工程教育認(rèn)證下自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐類課程改革

李 擎, 崔家瑞, 閻 群, 楊 旭,董 潔， 李春雷

(北京科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 北京 100083)

工程教育認(rèn)證下自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐類課程改革

李 擎, 崔家瑞, 閻 群, 楊 旭,董 潔， 李春雷

(北京科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 北京 100083)

為了大力提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力,培養(yǎng)滿足我國現(xiàn)代化建設(shè)需要和具有自動(dòng)化專業(yè)特色的高水平工程技術(shù)人才,基于OBE工程教育理念,充分借鑒CDIO工程教育模式,結(jié)合國際工程教育改革、工程教育認(rèn)證發(fā)展趨勢與自動(dòng)化專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)及專業(yè)特色,優(yōu)化了自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生對實(shí)踐與創(chuàng)新能力的要求,根據(jù)畢業(yè)要求深度,提出了基于CDIO教育模式的工程認(rèn)證能力培養(yǎng)方法,切實(shí)加強(qiáng)了實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置的針對性和科學(xué)性,提高了人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

工程教育認(rèn)證； 實(shí)踐教學(xué)； 成果導(dǎo)向教育

我國在工程實(shí)踐教育層面開展了“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”和CDIO(構(gòu)思conceive、設(shè)計(jì)design、實(shí)施implement、運(yùn)行operate)工程教育。“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”[1]的培養(yǎng)目標(biāo)是面向工業(yè)界、面向世界、面向未來,培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才,為建設(shè)創(chuàng)新型國家、實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化奠定堅(jiān)實(shí)的人力資源優(yōu)勢，增強(qiáng)我國的核心競爭力和綜合國力。CDIO工程教育模式[2-5]以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體,讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程,培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。為了迎接新工業(yè)革命對高等工程教育的挑戰(zhàn),同時(shí)為了適應(yīng)由于公共問責(zé)制的興起、人們更加關(guān)注教育投入的回報(bào)與實(shí)際產(chǎn)出的現(xiàn)實(shí)需要,成果導(dǎo)向教育(outcome-based education,OBE)[6-8]已在美國、英國、加拿大等國家成為了教育改革的主流理念。基于OBE工程教育理念,充分借鑒CDIO工程教育模式,結(jié)合國際工程教育改革、工程教育認(rèn)證[9-11]發(fā)展趨勢與自動(dòng)化專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)及專業(yè)特色,優(yōu)化自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生對實(shí)踐與創(chuàng)新能力的要求,根據(jù)畢業(yè)要求深度改革現(xiàn)有實(shí)踐課程教學(xué)方法、調(diào)整或重新設(shè)計(jì)實(shí)踐課程體系和內(nèi)容,切實(shí)加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置的針對性和科學(xué)性。

1 成果導(dǎo)向教育(OBE)

OBE是指教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施的目標(biāo)是學(xué)生取得的學(xué)習(xí)成果。OBE評價(jià)體系的關(guān)鍵步驟見圖1。

圖1 OBE評價(jià)體系的關(guān)鍵步驟

教學(xué)設(shè)計(jì)采用反向設(shè)計(jì)法進(jìn)行,反向設(shè)計(jì)法是指根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)計(jì)畢業(yè)要求,在畢業(yè)要求的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)課程大綱和課程內(nèi)容。教學(xué)實(shí)施是采用以學(xué)生為中心的正向?qū)嵤┑倪^程,通過過程的學(xué)習(xí)達(dá)到設(shè)定的畢業(yè)要求和培養(yǎng)目標(biāo)。課程評價(jià)則是持續(xù)改進(jìn)的過程,即通過學(xué)生的學(xué)習(xí)效果調(diào)整課程大綱和課程內(nèi)容,直到能夠使學(xué)生達(dá)到預(yù)定的要求。OBE強(qiáng)調(diào)4個(gè)問題:

