摘要:在CDIO工程教育目標(biāo)的指引下,以“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程為例,提出了一種以項(xiàng)目任務(wù)為載體,以探究式學(xué)習(xí)為主要方法的教學(xué)模式。通過建立能力目標(biāo)矩陣、創(chuàng)設(shè)探究情景、細(xì)化驅(qū)動(dòng)問題、設(shè)計(jì)評(píng)估文件以及反思問題,對(duì)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大賽項(xiàng)目進(jìn)行改革。用該方法進(jìn)行項(xiàng)目類學(xué)習(xí)的改革,能有效培養(yǎng)和測(cè)評(píng)學(xué)生的CDIO工程能力,同時(shí)為工程教學(xué)改革提供了一條新的思路。
關(guān)鍵詞:CDIO;探究式;項(xiàng)目;結(jié)構(gòu)力學(xué)
作者簡(jiǎn)介:喻瑩(1983-),女,山東鄒城人,汕頭大學(xué)工學(xué)院,副教授;陸小華(1962-),男,湖北公安人,汕頭大學(xué)教務(wù)處長(zhǎng),教授。(廣東#8194;汕頭#8194;515063)
基金項(xiàng)目:本文系2010年教育部人文社會(huì)科學(xué)研究“工程科技人才培養(yǎng)研究”專項(xiàng)課題(課題編號(hào):10JDGC005)、2014年廣東省高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師(項(xiàng)目編號(hào):Yq2013071)的研究成果。
中圖分類號(hào):G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號(hào):1007-0079(2014)14-0099-02
傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)理論和教學(xué)實(shí)踐以接受式教育為主,學(xué)生處于被動(dòng)地位,日益受到人們的質(zhì)疑。“探究式學(xué)習(xí)(Inquiry Learning)”或稱“主動(dòng)式學(xué)習(xí)(Active Learning)”,從20世紀(jì)中期以來(lái)在世界范圍得到廣泛的推廣,在國(guó)際上得到廣泛提倡。[1]探究式教學(xué)是一種有效提升學(xué)生能力、知識(shí)和態(tài)度的教學(xué)方式,在中小學(xué)科學(xué)教學(xué)中應(yīng)用的較為普遍,[2]但是在高等工程教育中卻沒有引起足夠的重視。CDIO是由MIT等四所大學(xué)建立起的一種先進(jìn)的基于工程教育的教學(xué)模式,它為工程教育提供了一個(gè)目標(biāo)集——#8198;CDIO教學(xué)大綱,大綱以逐級(jí)分解的方式詳細(xì)規(guī)定了工程師所應(yīng)該具備的科學(xué)能力與素質(zhì)、人際團(tuán)隊(duì)能力和在企業(yè)和社會(huì)環(huán)境下的工程綜合能力。[3]這個(gè)大綱的特別價(jià)值在于它的完整性和詳細(xì)程度,為學(xué)生的工程綜合能力的測(cè)評(píng)成為可能。
以細(xì)化的CDIO教學(xué)大綱為培養(yǎng)目標(biāo),采用基于項(xiàng)目的探究式教學(xué)方法,對(duì)傳統(tǒng)的工程教育中常用的項(xiàng)目設(shè)計(jì)類課程進(jìn)行改革,旨在高效實(shí)現(xiàn)學(xué)生CDIO工程能力的培養(yǎng)。本文以“結(jié)構(gòu)力學(xué)”三級(jí)項(xiàng)目“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽”為例,研究在工科項(xiàng)目設(shè)計(jì)中,如何有效采用探究式教學(xué)方法實(shí)現(xiàn)CDIO工程培養(yǎng)目標(biāo)。
一、三級(jí)項(xiàng)目?jī)?nèi)容改革
“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽”是“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程教學(xué)中經(jīng)常舉辦的科技活動(dòng),旨在使學(xué)生將課堂的理論知識(shí)與實(shí)際設(shè)計(jì)工作相聯(lián)系,培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和勇于實(shí)踐的精神。針對(duì)目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽普遍存在的問題,本文進(jìn)行以下改革:
1.明確項(xiàng)目的探究性
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽通常要求學(xué)生采用指定的材料或盡可能少的材料,建造承載能力最高的結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目?jī)?nèi)容往往局限于如何提高結(jié)構(gòu)荷載,內(nèi)容較為單一。學(xué)生會(huì)采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識(shí)對(duì)所要搭建的模型進(jìn)行分析,然后按照分析結(jié)果進(jìn)行建造。[4]這一過程中學(xué)生缺乏明確的目標(biāo)指引,導(dǎo)致學(xué)生對(duì)于材料性能、節(jié)點(diǎn)性能等影響結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵因素缺乏必要的思考和探究。
