工程教育課堂教學的一些新思路

周 斌

☆企業地帶☆

工程教育課堂教學的一些新思路

周 斌

2010年6月，教育部發布了“卓越工程師教育培養計劃”，旨在未來10年內培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量復合型工程技術人才，為國家走新型工業化發展道路、建設創新型國家和人才強國戰略服務。為了更好地培養中國未來的工程師，無論是院校還是教師，都迫切需要以一種“面向未來”的姿態去重新審視現有的教學方式、教育理念和教育設備，并努力探索一條更先進、實用與創新之路。

傳統教學模式PK創新教育平臺nextpad

對工程教育而言，教學、實驗和創新是必不可少的3個內容(如圖1所示)。課堂教學是學生接受知識最直接、占用時間最多、最易影響學習效果的環節。就目前我國高校工程教學的整體方式而言，傳統純公式推導和板書式教學仍占據著主導地位，而這種教學方式往往導致學生無法對知識點進行透徹的理解，更無法引起學生對課程的興趣和求知欲。因此，將傳統呆板、抽象、沉悶的課堂教學方式向活潑、形象、互動的方向轉變，勢必成為未來10年工程教育教學模式的發展方向。鑒于此，筆者從如何改變現有教學方式入手，對工程教育教學的發展提出一些新的思路，并探討一些行之有效的解決方案。

圖1

據調查，大部分理工科師生表示，直觀、交互與生動是師生最為關注和期待的授課方式。課堂教學的根本目的在于讓學生在課堂中掌握所應掌握的知識點，但在現實教學過程中，傳統的教學方式已不足以滿足學生對知識的學習，更消耗不起大量的時間反復演示某一個實驗，因此，直觀、交互、生動的教學方式往往只能讓人望書興嘆，知識點的掌握率更是大打折扣。

要有效地解決這個問題并不是完全沒有辦法，我們不妨從一些最經典的教學實例入手，換一種思路來思考如何提高課堂教學效果，或許會得到另一種感悟和提高。以關于FFT(傅里葉變換)知識點的教學為例：傳統的教學方式是在黑板上進行一系列的推導，最后手繪出一個頻譜曲線，這種做法對于FFT教學而言是一個必要過程，只有這樣，學生才能了解FFT的整個過程是如何一步步實現的。這雖是原理的必要教學過程，但卻不是目前最有效的教學方式，造成學生只是被動地了解知識點的表面部分。學生的整個學習只是被動地“接受灌輸”，無法達到舉一反三和融會貫通的效果。

細究起來不難發現，傳統的工程教學方式是停留在某個點上的教學，教師在講解時也只是對某個知識點的講解，難免枯燥乏味。如在上述FFT的教學中，學生只看到了一種函數的傅里葉變化，但是如果學生要求教師更換一個參數再次進行演示，教師必須再次重新進行推導，既耽誤時間，也不利于教學效率的提高。為了讓學生能更深入地了解函數的FFT，教師需要將課堂知識點的講解從一個點延伸到一個面。同時，借助于一種新型的教學平臺，讓知識點更形象、生動地表達。

針對以上問題，北京中科泛華測控技術有限公司(以下簡稱：泛華測控)開發設計了一種創新性工程教育平臺—nextpad(如圖2所示，下載地址：http:// nextpad.wordpress.com/)。nextpad是一個全新的、完全免費和開放的軟件平臺，它可以不斷地融合各種優秀演示與課件程序，從而提供給教師現成可用的資源使其教學更為生動、直觀與交互。

圖2

在本軟件中，教師可以在課堂上隨意展示各種與信號處理相關知識點的概念演示程序。如，圖3是nextpad中的SignalLab界面，教師可在優酷網站中搜索SignalLab，直接觀看本程序的視頻演示。一方面，教師通過波形圖、按鈕等易于理解和操作的形式，可以讓學生更直觀地看到各種信號處理所得到的結果是怎么樣的；另一方面，教師也可以很簡單地改變整個演示中的各種參數，讓學生即時了解參數的變化對所得結果的影響，從而讓學生以一個面的角度去了解知識點，并有利于學習效率的提升。從這個例子中，我們可以充分理解到直觀和互動對工程教育效果的價值所在。

