“卓越工程師教育培養計劃”中系列化探究式項目教學的設計原則

汪木蘭 周明虎 張艷麗

南京工程學院 江蘇南京 211167

☆專題☆

“卓越工程師教育培養計劃”中系列化探究式項目教學的設計原則

汪木蘭 周明虎 張艷麗

南京工程學院 江蘇南京 211167

為了滿足“卓越工程師教育培養計劃”提高學生綜合工程實踐能力的需要，基于探究式教學思想和CDIO工程教育的先進理念，總結出能力進階的系列化探究式項目教學的設計思路，結合正在實施和推進的機械設計制造及其自動化專業先進制造技術方向卓越工程師教改試點班工作，給出了探究式項目教學的設計案例，可為相關專業的卓越工程師教育培養提供有益的借鑒。

卓越工程師教育培養計劃；探究式教學；項目教學法；CDIO工程教育

我國為了貫徹實施《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)》，2009年年底組織開展“卓越工程師教育培養計劃”(以下簡稱“卓越計劃”)試點工作，2010年6月23日教育部在天津召開了“卓越計劃”正式啟動大會。目前，全國第一批教改試點班學生已經升入大學二年級，通過較大幅度改革第一年的基礎課程，大家基本達成了繼續改革的共識，現在開始進入專業基礎課程學習階段，必須對其綜合工程實踐能力進行著力培養。

南京工程學院作為全國首批“卓越計劃”試點高校之一，參與了整個過程。目前，全校確定在6個專業(機械設計制造及其自動化、自動化、材料成型與控制工程、電氣工程及其自動化、計算機科學與技術、熱能與動力工程)、7個專業方向、8個2010級指定班級予以試點實施，各專業方向已經制定了切實可行的人才培養方案，并落實了相應的課程教學大綱和教學環節。

“卓越計劃”是一項教育教學改革工程，沒有現成的教育模式和成熟經驗可供借鑒。在實施“卓越計劃”過程中需要找到一個行之有效的載體和切入點，從而形成一套有效的運行機制，并驗證教改實施的實際效果。吸取多年實施項目教學法的成功經驗，結合機械設計制造及其自動化專業先進制造技術方向的教改試點，提出“能力進階的系列化探究式項目教學法”，以期緩解我國工科高校面臨的一系列共性問題。

1 探究式教學基本思想

探究式教學(Inquiry Teaching)是指學生在學習基本概念和基本原理的過程中，教師只為學生提供一些事例和有關問題，讓他們自己通過閱讀、觀察、實驗、思考、討論和交流等途徑去獨立探究，然后自行發現并掌握相應原理和基本結論的一種教學方法。其基本指導思想是以學生為主體，在教師的全程參與和具體指導下，讓學生主動地、自覺地深入探索，從而掌握解決實際工程問題的方法和基本步驟。

“探究式教學”的核心是“問題”，相應的學習過程也是緊緊圍繞著指導教師提出的問題展開。教師需要根據所要求的教學目的和教學內容，創設情境，預先設定邏輯合理、難度適當、需要學生解答的基本問題。然后，教師指導學生擬定出合理的解題計劃，并選擇恰當的解題方案，提供必要的技術資料和基本的實驗條件，由學生自己組織項目成員分工合作查閱項目資料和完成相應實驗，從而提出某些假設條件，尋求問題的解決方案。通過這種開放課程形式可以激發學生自主探究的強烈欲望，發掘其自主探究的潛能。

學生對交流成果環節中所提出的具體問題以及存在的模糊認識進行深入討論和廣泛交流，大家逐步達成共識，明晰基本概念，營造大膽質疑和互相解惑的良好氛圍，使單一性思考和求異性思維相結合，傳授知識和解決問題相結合，教師指導和學生自主探究相結合。因此，在探究式教學過程中必須正確地處理好教師“引”和學生“探”之間的辯證關系，指導教師既不能過多地干預，也不能讓學生放任自流，漫無邊際地探究，最終要達到相得益彰的互相促進效果。