新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽項(xiàng)目比賽分為競(jìng)賽準(zhǔn)備階段和競(jìng)賽階段。準(zhǔn)備階段旨在讓學(xué)生通過系列試驗(yàn)總結(jié)出桿件受力規(guī)律,由該規(guī)律可以設(shè)計(jì)并制作出給定長(zhǎng)度給定承載能力的拉或壓結(jié)構(gòu)構(gòu)件。競(jìng)賽階段則要求結(jié)構(gòu)安全承受1kg砝碼加載,而2kg砝碼加載必須破壞,并且加載前明確指定破壞模式,同時(shí)滿足上述條件且結(jié)構(gòu)質(zhì)量最低的組獲勝。這樣的設(shè)計(jì)更符合真實(shí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件,使得學(xué)生主動(dòng)探究所用材料的力學(xué)性能,并且設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)需要有明確的承載力。
2.明確項(xiàng)目的能力培養(yǎng)目標(biāo)
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽的目標(biāo)并不僅僅是采用趣味性的方式使學(xué)生重復(fù)和練習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識(shí),而是要通過一個(gè)項(xiàng)目達(dá)到一定的能力培養(yǎng)目標(biāo)。而目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽多缺乏賽前和賽后明確的培養(yǎng)目標(biāo)指引,學(xué)生為贏而贏,因此達(dá)不到應(yīng)有的學(xué)習(xí)效果和能力培養(yǎng)目標(biāo)。[5]CDIO為工程教育提供了完整而詳細(xì)的能力培養(yǎng)目標(biāo),但是對(duì)于某一具體課程來(lái)說,它并沒有也不可能給出具體的能力要求,同時(shí)也沒有明確給出CDIO能力目標(biāo)的落實(shí)方法,這就需要教學(xué)設(shè)計(jì)者依據(jù)教學(xué)的需要來(lái)制訂符合相應(yīng)課程的能力培養(yǎng)目標(biāo)及其貫徹方法。
本文在CDIO四個(gè)大層次中的26個(gè)微觀層次上建立了“結(jié)構(gòu)力學(xué)”整門課程的培養(yǎng)目標(biāo),目標(biāo)矩陣如表1所示。由表1可知,三級(jí)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽在學(xué)生具體工程能力培養(yǎng)中起著重要的作用,是課堂教學(xué)和作業(yè)練習(xí)無(wú)法取代的。
表1#8194;“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程的CDIO工程能力培養(yǎng)目標(biāo)矩陣
CDIO相關(guān)能力程度主要環(huán)節(jié)
1.技術(shù)知識(shí)和推理1.1相關(guān)科學(xué)知識(shí)3教學(xué)、練習(xí)
1.3核心工程基礎(chǔ)知識(shí)4教學(xué)、練習(xí)、三級(jí)項(xiàng)目
2.個(gè)人能力、職業(yè)能力和態(tài)度2.1.1發(fā)現(xiàn)問題和系統(tǒng)表述問題4教學(xué)、練習(xí)、三級(jí)項(xiàng)目
2.1.2 建模4教學(xué)、練習(xí)、三級(jí)項(xiàng)目
2.1.3 估計(jì)與定性分析4教學(xué)、練習(xí)、三級(jí)項(xiàng)目
2.1.4帶有不確定性的分析4教學(xué)、練習(xí)、三級(jí)項(xiàng)目
2.1.5 解決方法和建議4教學(xué)、練習(xí)、三級(jí)項(xiàng)目
2.2.1建立假設(shè)4練習(xí)、三級(jí)項(xiàng)目
2.2.2查詢印刷資料和電子文獻(xiàn)4練習(xí)、三級(jí)項(xiàng)目
2.2.3實(shí)驗(yàn)探索4三級(jí)項(xiàng)目
2.2.4假設(shè)檢驗(yàn)4三級(jí)項(xiàng)目
2.3.1批判性思維4練習(xí)、三級(jí)項(xiàng)目
2.3.2系統(tǒng)思維4練習(xí)、三級(jí)項(xiàng)目
2.3.3創(chuàng)新性思維4三級(jí)項(xiàng)目
2.4.1主動(dòng)性與承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)3三級(jí)項(xiàng)目
2.4.2毅力與變通3三級(jí)項(xiàng)目
2.4.3創(chuàng)新能力3三級(jí)項(xiàng)目
2.4.4抗挫折能力3練習(xí)、三級(jí)項(xiàng)目
2.4.6有效時(shí)間管理能力3練習(xí)、三級(jí)項(xiàng)目
CDIO相關(guān)能力程度主要環(huán)節(jié)
