工程教育實(shí)驗教學(xué)的科學(xué)設(shè)計與過程管理方案

袁炎成, 呂念玲, 賴麗娟, 殷瑞祥

(華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院, 廣東 廣州 510640)

1 實(shí)驗教學(xué)在高等工程教育中的定位分析

高等工程教育作為培養(yǎng)工程科技人才的重要環(huán)節(jié),與國家和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)。工程教育的目標(biāo)是能夠為學(xué)生提供成為一名成功的工程師所需要的養(yǎng)分——專業(yè)知識、社會意識和創(chuàng)新精神[1]。為了達(dá)成這個目標(biāo),工程教育工作者的任務(wù)就是要不斷改進(jìn)本科工程教育的質(zhì)量和內(nèi)涵[2]。

為了推動工程教育不斷改革創(chuàng)新,以適應(yīng)國家戰(zhàn)略的發(fā)展需要和國際競爭的新形勢,我國分別于2016年和2017年加入了《華盛頓體系》和提出了“新工科”建設(shè)的思路[3]。在新形勢下,工程教育的教學(xué)理念將與時俱進(jìn)地做出調(diào)整,強(qiáng)調(diào)“培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向”“注重教育產(chǎn)出和成果”及“持續(xù)改進(jìn)人才培養(yǎng)質(zhì)量”[4],實(shí)施“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念。

工程能力是學(xué)生在工程實(shí)踐活動中綜合素質(zhì)的體現(xiàn),其內(nèi)涵廣泛而具體,并且隨著科技的發(fā)展和社會的進(jìn)步而不斷深化發(fā)展[5]。實(shí)驗教學(xué)是學(xué)生研究和解決工程問題能力的啟蒙環(huán)節(jié),承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)工程素質(zhì)的任務(wù),是工程教育中不可或缺的組成部分。實(shí)驗教學(xué)的過程,是在一定的實(shí)驗資源支撐下,以實(shí)驗項目為載體,通過讓學(xué)生循環(huán)往復(fù)地學(xué)習(xí)、模仿和積累,訓(xùn)練學(xué)生掌握實(shí)驗技能的過程。因此,實(shí)驗教學(xué)需要內(nèi)容優(yōu)化、資源支撐和過程管理三位一體的協(xié)調(diào)運(yùn)作[6]。

實(shí)驗教學(xué)從課程內(nèi)容的設(shè)計到教學(xué)過程的規(guī)劃與質(zhì)量管理,都需要科學(xué)的、可量化統(tǒng)計的設(shè)計與管理方案,這樣才能從根本上保障工程專業(yè)人才培養(yǎng)的畢業(yè)目標(biāo)的達(dá)成。

2 工程專業(yè)實(shí)驗教學(xué)的現(xiàn)狀與存在問題

實(shí)驗教學(xué)的建設(shè)與改革,首要任務(wù)是明確其內(nèi)涵實(shí)質(zhì)。從根本上來說,它是對基礎(chǔ)工程能力的分解、釋義和量化,也是規(guī)劃實(shí)驗教學(xué)過程的依據(jù)。明確實(shí)驗教學(xué)到底是教什么的問題,是開展一切教學(xué)建設(shè)工作的前提和核心。

然而一直以來,由于實(shí)驗教學(xué)內(nèi)涵評定標(biāo)準(zhǔn)的缺位,高校工程專業(yè)實(shí)驗教學(xué)無論是內(nèi)容的設(shè)計,還是過程的規(guī)劃與管理,都帶有較大的局限性、模糊性和片面性,從而導(dǎo)致其設(shè)計與實(shí)施未能與學(xué)生的工程能力達(dá)成目標(biāo)相匹配,阻礙了工程教育向更高層次的發(fā)展。

2.1 實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計的局限性

實(shí)驗內(nèi)容是培養(yǎng)學(xué)生工程能力的載體,其設(shè)計必須與工程能力的培養(yǎng)目標(biāo)相適應(yīng),體現(xiàn)實(shí)驗技能對于工程能力的貢獻(xiàn)。然而作為實(shí)驗教學(xué)設(shè)計者的任課教師或工程師,通常會根據(jù)自身或同行的經(jīng)驗來設(shè)計實(shí)驗項目。由于設(shè)計者的經(jīng)驗存在差異,同時缺少科學(xué)的設(shè)計指導(dǎo)辦法,使得實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容的建設(shè)與改革工作帶有較大的局限性。

