趙偉華,董 黎,林 菲,劉 真
(1. 杭州電子科技大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院,浙江 杭州 310018;2. 杭州電子科技大學(xué) 圖書館,浙江 杭州 310018)
2016年6月,中國成為《華盛頓協(xié)議》正式會員,表明我國工程教育質(zhì)量已被國際認(rèn)可。工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的工程教育質(zhì)量保障制度,其核心理念是:成果導(dǎo)向、以學(xué)生為中心、持續(xù)改進(jìn)。傳統(tǒng)的課程教學(xué)模式已經(jīng)不能滿足工程教育認(rèn)證的要求,比如課程目標(biāo)不夠明確、不容易評價,課程教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法不足以支撐課程目標(biāo)的能力達(dá)成,考核方式不能有效評價課程目標(biāo)的達(dá)成情況等。操作系統(tǒng)是計算機(jī)類專業(yè)的核心課程,概念多、原理性強(qiáng),為提高教學(xué)效果,培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力,課程設(shè)置了獨立的操作系統(tǒng)課程實踐環(huán)節(jié)。近幾年,我們將工程認(rèn)證的核心理念引入課程實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)改革中,以成果導(dǎo)向教學(xué)設(shè)計,基于學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果評價教學(xué)質(zhì)量,以PDCA循環(huán)機(jī)制開展課程教學(xué)的持續(xù)改進(jìn),促進(jìn)了課程教學(xué)質(zhì)量的螺旋式提高。
“成果導(dǎo)向、以學(xué)生為中心、持續(xù)改進(jìn)”是工程認(rèn)證的核心理念,基于此,在設(shè)計課程教學(xué)時,首先應(yīng)依據(jù)社會與行業(yè)需求、學(xué)校的辦學(xué)定位以及學(xué)生的發(fā)展期望反向設(shè)計專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求及指標(biāo)點、課程體系;然后再根據(jù)課程對指標(biāo)點的支撐情況進(jìn)行具體的課程教學(xué)設(shè)計,包括課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段與方法、考核方式等;在課程教學(xué)實施完成后,應(yīng)采用合理的評價機(jī)制有效評價課程教學(xué)質(zhì)量,及時反饋評價結(jié)果,并依據(jù)評價結(jié)果制定切實可行的改進(jìn)方案,持續(xù)改進(jìn)課程教學(xué),提高課程教學(xué)質(zhì)量。基于工程認(rèn)證的課程教學(xué)改革的總體思路如圖1所示。
圖1 課程教學(xué)改革總體思路
我校計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)以及軟件工程專業(yè)按照教育部工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會頒布的《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)(2014)》設(shè)置了12項畢業(yè)要求,并進(jìn)一步分解為33個指標(biāo)點。根據(jù)成果導(dǎo)向的反向設(shè)計原則,首先要確定課程對專業(yè)畢業(yè)要求指標(biāo)點的支撐,經(jīng)深入分析后確定操作系統(tǒng)課程實踐需支撐6個指標(biāo)點的能力培養(yǎng)。在此基礎(chǔ)上確定課程教學(xué)目標(biāo),目標(biāo)的描述必須明確、具體、可測量,這是有效進(jìn)行達(dá)成度評價并進(jìn)而指導(dǎo)課程教學(xué)持續(xù)改進(jìn)的前提[1-4]。為此,操作系統(tǒng)課程目標(biāo)設(shè)置結(jié)果如圖2所示。
圖2中6個課程目標(biāo),可概括為培養(yǎng)學(xué)生4方面的能力:分析、解決復(fù)雜工程問題的能力;溝通交流能力;創(chuàng)新意識;團(tuán)隊協(xié)作能力。因此,課程的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)模式必須能有效培養(yǎng)學(xué)生的這些能力,服務(wù)于課程目標(biāo)的實現(xiàn);課程的考核方式必須能有效評價學(xué)生這些能力的達(dá)成情況,服務(wù)于課程教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)。
