“挑戰性學習”視域下工科課程高階思維教學模式初探

摘要：“挑戰性學習”是一把針對強且能破解工科學生高階思維發展難題的“鑰匙”，在激發學生學習興趣、培養學生能力、對專業知識的敏感度、拓展學生知識視野、科學研究等方面具有推進的作用。以賀州學院開設的“微機原理與接口技術”課程為例，初步探討“挑戰性學習”如何破解工科學生高階思維發展，構建“挑戰性學習”高階思維教學模式。以課程為切入點探討這一新興教學法在實踐中的能效，采用Proteus軟件、設計縝密的挑戰性問題、重構課堂教學內容、實施多維評價等多方面進行教學過程的實施，從而對“挑戰性學習”在專業課程教學中的應用進行有益探索。

關鍵詞：挑戰性學習；高階思維；微機原理與接口技術；工科課程

2018年8月，教育部發布《關于狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知》，提出各高校要“合理提升學業挑戰度、增加課程難度、拓展課程深度，切實提高課程教學質量”[1]。教育科技作為教育工具，最明顯的功用是提高效率，讓人人、時時、處處都可以學習[2]，但這些工作具體落實到某一門課程中，就在課程的學習方法、學科的科學研究、實際項目的實踐探索等方面依舊欠缺，需要探索新的方法進行改進或者補充。

單片機是一種集成電路芯片，是嵌入式技術和物聯網技術發展的基礎，主要應用在航空航天、機械電子和日用設備等領域。賀州學院人工智能學院的通信工程、電子信息工程、物聯網工程專業皆把“微機原理與接口技術”課程設成專業基礎課。課程以單片機的硬件組成、工作原理、程序設計方法等為教學內容，旨在通過實驗探索，掌握單片機技術及其在工業控制、經濟建設和日常生活中的應用，發展學生的高階思維，培養學生工程能力、創新能力、實踐能力和新產品設計開發能力，為將來從事電子新產品設計開發、電子產品檢測和維護等工作奠定堅實的基礎。然而經過多年教學實踐，發現學生創新能力不夠明顯，學生工程能力較弱，思維低階重復，學生無法實現知識的遷移。主要可能是因為：①傳統課堂教學抽象乏味，學生普遍反映單片機難懂難學；②受到規定的實驗室和規定的時間內完成的“雙規”限制，實驗效果不盡人意；③部分教材脫離實際，脫離工程應用，導致部分學生學歸學，用歸用，學了不會用；④少數學生學習目的不明確，學習缺少興趣和原動力，成了學好“微機原理與接口技術”的絆腳石[3-4]。

“挑戰性學習”是一種新興的教學法，是一種以挑戰性任務為驅動，促進學生自主參與學習過程，注重概念內化、技能運用以及高階思維發展的有效課程教學模式[5]。李輝等[6]以挑戰性的問題為牽引，深入研討為基礎，實驗驗證為手段，著力進行“一門數字類挑戰性學習課程的設計與實踐”。挑戰性學習的核心是挑戰性問題，如何設計和實施相關“問題”，讓學生既要積極主動挑戰“未知”，又要在自己找方法、找解決方案的同時“跳一跳”就能解決相關“問題”，達到發展高階思維的目的是值得探索的。

一、“挑戰性學習”課程設計

從學習要素的角度，“挑戰性學習”圍繞“目標、內容、過程、結果”四個方面的特征展開：以學生分析、綜合、評價等高階思維發展為目標；以“核心概念”為邏輯起點，挑戰的真實性與復雜性為具體內容，貫穿于學習活動的始終，使學習時刻保持一致性和持續性；過程挑戰歷程的持續性；結果指向可視化，最終必須擁有可視化的成果，如元認知反思性學習報告、作品、方案、產品等[7]。“挑戰性學習”的挑戰性問題的研究嵌入課程知識內容分布框架內，以“微機原理與接口技術”課程的理論和實踐技術為主體，并尋求相關解決問題的方法，在挑戰過程中以挑戰的真實性和復雜性為具體內容增設持續研究與反思方面的內容，并進行可視化衡量。