2.2 實(shí)驗教學(xué)過程規(guī)劃的模糊性

實(shí)驗教學(xué)講究的是如何將專業(yè)知識與技能融入到教學(xué)過程中的每一個細(xì)節(jié),讓學(xué)生清晰地了解實(shí)驗的本質(zhì)和目的,在實(shí)驗的過程中領(lǐng)悟和成長[7]。傳統(tǒng)的實(shí)驗教學(xué)過程,只是粗略地劃分為實(shí)驗預(yù)習(xí)、實(shí)驗操作和報告撰寫三個階段,而對于其中各個環(huán)節(jié)的內(nèi)涵,及其對學(xué)生工程能力的訓(xùn)練要求,缺少明確的釋義和量化方法,往往導(dǎo)致教、學(xué)雙方在規(guī)劃實(shí)驗過程時帶有較大的模糊性[8]。

2.3 實(shí)驗學(xué)習(xí)效果評價的片面性

實(shí)驗教學(xué)的過程,也是學(xué)生工程能力成長的過程。通過全面的考評體系,教師能夠及時掌握學(xué)生個體能力成長狀況,然后進(jìn)行有針對性的輔導(dǎo)。然而,在現(xiàn)行的教學(xué)管理模式下,教師主要以實(shí)驗報告和考試成績作為衡量學(xué)習(xí)效果的依據(jù),忽視了其他環(huán)節(jié)的評價與管理,導(dǎo)致了學(xué)習(xí)效果評價的片面性[9]。

要解決實(shí)驗教學(xué)設(shè)計與規(guī)劃的科學(xué)性和過程管理的有效性問題,首先要明確工程專業(yè)實(shí)驗教學(xué)的目標(biāo)內(nèi)涵,再基于此目標(biāo)內(nèi)涵科學(xué)地設(shè)計實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容和規(guī)劃其過程,并同步建立起適應(yīng)工程實(shí)驗教學(xué)特點(diǎn)的過程管理方案。

3 實(shí)驗教學(xué)的內(nèi)涵分解及量化設(shè)計模型的教學(xué)應(yīng)用

3.1 模型的建立

工程專業(yè)實(shí)驗教學(xué)的內(nèi)涵,是對教學(xué)過程中各個環(huán)節(jié)的技術(shù)性分析。教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計,其實(shí)質(zhì)是對實(shí)驗教學(xué)內(nèi)涵的研究、分解和應(yīng)用。

為明確實(shí)驗教學(xué)目標(biāo)與學(xué)生工程能力成長需求的關(guān)聯(lián)性,項目組于2006年通過問卷調(diào)查、講座研討等形式,對電子信息產(chǎn)業(yè)的相關(guān)企事業(yè)單位進(jìn)行深度調(diào)研和交流。在此基礎(chǔ)上,總結(jié)出實(shí)驗教學(xué)中對于工程能力培養(yǎng)所必需的10項內(nèi)涵,及其與處理復(fù)雜工程問題能力的關(guān)聯(lián)(見圖1)。該10項內(nèi)涵是對于工程專業(yè)實(shí)驗教學(xué)的普適性概述。

圖1 實(shí)驗內(nèi)涵對處理復(fù)雜工程問題能力的貢獻(xiàn)率Rn

以此為依據(jù),結(jié)合各個專業(yè)培養(yǎng)計劃的實(shí)驗課程教學(xué)大綱,可構(gòu)建“實(shí)驗課程—實(shí)驗內(nèi)涵—畢業(yè)達(dá)成目標(biāo)”的網(wǎng)絡(luò)映射模型(見圖2),建立起各門實(shí)驗課程在人才培養(yǎng)過程中與畢業(yè)達(dá)成目標(biāo)之間的量化聯(lián)系,為人才培養(yǎng)的質(zhì)量認(rèn)證提供支撐。

