计算机专业基于课程群的EIP_CDIO项目设计

第9期计算机教育2010年5月10日ComputerEducationNo.11May.10,2010101文章编号：1672-5913(2010)11-0101-06中图分类号：G642文献标识码：B计算机专业基于课程群的EIP-CDIO项目设计孙浩军，孙梅，熊智(汕头大学工学院计算机系，广东汕头515063)摘要：CDIO的教育模式致力于构建学生的可扩展知识体系、个人能力、人际交往能力和系统竞争力，汕头大学工学院计算机系实施以设计为导向的CDIO三级项目设计体系。本文阐述此三级项目设计的基本概念和方法，结合具体教学实践，介绍在计算机科学与技术专业进行的基于课程群的二级项目设计理念和实施过程。此项教学改革在提高学生对课程体系的理解，项目构思、设计、实施和操作的能力，以及团队合作精神等方面取得显著效果。关键词：CDIO；项目设计；核心课程；课程群国际上先进的CDIO(构思(conceive)、设计(design)、实施(implement)、运行(operate))工程教育理念是麻省理工学院、瑞典皇家工学院等四所国际著名工科院校创立的国际组织所提出，描述了工程教育所应遵循的培养准则，代表了近年来国际工程教育改革的昀新成果。CDIO强调个人工程能力不仅应包含个人的理论知识和专业技能，而且还应包含终生学习、团队交流、大系统掌控等一系列能力。结合我国的实际情况，汕头大学顾佩华教授提出了EIP-CDIO工程教育模式，并在汕头大学工学院全面进行工程教育实践。EIP是指有道德(Ethics)、讲诚信(Integrity)和专业化(Professionalism)，CDIO是现代工业产品从构思研发到运行改良乃至终结废弃的生命全过程。EIP-CDIO就是注重职业道德与诚信，与构思-设计-实施-运作的工程训练进行有机结合，以培养高级工程专业人才为目标的高等工程教育新模式[1-2]。EIP-CDIO是一种以工程项目设计为导向、工程能力培养为目标的工程教育模式，它是“做中学(Learningbydoing)”和“基于项目的学习(Projectbasedlearning)”的集中概括和抽象表达[3]。“做中学”，即“从活动中学”、“从经验中学”是著名教育理论家杜威提出的一种教育原则，他指出：“从做中学要比从听中学是更好的学习方法”。做中学充分体现了学与做的结合，它使得课堂里知识的获得与生活过程中的活动联系起来。“基于项目的学习”以工程项目(包括产品、生产流程和系统)从研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。EIP-CDIO即是通过项目设计将整个课程体系有机地结合起来，其特点是，所有需要学习和掌握的知识围绕项目设计这个核心形成一个完整的有机体。1EIP-CDIO培养模式CDIO理念描述的是各类工程专业开展高等教育所应遵循的普遍原则，而在各个工程领域中的教育环节和具体实施尚处在摸索阶段[4]，本文介绍了我们在CDIO教育模式下，通过计算机专业二级项目的设计与实施，在新形势下所做的探索。EIP-CDIO的工程教育理念[3]，将培养过程划分为四个层次，第一层次为技术能力培养，目标是使学生掌握开发复杂工程系统的基本理论知识和技术；第二层次为个人能力培养，目标是使学生成为有思想的成熟个体；第三层次为团队能力培养，目标是使学生适应在基于团队的现代化环境中进行研发；第四层次实现构思—设计—实现—运作能力的综合。基于项目的学习方法可以很好地体现各个层次培养的目标，通基金项目：广东省自然科学基金(8151503101000016)。作者简介：孙浩军(1963-)，男，教授，博士，研究方向为数据挖掘、模式识别；孙梅(1966-)，女，副教授，硕士，研究方向为数据库；熊智(1980-)，男，副教授，博士，研究方向为并行计算。