(1) 想讓學(xué)生取得的學(xué)習(xí)成果是什么？

(2) 為什么要讓學(xué)生取得這樣的學(xué)習(xí)成果？

(3) 如何有效地幫助學(xué)生取得這些學(xué)習(xí)成果？

(4) 如何知道學(xué)生已經(jīng)取得了這些學(xué)習(xí)成果？

OBE衡量學(xué)生能做什么,而不是學(xué)生知道什么,前者是傳統(tǒng)教育無法做到的。例如,傳統(tǒng)教育衡量學(xué)生的常用方法是,從幾個(gè)給定答案中選擇出一個(gè)正確答案。這種方法往往只能測試出學(xué)生的記憶力,而不能讓學(xué)生展示出他們學(xué)會(huì)了什么。也就是說,重要的是理解而不是記憶。對內(nèi)容的理解所體現(xiàn)的認(rèn)知能力比對內(nèi)容的記憶所體現(xiàn)的記憶能力重要得多。OBE要求學(xué)生將掌握內(nèi)容的方式,從解決有固定答案問題的能力拓展到解決開放問題的能力。OBE要求學(xué)生通過具有挑戰(zhàn)性的任務(wù),例如提出項(xiàng)目建議、完成項(xiàng)目策劃、開展案例研究和進(jìn)行口頭報(bào)告等,來展示他們的能力。這樣的任務(wù),能讓學(xué)生展示思考、質(zhì)疑、研究、決定和呈現(xiàn)的能力。因此,OBE是將學(xué)生置于發(fā)展他們的設(shè)計(jì)能力到完成一個(gè)完整過程的環(huán)境之中。OBE更加關(guān)注高階能力,這種能力可以通過以團(tuán)隊(duì)的形式完成某些比較復(fù)雜的任務(wù)來獲得。

2 能力子指標(biāo)與匹配矩陣的優(yōu)化

首先,根據(jù)自動(dòng)化辦學(xué)定位,將相關(guān)利益群體對于現(xiàn)代工程師所必備的知識(shí)、能力和素質(zhì)等進(jìn)行系統(tǒng)分解,構(gòu)成畢業(yè)生可操作、可觀察和可評測的實(shí)踐與創(chuàng)新能力預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果,并依照著名教育學(xué)家布魯姆教育目標(biāo)分類法來確定畢業(yè)生在各細(xì)化條目上的掌握水平。

然后,圍繞自動(dòng)化專業(yè)的預(yù)期畢業(yè)要求能力,逆向設(shè)計(jì)各門實(shí)踐課程,明確各門實(shí)踐課程對于實(shí)現(xiàn)預(yù)期畢業(yè)要求能力的貢獻(xiàn)及程度。以“自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)課程”為例,對預(yù)期畢業(yè)要求能力的貢獻(xiàn)見表1。

表1 “自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)”對預(yù)期畢業(yè)要求能力貢獻(xiàn)度

最后,在確定課程對預(yù)期畢業(yè)要求能力的貢獻(xiàn)度的基礎(chǔ)上,建立如表2所示的能力匹配矩陣。

3 基于CDIO教育模式的工程認(rèn)證能力培養(yǎng)

結(jié)合CDIO教育模式的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行4個(gè)過程,正向?qū)嵤?shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié),并融入OBE的評價(jià)原則。

3.1 構(gòu)思階段(conceive)

在構(gòu)思階段,學(xué)生主要完成項(xiàng)目的需求分析,教師根據(jù)具體的項(xiàng)目,提出項(xiàng)目需求,然后,有學(xué)生通過文獻(xiàn)檢索、小組討論等形式,完成“項(xiàng)目需求分析報(bào)告”,并制作PPT進(jìn)行需求分析報(bào)告會(huì)；教師對學(xué)生的“項(xiàng)目需求分析報(bào)告”進(jìn)行點(diǎn)評,指出報(bào)告中的問題,學(xué)生根據(jù)教師點(diǎn)評,修改報(bào)告,并撰寫“項(xiàng)目需求分析心得體會(huì)”；只有教師點(diǎn)評合格的項(xiàng)目需求分析報(bào)告才能進(jìn)入下一階段,不合格的需要繼續(xù)改進(jìn),直到通過為止。該階段教師與學(xué)生的交互流程如圖2所示。