圖2 “實(shí)驗課程—實(shí)驗內(nèi)涵—畢業(yè)達(dá)成目標(biāo)”的網(wǎng)絡(luò)映射模型

在完成“實(shí)驗課程—實(shí)驗內(nèi)涵—畢業(yè)達(dá)成目標(biāo)”網(wǎng)絡(luò)映射模型的基礎(chǔ)上,項目組設(shè)計了一套服務(wù)于實(shí)驗課程和實(shí)驗項目內(nèi)容的內(nèi)涵分解及量化設(shè)計模型,可對實(shí)驗項目進(jìn)行內(nèi)涵分解和科學(xué)設(shè)計,檢驗其合理性,最終使課程內(nèi)容的建設(shè)與其定位相一致。該模型體現(xiàn)了實(shí)驗教學(xué)設(shè)計與學(xué)生工程能力培養(yǎng)之間的密切關(guān)系,在此基礎(chǔ)上,項目組面向電子信息專業(yè)開展了一系列的教學(xué)研究與實(shí)踐工作,并獲得了2017年廣東省教育教學(xué)成果獎二等獎。充分說明該模型對于工程專業(yè)的普適性,可作為實(shí)驗教學(xué)課程建設(shè)的科學(xué)設(shè)計工具。

3.2 模型的使用方法

下面結(jié)合“電子技術(shù)工程素質(zhì)實(shí)踐基礎(chǔ)課”的教學(xué)設(shè)計,說明模型的使用方法。

(1) 根據(jù)培養(yǎng)方案確定課程定位系數(shù),并對各實(shí)驗項目按性質(zhì)進(jìn)行預(yù)分類系數(shù)P賦值。根據(jù)電子信息工程專業(yè)的培養(yǎng)方案,“電子技術(shù)工程素質(zhì)實(shí)踐基礎(chǔ)課”屬于集中實(shí)踐環(huán)節(jié),是核心實(shí)驗課程,課程學(xué)時數(shù)為32。結(jié)合實(shí)驗學(xué)時的安排,該課程設(shè)置了6個實(shí)驗項目。首先對各實(shí)驗項目進(jìn)行預(yù)分類(類別以P表示),即對于基礎(chǔ)類實(shí)驗、設(shè)計類實(shí)驗、綜合研究類實(shí)驗,分別賦予1、2和3的權(quán)重值。

(3) 核定各實(shí)驗項目的類別權(quán)重系數(shù)Pj。結(jié)合6個實(shí)驗項目的10項內(nèi)涵分解系數(shù)knj,及其對學(xué)生工程能力的貢獻(xiàn)率Rn(見圖1),通過以下的分段計算式(N為實(shí)驗項目數(shù),這里為6),核定實(shí)驗項目的類別權(quán)重系數(shù)Pj:

(1)

結(jié)果如表1最右列所示,從而確定每個實(shí)驗項目的內(nèi)涵分解是否符合預(yù)期的教學(xué)要求。

(4) 確定實(shí)驗課程的定位系數(shù)W。在核定了各實(shí)驗項目的性質(zhì)后,利用類別權(quán)重系數(shù)Pj,統(tǒng)計整個實(shí)驗課程在10個實(shí)驗內(nèi)涵的分解系數(shù)Kn,如表1最下一行所示:

(2)

(5) 結(jié)合Kn和Rn,確定實(shí)驗課程的定位系數(shù)W(基礎(chǔ)實(shí)驗課程W=1,核心實(shí)驗課程W=2,關(guān)鍵實(shí)驗課程W=3):

(3)

對照式(3),可以確定該課程的定位系W=2,與培養(yǎng)計劃要求的課程定位(核心實(shí)驗課程)一致。

可見,該模型能夠通過不斷調(diào)整每個實(shí)驗項目內(nèi)涵分解的百分比,最終使課程滿足培養(yǎng)計劃的定位要求,為實(shí)驗課程的內(nèi)容設(shè)計提供了科學(xué)的指導(dǎo)方法。

