“以學生為中心”的工程材料與熱成形技術教學設計

摘要：文章介紹了“以學生為中心”教育教學范式的科學原理。為滿足工程教育認證的基本要求，按照“以學生為中心”的教育教學原理，作者對“工程材料與熱成形技術”課程進行了教學設計。

關鍵詞：工程教育認證;以學生為中心;ADDEI

一、引言

工程教育是我國高等教育的主體，代表我國高等教育的水平和質量。數據表明，我國每年普通本科高校工科畢業生數達113萬，其中制造業相關專業工科畢業生近60萬，我國滿足21世紀全球化需求的工程師僅16萬人，不足全國工程師總數的十分之一。為了提高工科畢業生培養質量，補齊我國工程教育的短板，盡快與國際工程界有效接軌，我國于2016年正式加入了《華盛頓協議》，在全國高校的工科專業廣泛開展工程教育認證工作。

工程教育認證的核心理念是以學生為中心，考核學生的產出。而我國現有的大學教育主要采用傳授式，圍繞著教材、教師、教室進行。這種模式傳授知識雖然迅捷、高效，能夠與工業中的批量生產相適應，卻嚴重忽視了受教育的主體——學生的個性化培養，難以實現人人成才的教育目標。

美國高校從上世紀80年代開始進行“以學生為中心”的本科教學改革運動，提出了“以學生為中心”的新的教學范式。其基本特征是：以學生發展、學生學習、學習效果為中心。以提高學習能力，促進學生發展為目的的教學理念的推廣和采用，改善了美國的本科教育，使美國成為很多國家本科教育改革的樣本，這也是美國成為世界各國優秀留學生目標國的重要原因。

“以學生為中心”的教學改革運動是以科學為基礎的教學改革。在過去的五、六十年里，學習科學研究領域取得了巨大進步，教育科學的黑箱正在逐步打開。但是直到今天，在工程教育領域，教育科學理論的發展與進步并沒有帶來大學教學水平的迅速提升。大學教師專業不同，不同專業的學科理論差異較大，他們更多地是強調課程教學的專業性，對教育教學的科學性與規律性重視不足。

二、“以學生為中心”的科學原理

腦科學、青春期大學生培養研究、認知心理學與認知科學、學習科學等四個領域的研究為“以學生為中心”教育教學范式的實施和發展打下了堅實的科學基礎。

（一）腦科學

腦科學研究發現了“運動—環境變化—生存挑戰—大腦發展”的規律。教育可以通過改變學習環境來改變學生的大腦。環境變化越大，生存挑戰越大，對大腦發展的促進作用也越大。

大腦在工作時需要大量的能量供給，學生要通過嚴格的自律達到學習目標。它要求學生具備以下條件：①足夠的營養;②充足的睡眠;③充分的體育鍛煉。通過參加體育鍛煉把盡可能多的能量和氧氣輸送給大腦。

學生對學習活動的參與程度會隨著時間的延長而下降，大多數學生的注意力保持時間為6～12分鐘，微課的時長是據此設計的。大腦發展適用用進廢退原則，教學上采取的方法一是規定學習科目，規定學分，并通過考核來強制學生。二是寓教于樂，通過教學內容的趣味化來吸引學生學習。根據“用進廢退”原理，知識需要重復加工才能實現從感覺記憶、工作記憶到長時記憶的轉換。大腦又需要用多媒體刺激來保持新鮮度和維持興奮點。因此，利用多感官接收信息可以有效刺激大腦，增強記憶效果。記憶遵循從短時記憶到工作記憶到形成初級認知模型，再經過思維整理產生更大的思維模型進而形成知識體系。

大腦中負責情緒的是邊緣系統，邊緣系統控制產生各種情緒反應，如憤怒、厭惡、恐懼、高興、悲傷、驚訝等;而情緒影響學習和記憶。邊緣系統還控制皮質醇和多巴胺的分泌，使人產生快樂和上癮行為，這可以用來理解維果斯基的最近發展區理論和記憶的優先性。

模仿和交流是實現社會性學習的主要形式。人類的認知能力、模仿能力都建立在鏡像神經元的功能之上。人腦中存在的鏡像神經元，具有視覺思維和直觀本質的特性，由于有鏡像神經元的存在，人類才能學習新知、與人交往。鏡像神經元能夠直接吸收文化。每一代人都是通過模仿、觀察來教育下一代人的。美國南加州大學神經學家邁克爾·阿爾比指出，人類的語言就是建立在鏡像神經元的基礎上的。阿爾比教授認為，復雜的手勢以及人類在說話時舌頭和嘴唇的運動，都是基于同樣的原理。因此發展學生的語言能力可以促進學生思維能力的提高。

（二）青春期大學生培養研究

人的大腦到25歲左右發育完全成熟。青春期結束，大腦開始衰退。大學教育的重要任務是幫助學生在青春期這一人生發展的關鍵時期，強化思維能力訓練，發展大腦能力，培育理性和理性能力。大學生發展的另一項任務是促進人的社會化進程，自我認同是大學生發展的核心問題。