為培養(yǎng)學(xué)生分析、解決復(fù)雜工程問題的能力及創(chuàng)新意識,在設(shè)計實驗項目時,應(yīng)充分考慮項目的綜合性、分析性與設(shè)計性,讓學(xué)生必須綜合應(yīng)用多方面的知識與技術(shù),運用操作系統(tǒng)原理機(jī)制深入分析,才能得到合格的項目結(jié)果。同時,項目要有一定的開放性,給學(xué)生留出足夠的擴(kuò)展與創(chuàng)新空間,以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。為此,根據(jù)我校學(xué)生實際情況設(shè)置了從簡單到復(fù)雜、從小規(guī)模到大規(guī)模、循序漸進(jìn)的操作型、驗證型、應(yīng)用型、設(shè)計型四個層次的實驗項目[5],其內(nèi)容及對課程目標(biāo)的支撐情況見表1。
圖2 基于專業(yè)畢業(yè)要求指標(biāo)點的課程目標(biāo)
表1 教學(xué)內(nèi)容對課程目標(biāo)的支撐情況
工程教育的基本定位是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。關(guān)于復(fù)雜工程問題,《華盛頓協(xié)議》給出了7個特征,其中第1項是必修的,其余6項是可選的,包括:①必須運用深入的工程原理進(jìn)行分析才可能解決;②需求涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素,并可能相互有一定沖突;③需要通過建立合適的抽象模型才能解決,在建模過程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性;④不是僅靠常用方法就可以完全解決的;⑤問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中;⑥問題相關(guān)各方利益不完全一致;⑦具有較高的綜合性,包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題[1,6]。對于操作系統(tǒng)這樣的核心專業(yè)課來說,實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中必須至少有部分實驗項目具備復(fù)雜工程問題的特征,以設(shè)計性實驗項目“簡單文件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)”為例,該項目要求設(shè)計一個基于多級目錄結(jié)構(gòu)的、建立在虛擬磁盤上的文件系統(tǒng),涉及的工程原理有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的隊列、樹等相關(guān)知識,磁盤設(shè)備的特點,文件系統(tǒng)原理知識,C語言編程能力與算法性能分析能力等。學(xué)生需要運用多方面知識深入分析,才能設(shè)計出滿足基本要求的軟件系統(tǒng)。同時本實驗也留有較大的擴(kuò)展空間,學(xué)生可以充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造性,設(shè)計出更好的算法及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),得到一個效率更高、用戶界面更友好的文件系統(tǒng),培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力及創(chuàng)新意識。
在以促進(jìn)學(xué)生能力發(fā)展為目標(biāo)的多維度、綜合性的人才培養(yǎng)體系下,溝通、工程社會觀、倫理道德、社會責(zé)任感、職業(yè)規(guī)范、團(tuán)隊協(xié)作、終身學(xué)習(xí)能力等非技術(shù)性能力的培養(yǎng),并不能僅僅通過知識點學(xué)習(xí)來有效達(dá)成,要更多地從教學(xué)方法與手段、教學(xué)組織形式等教學(xué)模式的實施過程獲得。
