荊東星

摘要：目前在Python程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中存在的主要問題是以知識(shí)點(diǎn)為中心，教師講授，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，缺乏對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。為了解決以上問題，提出基于 CDIO模式的 Python程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)設(shè)計(jì)研究，以項(xiàng)目為載體，以能力培養(yǎng)為核心，以綜合素質(zhì)培養(yǎng)為目標(biāo)。構(gòu)建了基于 CDIO模式的 Python程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)設(shè)計(jì)模型，并結(jié)合理論知識(shí)和工程實(shí)踐能力兩個(gè)維度進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。通過實(shí)踐驗(yàn)證，該課程能提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：CDIO；Python；課程教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）07-0134-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

在工程教育領(lǐng)域，CDIO模式是由美國(guó)麻省理工學(xué)院的著名教授提出的一種全新的工程教育理念，該模式強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的參與感，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力，對(duì)工程教育改革產(chǎn)生了重大影響。它包括構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）四個(gè)階段[1]，強(qiáng)調(diào)將工程實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為工程項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生由理論學(xué)習(xí)向?qū)嵺`應(yīng)用過渡。該模式將能力培養(yǎng)貫穿于整個(gè)教育過程，實(shí)現(xiàn)了從“教”到“學(xué)”再到“做”的轉(zhuǎn)變。

基于 CDIO模式的 Python程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革主要是圍繞如何培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力展開，通過將 CDIO模式與 Python課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法相結(jié)合，幫助學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)編程在實(shí)際中的應(yīng)用[2]，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)興趣。

1 Python程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，學(xué)生學(xué)習(xí) Python語言時(shí)，采用的是以知識(shí)為中心的教學(xué)模式，教師傳授知識(shí)，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，在學(xué)習(xí)過程中容易出現(xiàn)“重理論、輕實(shí)踐”現(xiàn)象[3]。通過使用CDIO模式進(jìn)行教學(xué)改革，學(xué)生不僅能夠掌握理論知識(shí)和技能，而且能夠培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)隊(duì)合作精神、實(shí)踐動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題的能力。

1.1 教學(xué)內(nèi)容陳舊

由于 Python語言是一門新興的編程語言，語法與C語言、Java語言等傳統(tǒng)編程語言有很大不同，在教學(xué)過程中，教師如不及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容，將導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)存在一定難度[4]； 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)教育注重“計(jì)算機(jī)操作”“計(jì)算機(jī)組成原理”等基礎(chǔ)課程的教學(xué)，對(duì)“算法”“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”等高級(jí)課程重視不夠，導(dǎo)致很多學(xué)生對(duì) Python語言的應(yīng)用場(chǎng)景和發(fā)展前景認(rèn)識(shí)不清，將其僅看作一門高級(jí)語言，忽視了 Python語言也是一門具有完整結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計(jì)思想的編程語言。

1.2 實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱

目前，在高校 Python程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)過程中，往往是通過課堂上教師對(duì)知識(shí)點(diǎn)的講解，讓學(xué)生掌握知識(shí)，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)。但是，在實(shí)際應(yīng)用過程中，學(xué)生的編程能力欠缺。在實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生必須掌握 Python語言的語法和編程規(guī)則，才能編寫出高質(zhì)量的程序。但目前高校 Python程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)過程中，忽視了對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。在實(shí)際應(yīng)用過程中，學(xué)生往往要花費(fèi)大量時(shí)間來進(jìn)行調(diào)試和修改程序。

1.3 考核評(píng)價(jià)機(jī)制不完善

目前，很多高校對(duì) Python程序設(shè)計(jì)課程的考核評(píng)價(jià)機(jī)制不完善[5]，主要表現(xiàn)在：

1） 沒有科學(xué)地制定考核評(píng)價(jià)指標(biāo)，如考核形式單一、考核內(nèi)容不全面等。

2） 考核方法過于單一，考核方式主要以筆試為主，而筆試是最直觀、最便捷的方式，這種考試方式缺乏靈活性、啟發(fā)性和創(chuàng)新性。

3） 在對(duì)學(xué)生的成績(jī)?cè)u(píng)定時(shí)，主要根據(jù)筆試成績(jī)和平時(shí)表現(xiàn)來確定，缺少綜合評(píng)定。

4） 在學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，沒有對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。這種評(píng)價(jià)機(jī)制不能全面地反映學(xué)生的綜合能力和學(xué)習(xí)效果。

2 構(gòu)建 CDIO模式下的課程教學(xué)應(yīng)用模型

本文構(gòu)建了基于 CDIO模式的 Python程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)設(shè)計(jì)模型，該模型包括知識(shí)教學(xué)、能力培養(yǎng)、素質(zhì)培養(yǎng)三個(gè)維度。