2 系列化項目教學

針對我國應用型人才現狀，以工程技術能力培養為主線，以完善實踐教學體系和改革實踐教學模式為目的，在多年實施傳統式項目教學的基礎上，通過開展項目教學系列化建設與改革，嘗試增加“能力維”，將“能力進階”與“項目系列”結合起來，并融入“探究式學習”的思想，構建貫穿大學階段整個人才培養過程，由簡單到復雜，由單一到綜合，從低級到高級，目的明確、循序漸進、逐層提高、能力進階的系列化探究式項目教學的工程實踐訓練體系，即提出“能力進階的系列化探究式項目教學法”新概念。通過教學項目的規范化和標準化，充分利用現有的豐富網絡資源，逐步建成項目教學庫，從而構建開放式項目庫的網絡管理平臺，創建一種學生工程實踐教學的新型模式。通過對校內和企業兩類項目教學資源的充分利用，使學生在校期間能夠接受“現場工程師”的完整訓練，從而縮短大學生與企業工程師之間的距離，以期達到“零距離”的工程實踐銜接，改善實踐教學效果，切實提高學生應用專業知識分析問題和解決問題的綜合能力，確保應用型人才培養質量，為我國經濟建設發展服務。

例如對于機械設計制造及其自動化專業先進制造技術方向，打破了傳統的“基礎課—專業課—工程實踐”三段分割的教學模式，以“專業能力進階”培養方式對教學計劃進行科學合理安排，全過程采用“系列化探究式項目教學法”，多維度、交錯融合、螺旋式提升學生的綜合工程應用能力，通過項目內容側重點的差異和目標要求的分級，結合相對比較成熟的探究式教學思想，最終達到因材施教和學生個性化能力培養的目的。

3 系列化探究式項目教學設計思路

(1)充分借鑒先進的CDIO工程教育理念。CDIO代表構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)和運作(Operate)，它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程。工程技術應用能力進階的探究式項目教學法，可以借鑒“CDIO工程教育”理念中三級項目教學的思想，構建出課內和課外相結合的項目教學體系，旨在以系列化的項目教學為載體，培養出卓越工程師人才。

在實施CDIO工程教育理念時，依據項目所涉及的專業知識以及項目本身的規模，可為學生團隊設置一級項目、二級項目和三級項目。其中，一級項目包含并綜合了本專業主要核心課程，體現了本專業主要能力要求；二級項目則引導一組相關核心課程(課程模塊)的學習，重點突出了某項能力要求；三級項目則針對單門課程，以期增強學生對該門課程內容的理解。可見，這三級項目的劃分主要依據課程內容以及課程所涉及的主要知識點。

為了充分借鑒CDIO工程教育理念，將“卓越計劃”能力進階的系列化探究式教學項目設計成三個層次：基礎項目、綜合項目和企業項目。基礎項目針對大二學生，主要讓學生了解一個項目對象的基本構成，體會項目實施的具體流程；綜合項目針對大三學生，進入專業課程的學習階段，一般設計為基礎項目的繼續深入和水平提升，在完成項目基本構成的前提條件下，主要要求學生實現較高的技術指標，達到實際工程現場能夠應用的目標；企業項目針對大四學生，主要要求學生在企業頂崗實習過程中尋找和發現項目，當然也可以和企業指導教師、校內指導教師進行交流和溝通，最好是能夠實現企業的技術革新或者技術改造，完成后能夠為企業創造相應的效益，這是一次真正的項目體驗。

事實上，CDIO是“做中學”和“基于項目教育和學習”(Project based education and learning)的集中概括和具體表達，“卓越工程師”是我國高等工程教育改革“卓越計劃”實施的最終目標，在“理念”與“目標”之間可以通過“能力進階型系列化探究式項目教學”予以內部溝通起來，具體如圖1所示。

圖1 CDIO工程教育與卓越計劃的關系

(2)項目教學的目標要具有可達性。指導教師在設計探究式教學項目時必須充分考慮學生的知識能力和具體情況，設計探究項目的主要內容和預期目標應具有達到的可行性。然后在項目具體實施的過程中，有目的地引導學生通過親身實踐和實際操作來提高解決實際問題的綜合能力，并在工程實踐與項目研究過程中學習和領會相應的科學方法。特別是基礎項目和綜合項目任務書規定完成的主要功能和性能指標等方面必須把握好尺度，同時還要兼顧所能提供的條件，除了目標可達以外，還要求能夠全面展示出學生的綜合素質和基本技能，并留有足夠的發揮空間。

