應用型本科專業基礎課工程教育教學探索

周先輝，解 芳

(南陽理工學院 智能制造學院，河南 南陽 473006)

一、前言

工程認證理念已成為工科專業教學改革的主要方向，越來越多的高校加入 “工程教育專業認證”行列，逐步推進課程體系和教學內容改革。專業基礎課是大學期間最早的專業類課程，此類課程該如何有效服務于工程應用型人才培養、落實工程教育理念備受關注。課程知識容量大、理論知識與專業核心課程分離、課堂教學組織指向性模糊、學生知識遷移與融合能力不足、教材與培養目標不適應、評價機制不健全等是許多應用型本科高校專業基礎課程教學過程中普遍存在的現象。本文以工程教育認證為背景，結合作者多年教學實踐和思考，以《控制工程基礎》課程為例，從教學內容整合、課堂教學組織、教學資源建設、學習成果與課程質量評價等方面，對專業基礎課工程教育教學進行探索。

二、訂立課程目標，整合教學內容

解決復雜工程問題的能力培養，是我國高校擬認證工程專業畢業生必須具備的核心能力[1]，這種能力的培養貫穿教學的全過程，課程體系中的每一門課程都應體現自己在培養學生解決復雜問題、應對復雜工程活動能力中的價值[2]。專業基礎課作為理論到工程應用的橋梁，為學生奠定通過原理與抽象模型分析和解決工程問題的能力基礎，對學習者創新意識的培養及系統的科學思維形成具有直接的影響。為此，要有充分的教學內容引導學生強化對科學和工程原理的理解和運用。

1.依據畢業要求訂立課程目標，提取課程能力培養核心知識形成教學內容

依據工程教育認證標準，專業制定出培養目標后，需建立起與畢業要求的對應關系，以支撐培養目標的達成。之后，將畢業要求的指標點按能力形成的邏輯“縱向”分解，與課程對接，構建課程矩陣。然后，訂立課程目標，將畢業要求逐條落實到每門課程的教學大綱中，明確具體課程的教學內容對達成畢業要求的貢獻。

工程認證背景下，針對《控制工程基礎》該如何服務于學院機械制造及其自動化專業的人才培養目標，課程組首先進行了教學大綱的修訂工作。對照工程認證理念，仔細研讀專業培養目標和畢業要求，分析本門課程與12條畢業要求指標點的關聯，明確強相關項，訂立課程目標，實現課程對畢業要求的支撐，如下表所示。

表 課程目標與畢業要求

專業基礎課通常為技術理論知識，涉及多門學科，涵蓋內容多，在許多應用型本科高校中普遍存在著教學內容與課時不足之間的矛盾。教師選取教學內容時，較多依據個人經驗和興趣，學生學習過程中常常難以把握課程要點，只見樹木不見森林。為實現對畢業要求的有效支撐，課程組首先理清豐富的課程知識與課程目標和畢業要求的關聯(圖1)，針對課程目標進行能力分解，提取與各項能力培養所需的課程核心知識，以教學大綱形式規范課程教學內容，使教師明白教什么，學生明白應該學到什么。針對課程目標1的能力分解、核心知識提取與課程教學內容規范的技術路線如圖2所示。

圖1 課程知識與課程目標的關聯

圖2 課程目標的能力分解與教學內容規范技術路線

2.尋找課程間的內容結合點，將理論知識與工程實踐相關聯

專業基礎課的內容通常為概況總結、高度凝練的一般規律，與實踐緊密相連。在當前應用型本科的課程教學中，專業基礎課常注重系統理論知識要素的組織，而專業課則聚焦于學生經驗技能的習得。教學中這種技術理論知識與技術實踐分離的現象，不僅造成學生對理論知識的理解不夠深入，而且使得學生在專業實踐過程中缺乏反思，阻礙了專業基礎理論知識的遷移。因此，教師需花大力氣思考所授課程的理論知識在工程實踐中的地位，應用恰當的教學方式幫助學生建立理論知識和實踐應用的紐帶。課程教學內容的整合就是要找到專業基礎課與專業課的共同點，即技術理論知識與工程實踐知識的結合點，將理論知識嵌入實踐過程中，使其成為一個整體[3]。

