成果导向教学模式下的计算机CDIO教学研究

卢爱臣 马文彬 魏建宇

摘要：针对传统计算机教学存在的供需脱节，学员机械学习且积极性不高的问题，研究从岗位需求和学员的能力素质培养这个成果目标反向出发，逆向设计教学思路，从培养学员的计算思维和创新意识出发，设计达到目标的课程矩阵。提出从专业领域的项目中发现需求，挖掘项目需要的知识，反推出知识模块，将项目搬进课堂。以《大学计算机基础》为例，在教学设计和实施过程，提出以CDIO项目牵引知识，激发学员学习兴趣，使之获得做中学的创客体验，开发学员计算思维、工程思维和系统思维的能力，提升学员的信息素养，为进一步提升岗位任职能力提供支持。

关键词：CDIO;反向设计;信息素养

中图分类号：TP391.9        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）17-0146-02

1 引言

计算机课堂是军事人才信息素质培养的主阵地，但传统的课堂还存在着供需脱节、训用不一等问题。我们的课堂和岗位之间、课堂和科研项目之间、课堂和培养目标不能互通互享，课堂成了一个个“功能孤岛”。

解决如何通过课堂唤醒学员的力量，将所学所获用于实践，满足岗位需求。学员中，还存在着“虚假学习”，只注重学什么;机械学习，只关注考什么;竞争性学习，自己学好就行了，缺乏对话学习和分享合作。很多学员动手能力较差，知识不能有效地形成能力。OBE（Outcome Based Education），即成果导向教育理念，也称能力导向教育、目标导向教育、需求导向教育[1]。受到美国、英国、加拿大等国家著名大学的广泛认知和重视。

为提升课堂教学效果、提高学员的任职能力，从岗位需求和学员的能力素质培养这个成果目标反向设计培养思路，从解决专业领域现实问题的项目中，发现需求，构建项目，将项目搬进课堂，研究项目需要的知识，反推出知识模块。在教学中，结合大学计算机基础课程对计算机可感知、可操作、可触摸的要求和特点，采用CDIO（构思-设计-实现-运行）的教学模式，以实际项目激发学员学习兴趣，开发学员计算思维、工程思维和系统思维的能力，为提升学员信息素养服务。

2 OBE理念下计算机课程教学思路的反向设计

OBE成果导向人才培养设计和传统的学科导向的教学模式，在知识结构强调学科知识体系的系统性和完备性，在一定程度上忽视了专业的需求。

OBE强调以学员学习成果为起点反向设计人才培养方案和培养过程，围绕学员学什么？为什么学？如何学？学得怎么样？依次构建从培养目标到毕业要求，从毕业要求到毕业要求指标点分解，再到课程体系，从课程体系到教学内容多层次关联矩阵，建立持续改进的闭环式教学质量保障体系，推进人才培养持续改进。根据课程承接的毕业要求指标点，从工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、研究、环境和可持续发展等方面细化教学目标，以教学目标为导向设计教学大纲、教学内容、教学策略和考核办法并开展教学，然后进行目标达成情况的评价。通过实施课程的OBE改造，任课教员和学员都更加清楚课程在知识、能力、素質等方面的教学要求，对教员的“教”和学员的“学”均产生了显著的促进作用。

2.1 OBE成果导向人才培养设计和开展过程

遵循反向设计原则，即从专业需求对学员要达到的信息化素养和能力出发，由需求决定培养目标，由培养目标决定毕业要求，再由毕业要求反推出知识模块。最终的学习成果（终极目标）既是OBE的终点，也是其起点。OBE教育是反向设计、正向实施。图1所示是成果导向人才培养设计和开展过程。

为了最大程度上保证了教育目标与结果的一致性，OBE成果导向人才培养设计和开展过程从学员专业的能力需求出发，细化各能力分项指标。依据各能力需求点，提出要解决的问题模型，进一步形成教学项目。依托科研项目和成果，形成能力落脚点，即构建适合课堂开展的教学项目，最后反推出项目实施的知识模块。