知識(shí)教學(xué)包括：

1）? Python基礎(chǔ)知識(shí)，主要介紹 Python的基礎(chǔ)知識(shí)以及常見的編譯器。

2）? 編程基礎(chǔ)，主要介紹 Python的編程語言、基本語法及常用數(shù)據(jù)類型。

3）? 編程實(shí)踐，主要介紹 Python的實(shí)踐課程，如模塊化程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫編程等。

能力培養(yǎng)包括：

1） 團(tuán)隊(duì)合作能力，主要是在課堂上和課外的團(tuán)隊(duì)合作項(xiàng)目。

2） 自主學(xué)習(xí)能力，主要是在課堂上和課外的自主學(xué)習(xí)項(xiàng)目。

3） 創(chuàng)新能力，主要是在課堂上和課外的創(chuàng)新項(xiàng)目。

2.1 知識(shí)教學(xué)

在知識(shí)教學(xué)中，采用了 CDIO工程教育模式，以學(xué)生為中心，以項(xiàng)目為載體，將知識(shí)教學(xué)與能力培養(yǎng)相結(jié)合，知識(shí)教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)都貫穿著 CDIO工程教育模式。首先，在課堂上講解 Python的基礎(chǔ)知識(shí)及常用編譯器的使用時(shí)，采用“老師演示+學(xué)生操作”的方法[6]。老師先講解并演示 Python語言的基本語法的用法，然后讓學(xué)生操作，并給出相應(yīng)的結(jié)果。在演示過程中，教師將問題進(jìn)行分解，引導(dǎo)學(xué)生從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由易到難逐步深入學(xué)習(xí)。其次，在項(xiàng)目的實(shí)施過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)分析問題、解決問題。在分析問題時(shí)，先引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問題進(jìn)行分解，然后根據(jù)分解后的問題提出相應(yīng)的解決方法；在解決問題時(shí)，學(xué)生先自行查閱資料、閱讀代碼等方法進(jìn)行代碼實(shí)現(xiàn)。最后，教師進(jìn)行總結(jié)。

在此環(huán)節(jié)中，教師不斷地對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)和提示，幫助學(xué)生找到解決問題的思路。在項(xiàng)目完成之后，讓學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)編寫程序，教師給出題目要求及步驟要求等，學(xué)生在完成項(xiàng)目之后將自己編寫的程序提交給教師進(jìn)行最終成績(jī)?cè)u(píng)估。

2.2 能力培養(yǎng)

在CDIO模式下，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，教師是主導(dǎo)。教師要充分利用教材的內(nèi)容，盡可能將相關(guān)知識(shí)融入課堂教學(xué)中。每節(jié)課以組為單位進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)，每組制定好開發(fā)方案，并充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，與其他小組進(jìn)行協(xié)作交流。教師要指導(dǎo)學(xué)生充分利用好圖書館、網(wǎng)絡(luò)等資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，積極參與課堂討論。在學(xué)生的自主學(xué)習(xí)過程中，教師要加強(qiáng)監(jiān)督與引導(dǎo)，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。教師可以采用分組競(jìng)賽、作業(yè)布置等形式調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。此外，教師可以組織開展各類創(chuàng)新競(jìng)賽活動(dòng)，如大學(xué)生軟件設(shè)計(jì)大賽、大學(xué)生程序設(shè)計(jì)大賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等。

2.3 素質(zhì)培養(yǎng)

素質(zhì)培養(yǎng)主要從學(xué)生的個(gè)性特征、知識(shí)結(jié)構(gòu)、心理素質(zhì)等方面進(jìn)行考慮。在編程實(shí)踐中，學(xué)生需自主學(xué)習(xí)、自我管理，不能依賴?yán)蠋?，這就需要學(xué)生具備自主學(xué)習(xí)能力。在課堂教學(xué)中，老師需要對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行引導(dǎo)，幫助他們形成良好的自主學(xué)習(xí)習(xí)慣和自學(xué)能力。教師利用問題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行編程實(shí)踐。例如，在 Python編程實(shí)踐中，教師可以設(shè)置一些有難度的問題，讓學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和解決問題。這樣可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)他們的自學(xué)能力。

此外，在 Python課程實(shí)踐中，教師應(yīng)為學(xué)生創(chuàng)造更多自主學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。教師可以利用圖書館、網(wǎng)絡(luò)等資源，為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。

3 課程設(shè)計(jì)