《控制工程基礎》作為學院機械專業的一門核心課程，旨在為學生解決機械系統動態問題、機電自動化系統的工程分析與設計奠定理論基礎。為準確找出該課程與其他課程間的共同點，課程組通過分析課程內容在整個專業課程體系結構中的地位以及與之相關課程之間的聯系，對課程知識與專業能力培養目標之間的需求進行分析，明晰了課程核心知識在相關課程間的流動與遷移，繪制成如圖3所示的知識遷移圖。實踐表明，教學內容與基礎知識的結合為學生提供了將已學知識固化為能力的應用舞臺，與工程實踐的結合不僅揭示了專業基礎知識的源頭，亦推開了工程應用之門，使“學”有目標可循；而且，課程間的知識遷移與流動關系為教學內容的取舍提供了依據，在有限的課程教學時數中，使“教”有的放矢。

3.凝練系統性工程實例，關聯課程核心知識

工程問題的解決需要綜合應用多個知識點，若不建立起這些知識點的內在聯系，就只能機械地針對某些特定問題應用單一的知識，難以系統運用基礎理論解決復雜工程問題。因此，將課程內不同的知識點進行連接，整合為系統性的知識；引導學生從系統性的工程實踐問題開始剖析課程理論知識的形成過程；將對問題的探索與課程內容的學習結合起來，建立與實際問題關聯的課程系統性知識[4-5]；不僅可以大大促進課程內知識的流通，形成有效的課程知識體系，為解決復雜工程問題提供基礎，更有助于激勵學生在問題的解決過程中學習知識、培養能力和提升素質。

《控制工程基礎》在學院機械專業的課程教學中，為將課程理論融入工程實踐性問題、嘗試從問題到原理層面對課程的知識點與技能點進行整合，依據課程目標和教學內容，由簡單到復雜凝練出多項工程實踐問題，循序漸進地形成不同梯度等級的典型工作任務。圖4展示了一個系統性的工程實例分解為典型工作任務并關聯課程內容的過程。該工程實例不僅將課程核心知識點與實踐逐一關聯，使控制系統工作原理、信息傳遞、數學模型建立、時域分析、頻域分析、穩定性、校正設計等知識系統化，而且通過實例逐步綜合化的過程，使學生解決復雜工程問題的能力得到提升。

圖3 課程間知識流動與遷移圖(部分)

圖4 課程核心知識關聯、流動、遷移與系統化示意圖

三、以學習產出為導向，圍繞課程目標組織課堂教學

工程教育模式下的課堂教學，不只是教學內容的取材與整合問題，更多地要從教學方法和教學組織形式加以考慮。近年來，許多應用型本科院校逐漸將產出導向(OBE)理念融入課程，案例教學、項目驅動、探究式、翻轉課堂等被嘗試引入課堂，取得了良好的教學效果。但目前這些教學活動的組織常在較大程度上受到教師專業知識、經驗水平和個人偏好的影響；教學活動的產出與畢業要求、課程目標的關聯性不足，出現教學內容與學時矛盾、學生課外學習任務繁重等現象。工程認證背景下，教學方法和教學組織形式的選擇首先應該并能夠服務于課程目標的實現，按照課程目標組織以產出為導向的整個課堂教學過程[6]。

1.分解課程目標，設計課程教學單元

以產出為導向的課堂教學，任課教師首先必須對學生在本門課程中應達到的學習成果有清楚的定義，針對每個課程目標進一步細化，形成教學單元子目標。對教學子單元，按照單元中不同知識點的教學要求實施教學策略，設置能支持其實現的教學環節與學習活動，循序漸進地實現課程目標的達成，以實現對畢業要求的支撐。

圖5 課程目標分解、子單元與教學策略設計

《控制工程基礎》在教學過程中，對課程目標進行了分解，依據課程子目標形成教學子單元，通過不同的教學策略承接各課程目標和教學子單元，如圖5所示。這些教學策略在關注學生如何掌握個別知識點的同時，基于工程實例進行核心知識的關聯、流動與遷移，以幫助學生建立體系完整的知識結構。實踐表明，學生完成第一單元學習后，對控制論的基本思想、機械工程廣義系統中信息的傳遞、轉換與反饋等均有很好的理解，能正確建立物理系統的信息傳遞模型，具有分析機械工程系統動態行為所需的基本概念與工程知識，了解控制系統設計的基本思路。

2.以典型工作任務和行動為導向組織教學，建立交互式反饋的對話課堂

真正的學習成果，要結合課程特性和內容體系的教學需求，以能力和素質的養成為出發點，讓學生有機會在不同的情境中應用知識，并能根據自身行動的反饋信息來促進學習成果的有效達成。以典型工作任務和行動為導向組織課堂教學，是德國雙元制職業教育的常見方法，可以有效促進師生、生生對話，提升學生行動能力，增加課堂教學的“含金量”[7]，是學習產出的重要保障。但在面向學習產出的教學組織中，教師必須時刻清晰課程目標，通過傳授方法能力、促進學生個性能力、社會能力等關鍵能力的提升，以增強解決問題的專業能力。

