工程教育課堂教學(xué)的一些新思路

周 斌

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工程教育課堂教學(xué)的一些新思路

周 斌

2010年6月，教育部發(fā)布了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，旨在未來(lái)10年內(nèi)培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量復(fù)合型工程技術(shù)人才，為國(guó)家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家和人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略服務(wù)。為了更好地培養(yǎng)中國(guó)未來(lái)的工程師，無(wú)論是院校還是教師，都迫切需要以一種“面向未來(lái)”的姿態(tài)去重新審視現(xiàn)有的教學(xué)方式、教育理念和教育設(shè)備，并努力探索一條更先進(jìn)、實(shí)用與創(chuàng)新之路。

傳統(tǒng)教學(xué)模式PK創(chuàng)新教育平臺(tái)nextpad

對(duì)工程教育而言，教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新是必不可少的3個(gè)內(nèi)容(如圖1所示)。課堂教學(xué)是學(xué)生接受知識(shí)最直接、占用時(shí)間最多、最易影響學(xué)習(xí)效果的環(huán)節(jié)。就目前我國(guó)高校工程教學(xué)的整體方式而言，傳統(tǒng)純公式推導(dǎo)和板書(shū)式教學(xué)仍占據(jù)著主導(dǎo)地位，而這種教學(xué)方式往往導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行透徹的理解，更無(wú)法引起學(xué)生對(duì)課程的興趣和求知欲。因此，將傳統(tǒng)呆板、抽象、沉悶的課堂教學(xué)方式向活潑、形象、互動(dòng)的方向轉(zhuǎn)變，勢(shì)必成為未來(lái)10年工程教育教學(xué)模式的發(fā)展方向。鑒于此，筆者從如何改變現(xiàn)有教學(xué)方式入手，對(duì)工程教育教學(xué)的發(fā)展提出一些新的思路，并探討一些行之有效的解決方案。

圖1

據(jù)調(diào)查，大部分理工科師生表示，直觀(guān)、交互與生動(dòng)是師生最為關(guān)注和期待的授課方式。課堂教學(xué)的根本目的在于讓學(xué)生在課堂中掌握所應(yīng)掌握的知識(shí)點(diǎn)，但在現(xiàn)實(shí)教學(xué)過(guò)程中，傳統(tǒng)的教學(xué)方式已不足以滿(mǎn)足學(xué)生對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)，更消耗不起大量的時(shí)間反復(fù)演示某一個(gè)實(shí)驗(yàn)，因此，直觀(guān)、交互、生動(dòng)的教學(xué)方式往往只能讓人望書(shū)興嘆，知識(shí)點(diǎn)的掌握率更是大打折扣。

要有效地解決這個(gè)問(wèn)題并不是完全沒(méi)有辦法，我們不妨從一些最經(jīng)典的教學(xué)實(shí)例入手，換一種思路來(lái)思考如何提高課堂教學(xué)效果，或許會(huì)得到另一種感悟和提高。以關(guān)于FFT(傅里葉變換)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)為例：傳統(tǒng)的教學(xué)方式是在黑板上進(jìn)行一系列的推導(dǎo)，最后手繪出一個(gè)頻譜曲線(xiàn)，這種做法對(duì)于FFT教學(xué)而言是一個(gè)必要過(guò)程，只有這樣，學(xué)生才能了解FFT的整個(gè)過(guò)程是如何一步步實(shí)現(xiàn)的。這雖是原理的必要教學(xué)過(guò)程，但卻不是目前最有效的教學(xué)方式，造成學(xué)生只是被動(dòng)地了解知識(shí)點(diǎn)的表面部分。學(xué)生的整個(gè)學(xué)習(xí)只是被動(dòng)地“接受灌輸”，無(wú)法達(dá)到舉一反三和融會(huì)貫通的效果。

