基于CDIO创新模式的软件工程教学改革研究与实践

摘要：目前，线上和线下混合式教学已成为一种发展趋势，作为应用型人才培养为主体的工商类院校计算机专业，软件工程课程的教学改革刻不容缓。本文主要针对湖南工商大学计算机专业软件工程的教学模式现状和存在的主要问题，提出基于CDIO工程教育创新模式的课程改革措施并实施。

关键词：工商类院校;CDIO;在线课堂;软件工程

中图分类号：TP301      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）09-0123-03

目前，对国内与国际高校教育的发展产生了很大影响，促使高校在教育模式、人才培养、课程教学等方面都发生了较大变化。对高校的教育质量和人才培养都提出更高的要求。立足地区经济发展，为地区经济服务的应用型高校的人才培养需要和企业无缝连接，教学模式、教学方法、教学内容都要进行同步提升，大学课堂要完成多种转变，由传统线下单一教学模式向多元化混合教学模式转变，由教师主导的课堂授课模式向立体化课堂模式转变，由教师讲授为主的模式向学生讨论参与的模式转变。

2001年，CDIO工程教育理念由美国麻省理工学院、瑞典查尔姆斯技术大学、林克平大学以及瑞典皇家工学院共同提出，CDIO的全称为“Conceive、Design、Implement、Operate”，即“构思、设计、实施和运行”。将某一个项目分解为四个阶段，每一个阶段执行不同的任务，每一个任务完成后设置一个里程碑，评审该阶段的任务是否高质量地完成。通过“以人为本”的思想，学生在参与每一个阶段的过程中，能够明显提高实践动手能力。

将CDIO工程教育理念引入软件工程课程教学中，力求实现多元化立体式的课堂模式，进一步推动课程改革，提高人才培养的质量。

1软件工程课程教学中存在的主要问题

通过查阅湖南工商大学2019版计算机科学与技术专业的培养方案得知，软件工程课程的理论学分为2分，实验学分为1分。理论的主要内容包括软件工程的各个阶段，包括软件的定义、开发、运行和维护阶段，具体又可以分为系统的可行性研究分析、需求分析、概要设计、详细设计、编码、测试和维护七个阶段。如果不计算维护的工作量，根据IBM的估算模型，假如一个软件系统的总比重为10，那么软件的计划为1，需求分析为1.5，软件设计为3，软件编码为1，软件测试为3.5。因此章节的讲述时间安排大致按照IBM的估算模型来进行。在教案的设计中增加面向对象设计与UML建模，详细介绍UML语法中的十大类图，分别是用例图、活动图、时序图、类图、对象图、协作图、状态图、包图、组件图和部署图。为学生在面向对象分析与建模中打下基础。

湖南工商大学计算机学院软件工程课程是计算机科学与技术专业的一门专业核心课程，这门课程的开设已有十多年的历史，有专门的课程组成员，制定了该课程配套的理论教学大纲、实验教学大纲和考试大纲，课程组的成员定期开展该课程的教学研讨会。尽管在该课程的授课中取得了一定经验，但在该课程的教授中还是存在以下几个问题。一是软件工程理论和实验课程的开设是同步进行的，学生在做实验的过程中会遇到理论和实验内容不能有效对接的问题。二是学生在完成实验的过程中，过度依赖教师发布的案例。学生自主思考和自主设计的能力不足，遇到复杂一点的综合案例，导致学生无从下手，进而影响学生实践能力的提高。三是在课程讲授的过程中，缺乏一个学生全程参与的软件系统案例，导致学生在理解软件工程的某些概念和理论时存在偏差。

学生经历了线上网课的学习过程，疫情发生后对高校的教育提出了新的要求，如何有效地将线下与线上教学结合、如何更好地利用课程的信息化资源服务学生、如何在课堂上引入开放共享的互联网资源都是高校要思考的问题。而互联网辅助课堂的方式又具有两面性，一方面互联网具有方便性、趣味性，另一方面快餐碎片化的学习方式又对学生提出更大的挑战，如何吸收其长处，将精华部分嵌入课堂，是教师需要探索的问题。