《控制工程基礎》在教學實踐中，圍繞課程目標設立了多個典型工作任務，按教學內容的進展由簡單到復雜逐步推進。圖6展示了一個電路分析的工作任務單推進過程，目標為通過多種途徑進行系統建模、分析并對比，以展示對動態系統時域分析的方法能力。任務開始前，教師必須明確包括知識、理解、應用和解決問題四個層次上學生要努力達到的能力水平，對完成任務所需的課程知識進行講解，對行動要點進行示范。之后，任務分組下達，學生根據自己的意愿建立工作小組開展行動、形成工作報告并進行作品展示。任務完成期間，遵循循序漸進和逐步推進的原則，學生碰到問題先在小組內部解決，共性問題通過小組討論、組間探究、向教師咨詢的方式解決。小組代表負責在班內講解工作任務、展示成果，各組形成一份工作報告，組間及教師對學習成果進行質疑與評價。實踐表明，這種以行動為導向的小組分工與合作具有同伴教育效果，極大促進了同學之間正面的相互影響，推動了學生個性能力的提升。圍繞工作任務而展開的交流，不僅為生生對話、師生對話搭建了互動平臺，而且學生與他人一起工作的意愿增強，促進了其社會能力的提升。任務完成過程中的交互式反饋，不僅激發了學生對課程知識的再思考，亦為教師改進課堂教學提供了方向，使師生的專業能力均得到提升。

四、以學生為中心，建設課程教學資源促進高效自主學習

工程教育需要大量優質的教學資源來支撐，便于學生在課堂以外的廣闊場域中學習。以學生為中心的課程教學資源建設要以學生的自主學習為中心，通過開發、整合與優化課程教學資源，為高效學習和學習產出提供高質量的引導。教材建設和網絡學習平臺建設是課程教學資源建設的重要內容。

圖6 行動導向教學工作任務單及推進

1.建設適合應用型本科的專業基礎課程教材

教材是課程教學內容和教學方法的載體，是支撐人才培養的重要教學資源。工程教育認證理念下，不同類型高校具有各自不同的人才培養目標定位，因此專業教學中應該有適用自己培養目標的課程教材。對應用型本科工程教育而言，專業基礎課程教材建設需著重體現理論在具體實踐中的應用，重新審視內容的組織方式，面向以學生為中心的自主學習模式，注重教學內容和學習過程的結合，實現從教材向“學材”的轉變，使課本同時成為學習指南[8]。理論與實踐有機融合，知識學習與能力培養并重，引導學生建立問題空間及其相互關聯，將學習過程演變成為思維啟發、能力訓練過程，是教材建設需要著力解決的問題。

《控制工程基礎》在學院機械專業的教學過程中，選用研究型院校編著的一些經典教材多年。由于理論深度、內容結構和學生學習能力等方面的差異，教材在使用中“水土不服”的現象逐漸凸顯。主要表現為學生在閱讀的時候，常常苦于數理基礎知識的薄弱、實際分析系統的縱橫交錯，對控制理論和分析方法茫然無緒甚至望而卻步。盡管課程涉及的一些控制理論對他們來說抽象難解，但許多人對控制理論和控制技術如何在實際機電控制系統中起作用方面充滿著學習期待并努力實踐，課程學習一路艱辛。為更好地服務于課程建設和人才培養目標，課程組結合多年教學經驗，編寫出版了一本面向應用型本科的《控制工程基礎與應用》教材。在選材上堅持為機械服務、機電結合、緊密聯系實際的原則，本著理論來源于工程實踐并回歸工程實踐的理念，通過多個工程實例逐步說明基礎理論與實際機電控制系統設計和分析之間的聯系。同時，注重引導讀者使用計算機軟件進行仿真和分析，以簡化計算分析過程，快速直觀地理解控制理論。

2.推進貼合學生學情的交互式課程網絡學習平臺建設

當前，網絡已發展成為知識供給的重要渠道，但大量信息也常使得學生在網絡上的主動學習無所適從，出現信息迷航與過載現象，因此，課程的網絡學習需要教師的專業指導。圍繞課程目標，建立與教學內容相結合、有信息反饋、回應服務并可監控的師生交互網絡平臺，及時準確地對學生的主動學習進行指導、評價與反饋，是以學生為中心的教學理念的支撐。