3.人際交往能力3.1 領(lǐng)導(dǎo)能力3三級(jí)項(xiàng)目
3.2.1組建有效團(tuán)隊(duì)3三級(jí)項(xiàng)目
3.2.3團(tuán)隊(duì)有效工作運(yùn)行3三級(jí)項(xiàng)目
3.3.2具有應(yīng)用語(yǔ)言、書寫、圖表和電子方式進(jìn)行工程表達(dá)和交流能力3三級(jí)項(xiàng)目
4.在企業(yè)和社會(huì)環(huán)境下構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行系統(tǒng)4.4.1風(fēng)險(xiǎn)及不確定性評(píng)估4三級(jí)項(xiàng)目
4.4.2設(shè)計(jì)過程的解釋與調(diào)整4三級(jí)項(xiàng)目
4.4.3知識(shí)在設(shè)計(jì)過程的應(yīng)用4三級(jí)項(xiàng)目
本表注:以布盧姆學(xué)習(xí)目標(biāo)分類法(Bloom’s Taxonomy)為基礎(chǔ)描述學(xué)生在學(xué)完本課程后應(yīng)具有的能力,目標(biāo)欄內(nèi)以1,2,3,4,5,6來(lái)表示對(duì)此級(jí)能力要求達(dá)到的程度,1~6分別表示:認(rèn)知、理解、應(yīng)用、分析、綜合以及評(píng)判。
二、基于項(xiàng)目的探究式學(xué)習(xí)
基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)(Project-Based Learning,PBL)使學(xué)生通過應(yīng)用知識(shí)、完成項(xiàng)目的方式來(lái)學(xué)習(xí)知識(shí)。PBL是一種基于建構(gòu)主義理論的情境化學(xué)習(xí)方式,認(rèn)為學(xué)生通過實(shí)際操作及思想的實(shí)踐,能夠加深對(duì)學(xué)習(xí)材料的理解。探究式學(xué)習(xí)是以科學(xué)家和工程師從事科研的方式,學(xué)習(xí)專業(yè)技術(shù)中的核心概念、原理或者方法;即使學(xué)生經(jīng)提出問題、自主分析、直至實(shí)證、表達(dá)的全過程,最終內(nèi)化為內(nèi)在的理性認(rèn)知與能力?;陧?xiàng)目的探究式學(xué)習(xí)是以項(xiàng)目為載體,通過提出問題、相關(guān)資料查詢與分析、推測(cè)和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、尋求證實(shí)、信息和數(shù)據(jù)處理以及結(jié)論與表達(dá)七個(gè)步驟,達(dá)到CDIO能力培養(yǎng)目標(biāo)。
1.營(yíng)造探究環(huán)境
研究表明,在真正情境中發(fā)生的學(xué)習(xí)最有效。教學(xué)設(shè)計(jì)者營(yíng)造的情景越真實(shí),使學(xué)生能夠設(shè)計(jì)和回答一個(gè)對(duì)自己和社會(huì)都有意義的問題時(shí),他們才能意識(shí)到科學(xué)在解決重要問題時(shí)的方式和意義。針對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)的核心內(nèi)容(掌握桿件結(jié)構(gòu)的組成規(guī)律、受力性能、計(jì)算原理和計(jì)算方法),課程設(shè)置以下探究目標(biāo):結(jié)構(gòu)計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)間的關(guān)系,對(duì)假設(shè)和誤差的評(píng)估;結(jié)構(gòu)抗力的統(tǒng)計(jì)性;內(nèi)力計(jì)算及其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用;工程科學(xué)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)探索。
2.驅(qū)動(dòng)問題的設(shè)置
項(xiàng)目設(shè)計(jì)者應(yīng)該幫助學(xué)生了解驅(qū)動(dòng)問題的重要性。驅(qū)動(dòng)問題能夠幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到項(xiàng)目的定位和目標(biāo)。結(jié)構(gòu)大賽的驅(qū)動(dòng)問題不能僅僅是建造承載力最高的結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)問題用來(lái)組織并推動(dòng)項(xiàng)目的活動(dòng),提供一種情景以便學(xué)生可以探究學(xué)習(xí)的目的和進(jìn)行科學(xué)實(shí)踐,使得整個(gè)項(xiàng)目活動(dòng)一致連貫。基于CDIO培養(yǎng)目標(biāo),基于項(xiàng)目的探究式學(xué)習(xí)在準(zhǔn)備階段和競(jìng)賽階段設(shè)置了明確而細(xì)化的驅(qū)動(dòng)問題,見表2。
表2#8194;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽中的驅(qū)動(dòng)問題清單
階段點(diǎn)問題CDIO培養(yǎng)目標(biāo)
準(zhǔn)備
階段問題1:本階段的目標(biāo)是什么?列出已知條件、困難、關(guān)鍵問題2.3.