2 基于CDIO工程教育模式的软件工程课程教学实践

CDIO工程教育理念的核心思想是将一个软件系统项目分解为四个阶段，分别是构思、设计、实现和运行。在构思阶段，着重进行项目的可行性分析和需求分析。分析项目的经济可行性、法律可行性和运行可行性，分析项目可以采用的主要技术手段、预期收益、分析系统的功能需求和非功能需求。在设计阶段，着重要进行系统的概要设计和详细设计。概要设计需要设计出系统的总体模块结构图，而详细设计需要设计出系统每个模块的算法。在实现阶段，着重进行系统的编码和测试，测试阶段完成系统的单元测试、集成测试、系统测试和确认测试。在运行阶段，系统交付用户运行，进行项目的质量评价，用户在使用过程中不断提出改进意见，反馈给系统开发人员。每一个阶段完成后都有一个里程碑，对完成的相应阶段进行评审，评审通过后进入下一个阶段。CDIO工程教育模式的主要优势体现在如下几个方面：一是由教师主导的课堂转换为学生参与项目的课堂，通过学生参与系统项目的每一个阶段，加深学生对项目每个阶段的理解，进一步加强了学生的实践动手能力;二是将一个系统的任务分解到各个阶段后，系统的复杂度和抽象度会降低，符合软件工程自顶向下、逐层分解的思想;三是在每个阶段完成后都需要进行评审，评审通过后才能进入下一个环节，避免错误遗留下来后需要更多的修改代价。

基于CDIO软件工程教学实践的实施主要包括如下几个方面：

1）基于CDIO工程教育的软件工程在线课堂的设计和搭建

参考湖南工商大学计算机科学与技术专业软件工程教学大纲、软件工程实验大纲、软件工程实验指导书、多媒体教学课件、参考教材、软件工程题库、软件资格与水平考试软件设计师题库等教学资源和素材，设计出一个具有创新性、挑战性、互动性、能够进行评价和反馈的平台。学生在平台上可以完成课堂作业、实训作业、在线测试、视频观看等任务，教师在平台上可以布置课堂作业和实训任务、设计在线试卷，组织在线考试，上传教学资源，视频直播。在课后，学生遇到不懂的问题可以回看教师上传的教学视频，充分体现在线课堂的丰富性和实用性。

2）基于CDIO工程教育的软件工程在线课堂的制作与完善

软件工程在线课堂由教师根据班级进行创建，学生通过班级的邀请码添加课堂，课堂的主要功能有实训作业、普通作业、在线考试试卷、在线教学资源、视频直播、分班与签到等。实训作业将软件工程基本理论与应用设计为21个模块，分别为软件工程概述、可行性分析、软件开发计划、需求分析、软件设计、结构化分析与设计、面向对象分析与设计、软件复用、编码、软件测试、软件维护、软件项目管理。每个模块以挑战闯关的形式进行，用户进入挑战关卡，开启挑战模式，闯关成功后系统奖励积分，授予挑战成功的勋章，并进入下一关挑战，用户挑战成功后会提升自信心，提高学习该门课程的乐趣。例如面向对象分析与设计模块中，闯关界面分成两部分，左边部分描述的是关卡任务要求，包括了任务描述、相关知识点的介绍、闯关要求;右边部分是闯关答题界面，答题结束后会有评测环节，评测通过后进入下一个关卡。面向对象分析与设计模块设计了如下关卡，第一关：面向对象技术的基本概念;第二关：UML概述;第三关：用例图分析与设计;第四关：类图和对象图分析与设计;第五关：顺序图和通信图分析与设计;第六关：状态图分析与设计;第七关：活动图分析与设计;第八关：包图分析与设计;第九关：构建图和部署图分析与设计;第十关：设计模式;第十一关：UML综合案例分析。通过十一关的任务描述和相关知识点的学习，厘清了面向对象分析与设计的基本理论和基本方法，不仅在理论上掌握了面向对象的基本内容，而且对面向对象的应用有了更深入的了解。在闯关的测试题中，以全国软件资格与水平考试软件设计师的试题难度作为标准，很大程度上提高了学生的软件工程知识与应用能力。普通作业板块能够上传教师布置的电子作业，教师可以设置作业的发布时间、截止时间、能否开启补交，迟交作业的同学可以设置迟交扣分。学生完成作业后进入在线课堂提交电子档作业。在线试卷板块中，教师可以新建试卷，试题由教师上传或者从试题库中选取。教师可以按照文档格式批量上传试题。2020年，高校学生进行了一个学期的在线授课，课程学习结束后进行了课程的考核环节，其中在线课堂的在线考试系统发挥了重要的作用。在线检测系统一如既往地发挥着重要作用，在该平台上教师可以完成期中考试、期末考试的测试，客观题由系统自动评分，主观题由教师在线评分。评分结束后系统能够一键导出学生成绩，并进行成绩分析和学情分析，极大地提高了课程测试环节的效率。在线资源板块中，教师可以上传有关该课程的电子资源，包括多媒体课件、课程知识点总结等。学生在课前和课后都能下载资源进行预习和复习。视频直播板块中，教师将课程实践环节的基本实验和操作录成视频上传到在线课堂，学生完成课程的实践环节过程中遇到任何问题可以回放视频进行查看，帮助学生理解实验中的难点。