圖3

nextpad的三大特性

(1)直觀性是nextpad三大特性之一。nextpad可以將原本枯燥的數據公式，通過圖片、波形等直觀的方式有效表達出來。如把單純的數字結果用波形圖的方式表達出來，或者把單純的是否發生混疊用一個LED燈直接顯示出來，都是nextpad直觀性的表現，從而帶給學生一種更為直接的接受體驗。

在圖3的演示視頻中，學生可以看到各種信號處理相關的知識點是如何通過這套演示軟件中直觀的顯示控件來表達各種波形圖的。相比于傳統的黑板或PPT，學生可更直接地感受到信號處理的結果。

(2)交互性。顧名思義就是學生也可以參與，就像界面中所展示的那樣，每一個演示程序都允許學生改變各種參數(包括輸入信號、窗類型、截止頻率等)，通過動手操作和觀察隨之而變的結果，學生以主動參與的姿態更好地接收和理解知識。

(3)生動性也是nextpad的創新性之一。我們反思，為什么有些課程學生會感覺比較枯燥，而有些課程學生聽起來卻興趣濃厚呢？這是因為無趣的課程往往內容不夠生動，有意思的課程則很可能是某位教師常在課堂上舉一些生動的小例子或者做某個演示，讓學生深刻地感受到知識點是如何應用于實際情況的。nextpad就像一個可以講述生動例子的教師，把興趣帶給每位學生。

舉一個比較生動的例子：對于圖像處理算法的教學，除了一系列的板書之外，有沒有其他既可保證算法準確，又能保證圖像處理直觀生動的實現方式呢？答案是：有。我們設計的如圖4所示的應用程序，它是一個人臉美容的程序(詳細使用，可在優酷網中搜索nextpad應用程序face)。通過這個程序，學生可以印象深刻地理解圖像處理算法到底能從事何種類型的應用，從而讓學生真正融入知識點的學習中。

從上述教學方式中我們可以感受到，這種相對直觀、生動、新穎的教學方式是極具研究價值的。此平臺的設計靈感來源于《哈利?波特》中的魔法課本，在魔法的世界里，人們看的報紙都是可以活動的，那么對于教學課件，是否也可以做成這種方式呢？傳統的課件就是一個個生硬的PPT文件，打開后盡是無窮的字、圖和公式，我們只能靜態地學習和復習，如果能讓課件活動起來，在閱讀的同時又可以有動態的演示，無疑既是一種全新的學習體驗，又是一種新的課件革命。

圖4

開放的創新教育平臺—next計劃

如果僅僅把nextpad作為一個平臺使用是遠遠不夠的，其中內容的豐富性才是至關重要的。基于此，我們也嘗試通過發動所有Labview技術愛好者一起參與程序編寫，讓平臺更加豐富(即next計劃，詳情請見nextpad.wordpress.com)。next計劃也使得nextpad具有了開放性，這種集眾家所長的做法叫做Crowdsourcing，即眾包。這種眾人拾柴的方式已有過不少成功的先例，如：維基百科就是由大眾進行內容填入而豐富起來的平臺。

next計劃的優勢有以下幾點：

(1)每個人所做的努力和貢獻都能以累加的方式積累。如果我們把每個人的努力都累加在一起，所產生的結果將具備一定規模，且這些結果也不會因為任何因素的改變而突然消失和歸零。所以，只要有人愿意為工程教育的改進而添加一點力量，我們將保證其努力絕對不會白費。

(2)通過眾包，可以讓每個學科方向的專家為自己的專業編寫nextpad教學演示。例如：一個關于人工智能的教學演示，雖然有人具備開發水平，但沒有專業知識背景，通過眾包，則可找到專業人士來開發和編寫，真正達到眾志成城！

綜上所述，直觀性、互動性與生動性，是工程教育課堂教學中3個值得發展和探索的方向，而針對這一發展理念，我們也做了第一步嘗試性的探索，值得欣喜的是，目前nextpad全國下載量已超過1000次，其中的優秀應用程序也已超過50個。相信在不久的將來，這個平臺將具備更大的規模與更多優秀的內容，從而真正助力于中國的工程教育，培養面向未來的卓越工程師。

(本文作者系北京中科泛華測控技術有限公司高校產品經理)