3.2 設(shè)計(jì)階段(design)

在設(shè)計(jì)階段,學(xué)生主要根據(jù)在構(gòu)思階段完成的項(xiàng)目需求分析,通過查閱技術(shù)資料、文獻(xiàn)、視頻、慕課等教學(xué)科研相關(guān)的資源,設(shè)計(jì)項(xiàng)目總體方案,包括系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)等,在設(shè)計(jì)過程中,需要考慮工藝、結(jié)構(gòu)、安裝等方面的要求,撰寫“項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)報(bào)告”。教師在該階段提供相關(guān)技術(shù)支持,包括問題解答、項(xiàng)目建議及提供一些項(xiàng)目相關(guān)的資料等。

表2 “自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)課程”能力匹配矩陣

圖2 CDIO 構(gòu)思階段教師與學(xué)生的交互流程圖

學(xué)生完成方案設(shè)計(jì)后,教師和其他學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目方案評審,評審?fù)ㄟ^后,教師提供和實(shí)施過程相關(guān)的技術(shù)資料,學(xué)生通過閱讀資料、網(wǎng)上預(yù)習(xí)平臺(tái)、教學(xué)視頻、慕課、公開課等學(xué)習(xí),學(xué)習(xí)完成后,進(jìn)行“項(xiàng)目實(shí)施必備知識(shí)測驗(yàn)”,若通過測驗(yàn),則進(jìn)入實(shí)施階段,若不通過,則給予3次機(jī)會(huì),3次都不通過,則該項(xiàng)課程不合格。該階段教師與學(xué)生的交互流程如圖3所示。

圖3 CDIO 設(shè)計(jì)階段教師與學(xué)生的交互流程圖

3.3 實(shí)施階段(implement)

在實(shí)施階段,通過我院的實(shí)驗(yàn)室開放政策和管理系統(tǒng),學(xué)生預(yù)約相關(guān)實(shí)驗(yàn),學(xué)生按預(yù)約實(shí)踐到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)施,根據(jù)實(shí)驗(yàn)室提供的相關(guān)器件和“項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)方案報(bào)告”完成項(xiàng)目的現(xiàn)場實(shí)施。在實(shí)施過程中,教師根據(jù)學(xué)生實(shí)施過程中的問題和結(jié)果對學(xué)生進(jìn)行評價(jià)。以“自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)課程”為例,實(shí)施階段學(xué)生的工作主要包括以下幾個(gè)過程:

(1) 了解工藝流程。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室提供的器件和相關(guān)資料,了解相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的工藝流程。

(2) 硬件電路接線與測試。主要完成項(xiàng)目所需硬件的電氣連接,并利用相關(guān)儀表進(jìn)行電氣特性測試。

(3) 軟件代碼仿真、下載與調(diào)試。對設(shè)計(jì)的軟件代碼進(jìn)行硬件在環(huán)仿真,并下載的CPU并進(jìn)行調(diào)試。

(4) 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)級聯(lián)調(diào)。利用組態(tài)軟件,對項(xiàng)目進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試,測試相關(guān)功能(功能測試)。

(5) 項(xiàng)目方案優(yōu)化與調(diào)整。根據(jù)調(diào)試結(jié)果,進(jìn)一步優(yōu)化方案,直到滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)為止。

(6) 撰寫“項(xiàng)目實(shí)施工作總結(jié)”,進(jìn)入下一階段。

CDIO實(shí)施階段教師與學(xué)生的交互流程圖見圖4。

圖4 CDIO 實(shí)施階段教師與學(xué)生的交互流程圖

3.4 運(yùn)行階段(operate)