在制作课件和视频资源时，遇到很大的挑战，要制作出符合要求的优秀视频和课件，是一件工作量很大的事情，软件工程课程分为理论部分和实践部分，课件的内容主要涵盖理论部分，视频的制作以讲解实践内容为主。软件工程的实验主要包括UML面向对象建模，包括用例图建模，活动图建模，顺序图建模，类图和对象图建模，通信图建模，状态图建模，构件图、包图和部署图建模。在建模的过程中，按照CDIO工程教育模式进行，将建模的过程分解为CDIO四个阶段：第一个阶段为构思阶段，根据系统描述的问题进行构思。第二个阶段为设计阶段，设计好相应的视图，第三个阶段为实现阶段，第四个阶段为运行阶段。实验视频的制作按照CDIO模式的标准进行。学生在学习完视频后能够很快理解该实验的目的和要求。

在线课堂平台的建设随着班级和授课人数的增加，不断得到完善。出现问题及时进行平台的改进，逐步让在线课堂成为线下课堂强有力的支撑资源，发挥积极有效的作用。

3）基于CDIO工程教育模式在软件工程课程教学改革中的成效

运用CDIO工程教育模式理念，结合在线课堂等线上平台，具体的成效有如下几点：一是充分运用在线课堂的优势，补充线下课堂的不足，例如在线课堂的实训作业，按照CDIO的标准进行闯关设计，学生在闯关的过程中不断体验到闯关成功的乐趣，极大地调动了学生的学习积极性，学生在该门课程的考核成绩明显高于往届学生，说明学生对该门课程的基本理论与基本知识点掌握更好，实践运用能力提高。二是较好地提高了该门课程的教学效率，期中测试、平时作业、实训作业，期末测试均可以在平台完成，极大地减轻了教师的教学负担。三是学生在该门课程的学习成绩的考核对比中，基于CDIO工程教育模式的线上线下混合式教学效果明显优于线下课堂的教学效果。学生在完成面向对象分析与设计实训的工作效率如图1所示。工作效率被定义为实训总得分/实训总耗时，从图1可以分析得知，学生的平均工作效率为4.43，比线下为1的工作效率要高很多。当前学生的工作效率为5.73，高于平均工作效率。学生在实训中的能力值如图2所示，能力值被定义为实训获得经验值/实训评测次数。从图2可以分析得知，当前学生的能力值为17.23。

4）基于CDIO创新模式的软件工程课程检测成效分析

软件工程的课程考核办法，未改革前主要构成比例及结构是：平时成绩占20%，期末成绩占80%，平时成绩主要根据学生的平时作业、考勤来进行评分，期末成绩主要由期末考试试卷的分数为准，这种评分标准的不足是评价手段单一，学生的成绩过多地依赖期末成绩，不能从综合维度来评价学生的理论知识掌握情况和实际动手能力。使用基于CDIO工程教育模式的在线课堂辅助课程的考核过程后，学生成绩的评价手段更加合理，既有实训作业的成绩，又有平时作业的成绩;既有期中测试的成绩，又有期末测试的成绩。从多个维度检验学生对该门课程理论和实践的掌握程度。

3 结束语

如何将线上资源与平台和线下课堂紧密结合，充分调动学生的学习积极性，是目前高校教育工作者都要思考的问题。将CDIO工程教育模式应用于软件工程的教学，开发建设在线课堂平台，使该门课程在教学资源建设、学生的学习积极性、课程考核结果等方面都有了很大的提升。

在线课堂的在线实训作业，在线考试系统，在线资源的利用不仅提高了教师的工作效率，而且提高了学生的学习积极性，教师将更多的时间用于专业建设、课程建设和平台建设，有效提高了大学人才培养的质量。

参考文献：

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