表1 《電子技術(shù)工程素質(zhì)實(shí)踐基礎(chǔ)課》實(shí)驗內(nèi)涵分解與實(shí)驗層次分析表 %

4 實(shí)驗教學(xué)過程的規(guī)劃

4.1 實(shí)驗項目的內(nèi)涵分解

實(shí)驗教學(xué)是一個多流程的、分階段實(shí)施的綜合能力訓(xùn)練過程。一般來說,它包含了任務(wù)分析、實(shí)驗預(yù)習(xí)、課前任務(wù)(可選做)、實(shí)驗操作和課后作業(yè)五個環(huán)節(jié)[10]。各個環(huán)節(jié)緊密關(guān)聯(lián)、相互依存,構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。

實(shí)驗教學(xué)的10項內(nèi)涵,均以具體的理論與技能知識點(diǎn)等形式,融入到各個環(huán)節(jié)中。因此,要規(guī)劃實(shí)驗教學(xué)的過程,首先要明確的是實(shí)驗課程內(nèi)容與內(nèi)涵指標(biāo)的匹配關(guān)系,表2以“電子技術(shù)工程素質(zhì)實(shí)踐基礎(chǔ)課”為例,列舉了實(shí)驗教學(xué)10項內(nèi)涵的釋義及相關(guān)實(shí)驗內(nèi)容的具體達(dá)成[11]。

表2 “電子技術(shù)工程素質(zhì)實(shí)踐基礎(chǔ)課》的內(nèi)涵釋義及相關(guān)實(shí)驗內(nèi)容

表2(續(xù))

表2(續(xù))

表2(續(xù))

注:表2中第三列的括號內(nèi)的數(shù)字,代表該內(nèi)容所屬的實(shí)驗單元(見表1)。

4.2 實(shí)驗教學(xué)過程的分解與規(guī)劃

與實(shí)驗項目的內(nèi)涵分解類似,實(shí)驗教學(xué)的過程,同樣具有可量化分解的特點(diǎn)。教師可根據(jù)各個環(huán)節(jié)對學(xué)生工作量和耗時的要求,對實(shí)驗過程進(jìn)行科學(xué)合理的規(guī)劃,使教學(xué)內(nèi)容更加明晰,達(dá)到優(yōu)化教學(xué)效果的目的。

下文以“電子技術(shù)工程素質(zhì)實(shí)踐基礎(chǔ)課”的綜合實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)“功率放大電路的制作與調(diào)測”(12學(xué)時)為例,說明實(shí)驗教學(xué)過程的分解與規(guī)劃方法(見圖3)。

“功率放大電路的制作與調(diào)測”教學(xué)過程可以分解為5個流程,教師結(jié)合具體的實(shí)驗內(nèi)容,將每個流程與相應(yīng)的實(shí)驗內(nèi)涵、專業(yè)知識點(diǎn)、工作量需時相關(guān)聯(lián),讓教、學(xué)雙方能夠清晰了解該實(shí)驗項目的教學(xué)目標(biāo),以及各個環(huán)節(jié)所包含的知識技能和耗時,充分利用課內(nèi)、外的條件,合理規(guī)劃實(shí)驗,同時為實(shí)驗教學(xué)過程的質(zhì)量監(jiān)測與考評提供路徑。

圖3 實(shí)驗教學(xué)過程的分解與規(guī)劃

5 實(shí)驗教學(xué)過程的管理

實(shí)驗教學(xué)重在過程,且環(huán)環(huán)相扣。圖3所示的教學(xué)過程分解與規(guī)劃,充分說明了實(shí)驗教學(xué)過程的重要性。建立全面的基于過程內(nèi)涵指標(biāo)的考評體系,是保證實(shí)驗教學(xué)高質(zhì)量實(shí)施的根本。考評體系的建立應(yīng)該充分考慮實(shí)驗教學(xué)多流程、分階段的特點(diǎn),運(yùn)用多元的考評方法評價過程中的每一個環(huán)節(jié)[13-14]。

5.1 實(shí)驗教學(xué)過程的考評方法

結(jié)合上文,表3再次以“功率放大電路的制作與調(diào)測”為例,介紹實(shí)驗過程考評方法的操作模式。

表3 “功率放大電路的制作與調(diào)測”項目的考評方法

表3(續(xù))

