機制專業卓越計劃控制類課程群教學改革創新

趙慶志，趙國勇，楊振宇，劉儼后，趙彥峻

摘? 要：教學改革按照布魯姆教育理論對機制專業卓越方向控制類課程群打破教材章節界限，將兩門課程知識點有機融合避免重復，梳理知識點及其知識維度和認知維度，授課前后邏輯性強，制定知識點的教學目標。研究開發絕大部分知識點的實驗實訓教學設備和典型實訓教學案例;課程設計也以OBE教學理念進行相應的改革創新，明顯提高教學質量，對本科“卓越工程師教育培養計劃”和機械工程專業碩士研究生教學模式改革創新均具有指導意義。

關鍵詞：布魯姆教育理論;卓越工程師;課程群;知識點;OBE教學理念

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）07-0118-06

Abstract： According to Bloom's educational theory， the teaching reform breaks the chapter boundary of the teaching material， combines the knowledge points of the two courses organically to avoid repetition， combs the knowledge points and their knowledge dimensions and cognitive dimensions. Before and after the teaching， logic is strong， and it has formulated the knowledge point teaching goal. Experimental training teaching equipment and typical practical teaching cases with most knowledge points have been studied and developed. The curriculum design has also carried on the corresponding reform and innovation with the OBE teaching idea， has obviously improved the teaching quality， it is of guiding significance to the undergraduate "Excellent Engineer Education Training Program" and mechanical engineering graduate teaching model reform and innovation.

Keywords： Bloom Theory of Education; excellent engineer; course group; knowledge points; OBE teaching idea

在實施“機械設計制造及其自動化專業卓越工程師教育培養計劃”（簡稱機制專業卓越計劃）的過程中，作者的感受正如文獻[1]所述很難達到預期的教學效果，分析其原因是學校按照以學科理論體系為核心的理論知識、概念積淀的教學模式實施教學，而企業則以工程設計應用和創新體系為核心的知識、能力和素質積淀的教學模式安排學生實踐，按照布魯姆教育理論，就是學生的知識維度比較高，而認知維度太低，學生接觸企業實踐項目就無所適從，再加上文獻[1]所述校企業合作缺乏制度性和長期性，企業安排指導教師具有隨意性，影響機制專業卓越計劃企業實踐教學質量，無法達到預期的教學效果。為了克服這些弊端，機械工程學院主持與32家企業行業建立了機械工程專業群校企合作協同創新聯盟，并制定了章程和得力的校企合作實施辦法;另一方面，校內教學也改革為以國際上倡導的OBE教學理念為指導，教學模式改革創新為與企業接軌的以工程設計應用和創新體系為核心的知識、能力和素質積淀的教學模式，增加了類似如圖1所示的與企業接軌的較低認知維度的幾個實訓項目，之后學生到企業就有能力去實訓較高認知維度的實訓項目，校企合作就有了實質性內涵，教學效果明顯提高。作者以數控技術、電氣控制技術、電氣控制技術課程設計和數控技術課程設計組成的課程群（以下簡稱控制類課程群）為例介紹機制專業卓越計劃教學改革創新，對本科卓越工程師方向和機械工程專業碩士研究生教學改革創新有指導意義[2]。

一、教學模式由以學科理論體系為核心改革創新為以工程設計應用和創新體系為核心

（一）以學科理論體系為核心的理論知識、概念積淀的教學模式

我國高等教育的教學模式在較大程度上是以學科理論體系為核心，依據學科理論體系編寫教材內容、組織課堂教學、實驗教學和實踐性教學環節。如，不少教科書講授如圖2（a）所示的光電隔離工作原理，沒有說明圖2（a）的光電隔離器實物是如圖2（b）所示的TLP521-1，學生只見圖2（a）而見不到圖2（b）實物，更見不到工程設計應用，教師按圖2（a）機械地向學生灌輸理論知識，教師的講授成為了學生獲取知識的唯一途徑，學生僅僅是“聽過”了，對教師講的每句話都“明白”了。形象地說，這好比把學生頭腦看作一個存儲理論知識和概念的倉庫，在倉庫里積淀下理論知識和概念，搭建起的是知識和概念堆棧結構[3]。這在很大程度上脫離并弱化了工程實踐應用。大學生畢業后進入企業工程應用崗位經過見習期、老工程技術人員傳、幫、帶再被動形成有限的工程應用能力。這種教學模式缺乏對圖2（a）所示工作原理的載體，即缺乏工程設計應用實物、實驗和工程設計應用案例，學生總不能把圖2（a）當成實物進入工程應用。所以以學科理論體系為核心的理論知識、概念積淀的教學模式導致學生會存儲知識而不會應用知識;學生會在學校里學習而不會基于工作過程的學習，即工程教育脫離了工程自然。正如文獻[4]所述的調查結果：不少大學生受這種教學模式的影響，在校學習期間很難培養起工程設計應用和創新能力，畢業后在企業見習期滿后仍難以承擔專業技術工作;也有一些大學生直到畢業仍找不到專業技術感覺，導致對專業技術工作缺乏興趣，不得不放棄本科學習的專業，從事技術含量較低的工作，還有一些大學生因沒有培養起專業技術能力而跳槽，在很大程度上荒廢了專業，對國家、集體和個人都是損失。