计算机教育ComputerEducation1022010过项目活动，学生在完成项目任务过程中，总能够自发地寻求知识和资源支持，这既锻炼了学生自主学习的能力，又使学生掌握了开发工程系统的理论知识和技术；通过集体项目的实施可以培养学生的团队精神，充分认识个人和集体之间的关系，它对学生的思想成熟及适应现代环境中的团队研发方式起到至关重要的作用；完成项目的全过程是对构思－设计－实现－运作的一次训练，多次的训练可以使学生综合CDIO的能力得到充分的锻炼和培养。2CDIO学习项目的构成CDIO项目按规模和范围划分为三级，一级项目围绕本专业核心课程基础、应用知识及培养能力要求而设定；二级项目是围绕一组核心课程的知识点，以及能力培养要求的项目；三级项目是单门课程设计的项目，旨在增强理解和培养相关能力。一级项目一般要求完整地、前后衔接地贯穿于整个本科教育阶段，使学生得到构思、设计、实现、运作的系统训练。每专业至少有两次一级项目训练。一级项目训练一般在一二年级开始，学生在教师指导下，通过选择一个涵盖本专业基础知识和应用的实例产品进行解剖分析，了解其内部结构构成与设计思想，从而提前了解本专业核心知识内容与实际产品的联系，从设计工程师的角度去面对即将开始的专业课程学习，建立所学与所用之间的联系；同时，早期项目的构思与设计，使学生了解各主要课程的知识对本专业的作用，激发学习兴趣，通过初步的创新思维与产品构思训练，在一定程度上建立起与专业相关的整体概念。毕业实习和毕业设计为第二次一级项目训练。两次项目训练相互衔接。经过第一个一级项目训练和本专业课程的学习，学生对本专业的基础知识有了全面的了解，资格方面的能力得到了锻炼，为第二个一级项目——毕业实习和毕业设计奠定了基础。第二个一级项目要求学生利用所学知识，对一个产品项目完整地展开构思、设计、实现、运用，系统地完成一个工程实践，目的是让学生从解决工程问题的角度学习专业知识，初步掌握工程思维方法。二级项目围绕核心课程知识点，以培养相关能力要求为基础。训练一般以3～6个二级项目为载体，加强本专业核心课程的学习与应用。作为一级项目的支撑，二级项目是对相关课程群所涉及的知识点的整合，要求学生综合利用几门相关核心课程的知识，构思、设计并实施有一定实际背景的项目，培养学生综合应用相关知识的能力；另外，作为对整个教学体系的补充，二级项目对培养学生创新思维能力与终生学习能力将发挥重要作用。由于每个项目只涉及一组核心课程组成的课程群，由多个(3～6个)二级项目队以级项目形成支撑作用，项目设计围绕相应课程群的知识点，而不必追求本专业知识的全面运用和项目功能的齐全，在必要时，为了强调基础知识的作用，也可限制学生利用现成的合成工具。从时间上看，第一个二级项目是一般学生完成的第一个完整项目，训练其对项目设计的认识、团队精神和作为工程师的思维模式是主要目的，同时，它对激发学生对本专业的兴趣起到至关重要的作用。三级项目是单门课程内的项目。在为学生提供强大基础知识背景和数学、科学方法训练的基础上，三级项目根据课程教学自身需要设立小规模实践项目，旨在加深和强化学生对课程内容的理解与应用。就整个培养计划来看，以一级项目为主线，以二级项目为支撑，以三级项目与核心课程为基础，将核心课程教育与对专业的整体认识统一起来，并结合项目训练对学生的自我更新知识的能力、人际和团体交流能力以及对大系统的掌握、运行和调控能力进行整体培养。3计算机专业各级项目的设计思路计算机是当代信息科学与技术的重要支柱之一。本专业学生要求受到良好的科学思想、科学实验与工程设计的基本训练；系统地掌握计算机科学与技术，包括计算机硬件、软件与应用的基础理论、知识和技能；了解本学科的知识结构、基本形态、核心概念，典型技能和基本工作流程；熟悉计算机系统和计算机应用的环境和工具；掌握计算机系统分析与设计的基本方法；能应用所学知识分析和解决实际问题，并具有研究开发的基本能力；学生毕业后能在科研、教育部门、企业、事业单位等计算机科学与技术诸领域从事研究、开发、教学及管理等工作，亦可攻读本专业或相近专业及交叉学科的研究生学位。