工程教育認證下自動化專業(yè)實踐類課程改革

李 擎, 崔家瑞, 閻 群, 楊 旭,董 潔， 李春雷

(北京科技大學 自動化學院, 北京 100083)

工程教育認證下自動化專業(yè)實踐類課程改革

李 擎, 崔家瑞, 閻 群, 楊 旭,董 潔， 李春雷

(北京科技大學 自動化學院, 北京 100083)

為了大力提升學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力,培養(yǎng)滿足我國現(xiàn)代化建設(shè)需要和具有自動化專業(yè)特色的高水平工程技術(shù)人才,基于OBE工程教育理念,充分借鑒CDIO工程教育模式,結(jié)合國際工程教育改革、工程教育認證發(fā)展趨勢與自動化專業(yè)的人才培養(yǎng)目標及專業(yè)特色,優(yōu)化了自動化專業(yè)畢業(yè)生對實踐與創(chuàng)新能力的要求,根據(jù)畢業(yè)要求深度,提出了基于CDIO教育模式的工程認證能力培養(yǎng)方法,切實加強了實踐環(huán)節(jié)設(shè)置的針對性和科學性,提高了人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

工程教育認證； 實踐教學； 成果導向教育

我國在工程實踐教育層面開展了“卓越工程師培養(yǎng)計劃”和CDIO(構(gòu)思conceive、設(shè)計design、實施implement、運行operate)工程教育。“卓越工程師培養(yǎng)計劃”[1]的培養(yǎng)目標是面向工業(yè)界、面向世界、面向未來,培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才,為建設(shè)創(chuàng)新型國家、實現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化奠定堅實的人力資源優(yōu)勢，增強我國的核心競爭力和綜合國力。CDIO工程教育模式[2-5]以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體,讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程,培養(yǎng)學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。為了迎接新工業(yè)革命對高等工程教育的挑戰(zhàn),同時為了適應(yīng)由于公共問責制的興起、人們更加關(guān)注教育投入的回報與實際產(chǎn)出的現(xiàn)實需要,成果導向教育(outcome-based education,OBE)[6-8]已在美國、英國、加拿大等國家成為了教育改革的主流理念?；贠BE工程教育理念,充分借鑒CDIO工程教育模式,結(jié)合國際工程教育改革、工程教育認證[9-11]發(fā)展趨勢與自動化專業(yè)的人才培養(yǎng)目標及專業(yè)特色,優(yōu)化自動化專業(yè)畢業(yè)生對實踐與創(chuàng)新能力的要求,根據(jù)畢業(yè)要求深度改革現(xiàn)有實踐課程教學方法、調(diào)整或重新設(shè)計實踐課程體系和內(nèi)容,切實加強實踐環(huán)節(jié)設(shè)置的針對性和科學性。

1 成果導向教育(OBE)

OBE是指教學設(shè)計和教學實施的目標是學生取得的學習成果。OBE評價體系的關(guān)鍵步驟見圖1。

圖1 OBE評價體系的關(guān)鍵步驟

教學設(shè)計采用反向設(shè)計法進行,反向設(shè)計法是指根據(jù)培養(yǎng)目標設(shè)計畢業(yè)要求,在畢業(yè)要求的基礎(chǔ)上設(shè)計課程大綱和課程內(nèi)容。教學實施是采用以學生為中心的正向?qū)嵤┑倪^程,通過過程的學習達到設(shè)定的畢業(yè)要求和培養(yǎng)目標。課程評價則是持續(xù)改進的過程,即通過學生的學習效果調(diào)整課程大綱和課程內(nèi)容,直到能夠使學生達到預定的要求。OBE強調(diào)4個問題:

(1) 想讓學生取得的學習成果是什么？

(2) 為什么要讓學生取得這樣的學習成果？

(3) 如何有效地幫助學生取得這些學習成果？

(4) 如何知道學生已經(jīng)取得了這些學習成果？

OBE衡量學生能做什么,而不是學生知道什么,前者是傳統(tǒng)教育無法做到的。例如,傳統(tǒng)教育衡量學生的常用方法是,從幾個給定答案中選擇出一個正確答案。這種方法往往只能測試出學生的記憶力,而不能讓學生展示出他們學會了什么。也就是說,重要的是理解而不是記憶。對內(nèi)容的理解所體現(xiàn)的認知能力比對內(nèi)容的記憶所體現(xiàn)的記憶能力重要得多。OBE要求學生將掌握內(nèi)容的方式,從解決有固定答案問題的能力拓展到解決開放問題的能力。OBE要求學生通過具有挑戰(zhàn)性的任務(wù),例如提出項目建議、完成項目策劃、開展案例研究和進行口頭報告等,來展示他們的能力。這樣的任務(wù),能讓學生展示思考、質(zhì)疑、研究、決定和呈現(xiàn)的能力。因此,OBE是將學生置于發(fā)展他們的設(shè)計能力到完成一個完整過程的環(huán)境之中。OBE更加關(guān)注高階能力,這種能力可以通過以團隊的形式完成某些比較復雜的任務(wù)來獲得。