（二）以工程設計應用和創新體系為核心的知識、能力和素質積淀的教學模式

在大學生職業生涯發展中，應用知識培養能力遠比存儲知識更重要，大學生在學校里學習的時間遠比工作時間短。近年來國內外高等教育越來越重視應用型本科教育，國外一些研究型大學的本科教育歷來十分重視應用型人才培養[5]。應用型本科教育要求加強高等工程教育理論與企業工程技術對接，強化大學生的工程設計、應用和解決工程實際問題的能力培養，面向企業工程應用一線培養應用創新型人才，其實質是用以工作成功目標為導向的教學理念（以下稱OBE教學理念）指導教學，實施以工程設計應用和創新體系為核心的知識、能力和素質積淀的教學模式組織教學。這種教學模式以工程設計應用創新為參照體系，將工作過程系統化的體系[3]。要求在教學知識點的過程中，伴隨著將知識點物化為實物實驗、工程設計應用，是以工作過程為導向，物化性地傳授理論知識、工程設計應用和創新能力，這種教學模式將學生頭腦比喻為存儲知識的倉庫，在倉庫里積淀下工程設計、應用的工作能力，搭建起的是將知識物化為工程應用創新能力的堆棧結構[3]。

圖2為作者用基于OBE教學理念的以工程設計應用和創新體系為核心的知識、能力和素質積淀的教學模式授課案例，講授用計算機光電隔離控制燈圖示，將工作過程融入教學，讓學生認知實物和工作過程、甚至動手實驗實訓、置于工程實踐情境下耳、眼、手、思維和情感均投入的教學過程。教師邊講課邊展示實物，并在課堂就做出計算機控制燈亮滅的實驗，以此實驗讓學生用頭腦風暴法討論如何控制三相交流電機、電磁鐵、液壓電磁換向閥、氣動電磁換向閥等強電，并在課堂上進行實驗實訓，由教師進行點評、總結，學生可直觀地感受到教學效果，教師向學生灌輸的是理論及其工程實踐應用，培養了學生的工程設計應用和創新能力，這才是“卓越工程師教育培養計劃”的初衷。

（三）實施“機制專業卓越計劃”必須按照OBE教學理念，對教學內容、教學媒體和教學模式進行全方位教學改革創新

課程群教學團隊經過多年教學實踐和教學改革創新試驗結果正如文獻[1]所述，“機制專業卓越計劃”的實施絕不僅僅是把學生送到企業實習這么簡單，要想讓工程教育所培養的人才變得“卓越”，應該從校內的“課程體系”建設到校外的“卓越計劃”實訓，都應該進行系統的改革創新。必須以OBE教學理念為指導，以工程設計應用和創新體系為核心的知識、能力和素質積淀的教學模式組織教學，并注重建設具有工程師素質的師資隊伍，才能促進工程教育改革和創新，才能有效實現機制專業卓越計劃的培養目標。

二、按照布魯姆教育理論，對課程群知識點按維度進行統一整合、梳理，為實施“機制專業卓越計劃”課程群教學改革創新做好頂層設計

（一）課程群建設的定義、目的

大學生的工程設計應用和創新能力培養，很大程度上需要多門課程（包括實驗和實踐性教學環節）知識點有機融合體現，這些課程組成課程群。課程群建設著重解決兩方面問題：一方面是根據課程教學目標設置相關知識點，并確定知識點的教學目標;另一方面是統一確定不同課程的知識點并協調達到課程教學目標、避免知識點重復。相比于單門課程， 課程群建設不但要考慮自身課程內容，還要協調好課程群內不同課程的內容，梳理清楚前因后果關系。此外， 課程群建設也要考慮整個專業的行業背景和教學要求， 把多門課程建設成界定明晰、內容互補、能力滲透、相互促進的課程群。根據教學要求及專業特點， 將課程群知識點整合成一個科學、高效、邏輯性強的教學體系[6]，收到1+1>2的教學效果。本教學改革對機制專業卓越計劃控制類課程群進行教學改革創新，以下簡要介紹。