以“微機原理與接口技術”為“挑戰性學習”課程設計的對象，設定課程“目標、內容、過程、結果”的主線，結合“挑戰性學習”的問題研究視角，對教材（《微機原理與接口技術》，王曉萍主編，浙江大學出版社，2015.01）進行教材內容整合、重構知識、重組框架、重建項目，相關課程架構與教學環節教學內容設計見圖1。“微機原理與接口技術”共分成五大模塊，其課程內容圍繞“硬件結構”、“編程語言”、“編程環境”、“基礎-拓展-通訊模塊編程”、“綜合模塊編程”等項目任務展開。在“基礎-拓展-通訊模塊編程”環節中，結合OBE理念，分派12個任務，逐個突破“單片機系統結構、單片機存儲器體系結構、C51語言編程技術、中斷系統及應用、定時器及應用、外圍設備與單片機的接口技術、單片機應用系統設計、單片機系統仿真與調試等”教學重點和教學難點。

二、預為先，合理安排

（一）實驗內容的選取與推薦

在“微機原理與接口技術”開課之初，授課教師選取“單片機內部系統”、“單片機引腳”、“矩陣式鍵盤數碼管顯示實驗”、“12864液晶顯示實驗”、“DS18B20溫度采集實驗”、“步進電機控制實驗”、“AD/DA轉換實驗”、“串行通信”、“IIC總線通信”、“PCB制版硬件設計”等作為授課與實踐的主要項目內容。

（二）建立實驗小組，開展合作性學習

“挑戰性學習”的前提條件是良好的協作學習習慣和合作關系。“挑戰性學習”是以小組為單位的學習活動，組員之間具有無法替代的互補功能，組內成員個體優勢匯集成良好的合作關系，形成強大的群體優勢。

“微機原理與接口技術”教學內容中，與工程活動相關的內容占據很大比例，主要由“多點溫度采集系統設計”、“語音播報電子萬年歷”、“煙霧探測報警器”、“紅外防盜系統”、“指紋識別”、“智能尋跡小車設計”、“帆板控制系統設計”、“全自動洗衣機”、“出租車計價器”、“智能電子秤”等方面組成。

為了保障課程討論與實踐的順利進行，結合挑戰性學習的條件，教師采用隨機分配和自愿調整的原則，將課堂中40名學生平均分成10大組、20小組。

三、“挑戰性學習”高階思維教學模式的構建

鼓勵學生動手，是挑戰性學習開展的必要條件。對于工科學生，動手能力在實踐過程中顯得尤為重要。學習是學生從客觀環境中獲取知識和能力的過程，一般步驟是先從環境中獲得“可觀察變量”；再通過感覺器官，輸入大腦；大腦再依據社會人類信息庫反饋給感覺器官。通過與環境進行交互作用，使人獲得學習的能力。因此，在構建高階思維模型時，先從“情境主題”出發，圍繞學生的“關鍵能力”進行問題設計與培養，以“作品展示”作為橋梁，通過“動態反饋”這個渠道，呈現“問題脈絡”。以“學科認識-學科素養-學科研究-學科方法”為循環主線，將“預習拓展、實踐依據、研究實踐、調整優化、目標對照、作品評價”分成“六維”。

四、“挑戰性學習”的課程實施策略

（一）過程參與度，聚焦過程發展

查閱文獻資料——優化系統方案設計——采用Keil軟件編程并調試通過——Proteus建立仿真電路——Keil與Proteus的聯調，驗證系統的正確性——硬件的在線調試。以作品“藍牙音頻播放器的設計”為例，建立原理圖文件、PCB制版文件（包括布線、敷銅）的詳細過程、“藍牙音頻播放器的設計”實物圖。

學生參與PCB制版完整過程，在課程學習過程中發展高階思維。

（二）知識掌握度，拓展思維閾值

“理論+實踐”、“線上+線下”、“虛擬+現實”、“分工+合作”的知識層次訓練方式，淺進深出，在情感、態度、價值觀上對學生進行激勵、鼓舞。通過“挑戰性學習”，以技術前沿的創新思維為已任，培養學生工程應用能力。學生的“學”不是將老師所教的知識復盤，而是注重掌握解決問題的方法。通過“挑戰性學習”的挑戰性問題，引導學生提出問題，并指導學生在實驗過程中收集、整理、分析并總結數據，在實踐過程中提高探索知識的愉悅感。通過知識的掌握指導學生自己“做”的行為，用實踐檢驗創新思維的結果并加以驗證，提高高階思維閾值。