學院《控制工程基礎》課程網絡學習平臺，經歷了精品課程網站建設、優質MOOC資源選用、在線學習平臺建設等不同階段。早期的課程網站，主要針對教學文本資源的管理，學生只是單向的學習資源接受者，教學資源的固化與信息交互的缺失使課程網站與教學實踐脫節，學生關注度不高、資源利用率低。與之相比，優質MOOC資源免費開放的課程以其輕松自由的學習氛圍吸引了更多的學生，教師開始選用其作為教學的補充，取得了較好的效果。此時，對網絡持續學習動力的增進、學習進程的管理、課程資源與本校學生學情貼合性等問題催生了自主建立在線課程學習平臺的需求。目前，課程組利用學校爾雅課程建設與服務平臺在建課程學習平臺，除各種課堂教學資源外，通過課程自測、作業分發、在線答疑、問題討論等方式推進師生互動，積極引導學生自我管理，在網絡中有效自我學習、思考和探索問題。

五、建立課程學習成果與課程質量評價機制，持續改進

課程考核是學習效果檢查和教學質量評價的主要方法。工程認證背景下，需明晰課程考核和課程目標間的關系，針對課程目標設計考核內容、方法和標準。考核內容圍繞課程目標設計，考核方法有利于判斷學生課程目標的達成情況。課程質量評價則應聚焦于學生的學習成果，能客觀地判定與畢業要求指標點關聯的課程目標達成情況，為持續改進課程質量提供依據。

1.針對課程目標，從知識傳授和自我構建兩方面對學習成果進行評價

學習成果有認知性和非認知性兩類，而教育評價則基于特定的認知理論[9]。以教師為中心的行為主義課程觀強調知識和技能的傳授效率，關注的學習成果一般為事實性的知識及技能，常用“選擇-反應”客觀測試進行評價。以學生為中心的構建主義課程觀強調學習者自己主動去構建知識，屬于高級學習，關注的是學生解決復雜問題并將知識運用于真實情境中的能力，表現性評價更有針對性。

基于行為主義和構建主義認知理論在評價測試中的各自優勢，《控制工程基礎》在評價學習成果時，圍繞課程目標，對涉及記憶、轉化、解釋和推斷等心理過程的基本概念、原理與工程知識的評價，采用選擇、判斷、填空等形式進行考核，在一個完整的教學單元結束后進行，通過網絡教學平臺在線實施。在鞏固已有知識，檢查教學效果的同時，落實把考核過程作為學生的學習過程、發展過程的理念。在對運用、分析、綜合和評價等課程目標考核時，由于涉及用所獲得的知識完成某項任務或解決某個問題，采用以學習者為中心的表現性評價方式。課堂參與、典型工作任務和實驗為表現性的實踐任務，用于評價課程情感、表達能力和動手能力等非認知性的學習成果。期末試卷為表現性評價的書面任務，通過簡答、論述、計算題等方式考查“為什么”“怎么用”及“何時用”等學習成果。

2.建立課程教學質量評價機制，持續改進

工程教育專業認證要求定期開展課程質量評價并持續改進。建立課程目標達成評價辦法，實現課程目標的可衡量、明確課程目標對畢業要求指標點的貢獻，是教學質量評價的要點。

《控制工程基礎》課程質量評價時，課程組首先通過達成度評價辦法明確了各課程目標的評價依據。如，課程目標1將作業、單元測試、期末試卷中陳述性知識測試作為學習成果，課程目標2包含表現性評價的實踐任務完成情況和期末試卷中高階學習能力測試，課程目標3依據課程實驗評價等。然后，依據學生的各項考核結果及權重設置，對每個課程目標達成度進行定量計算。通過比較各課程目標達成度數據，找出短板，發現問題，為持續改進提供依據。此外，課程結束后的教學調查問卷、校院兩級教學督導機構對課程教學的監控和質量評價，亦為課程的持續改進明確方向。

六、結語

產出導向、以學生為中心和持續改進是工程教育專業認證的核心理念，如何利用好工程教育專業認證這一手段進行基礎課程教學改革，進而提升工程教育質量，是教師必須思考的問題。《控制工程基礎》課程在教學實踐中，對課程教學內容、教學方法、資源建設和質量評價等方面進行了積極的嘗試，取得了較好的效果。但教育教學的有效性，必須體現在學生的成長和發展上，圍繞工程教育培養模式的專業基礎課程教學改革，還需要不斷的探索和創新。