2 能力子指標與匹配矩陣的優(yōu)化

首先,根據(jù)自動化辦學定位,將相關(guān)利益群體對于現(xiàn)代工程師所必備的知識、能力和素質(zhì)等進行系統(tǒng)分解,構(gòu)成畢業(yè)生可操作、可觀察和可評測的實踐與創(chuàng)新能力預期學習結(jié)果,并依照著名教育學家布魯姆教育目標分類法來確定畢業(yè)生在各細化條目上的掌握水平。

然后,圍繞自動化專業(yè)的預期畢業(yè)要求能力,逆向設(shè)計各門實踐課程,明確各門實踐課程對于實現(xiàn)預期畢業(yè)要求能力的貢獻及程度。以“自動化生產(chǎn)線實訓課程”為例,對預期畢業(yè)要求能力的貢獻見表1。

表1 “自動化生產(chǎn)線實訓”對預期畢業(yè)要求能力貢獻度

最后,在確定課程對預期畢業(yè)要求能力的貢獻度的基礎(chǔ)上,建立如表2所示的能力匹配矩陣。

3 基于CDIO教育模式的工程認證能力培養(yǎng)

結(jié)合CDIO教育模式的構(gòu)思、設(shè)計、實施和運行4個過程,正向?qū)嵤嶒瀸嵺`教學各個環(huán)節(jié),并融入OBE的評價原則。

3.1 構(gòu)思階段(conceive)

在構(gòu)思階段,學生主要完成項目的需求分析,教師根據(jù)具體的項目,提出項目需求,然后,有學生通過文獻檢索、小組討論等形式,完成“項目需求分析報告”,并制作PPT進行需求分析報告會；教師對學生的“項目需求分析報告”進行點評,指出報告中的問題,學生根據(jù)教師點評,修改報告,并撰寫“項目需求分析心得體會”；只有教師點評合格的項目需求分析報告才能進入下一階段,不合格的需要繼續(xù)改進,直到通過為止。該階段教師與學生的交互流程如圖2所示。

3.2 設(shè)計階段(design)

在設(shè)計階段,學生主要根據(jù)在構(gòu)思階段完成的項目需求分析,通過查閱技術(shù)資料、文獻、視頻、慕課等教學科研相關(guān)的資源,設(shè)計項目總體方案,包括系統(tǒng)硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、算法設(shè)計等,在設(shè)計過程中,需要考慮工藝、結(jié)構(gòu)、安裝等方面的要求,撰寫“項目詳細設(shè)計報告”。教師在該階段提供相關(guān)技術(shù)支持,包括問題解答、項目建議及提供一些項目相關(guān)的資料等。

表2 “自動化生產(chǎn)線實訓課程”能力匹配矩陣

圖2 CDIO 構(gòu)思階段教師與學生的交互流程圖

學生完成方案設(shè)計后,教師和其他學生進行項目方案評審,評審通過后,教師提供和實施過程相關(guān)的技術(shù)資料,學生通過閱讀資料、網(wǎng)上預習平臺、教學視頻、慕課、公開課等學習,學習完成后,進行“項目實施必備知識測驗”,若通過測驗,則進入實施階段,若不通過,則給予3次機會,3次都不通過,則該項課程不合格。該階段教師與學生的交互流程如圖3所示。

圖3 CDIO 設(shè)計階段教師與學生的交互流程圖

3.3 實施階段(implement)

在實施階段,通過我院的實驗室開放政策和管理系統(tǒng),學生預約相關(guān)實驗,學生按預約實踐到實驗室進行現(xiàn)場實施,根據(jù)實驗室提供的相關(guān)器件和“項目詳細設(shè)計方案報告”完成項目的現(xiàn)場實施。在實施過程中,教師根據(jù)學生實施過程中的問題和結(jié)果對學生進行評價。以“自動化生產(chǎn)線實訓課程”為例,實施階段學生的工作主要包括以下幾個過程:

(1) 了解工藝流程。根據(jù)實驗室提供的器件和相關(guān)資料,了解相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的工藝流程。

(2) 硬件電路接線與測試。主要完成項目所需硬件的電氣連接,并利用相關(guān)儀表進行電氣特性測試。

(3) 軟件代碼仿真、下載與調(diào)試。對設(shè)計的軟件代碼進行硬件在環(huán)仿真,并下載的CPU并進行調(diào)試。

(4) 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計與系統(tǒng)級聯(lián)調(diào)。利用組態(tài)軟件,對項目進行聯(lián)合調(diào)試,測試相關(guān)功能(功能測試)。

(5) 項目方案優(yōu)化與調(diào)整。根據(jù)調(diào)試結(jié)果,進一步優(yōu)化方案,直到滿足設(shè)計指標為止。

(6) 撰寫“項目實施工作總結(jié)”,進入下一階段。

CDIO實施階段教師與學生的交互流程圖見圖4。

圖4 CDIO 實施階段教師與學生的交互流程圖

3.4 運行階段(operate)