（三）素質達成度，直指思想提升

通過學習研究、文獻調研、方案驗證、系統設計、實現調試、虛擬仿真、設計總結等環節形成一個循環的“微機原理與接口技術”課程實踐環節。學生在學習過程中從課題需求、方案設計、產品研發、項目管理等方面進行學習與實踐，理性認識自己的專業領域及人生規劃。

結合課程思政內涵，增加別具一格的思政考核：作品完成匯報（學習心得、成長體會），談學習上的改變、談思想上的改變、談學業上的收獲、談未來的期望等。

（四）動態反饋，成績多維評定

“挑戰性學習”可以反映學生的知識結構、學習狀況和創新能力的整體性，“挑戰性學習”的過程價值在于貫穿整個學習活動。因此，動態反饋，成績多維評定是“挑戰性學習”一種較好的評價方式，對學生行為的評價將走向“過程導向”，促進學生在學習過程中各方面的成長。以“微機原理與接口技術”課程為例，其成績構成如下：

課程成績=期末考核成績×50%+實踐操作成績×30%+平時成績×20%

其中，期末考核成績=PCB制版（20%）+軟件編程和提交文檔（30%）+系統調試（30%）+答辯（20%），其中，系統調試和答辯環節全程錄像。期末考核成績占總成績的50%，由教師面批賦分。實踐操作成績占總成績的30%，為在項目學習過程中需搭建一套實踐裝置，包括挑戰性任務完成成果的團隊考核與個人考核兩個方面，采用教師（40%）與小組評審評分（60%）相結合的方式賦分。其中團體合作分數占這部分總成績的60%，個人表現占40%。平時成績則由教師依據學生的出席課堂情況（5%）、小組回答問題（10%）和個人課堂活躍度（5%）賦分。

在多維成績評定機制的激勵下，學生在課堂參與、作業完成、團隊合作、線上仿真、結果展示等方面活躍度提升，工科學生的高階思維得到發展。

五、推廣應用，優化成果效能

每個學生都是獨立的個體，且學生的發展是連續的動態過程，立足育人本質，通過“挑戰性學習”，遵循學生認知發展規律的個人需求、學科發展的學科需求和社會發展規律的社會需求，學生后續選擇性完成創意作品：穿衣指數播報器、量販機投幣系統、模擬電梯系統、酒店點菜系統、LED花樣廣告屏遙控控制系統、紅外遙控多功能控制系統、智能家居窗簾控制系統、排隊叫號系統等進行學習成果的鞏固。通過多年的實踐，“挑戰性學習”的模塊化教學元素和高階思維漸進式教學環境，學生將所學的知識真正與工程應用接軌，真正引導學生從傳統的被動接受教育轉變到主動探索創新，激發學生學習興趣，提升學生高階思維。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.教育部關于狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知（教高函[2018]8號）[DB/OL].（2018-08-27）.

http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201809/t20180903_347079.html

[2]金青，何虹.應用型地方高校課程挑戰性學習模式設計與實踐[J].中國職業技術教育，2019（26）：33-40.

[3]邰清清.應用型工科院校單片機課程教學改革與實踐[J].電子元器件與信息技術，2022，6（05）：224-227.

[4]邱剛.Protues仿真軟件在單片機教學中的應用[J].電子元器件與信息技術，2021，5（04）：165-167.

[5]李艷茹.“挑戰性學習”在古代小說鑒賞類通識課中的應用——以“唐宋傳奇名篇賞讀”課程為例[J].中國大學教學，2022，377（Z1）：69-74.

[6]李輝，王憶文，李平.一門數字類挑戰性學習課程的設計與實踐[J].實驗科學與技術，2020，18（02）：62-67.

[7]孫瑩.挑戰性學習：破解高階思維發展難題的一把“鑰匙”——以小學語文綜合性學習為例[J].人民教育，2020（12）：60-62.

基金項目：廣西高等教育本科教學改革工程項目：基于6A學習構建多模態金課的探索與實踐（2022JGZ169）；賀州學院教學改革工程項目：學習場域循環系統的構建與實踐（hzxyzdjg202301）；廣西職業教育教學改革研究項目：基于現代產業學院的實施雙主體育人的探索與實踐（GXGZJG2022B164）

作者簡介：鄧忠惠（1980—），男，廣西橫縣人，高級實驗師，學士，研究方向：嵌入式與智能控制。

*通訊作者：謝微（1984-），女，廣西蒙山人，高級實驗師，碩士，研究方向：分析檢測與課程建設。