細(xì)究起來(lái)不難發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的工程教學(xué)方式是停留在某個(gè)點(diǎn)上的教學(xué)，教師在講解時(shí)也只是對(duì)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)的講解，難免枯燥乏味。如在上述FFT的教學(xué)中，學(xué)生只看到了一種函數(shù)的傅里葉變化，但是如果學(xué)生要求教師更換一個(gè)參數(shù)再次進(jìn)行演示，教師必須再次重新進(jìn)行推導(dǎo)，既耽誤時(shí)間，也不利于教學(xué)效率的提高。為了讓學(xué)生能更深入地了解函數(shù)的FFT，教師需要將課堂知識(shí)點(diǎn)的講解從一個(gè)點(diǎn)延伸到一個(gè)面。同時(shí)，借助于一種新型的教學(xué)平臺(tái)，讓知識(shí)點(diǎn)更形象、生動(dòng)地表達(dá)。

針對(duì)以上問(wèn)題，北京中科泛華測(cè)控技術(shù)有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)：泛華測(cè)控)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種創(chuàng)新性工程教育平臺(tái)—nextpad(如圖2所示，下載地址：http:// nextpad.wordpress.com/)。nextpad是一個(gè)全新的、完全免費(fèi)和開(kāi)放的軟件平臺(tái)，它可以不斷地融合各種優(yōu)秀演示與課件程序，從而提供給教師現(xiàn)成可用的資源使其教學(xué)更為生動(dòng)、直觀(guān)與交互。

圖2

在本軟件中，教師可以在課堂上隨意展示各種與信號(hào)處理相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的概念演示程序。如，圖3是nextpad中的SignalLab界面，教師可在優(yōu)酷網(wǎng)站中搜索SignalLab，直接觀(guān)看本程序的視頻演示。一方面，教師通過(guò)波形圖、按鈕等易于理解和操作的形式，可以讓學(xué)生更直觀(guān)地看到各種信號(hào)處理所得到的結(jié)果是怎么樣的；另一方面，教師也可以很簡(jiǎn)單地改變整個(gè)演示中的各種參數(shù)，讓學(xué)生即時(shí)了解參數(shù)的變化對(duì)所得結(jié)果的影響，從而讓學(xué)生以一個(gè)面的角度去了解知識(shí)點(diǎn)，并有利于學(xué)習(xí)效率的提升。從這個(gè)例子中，我們可以充分理解到直觀(guān)和互動(dòng)對(duì)工程教育效果的價(jià)值所在。

圖3

nextpad的三大特性

(1)直觀(guān)性是nextpad三大特性之一。nextpad可以將原本枯燥的數(shù)據(jù)公式，通過(guò)圖片、波形等直觀(guān)的方式有效表達(dá)出來(lái)。如把單純的數(shù)字結(jié)果用波形圖的方式表達(dá)出來(lái)，或者把單純的是否發(fā)生混疊用一個(gè)LED燈直接顯示出來(lái)，都是nextpad直觀(guān)性的表現(xiàn)，從而帶給學(xué)生一種更為直接的接受體驗(yàn)。

在圖3的演示視頻中，學(xué)生可以看到各種信號(hào)處理相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)是如何通過(guò)這套演示軟件中直觀(guān)的顯示控件來(lái)表達(dá)各種波形圖的。相比于傳統(tǒng)的黑板或PPT，學(xué)生可更直接地感受到信號(hào)處理的結(jié)果。

(2)交互性。顧名思義就是學(xué)生也可以參與，就像界面中所展示的那樣，每一個(gè)演示程序都允許學(xué)生改變各種參數(shù)(包括輸入信號(hào)、窗類(lèi)型、截止頻率等)，通過(guò)動(dòng)手操作和觀(guān)察隨之而變的結(jié)果，學(xué)生以主動(dòng)參與的姿態(tài)更好地接收和理解知識(shí)。

(3)生動(dòng)性也是nextpad的創(chuàng)新性之一。我們反思，為什么有些課程學(xué)生會(huì)感覺(jué)比較枯燥，而有些課程學(xué)生聽(tīng)起來(lái)卻興趣濃厚呢？這是因?yàn)闊o(wú)趣的課程往往內(nèi)容不夠生動(dòng)，有意思的課程則很可能是某位教師常在課堂上舉一些生動(dòng)的小例子或者做某個(gè)演示，讓學(xué)生深刻地感受到知識(shí)點(diǎn)是如何應(yīng)用于實(shí)際情況的。nextpad就像一個(gè)可以講述生動(dòng)例子的教師，把興趣帶給每位學(xué)生。