2.2 基于OBE的《大学计算机基础》教学设计

以《大学计算机基础》课程为例，借鉴OBE成果导向人才培养设计和开展过程，进行教学过程的反向设计。研究专业领域人才培养方案及对信息化素质的要求，分析课程对专业领域的服务指标，细化依托课程需要达到的思维、习惯、能力等分项指标，制定《大学计算机基础》课程的教学大纲。改造科研项目、成果，转化成课堂实施的综合项目，使目标落地。在此基础之上，进一步分解项目，设计可实施的子项目。例如在学习计算机的输入/输出（I/O）时，引入温湿度检测、运动信息获取、灰度检测等子项目[2]。通过项目反推出涉及的知识模块，用项目来牵引知识。图2所示的就是《大学计算机基础》课程教学思路的反向设计过程。

3 OBE模式下CDIO计算机项目式教学实施

3.1 CDIO教学过程设计

CDIO（构思-设计-实现-运行）理念，是以项目为迁移，通过参加基于问题、项目和活动的学习体验开源、合作、分享的创客精神，激发出学员的好奇心和参与的积极性，让学员能零距离感知计算机，从而有效地促进知识内化迁移和高阶思维能力的提升。

CDIO教学，提炼于专业领域的实际需求，以项目的构思、设计、实现和运行为载体，使学员在项目实施过程中得到知识的获得感和能力的成就感。CDIO教学通过探究式的、创客式的课堂，颠覆了传统的理念，不再是机械式灌输，而是反转了课堂角色，让学员带着好奇心积极地参与到课堂当中，不是教员一个在表演，教员是主持、导演，学员不是观众，而是主角，这样的课堂是生动的，活跃的。

3.2 《大学计算机基础》的CDIO教学

教学大纲使得课堂项目活动结构化、标准化。课程依托可感知、可触摸、可操作的树莓派实验平台，学习计算机基础知识和初步的程序设计开发。根据《大学计算机基础》课程特色编写适合开展CDIO项目的教学大纲，尽可能使项目覆盖更多的知识点。所设计的项目具有通用性，能够培养学员程序设计和应用计算机的能力。所设计的项目具有层次性，能满足不同层次学员的需求。项目的设计结合着专业需求，精选和学员专业相关的案例、项目来牵引知识，让学员在做中学，学以致用。图3所示是以项目牵引的 CDIO教学开展实施过程。

《大学计算机基础》设计的CDIO教学，以Python为编程语言，学习Python语言程序设计基础，利用树莓派开展创客项目，让学员打开计算机这个“黑匣子”，让计算机看得见、摸得着。在教学内容安排上，将Python语言程序设计基础内容后置，利用Python语言编程实现LED调光灯、超声测距、人体感应、温度测量、物联网应用等创客项目[3]。同时要求学员拓展项目，对嵌入式、物联网等相关的创客项目进行的讲、演、答、辩等活动，丰富课堂体验，采用的方式均以可操作的方式指导教学实施。结合实际应用，遴选主题进行嵌入式设计比赛等学科竞赛活动，实现赛课合一。

4 定时器应用——以舵机控制为牵引的CDIO项目式实战化教学

在很多装备的控制系统中，都需要进行实时控制、同步控制，实现这些功能，定时器起着举足轻重的作用。定时器设计能帮助学员理解计算机的工作过程，体验计算机的“智能”，并能增加学员对计算思维的认识，体会计算思维之美。依据这个导向，反向设计基于OBE的教学项目，反推知识模块，开展CDIO项目式教学。

4.1 项目引入

战场不是按部就班、井然有序的流水线车间，也不是设定好的游戏场景，它正变得越来越残酷和科幻，正在从信息化演变成无人化。

即使武装到牙齿的士兵，也无法在战场上避免伤亡。我们完全可以让机器人进入战场执行作战任务。比如，面对复杂地形，先派无人机勘察周围环境，再派机器人进行地面搜索、布控。甚至可以指挥机器人扣动扳机。作为指挥员，该如何面对这样的一支机器人军团？

4.2 项目构思（C）

本项目通过定时器和舵机的知识，来实现一个17自由度的机器人。机器人能模仿人做各种动作，比如俯卧撑、前空翻，还会跳舞、唱歌，之所以能做出各种复杂的动作，靠的就是舵机。