（二）根據布魯姆教育理論和課程教學目標，構建知識點的知識維度和認知維度表

按照布魯姆教育理論的指導思想，對控制類課程群知識點打破了現行教材章節界限，把兩門課程知識點進行整合，并確定各門課程知識點在兩門課程中不能重復出現，且前后關系具有邏輯性，并制定兩門課知識點的教學目標，最后對各門課程的知識點分別編排序號。制定知識點的知識維度和認知維度并把序號填寫在表格相應的空格中[7-8]見表1。本課程群教學改革經過向機械工程專業群校企合作協同創新聯盟、企業工程技術人員和技能型人才調研，將數控技術課程7章的內容知識點進行了增刪，打破章節限制進行了知識點分類，把邏輯相關的知識點進行梳理排序，最后形成7個模塊25個項目116個知識點，其中有13個知識點占6學時由學生在信息化網絡教學平臺上自學或研討，教師給予指導、歸納總結。如表1中序號8的知識點為數控機床的分類及其應用，知識維度為概念性知識、認知維度為理解;序號為21、22的知識點分別為計算機持續信號控制三相交流異步電機的原理及應用、計算機脈沖信號控制三相交流異步電機的原理及應用，需要講解控制原理圖、計算機接口、編程控制、調試和故障維修等內容。兩個知識點均有嚴格的邏輯順序，知識維度和認知維度均為程序性知識和應用。

同樣，對電氣控制技術課程也建立類似于表1所示的知識點維度表，組成一個科學、高效、邏輯性強的課程群知識點體系。

（三）根據課程知識點制定教學目標，制定不同維度的教學方法、教學手段和教學策略，研制教學媒體等，對課程群進行實質性教學改革創新

傳統的授課過程是以學科理論體系為核心，針對理論教學內容進行授課，忽視了根據知識點的教學目標和兩個維度采取得力的教學方法、手段和策略，更少考慮采用得當的教學媒體等，導致難以獲得較好的教學效果。根據布魯姆教育理論采用以工程設計應用和創新體系為核心的知識、能力和素質積淀的教學模式，要針對兩個維度不同知識點的教學目標融入科學的教學方法、手段和策略，切實培養大學生的工程設計應用和創新能力，教學過程充實，師生情感比較豐富，教學效率高，收到了比較好的教學效果。以下僅對教學方法、教學手段和教學策略進行論述。

1. 根據知識點的教學目標和兩個維度，教學過程中融入科學的教學方法

傳統的以學科理論體系為核心理論知識、概念積淀的教學模式的教學方法是教師通過PPT演示、手寫和肢體動作進行細致地講解知識點，學生通過聽、看和思考被動接受知識為終端的教學方法。這種教學方法沒有考慮學生學習的主動性，也基本沒有考慮知識點的兩個不同維度，很多知識點達不到其理想的教學目標。

本教學改革充分考慮知識點教學目標和其知識維度與認知維度，采用以工程設計應用和創新體系為核心的知識、能力和素質積淀的教學模式實施教學，采用基于OBE教學理念的幾種教學法講授知識點，教學效果明顯提高，簡述三個案例。

（1）對知識維度+認知維度：事實性知識+記憶的知識點，首先要有實物做教具，展示實物工作應用原理，主要用理實一體化教學法、案例教學法組織教學，再以工程應用案例加深理解即記住實物的原理和應用。

（2）對知識維度+認知維度：概念性知識+理解的知識點，主要用理實一體化教學法、模擬教學法讓學生通過接近實際的案例，深刻理解概念性知識。

（3）對知識維度+認知維度：程序性知識+應用的知識點，可先用理實一體化教學法講授、再用基于OBE教學理念的任務驅動法讓學生親身感受程序性知識的邏輯順序。如教師可給學生布置一個具有其兩個相同維度的作業，學生按知識點原理及實物的工作步驟進行操作，理解程序性知識點的應用，即由學生被動學習轉變為主動學習。讓學生在主動學習的過程中培養分析問題、解決問題的能力，再讓學生真刀實槍地進行至少一個綜合項目實訓，如圖1所示為學生電氣控制技術課程安排的實訓項目之一，深刻理解知識點應用的正確程序步驟，培養學生的工程設計、應用、創新能力，典型實訓案例見文獻[9-10]，教學效果明顯提高。