傳統(tǒng)的教學(xué)方法是以教師為中心,關(guān)注教什么、怎么教、教得怎么樣,這樣的教學(xué)模式是單向的信息傳遞,學(xué)生是被動的接受者,不利于學(xué)生主動地進(jìn)行創(chuàng)造性學(xué)習(xí),因此必須改革。以學(xué)生為中心,關(guān)注的是學(xué)什么、怎么學(xué)、學(xué)的怎么樣,教師的角色是學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者和組織者,其作用更重要的是為學(xué)生提供有效的學(xué)習(xí)途徑、學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)環(huán)境,這種自主式探究學(xué)習(xí)是能力發(fā)展的最有效途徑。
根據(jù)課程的教學(xué)目標(biāo)及實驗內(nèi)容的難易程度,在教學(xué)設(shè)施過程中采用了多種教學(xué)模式,具體說明如下:
1)引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。
工程認(rèn)證的“以學(xué)生為中心”理念,認(rèn)為只要為學(xué)生提供合適的條件,所有學(xué)生都能學(xué)習(xí)成功,但并不是所有學(xué)生都是以相同的方法、速度來學(xué)習(xí)的。事實上,在同一個教學(xué)班中,學(xué)生的知識基礎(chǔ)、編程能力及學(xué)習(xí)能力通常存在差異,要求所有學(xué)生按同樣的進(jìn)度完成所有實驗項目是很難實現(xiàn)的,因此教師必須為學(xué)生提供更靈活的學(xué)習(xí)時間及資源以滿足學(xué)生的個體差異需要。翻轉(zhuǎn)課堂理念使教學(xué)活動由“以教導(dǎo)學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)定教”,促進(jìn)了課內(nèi)、課外學(xué)習(xí)的密切結(jié)合,使學(xué)生能夠根據(jù)自身情況自主規(guī)劃學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)節(jié)奏,學(xué)習(xí)活動由課內(nèi)向課外延伸,課內(nèi)課外有機(jī)結(jié)合。
為配合翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的順利實施,首先需要建設(shè)相關(guān)教學(xué)資源,最主要的是教學(xué)微視頻的制作。分別依據(jù)每個實驗項目的特點,如涉及知識點的數(shù)量、綜合性的高低等,將其拆解為若干相對獨立的部分,如項目任務(wù)要求、背景知識介紹、擴(kuò)展知識推薦、主要功能模塊的劃分及建議設(shè)計思路等,再錄制成教學(xué)微視頻,每個視頻盡量控制在 5~10分鐘。然后,我們借助浙江省高等學(xué)校在線開放課程共享平臺,建設(shè)翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)環(huán)境,包括所有的教學(xué)微視頻、課件、擴(kuò)展閱讀資料、課程教學(xué)大綱、教學(xué)計劃、考核評價方式、設(shè)計報告模板等。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)實施方法設(shè)計如下:
(1)課前在線學(xué)習(xí)和項目編程實現(xiàn)。教師在開學(xué)初按照操作系統(tǒng)原理課程的教學(xué)安排制定課程實踐的教學(xué)計劃,詳細(xì)說明每個實驗項目的截止驗收時間,并上傳到網(wǎng)絡(luò)平臺上。學(xué)生可根據(jù)原理知識學(xué)習(xí)進(jìn)度、自身學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)任務(wù)的繁忙程度等,利用各種移動終端設(shè)備,自行安排視頻學(xué)習(xí)時間和地點,自主選擇學(xué)習(xí)擴(kuò)展資料,遇到問題發(fā)起在線師生討論。由于課內(nèi)實驗時間有限,因此項目的設(shè)計及編程實現(xiàn)工作主要在課外進(jìn)行,以給予學(xué)生更充足和更自由的項目實現(xiàn)時間安排。課前的自主學(xué)習(xí)也培養(yǎng)了學(xué)生的終身學(xué)習(xí)意識和能力。
(2)課中指導(dǎo)、討論與項目驗收。課堂上機(jī)過程中,教師的主要工作是引導(dǎo)、答疑、與學(xué)生討論、項目驗收等。學(xué)生將課前視頻學(xué)習(xí)、項目設(shè)計與編程實現(xiàn)中遇到的問題帶到課堂中與老師或其他同學(xué)進(jìn)行討論和分析,教師還可根據(jù)每個學(xué)生或小組項目的具體實現(xiàn)情況分別給予針對性的指導(dǎo)和改進(jìn)建議,引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生用新思路、新方法去解決所遇到的問題,培養(yǎng)學(xué)生對現(xiàn)有知識進(jìn)行思考、質(zhì)疑、靈活運用、創(chuàng)新改造的意識和能力[2],真正實現(xiàn)因材施教,滿足學(xué)生個性化學(xué)習(xí)的需要。