舉一個(gè)比較生動(dòng)的例子：對(duì)于圖像處理算法的教學(xué)，除了一系列的板書(shū)之外，有沒(méi)有其他既可保證算法準(zhǔn)確，又能保證圖像處理直觀(guān)生動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式呢？答案是：有。我們?cè)O(shè)計(jì)的如圖4所示的應(yīng)用程序，它是一個(gè)人臉美容的程序(詳細(xì)使用，可在優(yōu)酷網(wǎng)中搜索nextpad應(yīng)用程序face)。通過(guò)這個(gè)程序，學(xué)生可以印象深刻地理解圖像處理算法到底能從事何種類(lèi)型的應(yīng)用，從而讓學(xué)生真正融入知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)中。

從上述教學(xué)方式中我們可以感受到，這種相對(duì)直觀(guān)、生動(dòng)、新穎的教學(xué)方式是極具研究?jī)r(jià)值的。此平臺(tái)的設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于《哈利?波特》中的魔法課本，在魔法的世界里，人們看的報(bào)紙都是可以活動(dòng)的，那么對(duì)于教學(xué)課件，是否也可以做成這種方式呢？傳統(tǒng)的課件就是一個(gè)個(gè)生硬的PPT文件，打開(kāi)后盡是無(wú)窮的字、圖和公式，我們只能靜態(tài)地學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)，如果能讓課件活動(dòng)起來(lái)，在閱讀的同時(shí)又可以有動(dòng)態(tài)的演示，無(wú)疑既是一種全新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，又是一種新的課件革命。

圖4

開(kāi)放的創(chuàng)新教育平臺(tái)—next計(jì)劃

如果僅僅把nextpad作為一個(gè)平臺(tái)使用是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，其中內(nèi)容的豐富性才是至關(guān)重要的?；诖?，我們也嘗試通過(guò)發(fā)動(dòng)所有Labview技術(shù)愛(ài)好者一起參與程序編寫(xiě)，讓平臺(tái)更加豐富(即next計(jì)劃，詳情請(qǐng)見(jiàn)nextpad.wordpress.com)。next計(jì)劃也使得nextpad具有了開(kāi)放性，這種集眾家所長(zhǎng)的做法叫做Crowdsourcing，即眾包。這種眾人拾柴的方式已有過(guò)不少成功的先例，如：維基百科就是由大眾進(jìn)行內(nèi)容填入而豐富起來(lái)的平臺(tái)。

next計(jì)劃的優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

(1)每個(gè)人所做的努力和貢獻(xiàn)都能以累加的方式積累。如果我們把每個(gè)人的努力都累加在一起，所產(chǎn)生的結(jié)果將具備一定規(guī)模，且這些結(jié)果也不會(huì)因?yàn)槿魏我蛩氐母淖兌蝗幌Ш蜌w零。所以，只要有人愿意為工程教育的改進(jìn)而添加一點(diǎn)力量，我們將保證其努力絕對(duì)不會(huì)白費(fèi)。

(2)通過(guò)眾包，可以讓每個(gè)學(xué)科方向的專(zhuān)家為自己的專(zhuān)業(yè)編寫(xiě)nextpad教學(xué)演示。例如：一個(gè)關(guān)于人工智能的教學(xué)演示，雖然有人具備開(kāi)發(fā)水平，但沒(méi)有專(zhuān)業(yè)知識(shí)背景，通過(guò)眾包，則可找到專(zhuān)業(yè)人士來(lái)開(kāi)發(fā)和編寫(xiě)，真正達(dá)到眾志成城！

綜上所述，直觀(guān)性、互動(dòng)性與生動(dòng)性，是工程教育課堂教學(xué)中3個(gè)值得發(fā)展和探索的方向，而針對(duì)這一發(fā)展理念，我們也做了第一步嘗試性的探索，值得欣喜的是，目前nextpad全國(guó)下載量已超過(guò)1000次，其中的優(yōu)秀應(yīng)用程序也已超過(guò)50個(gè)。相信在不久的將來(lái)，這個(gè)平臺(tái)將具備更大的規(guī)模與更多優(yōu)秀的內(nèi)容，從而真正助力于中國(guó)的工程教育，培養(yǎng)面向未來(lái)的卓越工程師。

(本文作者系北京中科泛華測(cè)控技術(shù)有限公司高校產(chǎn)品經(jīng)理)