2. 根據知識點的教學目標和兩個維度，選擇合適的教學手段，貼近工程實踐，培養工程能力

教學手段是教學過程中師生相互傳遞信息的使用的工具、媒體和教學設備，教學手段隨著科學技術的發展不斷進步，現代化教學手段是與傳統教學手段相對而言的，傳統教學手段主要指教科書、粉筆、黑板、掛圖、教具、實驗實訓場所及設備等，現代化教學手段是指各種電化教育器材、網絡信息化教學平臺、投影儀、錄音錄像機、電影機、計算機動畫模擬等技術手段輔助課堂教學。

教學媒體和設備是指承載、加工、呈現和傳遞教學信息的介質，為了落實以工程設計應用創新體系為核心的知識、能力和素質積淀的教學模式改革，教學團隊購買并且研制開發了遍布課程群絕大部分知識點的元件、實驗實訓設備及網絡信息化教學平臺，這都屬于教學媒體，收到了比較好的教學效果，舉四類教學媒體的四個典型案例。

（1）實物教學媒體：對知識維度+認知維度，事實性知識+記憶的知識點，購置了教學實物，如圖2（b）所示，讓學生通過活生生的實物設備理實一體化地掌握工程設計應用，這正是卓越計劃所期望的。

（2）教學化處理的教學媒體：對知識維度+認知維度，概念性知識+理解的知識點，當實物設備難以直觀演示工作原理時就研制開發了動畫顯示軟件，輔助學生理解工作原理。如對圖2（a）、圖2（c）開發動畫顯示軟件分別直觀地描述圖2（b）、圖2（d）元件電流、光、直流繼電器線圈帶電和燈亮滅等工作原理。這種教學化處理的媒體仍然是教學輔助手段，只有再加上真實的元件實物設備才能更有效地提高教學質量。

（3）自行研制開發或購買的實驗實訓教學媒體：對知識維度+認知維度，概念性知識+應用的知識點，研制開發建設了和企業應用對接的實驗實訓教學設備，能夠有效地提高課程群教學質量，滿足機制專業卓越計劃培養目標。

（4）研制和借鑒企業生產應用的設備做為教學媒體：對知識維度+認知維度，程序性知識+應用的知識點，研制了如圖1所示價格不太高，能夠滿足所有學生分批輪流實質性動手完成設計、安裝、調試、故障測試與維修的典型實訓設備，也借鑒企業生產應用設備理實一體化教學，這就為學生在企業實踐較高認知維度的工程應用項目打下了基礎，學生就可以在企業進行工程實踐，就可行了達到機制專業卓越計劃培養目標。

3. 根據知識點的教學目標和兩個維度，教學過程中融入了科學的教學策略

教學策略是教學思想、教學模式和教學手段對教學效果的綜合體現，是為了實現教學目標，完成教學任務，以實現教學目標為最終目的，加強對教學活動進行調控的系列教學措施、手段和策略等，它體現在教與學的交互活動中。如充分發揮信息化網絡教學平臺的作用，學生在平臺上鞏固、消化所學知識點;把知識點企業應用案例也以圖片、視頻的形式傳到網絡教學平臺上便于學生掌握應用;實行理實一體化教學;布置實驗實訓作業提高大學生工程實踐能力等教學策略，有效地達到知識點的教學目標。

三、按照布魯姆教育理論，對兩項課程設計進行統一整合、梳理、排序，構建知識點的教學目標、知識維度和認知維度表，為教學改革做好頂層設計

（一）對兩項課程設計的教學目標需要的知識點進

行統一梳理排序，構建課程設計知識點的教學目標和維度表

以電氣控制技術課程設計課程為例[10]，首先調查學生掌握課程設計知識點的現狀，課程設計需要的知識點及其教學目標進行梳理排序，構建識維度和認知維度表，見表2。

如表2中序號為1的知識點為認知電氣控制元件設備，學生早在學習電工學和電氣控制技術課程時沒有較好地認知電氣控制元件設備及其工作原理，需要學生先接觸元件設備，甚至做簡單的接線通電實驗，知識維度為事實性知識，認知維度為記憶。