以EIP-CDIO培养模式为框架，以培养个人能力人才培养103第11期(包括自学能力和创新能力)、协同工作能力和系统调控能力为主要目标，基于项目学习的理念和科学的课程(内容)设置作为能力培养的载体，我们设计了新的课程体系和培养模式，如图1鱼骨框图所示。图1计算机专业CDIO课程体系示意图图1中，系统设计与集成和毕业设计是两个一级项目，它们贯穿整个四年的学习过程，成为本科期间项目学习的主线。第二年至第四年每年都有一个具体的设计和研究项目(open-ended)，学生分成4～6人的团队，每个团队有一个项目，从设计要求、功能设计、概念设计、系统设计到制造出来；培养设计、创新、协调、沟通和领导能力(每个团队的组成轮流担任，每个学生都有当领导的机会)，增强学生的自信心；这种开放型的项目，使学生有机会把知识有机地联系起来，应用知识。在这一过程中，学生有可能用到没有学过的知识，因此，学生要学会以探究方式获取知识，整个过程要体现CDIO的教育理念。二级项目是基于课程群，每个课程群都有一个项目。这些项目相当于综合性的课程设计，把相关联的课程知识有机地结合起来，使学生认识到有机和关联的知识群而不是孤立的知识点，课程群建设与实践的结合可以避免内容重复，减少学时。通过对教育部计算机专业课程指导计划所要求的课程和知识点的要求进行深入分析，并结合EIP-CDIO教育模式，我们将计算机专业主干课程分为四个课程群：第一个课程群由程序设计基础、离散数学和数据结构组成，第二个课程群由电路与电子线路、数字逻辑、汇编语言、计算机组织与体系结构和微机原理与接口技术组成，第三个课程群由软件工程、面向对象系统分析与设”和数据库原理组成，第四个课程群由操作系统和网络与通信组成。三级项目是基于单个课程而设计，相当于课程设计。在EIP-CDIO教学模式下，每个教师都应充分了解自己课程在整个专业培养体系中的作用，包括知识能力培养中的贡献。利用三级项目，我们将每门课程涉及的能力和各知识点串接起来，在构建学生的知识体系中发挥其应有的作用。在课堂教学中，围绕课程设计(三级项目)，每门课程中应有20～30%时间用于互动、启发式、探究式的学习，引导学生提出问题，找到解决问题的方法，提取概念和有规律性的方法。另外，我们鼓励学生参加各种创新竞赛活动，将这些活动纳入到三级项目中，以增加新的知识，培养创新能力。4计算机专业二级项目设计如前所述，二级项目的宗旨是综合几门主要课程，对一级项目起到支撑作用。对计算机专业而言，从知识点的角度上看，大致上可分为软件及算法基础知识、硬件基础知识、大型软件项目组织、网络工程项目组织等。基于这种认识，结合我校具体情况，我们将计算机主要课程分为以下四个课程群。第一个课程群主要涉及的是软件基础课程，知识计算机教育ComputerEducation1042010点主要包括计算机物理结构、结构化程序编程、数据文件系统、关系理论、数理逻辑、代数系统、线形表结构、树结构及算法、图结构及算法、查找算法、排序算法等。一般来讲，这是一二年级与软件基础相关的主要课程，我们为此课程群设计的二级项目是软件算法综合设计——大学教学管理系统设计。在此项目中，我们充分考虑到运用本课程群所涉及到的基础知识点，对学生提出了如下要求。(1)使用文件系统存储数据。此项要求学生充分理解文件系统知识并灵活运用，特别是二进制文件、文本文件和数据流的操作与管理。(2)不使用现有数据库系统。现有数据库系统(如SQL、VisualFoxPro等)可以很好地完成查询、排序等基本操作，使用这些现有系统会使学生忽略数据结构、算法等在计算机专业的基础作用，不利于对计算机专业基础理论的理解和掌握。为此，我们要求学生自行完成数据库及管理方案设计与实现。(3)利用关系理论建立自己的数据信息结构。关系型数据库系统是现代数据库系统中应用昀广的一类数据库模型，此模型建立在严密的关系理论的基础上，为了让学生充分认识离散数学等基础课程对本专业所起的作用，加强各课程之间的知识联系和衔接，更深刻完整地理解本专业知识结构，我们提出了此项要求。(4)建立与常