在運行階段,教師將根據(jù)項目中可能出現(xiàn)的問題,驗證學生項目實施的可靠性和魯棒性,比如教師可以針對學生設(shè)計的系統(tǒng)增加一些擾動和一些異常數(shù)據(jù),檢驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。根據(jù)測試結(jié)果,讓學生現(xiàn)場優(yōu)化調(diào)整系統(tǒng),以滿足工業(yè)環(huán)境的應(yīng)用要求。完成上述工作后,需要撰寫“項目結(jié)題總結(jié)報告”,制作相關(guān)PPT,進行項目結(jié)題答辯。運行階段的流程見圖5。

圖5 CDIO 運行階段教師與學生的交互流程圖

4 持續(xù)改進

建立一種有效的持續(xù)改進機制,實現(xiàn)如下功能:能夠持續(xù)地改進畢業(yè)要求能力中關(guān)于實踐創(chuàng)新能力的子指標,以保障其始終與培養(yǎng)目標相符合；能夠持續(xù)地改進實驗實踐教學活動,以保障其始終與畢業(yè)要求能力子指標相符合。

建立持續(xù)改進體系,通過3個循環(huán)來實現(xiàn),即通過外循環(huán)持續(xù)改進培養(yǎng)目標、通過內(nèi)循環(huán)持續(xù)改進畢業(yè)要求能力子指標、通過成果循環(huán)持續(xù)改進實驗實踐教學活動。首先,評價畢業(yè)要求能力子指標是否與內(nèi)外需要相符合,如果不符合,就要改進畢業(yè)要求能力指標；然后,評價畢業(yè)要求能力子指標是否達成,如果沒有達成,就要改進實驗實踐教學活動。實驗實踐教學活動的改進包括實驗實踐課程體系及內(nèi)容、實驗實踐教學過程和評價等。

5 結(jié)語

(1) 基于OBE工程教育理念,結(jié)合國際工程教育改革、工程教育認證發(fā)展趨勢與自動化專業(yè)的人才培養(yǎng)目標及專業(yè)特色,優(yōu)化了自動化專業(yè)畢業(yè)生對實踐與創(chuàng)新能力的要求。

(2) 根據(jù)畢業(yè)要求深度,提出了基于CDIO教育模式的工程認證能力培養(yǎng)方法,切實加強了實踐環(huán)節(jié)設(shè)置的針對性和科學性,提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量。

References)

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[2] 凌芳,呂恬生,范成杰,等.以CDIO模式推進工程實踐教學改革[J].實驗室研究與探索,2010,29(10): 141-142.

[3] 張鳳娥,薛健飛,李定龍,等.CDIO工程人才培養(yǎng)模式的研究[J].實驗技術(shù)與管理,2010,27(12): 8-10.

[4] 薛健飛,鄒海燕,席海濤,等.基于CDIO-CMM的大學生實踐能力成熟度評估及其在工程素質(zhì)培養(yǎng)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2012,29(9):145-147+166.

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[7] 李志義,朱泓,劉志軍,等.用成果導向教育理念引導高等工程教育教學改革[J].高等工程教育,2014(2):29-34，70.

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[10] 支希哲,韓阿偉.高等工程教育專業(yè)認證的問題及對策[J].中國高?？萍?2015(4): 44-47.

[11] 余天佐,劉少雪.從外部評估轉(zhuǎn)向自我改進:美國工程教育專業(yè)認證標準EC2000的變革及啟示[J].高等工程教育,2014(6):28-34.

Reform of practical teaching courses for Automation major under engineering education accreditation

Li Qing, Cui Jiarui, Yan Qun, Yang Xu, Dong Jie, Li Chunlei

(School of Automation and Electrical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

The requirements of the ability about innovation and practice for the graduates are optimized based on the concept of OBE(Outcome-Based Education) engineering education. It is to enhance the ability of engineering practical and innovative ability of the undergraduates greatly and train to meet the needs of China’s modernization and automation, which should have high level of professional engineering and technical personnel characteristics. Then, the training method is proposed to fully draw CDIO(conceive, design, implement, operate) engineering education mode that combines international engineering education reform, engineering education accreditation trends, automation professional training objectives and professional characteristics based on authentication methods ability of CDIO education mode. It can effectively strengthen scientific settings and improve the quality of talent cultivation.

engineering education accreditation； practical teaching； outcome-based education

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.057

2016-05-16

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費實驗室專項(FRF-OT-012SY);北京高等學校教育教學改革面上項目(2014-ms028)；北京市視頻共建課項目；北京科技大學教育教學改革與研究重點項目(JG2014Z01,JG2015Z09)；北京科技大學教育教學改革項目(JG2014M30,JG2015Z09,JG2016M19)

李擎(1971—)，男，河北唐山，博士，教授，博士生導師，研究方向為智能控制理論及其應(yīng)用

崔家瑞(1982—)，男，山東微山，博士，高級工程師，研究方向為二維隨機系統(tǒng)及實驗實踐教學.

E-mail：cuijiarui@ustb.edu.cn

G642.0

: B

: 1002-4956(2016)12-0225-04