事實上，通過采用探究式項目教學的具體形式，選擇相應的訓練內容，創造條件讓學生完整地經歷工程項目和科學探究的全過程。在具體設計探究項目的活動過程中，必須站在全局的高度運用系統觀進行科學設計，逐級推進，并保證部分探究和全部探究有機結合。

(3)探究式項目教學的主體性原則。主體性原則是指在能力進階的系列化探究式項目教學的具體實施過程中，必須尊重學生的主體地位，充分發揮學生的主觀能動性，并注重學生之間的相互啟發，兼顧發展。

學生積極參與項目組的討論與交流，通過主動學習來構建新知識，并及時地對學習效果進行總結和反思，然后改進相應的學習方法。在探究式項目教學的設計過程中，預先確定具體的教學目標時，必須注重理論知識與操作技能、科學方法與實施過程、情感態度與價值觀三個維度的教學要求。雖然面向全體學生，但還應當尊重學生的個體差異，使項目教學過程更能滿足其個性發展的需要，從而充分挖掘每一位學生的最大潛能。

(4)探究式項目教學強調教師的誘導作用。在堅持學生主體地位的同時，也要提高對項目指導教師的具體要求。教師應當是項目探究活動的設計者和項目執行過程的組織者與引導者。要求教師全身心地投入和參與，認真研究和分析學生思維方式和解決實際工程問題的思維習慣，努力尋找教育對象與教學內容之間的最佳結合點，善于將自己積累的各種工程經驗高效地轉化為學生的直接經驗，并引導學生將所獲得的各種經驗與所學課程理論知識相結合，鼓勵學生在此基礎上進行大膽創新，以培養復合型的工程技術人才。

在系列化探究式項目教學過程中，指導教師要善于誘導學生，密切關注項目實施和執行的進程，認真討論目前存在的主要問題，及時地進行適當調整和具體指點。指導教師還要善于發現可能出現的多種結論，特別重視和自己備課時預期不同的結果，變“教案”為“學案”。在參與項目組討論的過程中，要掌控好局面，適當制造情境使學生的觀點發生碰撞，從而激發出新的思想，還要敏感捕捉個性學生的“閃光點”，并現場及時地給予鼓勵和引導。可見，在探究式項目教學活動中，指導教師是引導者，其主要任務是啟發和誘導；學生是探究者，其主要任務是發現新現象和新成果。

(5)探究式教學和項目教學一脈相承。我國較多運用項目教學法的是高等職業技術學院，它們對課程體系和內容進行大膽改革和創新，取得了一定成效，并進一步對本科教學過程中執行的教學項目在理論性、科學性和評價結果等方面予以提升，例如在方案設計、功能拓展、數學建模、虛擬仿真等方面有所側重和加強，以達到綜合訓練學生工程實踐能力的目的。探究式教學目前在我國基礎教育階段應用得比較廣泛，主要是讓學生從小養成主動探究的良好習慣，為長大后從事科學研究打下基礎。但事實上，探究式教學的基本思想不僅僅局限于基教范圍，完全可以引申到各個教育層次，因為工程教育的最終目標都是打造“卓越工程師”。

“探究式教學”和“項目教學”都是以“項目”作為教學活動的實際載體，目標一致，可以說一脈相承。只是前者在項目實施過程中更加強調和貫徹“探究的科學精神”，而后者比較注重“項目實施的結果”。

4 系列化探究式教學項目設計實例

(1)系列化探究式工程訓練項目選題。遵循上述原則，結合“卓越計劃”人才培養方案設計出能力進階型系列化探究式項目教學的選題樣式見表1(基礎項目)和表2(綜合項目)。

表1 系列化探究式工程訓練項目選題表(基礎)

表2 系列化探究式工程訓練項目選題表(綜合)