如表2中序號為8的知識點為符合國家標準的帶功能區、圖區的電氣控制原理、安裝和接線三種圖。現有不少教材中沒有介紹這三種圖，即使有介紹，學生大多也沒有真正掌握。課程設計明確要求理實一體化掌握這三種圖并做為課程設計重要任務，因此需要用案例教學法給學生補課。因設計這三種圖有嚴格設計規范、步驟和邏輯相關性，因此知識維度為概念性知識，認知維度為理解。

如表2中序號為12的知識點為和圖1所示的控制試驗臺設計、安裝和調試;序號為14的知識點為如圖1所示的控制試驗臺故障測試與維修;這兩個知識點均在文獻[11]有所論述，具有嚴格的工作順序上的程序性和很強的工程應用;要分批輪流安排學生完成如圖1所示的控制試驗臺的設計、安裝、調試、故障測試與維修，學生在網絡信息化平臺上預習，教師現場指導學生實訓，真正體現了知識維度為程序性知識，認知維度為應用。

（二）完成如圖1所示的控制電機試驗臺實訓后，再安排與企業工程應用實訓認知維度接近的項目演示性實訓

學生實訓完如圖1所示的項目后，再安排更復雜的控制兩三個電機的機床電氣控制設計、安裝、調試、故障測試與維修項目，如文獻[9-10]中經濟型數控車床、CA6140車床電氣控制柜，這兩個項目難度大，因學校設備有限，學生全部參加實訓比較難，就參考如圖1所示的實訓程序教師講解或個別學生實訓總結出圖文并茂的實訓內容演示給學生，實訓時教師就可以退居幕后，學生需要時給予指導，更多工作放給學生互相研討合作完成，并總結出設計、安裝、調試、維修程序性步驟，詳見文獻[9-10]，經過這個抬高認知維度的演示性實訓，又提高了學生的認知維度，再到企業實踐時就可以進行工程設計、應用和創新，避免企業實踐流于形式，就實質性提高了機制專業卓越計劃教學質量。

（三）機制專業卓越計劃的教師也要向雙師型教師努力

特別注意的是，上述機制專業卓越計劃教學改革，需要教師也要提高自己的工程師素質，成為雙師型教師，簡述以下三點：

（1）基于機制專業卓越計劃的電氣控制技術課程設計并不是教師給個設計題目和有關參數，學生參照手冊畫出電氣控制原理圖，寫出設計說明書，教師組織答辯后即結束。這樣學生仍得不到理實一體化鍛煉，達不到卓越計劃培養目標。

（2）盡管課程設計等環節可以到企業進行，但在卓越計劃的培養質量上，教師的專業技能和工程師素質起到決定性的作用，教師教學要做好與企業工程設計應用接軌，因此優化師資隊伍的知識結構、強化工程師素質，培養雙師型教師是必不可少的。

（3）通常企業工程師擅長工程設計應用創新而不擅于教學策略，而學校教師與企業工程師正相反，二者要揚長避短，保持溝通，共同提高課程設計質量。

四、結束語

本文論述基于布魯姆教育理論以工程設計應用和創新體系為核心知識、能力和素質積淀的教學模式研究探索的機制專業卓越計劃控制類課程群教學改革創新，包括文獻[9-10]所述兩個課程設計改革創新，是作者多年來對教學研究、教學改革探索和創新成果的簡要論述，作者按這個思路先由一門課程進行教學模式改革創新，擴展為對課程群進行教學模式改革創新，最終延伸到全專業眾多課程，該教學改革2017年獲山東省優秀教學成果一等獎。此教學模式改革創新具有較高的教育教學理論、學術和應用價值。作者2020年成功申報山東省本科教育教學改革重點項目，又向集網絡信息化理實一體化加實訓的混合式教學模式、建設校企合作協同育人平臺、創新的理論和方法、課程思政、第二課堂、大學生科技創新大賽等全方位育人模式研究推進。

實施課程群教學改革創新效果證明：大學生收獲很大，明顯提高了大學生的工程設計應用和創新能力，取得了比較好的回歸工程自然、強化實踐能力、夯實工程設計、應用和創新能力的教學效果。學生明顯感受到畢業后到企業就有思路承擔電氣控制和數控技術設計、安裝、調試和運行工作，很好地達到了機制專業卓越計劃控制類課程群的教學目標。

本教學改革創新思想也用于機械工程專業碩士研究生教學，同樣取得了很好的教學效果。

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