(3)課后學(xué)生改進(jìn)項目實現(xiàn)質(zhì)量,完成課程設(shè)計報告。課堂上機(jī)結(jié)束后,學(xué)生根據(jù)討論情況改進(jìn)項目設(shè)計與實現(xiàn),提高項目實現(xiàn)質(zhì)量,如界面設(shè)計、性能優(yōu)化等。撰寫課程設(shè)計報告,報告內(nèi)容應(yīng)包括:總體設(shè)計方案的思路、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法設(shè)計、模塊接口設(shè)計等的詳細(xì)說明,程序運行結(jié)果的分析,項目實現(xiàn)過程中遇到的問題及所采用的解決辦法,項目的創(chuàng)新點說明,閱讀的參考文獻(xiàn),項目的進(jìn)一步改進(jìn)思路,等等。課程設(shè)計報告的完成,有助于培養(yǎng)學(xué)生的實驗結(jié)果分析能力、文檔撰寫能力、文字表達(dá)能力等。
2)個人獨立完成、同伴互教與小組協(xié)作完成相結(jié)合。
對操作型實驗、Linux中添加系統(tǒng)調(diào)用及內(nèi)核模塊,代碼量少,難度較低,因此要求個人獨立完成;對代碼量較大的Linux進(jìn)程通信程序及簡單文件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn),采用小組協(xié)作方式進(jìn)行:以小組討論方式完成總體方案及模塊接口的設(shè)計,依據(jù)項目設(shè)計分成若干功能模塊,每個成員完成其中的一部分;同時采用“同伴互教法”[7-8],要求每個成員將其完成內(nèi)容的設(shè)計思路、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、代碼具體實現(xiàn)等詳細(xì)教會給小組其他成員,這樣做的目的有二:一是保證每個成員都能全面理解整個項目的實現(xiàn)思路及方法,培養(yǎng)系統(tǒng)化分析問題的能力;二是成員在相互講解、討論過程中,更能發(fā)現(xiàn)自己設(shè)計中存在的問題,即所謂的“教學(xué)相長”;最后需將各成員完成的模塊集成為一個統(tǒng)一的可執(zhí)行程序。在這個過程中,既培養(yǎng)學(xué)生對復(fù)雜問題的獨立分析及解決能力,又培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力,使得學(xué)生能夠在團(tuán)隊合作中承擔(dān)個體、團(tuán)隊成員及負(fù)責(zé)人的角色;此外,學(xué)生在完成項目過程中,能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識應(yīng)用到方案設(shè)計及編程實現(xiàn)中,并進(jìn)一步嘗試改進(jìn)性能,培養(yǎng)創(chuàng)新思維。
3)項目上機(jī)驗收。
對每個學(xué)生進(jìn)行上機(jī)驗收工作,教師可針對項目的解決方案設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法設(shè)計、編程實現(xiàn)細(xì)節(jié)、程序運行結(jié)果分析等多個方面提出問題,由學(xué)生現(xiàn)場解釋說明。該教學(xué)環(huán)節(jié)能夠培養(yǎng)學(xué)生的溝通交流能力,包括就復(fù)雜工程問題陳述發(fā)言、清晰表達(dá)或回應(yīng)指令的能力。同時因為現(xiàn)場驗收,也促使學(xué)生在項目實現(xiàn)過程中投入更多精力,提高實際動手能力及解決問題的能力。
依據(jù)本課程所需達(dá)成的教學(xué)目標(biāo),采用形成性評價與終結(jié)性評價相結(jié)合的方法,注重學(xué)習(xí)的全過程和評價的多元性,實行以能力為中心、以過程為重點的開放式、全程化考核。工程教育認(rèn)證強(qiáng)調(diào)以學(xué)生個人能力發(fā)展為中心,其評價關(guān)注的是自我比較,而不是學(xué)生之間的比較。因此評價時不能設(shè)置各成績等級的比例,而是根據(jù)課程目標(biāo)明確給出每項評價內(nèi)容(對應(yīng)相關(guān)能力要求)的評價標(biāo)準(zhǔn),依據(jù)每個學(xué)生的能力達(dá)成程度,給予從“不熟練”到“優(yōu)秀”不同的評定等級。實施評價時要充分尊重個體差異,允許學(xué)生“多次評價、先后達(dá)標(biāo)”,使考核評價體現(xiàn)學(xué)生發(fā)展的獨特性。