4.3 项目设计（D）

通过时钟脉冲宽度的控制，揭示生活中利用脉宽调光、调声的应用，学习定时器的实现、pwm的概念和原理。

点亮LED，给出控制亮度——调光（眼睛能看到的）;

让蜂鸣器唱强军战歌——调声（耳朵能听到的）;

让机器人的关节动起来——PWM舵机控制（转起来）。

4.4 项目实现（I）

表1列出了CDIO项目的实现过程。在实现过程中，反转课堂角色，在教员的引导下，学员得到的是做中学的创客体验。

4.5 项目运行（O）

根据项目设计和实现过程，设计硬件电路，编写驱动程序。首先，点亮LED灯，控制灯的亮度和亮灭的时间。接着，通过平台控制蜂鸣器发声，进一步设置合适的频率表示音节，调整节奏，播放强军战歌，例如《奋进，陆军！》。然后，驱动舵机转动。最后，课下进行项目拓展，调整两个自由度的舵机，能实现多维度转动。终极目标，让17自由度的机器人做一个课上演示的动作，例如前滚翻、后滚翻或者侧滑等。

5 深层挖掘教学内容，实现高阶思维能力提升

5.1 打造梯度式、增量式的知识结构

全面梳理课程思路，通过分析核心岗位职责挖掘能力需求和知识需求，以课程体系的教学设计作为支撑，合理设计教学项目。借鉴OBE教学模式和CDIO教学方法，进行敏捷式教学。根据学员的认知发展规律和计算机课程学习特点，合理控制教学节奏，对难点进行分解，由浅入深，由易到难，进行梯度式、增量式、迭代式教学设计。打造“金字塔”式知识结构，逐步提升学习挑战度，拓展课程难度，延伸思维深度，切实提高教学效果，实现有效教学。

5.2 知识融合，培养学员思维和能力

作为人类发明和使用的最智能的工具，计算机融合了人类数千年的文明和智慧[4]。在知识更新速度快、以创新为主的时代，计算机的学习要打破知识壁垒，在掌握基本知识、基本技能的基础上，提升认知能力，锻炼学员的创造思维能力、批判性思维能力、问题抽象和解决能力、自主學习能力等。

项目式教学打破以往程序设计教学中的只见树木不见森林的现象，淡化了语言细枝末节的介绍，注重程序设计的根本思想的灌输。程序是人类思想在计算机上的具体实现，人类把计算机擅长的事情交给机器来实现，编程实现只是形式[5]。人的思维才是编程最根本的、最具决定性的作用，教学要特别侧重培养计算思维，体会计算思维之美。

6 结束语

本文采用OBE教育理念，提出了满足专业领域信息素质培养需求的教学设计方法，以《大学计算机基础》为例，提出了开展CDIO项目式教学的手段。OBE理念的落地依托CDIO的实施。在教学过程中从专业领域的实际需求出发，充分调动学员学习主动性和积极性。以专业领域实际问题为牵引，以学员信息素质的培养为导向，学而思，学而用。在教学方法上，以项目为主线，注重整体设计，每一项目要求学员自主完成设计。在完成各子项目设计的基础上，最终完成综合设计。为实现《大学计算机基础》的有效教学提供了一种可行的思路。

参考文献：

[1] 吕云翔，李沛伦.IT简史[M].北京：清华大学出版社，2016.

[2] 吴新杰.AVR单片机项目教程：基于C语言[M].3版.北京：北京航空航天大学出版社，2017.

[3] 张志良.单片机应用项目式教程：基于Keil和Proteus[M].北京：机械工业出版社，2014.

[4] 董荣胜.计算思维的结构[M].北京：人民邮电出版社，2017.

[5] 海因茨·R.帕格尔斯.大师说科学与哲学：计算机与复杂性科学的兴起[M]. 牟中原，梁仲贤译.桂林：漓江出版社，2017.

收稿日期：2021-08-25

基金项目：军队重点学科专业建设项目——《计算机程序设计CDIO教学模式改革》，项目类别：教学改革，项目编号：4142ZB101

作者简介：卢爱臣，男，讲师，主要研究方向为嵌入式系统应用。