》要求“高等教育‘回归’工程，把学生能力培养当作工程教育质量之本，指出学生工程实践能力薄弱是当前工程教育的显性‘短板’。工程教育应切实扭转科学化倾向，把学生能力培养当作质量之本。”高等教育作为培养创新型工程科技人才的重要平合，其模式正在转变为工程范式下的工程教育模式。2017年，人民网对报告进行解读的文章，提出“发力‘十三五’：建设新工科，中国工程教育再启程”，“面向国家战略，对接新经济、新技术、新产业发展需要，继续践行学生中心、产出导向和持续改进三大教育理念的同时，面对新挑战，赋予绿色工程教育、创新创业教育等新内涵，树立创新型、综合化、全周期工程教育理念，建设质量文化，持续提升工程人才培养水平。”[3]
在工程教育背景下，中国工程教育认证协会陆续开展了工程专业认证，构建与华协等质实效的工程教育认证系统和质量标准，实现我国工程教育与国际标准的接轨。计算机教育是工科高校人才基本技能培养的重要组成部分，目标不再是单一知识和技能传授，需要与工程认证标准中的“毕业生要求”一致，转变为能力、素质、思维和文化的综合培养。
二 CDIO模式下的计算机实践课程思路
北京科技大学的计算机实践课程是计算机基础课程的最后环节，面向全校所有专业。2013年开始，我们设计实施了一种游戏编程的计算机实践新教学模式，该模式遵循软件开发流程，借助程序设计语言将计算问题转变为计算机程序，实现解决各学科领域的计算问题。基于游戏编程的计算机实践，设定的待解决问题为编写一个可运行的游戏项目，即基于游戏和动画界面的C、C++和Java语言综合实验教学平台，开发互动式游戏或应用系统[4]。2017年在此基础上突出工程能力培养，引入实际工程项目驱动和CDIO-OBE模式，对已有教学模式进行改进，在细观和微观的层面贯彻和落实CDIO教育模式。结合计算机竞赛和大学生创新创业项目（SRTP）的项目驱动计算机实践教学模式，建立思路和过程与产品、过程和系统的生命周期各个阶段紧密联系[5]。
如图1所示，教学模式以实际工程项目、计算机竞赛题目或SRTP项目作为起点，驱动整个教学过程，通过C→D→I→O四个阶段，达到培养学生获得创新工程能力，一定程度符合CDIO标准的目的。具体过程包括：
（一）构思（C）：需要考虑学生培养的需求等问题
针对计算机实践课程的CDIO模式设计，在构思阶段对参与课程学生的培养进行需求分析，设定明确的学习效果为初步建立创新工程意识，熟悉软件工程流程及专业工业项目生产环境和产品。
（二）设计（D）：需要进行创造性设计，描述需要建造或实现的计划等
改进现有的基于游戏项目的课程形式，将实际工程项目、计算机竞赛题目或SRTP项目引入选题、设计、验收和评价的教学各环节，建立明确的教学产品目标和流程。
（三）实施（I）：需要将设计转化经过测试和验证的产品
首先，教学模式在一个班进行试验，获取教学效果数据，然后进行教师、团队、题目和评价等教学元素进行评估、改善、调整，并在以后每学年一次的课程中应用，形成一个反复提炼，持续改进提升的过程。
（四）运作（O）：通过已实现的产品来体现其应有的价值
教学模式建立并进行初步运行，进入一个稳态阶段后，不断对计算机实践的CDIO模式进行评估和改进，将学生作品与计算机竞赛和SRTP项目相结合，应用到实际项目形成工业产品，提高教学模式的有效性。并在进一步提升和改进中引入更有效的评价方法。
三 CDIO模式下的计算机实践课程体系
（一）教学目标
CDIO大纲目标是培养学生的技术知识与推理能力，个人能力、职业能力和态度，人际交往能力以及在企业和社会环境下构思、设计、实施、运行系统的能力。在原有教学目标基础上，CDIO-OBE模式下的计算机实践课程突出CDIO大纲要求的工程能力培养，使学生在学习程序设计基础知识的基础上，明确其在各专业工程应用方法，将计算机编程技术运用到专业问题的解决和建模仿真中，培养学生软件和工业产品创新意识，掌握项目控制流程、团队合作和协调分工的工程实施方法。
（二）教学流程
教学内容在计算机方面的软件工程基础理论基础上，增加各专业工程实践相关知识和技术。教学过程贯穿产品研发到产品运行的生命周期，让学生以主动的、实践的、循序渐进的方式学习工程知识。教学中已建立一套以学生执行为主、教师指导监督的教学游戏开发流程，着重在软件工程方面实施工程教育，游戏项目的设计和实现过程是系统、完整的软件产品开发及运行过程，包括开发流程和文档编辑两个方面，从项目开发流程，即项目开发背景、需求分析、总体设计、详细设计、代码实现及测试、打包部署等相关内容等，到形成产品形式的安装说明和设计技术文档。在此基础上，增加工业系统和产品目标作为教学产品目标，教师在选题阶段，按实际工程项、计算机竞赛和SRTP项目要求，提供给学生选择，形成明确的产品导向的评价标准，在此目标驱动下，引导学生建立工程概念和创新意识，确定以游戏为载体的产品模型。另外，CDIO-OBE模式下计算机实践课程，增加运作环节，目的在于让学生理解和经历产品和系统的全生命周期[6-8]。
建立基于作品完成情况的OBE评价的考核体系，参照计算机竞赛和SRTP项目审核标准，根据学生作品完成度、技术文档、团队分工合理性，多层次的考核学生在工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力方面的学习结果。通过答辩中的提问环节，评价学生的产品、系统的推广和维护意识，确定学生相对于CDIO大纲要求的满足度。如图2所示，学生承担CDIO各个环节的角色和任务，在教师辅助下完成整个教学流程。
四 CDIO模式下的计算机实践课程实施和效果