問題2:拉壓破壞的主要區(qū)別是什么?影響承壓能力的主要因素是可控因素還是不可控因素?2.3.1, 2.3.2
問題3:如何在實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)這些因素?2.2.1, 2.2.2, 2.2.3
問題4:如何在結(jié)果中體現(xiàn)這些因素?2.3.1, 2.3.2
問題5:因素的影響確定嗎?如果不確定,如何消除
(減?。┎淮_定因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響?2.1.3
競(jìng)賽
階段問題1:你們所面臨的問題是什么?解決的思路是怎樣的?2.1.1
問題2:設(shè)計(jì)中是如何確定結(jié)構(gòu)的體系和形式?有沒有不同方案的對(duì)比?2.1.2, 4.1.1
問題3:是否考慮了結(jié)構(gòu)的整體和局部?jī)?yōu)化?2.3
問題4:團(tuán)隊(duì)中每個(gè)人的職責(zé)是否明確?如何保證合作能夠順利進(jìn)行?具體計(jì)劃是什么?如果合作過程中出現(xiàn)了問題,怎么解決?2.4.6, 3.1, 3.2
問題5:團(tuán)隊(duì)采用什么樣的方式交流?交流的效果如何?如何記錄你們的交流情況?2.4.6, 3.3.2
三、學(xué)習(xí)效果評(píng)估
知識(shí)的評(píng)估可以通過競(jìng)賽的結(jié)果獲得,能力的評(píng)估卻不可以和競(jìng)賽結(jié)果直接掛鉤。學(xué)生的能力評(píng)估一直是教學(xué)改革的難點(diǎn)。由于前期采用了細(xì)化的、可測(cè)評(píng)的CDIO四級(jí)大綱加水準(zhǔn)作為預(yù)期的結(jié)果,為學(xué)生能力評(píng)估提供了標(biāo)準(zhǔn),加上項(xiàng)目設(shè)計(jì)中對(duì)評(píng)估文件進(jìn)行了專門的設(shè)計(jì),使準(zhǔn)確測(cè)評(píng)學(xué)生能力成為可能。學(xué)生在大賽前需要提交準(zhǔn)備階段報(bào)告,在競(jìng)賽后需要提交競(jìng)賽階段報(bào)告。對(duì)準(zhǔn)備階段和競(jìng)賽階段的報(bào)告設(shè)置相應(yīng)的要求(見表3),用以評(píng)估學(xué)生的能力狀況。
表3#8194;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽中的評(píng)估文件要求清單
階段點(diǎn)具體要求CDIO培養(yǎng)目標(biāo)
準(zhǔn)備
階段
報(bào)告內(nèi)容要求1:實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.1.1
內(nèi)容要求2:實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2.3
內(nèi)容要求3:實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2.1.3
內(nèi)容要求4:實(shí)驗(yàn)過程2.2.1, 2.2.2, 2.2.3
內(nèi)容要求5:數(shù)據(jù)采集2.1.3
內(nèi)容要求6:數(shù)據(jù)整理2.2.4
內(nèi)容要求7:數(shù)據(jù)誤差與可靠性分析2.2.4
內(nèi)容要求8:實(shí)驗(yàn)結(jié)果表達(dá)2.2, 2.3.3, 3.2,
競(jìng)賽
階段
報(bào)告內(nèi)容要求1:要達(dá)到什么目標(biāo)?基本要求是什么?追求的目標(biāo)是什么?2.1.1
內(nèi)容要求2:提出了幾種不同的結(jié)構(gòu)形式?4.1.1
內(nèi)容要求3:如何決定最終設(shè)計(jì)方案?2.4, 3.1, 3.2
內(nèi)容要求4:結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型、計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果1.3, 2.1.2
內(nèi)容要求5:結(jié)構(gòu)計(jì)算模型與真實(shí)結(jié)構(gòu)的區(qū)別在哪里?這樣的差異會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)果產(chǎn)生怎樣的影響(數(shù)量級(jí)估計(jì))?怎樣保證達(dá)到競(jìng)賽基本要求?2.1.3, 2.1.4