本學(xué)期這門課程的總學(xué)時(shí)為108，從第 1 周至第 18 周。結(jié)合 CDIO 教學(xué)模式，將實(shí)施過程分為幾個(gè)階段：第1-5 周構(gòu)思階段1）分析程序項(xiàng)目；2）編寫程序概要；3）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案；4）編寫實(shí)驗(yàn)?zāi)_本；5）實(shí)驗(yàn)過程管理，包括實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)過程中的管理、實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的總結(jié)與評(píng)價(jià)。

第6-10周設(shè)計(jì)階段：1） 編寫程序設(shè)計(jì)方案；2）設(shè)計(jì)程序框圖；3）編寫調(diào)試程序；4）實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，包括實(shí)驗(yàn)環(huán)境的設(shè)置、實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)過程中的管理；5）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的總結(jié)與評(píng)價(jià)。

第11-15周實(shí)施階段本階段的任務(wù)是使用 Python語言編寫電子商務(wù)網(wǎng)站，系統(tǒng)功能包括登錄、注冊(cè)、購(gòu)買、查看商品信息、付款、瀏覽商品和訂單管理等。學(xué)生根據(jù)自己的理解設(shè)計(jì)網(wǎng)站，通過項(xiàng)目任務(wù)書的形式完成網(wǎng)站開發(fā)，學(xué)生需要自主學(xué)習(xí)電子商務(wù)網(wǎng)站的開發(fā)和應(yīng)用，可以獨(dú)立完成電子商務(wù)網(wǎng)站的開發(fā)和應(yīng)用，并在教師指導(dǎo)下編寫項(xiàng)目文檔，在此過程中教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)和答疑。

第16-18周運(yùn)行階段：包括調(diào)試運(yùn)行環(huán)境、調(diào)試程序框圖、調(diào)試運(yùn)行過程中的管理、調(diào)試結(jié)果與評(píng)價(jià)，以及實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的總結(jié)與評(píng)價(jià)。

該階段的考核方式分為以下幾個(gè)方面：

1） 學(xué)生自評(píng)：首先，學(xué)生根據(jù)自己的理解設(shè)計(jì)完成項(xiàng)目后，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行自我評(píng)估，包括項(xiàng)目需求分析、程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、功能測(cè)試等環(huán)節(jié)；然后，教師根據(jù)學(xué)生自評(píng)情況給出評(píng)分。

2） 學(xué)生互評(píng)：教師根據(jù)學(xué)生自評(píng)和小組互評(píng)情況，對(duì)每個(gè)小組進(jìn)行評(píng)分。

3） 教師評(píng)價(jià)：教師對(duì)每個(gè)小組的評(píng)分結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，給出最終的評(píng)分結(jié)果。

通過以上環(huán)節(jié)，完成了本學(xué)期 Python程序設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)任務(wù)。在項(xiàng)目開發(fā)過程中，通過項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法和 CDIO教學(xué)法相結(jié)合，采用邊做邊學(xué)邊用邊做的方式展開教學(xué)。在整個(gè)過程中，學(xué)生不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和學(xué)習(xí)新知識(shí)，同時(shí)在 CDIO教學(xué)法中通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成項(xiàng)目開發(fā)和設(shè)計(jì)，將理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際項(xiàng)目中去，通過項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法讓學(xué)生在實(shí)踐中掌握所學(xué)知識(shí)。這種學(xué)習(xí)方式使學(xué)生能夠?qū)W以致用，并能提高學(xué)生分析和解決問題的能力。

4 課程實(shí)施效果分析

以Python程序設(shè)計(jì)課程為例，進(jìn)行基于 CDIO模式的課程設(shè)計(jì)。通過對(duì)最后綜合評(píng)價(jià)，得出下列結(jié)果：超過一半的學(xué)生認(rèn)為通過該課程的學(xué)習(xí)，他們不僅掌握了基本的編程技術(shù)，而且學(xué)會(huì)了如何解決實(shí)際問題。其中，有38%的學(xué)生認(rèn)為，通過該課程的學(xué)習(xí)，能更好地掌握編程語言，并能夠根據(jù)項(xiàng)目要求進(jìn)行創(chuàng)新和設(shè)計(jì)。同時(shí)，有19%的學(xué)生認(rèn)為通過該課程的學(xué)習(xí)，能掌握一定的編程方法，并具有良好的工程素養(yǎng)。這表明，學(xué)生們能夠掌握編程技術(shù)并將其應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中。

結(jié)合課程改革實(shí)施效果和課程建設(shè)情況進(jìn)行總結(jié)如下：1） 提升了教學(xué)效果；2） 激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；3） 提高了學(xué)生編程能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作能力；4） 促進(jìn)了教師專業(yè)成長(zhǎng)。