材料专业北京科技大学的传统优势专业，具有较强的工程性、实践性和综合性。2017年暑期，我们选择材料专业进行教学试点。课程共3周，60学时，授课对象是已修C++语言程序设计的材料专业学生。根据学生作品和问卷调查情况对教学效果进行总结。
（一）实施成功案例
炼钢是一个复杂流程且伴有危险环境的工业生产工序，涉及转炉炼钢、精炼、连铸工序，天车和台车等运输车辆，钢包和铁包等运输容器。教师将实际项目《炼钢作业部钢(铁)包一体化管理系统项目》结合到游戏命题中，小组3名同学在教师指导下，明确命题并制定计划，通过团队合作方式设计出模拟钢包运行和管理过程的《炼钢厂运行模拟系统》。系统分为两种模式，第一种模式可以展示炼钢冶炼过程天车的运行，并显示其运行效率。这种模式中钢包按规律生成，天车与小车都有固定工作，一共有三条工作路径，并有出炉处、产量、工时的记录。可以生动的模拟出冶炼工序中的各个过程：钢包由转炉产生，然后分别通过小车、天车运往精炼炉，最后运往连铸机，完成整个工序。模式二是在模式一的基础上，添加了通过已知起点和终点，获得天车编号，并由此通过记录本控制天车路径，这种情况可由使用者优化工作路径模拟各种方案，以提高天车的运行效率，记事本记录本次的工作路径，模拟过程同时加入创新的控制思想：钢包由指定转炉产生，并由指定天车，运往指定的精炼炉，然后分别通过指定的小车和指定天车，运往指定的连铸机，完成整个工序。
整个作品的制作遵循CDIO大纲要求，是一个完整、成功的教学案例。学生需要了解炼钢工艺流程和环境，并建立和运用工程控制意识，完成了工程培养的C、D、I环节。另外，实施CDIO大纲中的O环节训练，教师设计了两种方案：一是，在实践课程结束时，推荐参加该作品参加了“2017年第十五届山东省大学生软件设计大赛”，大赛报名要求制作视频、编写技术文档、提供展示PPT等，这些都是产品宣传的必要技能，学生在提交过程中，完成了运作阶段初步学习；二是，将作品进行3D化改进，指导学生申请了《虚拟炼钢厂》SRTP项目，SRTP项目进展中，学生需要自主研究学习来完成设计，同时需要考虑应用场景和市场。
（二）实施效果调查
问卷内容基础上，增加了关于工程意识的调查，对参与课程的一个班30人，10个小组实施全样本问卷调查，反馈结果如下：①参加实践课程对培养团队合作精神培养是否有效，认为十分有效的占60.65%，一般有效的占29.51%，仅仅了解的占9.84%。可以看出对合作意识的培养达到了教学目标；②游戏编程中对复杂生产过程了解程度是否提高，认为有了很大提高的占7.71%，有所提高的占31.37%，没有改变的占60.92%。分析原因：与教师的题目设定导向相关，提高整体教师的工程素质是解决这一问题的关键，应该引入更多有工程背景的科研骨干教师参有授课，同时进行任课教师工程知识的培训。此外，总结教学经验时，项目要经过教师和学生共同进行可行性分析，项目的可行性评价是项目驱动能否取得成效的关键，直接影响着教学效果；③对使用程序设计语言开发项目方面的成就感，认为十分显著的占70.61%，效果一般的占25.55%，不深刻的占3.84%。可以看出学生对相关知识技能的学习和运用培养达到了预期教学目标。
五 结语
在计算机实践教学过程中，探索结合竞赛和SRTP，实际工程项目驱动的CDIO-OBE教学模式，并开展小范围试点实施。实施成功案例和调查统计数据表明，学生初步建立工程意识，工程能力和工程认知度提高。接下来的相关研究工作是，在多专业推广，并与各专业课程体系进一步融合，并建立与工程教育专业认证标准一致的量化评价体系。
参考文献
[1]Crawley E F.Creating the CDIO Syllabus,a universal template for engineering education[C]//Frontiers in Education,2002.Fie 2002.IEEE,2002:F3F-8-F3F-13 vol.2.
[2]顾佩华,胡文龙,陆小华,等.从CDIO在中国到中国的CDIO:发展路径、产生的影响及其原因研究[J].高等工程教育研究,2017(1):24-43.
[3]教育部高等教育教学评估中心.面对中国制造2025，工程教育准备好了吗？-《中国工程教育质量报告》解读[EB/OL].http://edu.people.com.cn/n1/2017/1016/c367001-29588555.html,2017-10-16.
[4]屈微,姚琳,武航星,等.基于游戏编程的计算机实践教学模式应用[J].计算机教育,2017(9):132-135.
[5]EdwardF.Crawley,克劳利,顾佩华,沈民奋，陆小华.重新认识工程教育:国际CDIO培养模式与方法[M].高等教育出版社,2009：175-177.
[6]Guangdong W U,Qiang G.Research on CDIO project management master education model based on complex learning theory[J].Journal of Architectural Education in Institutions of Higher Learning,2018.
[7]杜来红,康萍.CDIO案例教学在信息系统开发类课程中的实践[J].教育现代化,2018,5(07):115-117.
[8]李剑勇,刘鹏,贺强.基于CDIO模式的网络安全实训教学改革与实践[J].教育现代化,2017,4(49):100-103.
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