(2)系列化探究式工程訓練項目內容簡介。通過上述表格可以看出，表1所示的基礎項目主要讓學生了解變頻調速系統的組成，并且外部是開環控制形式，如圖2所示的虛線方框。表2所示的綜合項目繼續利用基礎項目的開環平臺，實現速度閉環控制，如圖2所示的整個系統對象，并在空載和負載的條件下對其綜合性能指標進行詳細考核，同時還要求設計出觸摸屏的人機交互功能。

圖2 PLC控制的變頻調速系統

全國“卓越計劃”的教育教學改革工作仍在有條不紊地推進，2011年秋季除第一批61所試點高校招生了第二批本科學生以外，國家教育部在2011年10月19日又評審公布了第二批實施“卓越計劃”的133所高校，所以在教學改革和探索的過程中，及時做好教改總結和方案完善工作尤其重要。

推廣階段性的教學成果與教改經驗，至少在緩和如下面臨的矛盾方面具有非常現實的意義：有限教學資源(師資隊伍和教學設備)與較大在校生規模之間的矛盾；教改教學成本增加與追求教學效益之間的矛盾；教師自身較弱工程實踐能力與教學改革對工程經驗要求較高之間的矛盾；教師責任心與教學改革效果之間的矛盾；理論教學深度準確把握和技能訓練較高要求之間的矛盾等。

[1] 汪木蘭，周明虎，封世新，等.系列化項目教學法在先進制造技術卓越工程師人才培養中的應用[C].2011年第二屆管理科學與工程國際學術會議，成都，2011，6：366～372

[2] 汪木蘭，周明虎，李建啟.以項目教學為載體制訂先進制造技術卓越工程師培養方案[J].中國現代教育裝備，2010，12：15～19

[3] 周明虎，汪木蘭，封世新.項目教學法的實施與典型案例分析[J].中國現代教育裝備，2010，13：6～8

[4] 劉樹青，汪木蘭，王坤.基于項目教學理念構建數控機床故障診斷與維修課程教學體系[J].中國現代教育裝備，2010，13：9～11

[5] 陳荷燕，汪木蘭，劉樹青.項目教學法在機床電氣與PLC課程教學中的運用[J].中國現代教育裝備，2010，13：12～14

[6] 關芳芳，汪木蘭，袁勤.數控機床和金屬切削原理與刀具課程內容整合與教學改革[J].中國現代教育裝備，2010，13：15～17

[7] 侯軍明，汪木蘭，楊清林.基于能力進階培養模具設計與制造的綜合技能[J].中國現代教育裝備，2010，13：18～21

[8] 王令其，左健民，汪木蘭.大工程觀與應用型工科教學改革[J].理工高教研究，2009，28(2)：130～132

[9] 汪木蘭，朱曉春，劉坤，等.案例教學培養自動化專業學生大工程意識[J].中國現代教育裝備，2008，12：165～167

[10] 宗亞妹，汪木蘭.建構主義教學觀與系列化項目教學[J].機電產品開發與創新，2010，23(6)：168～170

Design principles of serial inquiring project-teaching for excellent engineer education and training scheme

Wang Mulan, Zhou Minghu, Zhang Yanli
Nanjing institute of technology, Nanjing, 211167, China

In order to improve the comprehensive engineering ability of the undergraduate in the process of Excellent Engineer Education & Training Scheme (EEETS), the design principles of serial inquiry-based project-teaching method are put forward in detail, based on the thoughts of inquiry teaching and the advanced concepts of CDIO engineering education. The object of teaching reform is the program of advanced manufacturing technology, belong to the discipline of mechanical design & manufacture and its automation. The corresponding project-teaching case is present in this paper. The proposed design principles can provide some useful references to other related disciplines of EEETS.

Excellent Engineer Education & Training Scheme (EEETS); inquiry teaching; project-teaching method; CDIO engineering education

2011-11-21 稿件編號：1111099

汪木蘭，博士，教授。周明虎，本科，高級工程師。張艷麗，博士，副教授。

江蘇省“十二五”高等教育科學研究規劃課題(編號：KT2011186)；江蘇省高等教育教學改革研究課題(編號：2011JSJG175)；南京工程學院高等教育研究重大課題(編號：GY201004)；南京工程學院教學改革重大項目(編號：JG201002)。