我們根據(jù)實(shí)驗知識點(diǎn)和內(nèi)涵載體的不同特點(diǎn),在整個實(shí)驗過程中設(shè)置了相應(yīng)的考核形式。從表3最右列可知,考核形式除了有傳統(tǒng)的課堂現(xiàn)場檢查和作業(yè)批改以外,還引入了基于互聯(lián)網(wǎng)和計算機(jī)技術(shù)的智能管理平臺。考核形式的全面性和多樣性,有助于教師及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生的能力盲點(diǎn),保證了對其工程能力成長的全方位監(jiān)測。

5.2 開發(fā)電源智能管理系統(tǒng),提高實(shí)驗預(yù)習(xí)的質(zhì)量

學(xué)生對實(shí)驗預(yù)習(xí)不重視,對實(shí)驗準(zhǔn)備不充分,甚至不做預(yù)習(xí)直接進(jìn)入實(shí)驗室做實(shí)驗,將嚴(yán)重影響學(xué)習(xí)的效果。為了嚴(yán)格把關(guān)實(shí)驗預(yù)習(xí)的質(zhì)量,項目組開發(fā)了電類實(shí)驗室電源智能管理系統(tǒng),系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線測試結(jié)果與儀器的啟停功能自動關(guān)聯(lián)(見圖4、圖5),學(xué)生必須在課前完成由系統(tǒng)隨機(jī)生成的測試題并達(dá)到一定分?jǐn)?shù),才能參加該項實(shí)驗,以此促進(jìn)學(xué)生加強(qiáng)課前預(yù)習(xí)的專注度,也從源頭上保證了實(shí)驗的教學(xué)質(zhì)量。實(shí)踐證明,該系統(tǒng)能夠極大提高學(xué)生對于實(shí)驗預(yù)習(xí)的重視和對實(shí)驗知識點(diǎn)的掌握程度。

圖4 電源智能控制模塊

圖5 學(xué)情信息收集(預(yù)習(xí)檢測情況)

5.3 開發(fā)“實(shí)驗在線共享平臺”,全面保障學(xué)習(xí)效果

實(shí)驗的過程認(rèn)證,是保證學(xué)生學(xué)習(xí)效果的重要措施。利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),項目組與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)了“實(shí)驗在線共享平臺”(見圖6),該平臺擁有學(xué)生刷臉登陸、實(shí)驗現(xiàn)場關(guān)鍵數(shù)據(jù)上傳、錯誤提醒、實(shí)驗成績自動評價、學(xué)情信息統(tǒng)計分析及學(xué)生個性實(shí)驗方案定制等功能,提供了對實(shí)驗教學(xué)實(shí)施狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集功能,借助大數(shù)據(jù)分析,實(shí)現(xiàn)動態(tài)反饋調(diào)整機(jī)制,保證實(shí)驗教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)。

圖6 實(shí)驗在線共享平臺登錄界面

通過表3的考評方法,根據(jù)實(shí)驗項目各項內(nèi)涵占比和具體的實(shí)驗內(nèi)容,設(shè)置觀測點(diǎn)和評分值,再結(jié)合內(nèi)涵的各自表現(xiàn)形式(載體),選擇合適的考核形式。借助對實(shí)驗過程的考評反饋,教師能夠全面了解學(xué)生個體的知識結(jié)構(gòu),并進(jìn)行有針對性的指導(dǎo),真正實(shí)現(xiàn)了對實(shí)驗教學(xué)過程的質(zhì)量管理。

6 結(jié)語

工程專業(yè)實(shí)驗教學(xué)的建設(shè),是一個系統(tǒng)性的工程。其中,明確實(shí)驗教學(xué)內(nèi)涵的本質(zhì)是核心問題,基于實(shí)驗內(nèi)涵的研究與分解,我們從教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計到實(shí)驗過程的規(guī)劃,再到教學(xué)過程的質(zhì)量管理三個維度,提出了科學(xué)的指導(dǎo)方法和系統(tǒng)的解決方案,為工程專業(yè)實(shí)驗教學(xué)的深化改革提供了借鑒。