（三）認知心理學和認知科學

20世紀認知科學的最重要成果是提出了認知模型論。認知模型論認為，大腦不能直接接觸外部世界，而是通過形成一種相對定型的心智結構來組織和表征外部世界，即認知模型。認知模型是由一些概念和他們之間的固定聯系構成，是一種知識模式。

其次是元認知理論。元認知是關于人們思考過程的知識。元認知理論用于調節思維和學習，有三種元認知技能：計劃、監控和評價。計劃決定在一個任務上花的時間、使用的策略、怎樣開始、收集什么資源、遵循什么程序等。監控過程提示自己這個是否有意義，我是不是太快了？我學夠了嗎？評價是對思維過程和學習結果的判斷以及對判斷做出的反應。

第三是專家（新手）研究。專家擁有大量專門領域的知識，包括陳述性知識、程序性知識和條件性知識。專家形成了有關領域的長時工作記憶并且能很快地通達相關知識和策略來解決該領域的難題。

（四）學習科學。

20世紀以來，學習科學領域的研究轉向以“學”為主，為學而教，即“以學生發展、學生學習、學習效果”為教學活動的中心。建構主義心理學是“以學生為中心”的直接理論基礎，社會建構主義有重大影響。最近發展區理論對以“以學生為中心”的教學改革的一系列理論和實踐提供基礎。

三、工程材料與熱成形技術課程教學設計

教學設計采用著名的ADDEI模型，即：分析、設計、發展、實施、教學評價。

（一）分析

本課程與學生前導課程數學、物理學、化學等課程差異較大，是一門科學、技術與工程緊密結合的技術基礎課，有利于培養學生的批判性和理性思維能力。課程屬于工程類課程，與金工實習、工程材料課程實驗聯系緊密。

（二）設計

教學大綱設計：本課程用翻轉課堂教學模式進行教學。學生根據教師布置的自主學習任務課前學習，實現在任務驅動下的有效學習。自學中的疑難問題可以通過與同學、教師的相互交流得到解決，難題帶到課堂上由師生討論解決，在課堂上進行進階練習，加深對知識的理解掌握，完成知識的內化。

（三）發展

教學計劃設計：組建學習小組進行學習合作，一般是一個寢室4到6人一個學習小組，學生自薦、推薦或選出組長。組長負責分配小組內角色，主要角色有發言人、記錄人、協調人、觀察員等。組長安排集體學習時間和集中討論時間。合作學習一方面方便學生學習交流，解決學習中同伴更容易解釋的一些問題，另一方面通過輪流擔當發言人角色，也鍛煉發展了學生的語言能力。

通過碎片化學習內容，錄制微課進行教學，試圖解決學生專注時間短，注意力容易分散的問題。也通過把微課作為任務點的方法來督促學生復習和預習。

（四）實施

1.課前教學資料和學習任務單上傳于超星泛雅網絡教學平臺，根據遺忘曲線，學生上課前1～3天在平臺上預習。學習任務點設置成闖關模式，完成前一個學習任務后才能進入到下一個學習任務。課前資料和學習任務包括教學視頻、課件、擴展閱讀資料以及練習題等。

2.課堂教學按下列步驟進行：①學習小組由組長主持討論自主學習中的疑問和教師出的思考題。②小組自學總結。學生用幾句話總結學到了什么，還想學什么。③疑難講解。④討論練習題。根據語言能力是思維能力的先導的科學原理，在小組內討論練習題，小組發言人代表小組回答問題，發言人由小組內成員輪流擔當。⑤教師總結本次課學習內容，對學生課堂表現進行評價。

通過結構化的教學設計，實現了學生與學生、學生與教師的有效互動。

（五）教學評價

1.學生學習評價。采用過程性或形成性評價方法，對學習過程進行全面過程考核。考核成績包括完成網絡平臺任務統計、網上作業統計、課堂表現、實驗、大作業等，考核成績占總成績的50%。另50%成績通過期末集中考試來取得，集中考試試卷要體現出課程知識的特點，考查學生掌握課程知識的系統性、完整性以及知識應用能力。

2.教師教學評價。按照程序教學原則，教師分析學生在各階段的學習表現和成績，發現自己在教學過程中各環節的優點和不足，并加以記錄，稱為教學后記。

參考文獻：

[1]倪軍，好的工程教育是教學生解決問題[N].中國教育報，2012，2.6（2）.

[2]趙炬明.打開黑箱：學習與發展的科學基礎[J].高等工程教育，2017（3～4）.

[3]舒慶，邵俊鵬等.工程材料與熱成形技術課程中的翻轉課堂實踐與思考[J].黑龍江教育（理論與實踐），2016（1～2）.

[4]舒慶，許小村，等.基于“O2O”的工程材料與熱成形技術課程教學設計[J].黑龍江教育（理論與實踐），2017（10）.

[5]Anita Woolfolk.教育心理學[M].中國輕工業出版社，2015.