內(nèi)容要求6:設(shè)計(jì)破壞荷載是多少?破壞模式是什么?實(shí)際結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果分析2.1.5
四、反思
反思是使學(xué)生更易于進(jìn)入真實(shí)事件的一個(gè)重要部分,特別是基于項(xiàng)目的教學(xué)方法,需要預(yù)先計(jì)劃、實(shí)時(shí)監(jiān)控、過程評(píng)價(jià),并且要根據(jù)活動(dòng)的成果來(lái)重新制訂計(jì)劃。支持學(xué)生反思的最大困難是幫助他們理解反思的必要性。當(dāng)學(xué)生經(jīng)驗(yàn)局限于結(jié)構(gòu)化的任務(wù)時(shí),他們就沒有機(jī)會(huì)參與元認(rèn)知監(jiān)控和元認(rèn)知計(jì)劃。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中,通過對(duì)學(xué)生自評(píng)報(bào)告中反思問題的設(shè)計(jì),讓學(xué)生主動(dòng)進(jìn)行反思。學(xué)生的反思問題清單見表4。對(duì)于教師來(lái)說,教師對(duì)項(xiàng)目效果進(jìn)行反思,根據(jù)學(xué)生需求與反應(yīng)調(diào)整項(xiàng)目?jī)?nèi)容、項(xiàng)目實(shí)施策略,為下一周期的項(xiàng)目教學(xué)做好準(zhǔn)備。
表4#8194;學(xué)生的反思問題清單
階段點(diǎn)問題CDIO培養(yǎng)目標(biāo)
準(zhǔn)備
階段問題1:如何應(yīng)對(duì)試驗(yàn)中的挫折?2.4.1,2.4.2, 2.4.4
問題2:如何組建團(tuán)隊(duì)?3.2.1
問題3:有沒有體驗(yàn)到努力發(fā)現(xiàn)答案的激動(dòng)心情?2.3.3
問題4:準(zhǔn)備階段的重要性是什么?4.4
競(jìng)賽
階段問題1:競(jìng)賽結(jié)構(gòu)是否在預(yù)料之中? 2.1.3
問題2:成功或失敗的原因是什么?2.3.1, 2.3.2
問題3:如果可以,將對(duì)結(jié)構(gòu)做哪些改進(jìn)?2.1.5
問題4:你的設(shè)計(jì)有何創(chuàng)新之處?2.4.3
問題4:通過項(xiàng)目學(xué)到了什么,如何將這些知識(shí)概括應(yīng)用到其他項(xiàng)目中?4.4.3
五、結(jié)論
基于CDIO工程培養(yǎng)目標(biāo),通過建立能力目標(biāo)矩陣、創(chuàng)設(shè)探究情景、細(xì)化驅(qū)動(dòng)問題、設(shè)計(jì)評(píng)估文件以及反思問題,改革了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽。基于項(xiàng)目的探究式學(xué)習(xí)活動(dòng)改變了過去項(xiàng)目設(shè)計(jì)中學(xué)生盲目參賽的狀況,形成了學(xué)生在CDIO培養(yǎng)目標(biāo)指引下主動(dòng)探究的方式,調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性,提升學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力。學(xué)生依據(jù)項(xiàng)目的要求查找自己所需的各類資料,自我主導(dǎo)實(shí)施過程,變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí),有效地激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。此外在項(xiàng)目的實(shí)施過程中,學(xué)生鍛煉了項(xiàng)目管理能力、溝通能力與交流能力,為今后的工作打下了良好的基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn):
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注:喻瑩為本文通訊作者。
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