4.1 提升了教學(xué)效果

1） 通過基于 CDIO模式的教學(xué)改革，學(xué)生掌握了程序設(shè)計(jì)思想、原理及編程語言，培養(yǎng)了工程素養(yǎng)和團(tuán)隊(duì)合作精神。同時(shí)，由于項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及實(shí)施都在學(xué)校完成，學(xué)生從課堂走向現(xiàn)實(shí)，感受到了真實(shí)項(xiàng)目的開發(fā)過程。通過基于 CDIO模式的教學(xué)改革，學(xué)生對(duì)實(shí)際工程問題的解決有了更深刻的理解和認(rèn)識(shí)。

2） 在課程設(shè)計(jì)上，突出了知識(shí)體系與工程實(shí)踐的緊密結(jié)合。例如，在講解 Python基本語法時(shí)，突出了 Python與其他編程語言之間的差異和互補(bǔ)性；在講解 Python與其他語言之間的區(qū)別時(shí)，突出了 Python與其他編程語言之間的差異和互補(bǔ)性。

3） 在教學(xué)評(píng)價(jià)上，采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方式。學(xué)生以小組為單位完成項(xiàng)目任務(wù)，根據(jù) CDIO教學(xué)理念和要求，以項(xiàng)目成果為導(dǎo)向，以過程考核為主來評(píng)價(jià)學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn)。

4.2 激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

Python作為一種適合人工智能開發(fā)的語言，其發(fā)展趨勢(shì)十分迅猛，它不僅可以幫助學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)，而且還可以幫助學(xué)生進(jìn)行興趣愛好的培養(yǎng)。以Python程序設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)為例，將課堂內(nèi)容與學(xué)生的興趣愛好相結(jié)合，提出符合學(xué)生需求的任務(wù)，從而提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。通過基于 CDIO模式的教學(xué)改革，采用了多種教學(xué)方法和手段，包括課堂講授、課堂互動(dòng)、課后輔導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)等多種方式。教師根據(jù)課程內(nèi)容將學(xué)習(xí)任務(wù)和編程知識(shí)融入項(xiàng)目中，讓學(xué)生在完成項(xiàng)目的過程中學(xué)習(xí)編程知識(shí)。在教學(xué)過程中，教師與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)交流，在實(shí)踐過程中增強(qiáng)了學(xué)生的編程意識(shí)，從而激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，還在課堂上增設(shè)了趣味性較強(qiáng)的小游戲或小程序來幫助學(xué)生記憶知識(shí)點(diǎn)。這種生動(dòng)有趣的教學(xué)方式也極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，為了鼓勵(lì)學(xué)生積極參與到項(xiàng)目開發(fā)過程中去，還提出了與課程相關(guān)的各種獎(jiǎng)項(xiàng)。這些措施都有效地激發(fā)了學(xué)生對(duì)Python程序設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)興趣。

4.3 提高了學(xué)生編程能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作能力

課程教學(xué)中，將 CDIO工程教育理念和模式引入課程改革，提高了學(xué)生的編程能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。在實(shí)際教學(xué)中，結(jié)合項(xiàng)目任務(wù)的引導(dǎo)，讓學(xué)生不斷思考、探索、實(shí)踐，促使學(xué)生掌握基本的編程方法。學(xué)生在項(xiàng)目中完成任務(wù)時(shí)，需要自己選擇程序的實(shí)現(xiàn)方法、邏輯結(jié)構(gòu)和運(yùn)行流程。在此過程中，通過不斷地嘗試和反復(fù)練習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生自主思考和分析問題的能力。同時(shí)，學(xué)生還會(huì)借助團(tuán)隊(duì)合作模式完成項(xiàng)目任務(wù)，從而培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。例如，在進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)時(shí)，首先需要小組成員共同協(xié)商項(xiàng)目任務(wù)和所需完成的子任務(wù)。然后小組成員利用各自所學(xué)知識(shí)進(jìn)行分工協(xié)作完成任務(wù)。在這個(gè)過程中，學(xué)生不僅可以相互溝通交流、相互合作，還可以培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、溝通交流能力和解決問題能力等綜合能力。同時(shí)，還可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)問題的分析判斷能力、自主學(xué)習(xí)能力、解決問題的能力和創(chuàng)新思維等綜合能力。最后，將項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)行分解、細(xì)化并按時(shí)間完成。

5 結(jié)束語

Python作為工具來解決實(shí)際問題，對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生提出了更高的要求。傳統(tǒng)的教學(xué)方法和教學(xué)模式已經(jīng)無法滿足當(dāng)代大學(xué)生的需求，開展基于 CDIO模式的 Python程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)，能夠培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、解決問題和團(tuán)隊(duì)合作精神、工程實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)等方面的能力。

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【通聯(lián)編輯：王 力】