在運(yùn)行階段,教師將根據(jù)項(xiàng)目中可能出現(xiàn)的問題,驗(yàn)證學(xué)生項(xiàng)目實(shí)施的可靠性和魯棒性,比如教師可以針對學(xué)生設(shè)計(jì)的系統(tǒng)增加一些擾動(dòng)和一些異常數(shù)據(jù),檢驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。根據(jù)測試結(jié)果,讓學(xué)生現(xiàn)場優(yōu)化調(diào)整系統(tǒng),以滿足工業(yè)環(huán)境的應(yīng)用要求。完成上述工作后,需要撰寫“項(xiàng)目結(jié)題總結(jié)報(bào)告”,制作相關(guān)PPT,進(jìn)行項(xiàng)目結(jié)題答辯。運(yùn)行階段的流程見圖5。

圖5 CDIO 運(yùn)行階段教師與學(xué)生的交互流程圖

4 持續(xù)改進(jìn)

建立一種有效的持續(xù)改進(jìn)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)如下功能:能夠持續(xù)地改進(jìn)畢業(yè)要求能力中關(guān)于實(shí)踐創(chuàng)新能力的子指標(biāo),以保障其始終與培養(yǎng)目標(biāo)相符合；能夠持續(xù)地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)活動(dòng),以保障其始終與畢業(yè)要求能力子指標(biāo)相符合。

建立持續(xù)改進(jìn)體系,通過3個(gè)循環(huán)來實(shí)現(xiàn),即通過外循環(huán)持續(xù)改進(jìn)培養(yǎng)目標(biāo)、通過內(nèi)循環(huán)持續(xù)改進(jìn)畢業(yè)要求能力子指標(biāo)、通過成果循環(huán)持續(xù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)。首先,評價(jià)畢業(yè)要求能力子指標(biāo)是否與內(nèi)外需要相符合,如果不符合,就要改進(jìn)畢業(yè)要求能力指標(biāo)；然后,評價(jià)畢業(yè)要求能力子指標(biāo)是否達(dá)成,如果沒有達(dá)成,就要改進(jìn)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的改進(jìn)包括實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程體系及內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)過程和評價(jià)等。

5 結(jié)語

(1) 基于OBE工程教育理念,結(jié)合國際工程教育改革、工程教育認(rèn)證發(fā)展趨勢與自動(dòng)化專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)及專業(yè)特色,優(yōu)化了自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生對實(shí)踐與創(chuàng)新能力的要求。

(2) 根據(jù)畢業(yè)要求深度,提出了基于CDIO教育模式的工程認(rèn)證能力培養(yǎng)方法,切實(shí)加強(qiáng)了實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置的針對性和科學(xué)性,提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量。

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Reform of practical teaching courses for Automation major under engineering education accreditation

Li Qing, Cui Jiarui, Yan Qun, Yang Xu, Dong Jie, Li Chunlei

(School of Automation and Electrical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

The requirements of the ability about innovation and practice for the graduates are optimized based on the concept of OBE(Outcome-Based Education) engineering education. It is to enhance the ability of engineering practical and innovative ability of the undergraduates greatly and train to meet the needs of China’s modernization and automation, which should have high level of professional engineering and technical personnel characteristics. Then, the training method is proposed to fully draw CDIO(conceive, design, implement, operate) engineering education mode that combines international engineering education reform, engineering education accreditation trends, automation professional training objectives and professional characteristics based on authentication methods ability of CDIO education mode. It can effectively strengthen scientific settings and improve the quality of talent cultivation.

engineering education accreditation； practical teaching； outcome-based education

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.057

2016-05-16

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)(FRF-OT-012SY);北京高等學(xué)校教育教學(xué)改革面上項(xiàng)目(2014-ms028)；北京市視頻共建課項(xiàng)目；北京科技大學(xué)教育教學(xué)改革與研究重點(diǎn)項(xiàng)目(JG2014Z01,JG2015Z09)；北京科技大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目(JG2014M30,JG2015Z09,JG2016M19)

李擎(1971—)，男，河北唐山，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄芸刂评碚摷捌鋺?yīng)用

崔家瑞(1982—)，男，山東微山，博士，高級工程師，研究方向?yàn)槎S隨機(jī)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué).

E-mail：cuijiarui@ustb.edu.cn

G642.0

: B

: 1002-4956(2016)12-0225-04