新工科背景下的计算机实践教育模式研究

新工科背景下的计算机实践教育模式研究

郎大鹏, ,刘泽超,  ,崔玉文, ,李思照

哈尔滨工程大学    黑龙江  哈尔滨150001

摘 要 根据当前高新技术产业迅速发展，高素质复合型“新工科”人才需求增长的背景，总结并分析了计算机教育领域三种典型的实践教育模式，阐明了此类实践教学模式的概况、应用案例。指出了在提高学生创新与实践能力方面的作用，以及未来实践教育的“融合化”、“自主化”趋势，并进一步分析了对于高校教学资源和学生自主学习能力的新挑战。

关键词 新工科；CDIO；OBE；竞赛

引言

教育部于 2017 年启动了“新工科”发展研究工作。相对于传统的工科人才，未来新兴产业和新经济需要的是实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型“新工科”人才。相比于传统工科，新工科的侧重点为实用性、综合性与交叉性，更注重信息通讯、电子控制、软件设计等新技术与传统工业技术的紧密结合。解决应用场景中的实际问题是教学改革的主要方向。从这一角度来说，计算机实践教育模式应当成为我们重点研究的对象。

一、基于CDIO的实践教学

1.教学模式

（1）大纲设计。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，以综合的培养方式使学生在工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统这四个层面达到预定目标。

（2）教学模式。实践性、操作性强是计算机科学与技术具有的特点，因此，采用探究式的CDIO模式就需要依托相关科研项目，把专业领域的科研成果移植修改为教学项目，使项目从实验室走进课堂。

（3）教学内容。教学内容需要紧贴课程的特点和学生反映的实际情况， 并根据专业培养目标来设计教学项目。除此以外，还要不断进行拓展式教学以增加课程丰富度，以此来培养学生的知识面和跨学科融合发展能力。

（4）学习资源。为了适应CDIO模式教学内容丰富的特点，在学习资源方面需要结合领域内热点话题，扩展传统计算机教材内容。建立线上自学、线下教师讲解、同学相互交流的多方位的教学内容。

2.应用案例

“定时器应用-以舵机控制为牵引的CDIO项目式实战化教学”是陆军军事交通学院的一项实践教学研究。该教学实例以战场机器人为切入点，通过演示17自由度的机器人提出问题并引入课题。在教学内容上围绕解决实际情况中部队的需求，通过CDIO项目激发学生的好奇心与积极性。从而将前沿课题转化为教学项目。在实践教学实施过程中，引导学生思考计算机中定时与计数的方式并进行分析，比较两种定时方式的优缺点。项目最终取得了较好的预期结果。

3.分析与总结

CDIO最显著的特点是实际需求和学科理论的结合。以实际问题为牵引，以相关专业领域应用需求为导向，在教学方法上贯彻项目主线、兼顾整体设计，在理解并完善各子项目设计的基础上，最终完成综合设计。充分调动了学习积极性，使学生理解产品“构思、设计、实现、运作”的逻辑，有效提升了工程实践能力，很好地符合了新工科“实践能力强“的要求。

二、基于OBE的实践教学模式

1.教学模式

（1）大纲设计。OBE教育理念的全称是Outcome based education，是一种以成果为目标导向，以学生为本，采用逆向思维的方式进行的课程体系。OBE要求学生将掌握内容的方式，通过开放性任务，让学生展示思考、质疑、研究、决定和呈现的能力。

（2）教学模式。结合计算机科学与技术相关课程的教学现状，基于OBE“以成果为导向，反向设计、正向实施”的指导思想，通过结合学生业要求，反向设计课程教学结构，依托网络平台和工具正向实施教学内容。

（3）课程设计。以要求的学习成果为目标，从创造性思维、理论转化实践等方面分解、细化指标，按照既定的模块，对教学内容，教学方法和教学环节进行设计。教学过程中充分利用现代信息技术，整合线上优质教学资源，。

（4）学习资源与平台。制作与教学单元目标相契合的微课、PPT等教学材料，收集网络优质MOOC资源，构建多维度、立体化、个性化的课程教学知识空间。教师可以通过后台数据分析掌握学生线上学习情况；学生可根据自身情况利用碎片时间制定个性化学习计划。

2.应用案例

中国矿业大学（北京）能源与矿业学院的李永亮讲师将基于OBE改革后的能源开发概论课程教学模式应用于其所教授的计算机专业背景班级。以OBE教学理念为指导，进行教学模式改革探索。以培养在智能化无人化的未来能源中信息技术应用型人才为成果导向。通过建立翻转课堂，发挥学生的主观能动性；加入科普视频与动画教学，增强学生的专注度；教学过程融入思政元素，培养学生爱岗敬业精神。

3.分析与总结

相比于传教育，OBE教育更强调成果决定而不是过程决定，扩大机会而不是限制机会，成果为准而不是证书为准，强调知识整合而不是知识割裂，强调以学生为中心等。OBE以教育利益者的需求为牵引，以学生学习成果为导向，着眼于工程实践能力和创新能力。

三、课赛结合的实践教学模式

1.教学模式

（1）大纲设计。该模式的核心是“以课程为基础、以比赛为检验”。在传统课堂教学之外以第三方竞赛为考评标准、以学科竞赛为外部动力，在新工科背景下解决人才培养中常见的标准单一、创新教学资源缺乏的难题。

（2）教学模式。在教学内容方面，应当始终秉持成果导向理念。在内容上，以学生创新意识和持续学习能力的提升作为教学目标，从而反向设计教学内容方案。以创新思维、创新能力为培养主线，着力实现课上授课与讨论、课下资源开放的灵活教学模式。

（3）教学资源。在课程方面，除了常规专业必修、选修课程和通识选修课程之外，除此以外，还应提升在新工科技术应用领域的针对性， 使学生通过课程学习，掌握新工科专业的技术应用方式，为学生在竞赛中构思完成创意项目打下基础。

2.应用案例

武汉大学以新工科人才的创新意识和持续学习能力培养为实践教学目标，实行“以赛促学”的“穿透式”教学改革思路，以竞赛成果作为人才培养成效的外化评价指标。计算机学院包含11门课的竞赛类实践课程群，基础类实验课程，以及培训类课程，通过计划外开放的学习资源连接。

3.分析与总结

在工程人才培养的关键环节中，实践是极其重要的一方面，因此必须采用和传统教学理念不同的新式教学思路。竞赛驱动的实践教学体系，不论是从课程组成、实践案例还是模块化构成建设的角度出发都较好地符合了新工科人才培养需求。在竞赛过程中，以课题的高阶性、创新性和挑战性培养了学生的创新思维和将理论转化为实际的能力。

四、结语

当前高新技术产业迅速发展，计算机领域高素质复合型“新工科”人才需求增长，实践教育成为大势所趋。相比于传统的以理论为主的模式，从CDIO的“产品周期主导“到OBE的”成果导向“，再到课赛合一，不难看出教学中心不再是单一理论知识，而是理论知识与课程实践有机融合。这些模式在提高学生的创新与实践能力方面起到了很大作用。

项目支持：

哈尔滨工程大学2021年度教改项目：《面向计算机系统能力培养的计算思维课程改革》，JG2021B0606；《新工科背景下密码学教改革探索研究》，JG2021B0608。

                            参 考 文 献

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