做好評價設(shè)計是成功實施評價的關(guān)鍵,包括評價目標(biāo)、評價內(nèi)容及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、評價方式等。具體設(shè)計見表2。
表2 操作系統(tǒng)課程實踐考核評價設(shè)計表
為增加評價的科學(xué)性和規(guī)范性,對每項評價內(nèi)容,都制定了可測量的評價標(biāo)準(zhǔn),以項目驗收中的“項目質(zhì)量”及“回答問題”兩項內(nèi)容為例,制定的評價標(biāo)準(zhǔn)見表3。
表3 成績評價標(biāo)準(zhǔn)舉例
以學(xué)生為中心的學(xué)生評教指標(biāo)體系,要能體現(xiàn)基本的高校教學(xué)原則,能對教師的具體教學(xué)狀況、學(xué)生的真實學(xué)習(xí)情況及學(xué)習(xí)效果作出評價,能表現(xiàn)出“教師激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)和充分發(fā)揮學(xué)生個體主觀能動性”的特征,具體設(shè)置情況見表4[9-11]。
學(xué)生評教工作通常是在期末課程即將結(jié)束時進(jìn)行,這是終結(jié)性評價,評價結(jié)果不能用于當(dāng)前學(xué)期課程教學(xué)的及時改進(jìn),存在“重結(jié)果、輕過程;重評價、輕診斷”的問題。為此,在進(jìn)行期中教學(xué)檢查時,增加課程中期學(xué)習(xí)調(diào)查,由課程組具體實施,加強(qiáng)形成性評價,對各教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行實時質(zhì)量監(jiān)控,及時調(diào)整和改進(jìn)教學(xué)過程,通過“評價診斷→信息反饋→修正改進(jìn)→提高質(zhì)量”幾個階段的工作,逐步提升教學(xué)質(zhì)量。
所謂課程目標(biāo)達(dá)成度是指教師根據(jù)課程目標(biāo)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等)且實施后,學(xué)生通過本課程學(xué)習(xí)所獲得能力達(dá)到課程目標(biāo)的程度。要獲得有效的評價結(jié)果,做好評價設(shè)計是關(guān)鍵,包括依據(jù)課程目標(biāo)設(shè)計評價依據(jù)、評價標(biāo)準(zhǔn)、計算方法等。具體操作思路是:
1)使用所有學(xué)生(含不及格)的平均成績計算。
表4 學(xué)生評教指標(biāo)體系
2)為保證考核的全面性和可靠性,要求對每個課程目標(biāo)選擇兩個及以上考核項目進(jìn)行支撐計算。
3)各考核項目對某個課程目標(biāo)的支撐權(quán)重,由課程組及教師根據(jù)授課情況靈活設(shè)計。
4)課程目標(biāo)達(dá)成度計算方法:
(1)確定對課程目標(biāo)達(dá)成有支撐的考核項目,可以是(且不僅限于):項目實現(xiàn)質(zhì)量、項目驗收回答問題質(zhì)量、實驗結(jié)果分析質(zhì)量、項目實現(xiàn)的創(chuàng)新性、課程設(shè)計報告撰寫質(zhì)量、文獻(xiàn)閱讀情況、小組分工合理性、上機(jī)考勤等。
(2)確定各個考核項目對課程目標(biāo)的支撐權(quán)重,權(quán)重之和為1。
(3)根據(jù)學(xué)生各個考核項目的平均得分率(0~1之間,含不及格學(xué)生),與其支撐權(quán)重進(jìn)行加權(quán)求和,即得到課程目標(biāo)的達(dá)成度評價值。
根據(jù)操作系統(tǒng)實踐環(huán)節(jié)本身的特點,各課程目標(biāo)達(dá)成度的評價依據(jù)及計算方法見表5。
表5 課程目標(biāo)的評價內(nèi)容及評價依據(jù)設(shè)置
PDCA是英語單詞plan(計劃)、do(執(zhí)行)、check(檢查)和 action(處理)的第一個字母,PDCA循環(huán)是全面質(zhì)量管理所應(yīng)遵循的工作步驟[12]。將PDCA循環(huán)機(jī)制應(yīng)用于操作系統(tǒng)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的質(zhì)量監(jiān)控與持續(xù)改進(jìn),以學(xué)生為中心,層層遞進(jìn),每次循環(huán)中發(fā)現(xiàn)的問題是下一次課程教學(xué)設(shè)計及實施中的重點改進(jìn)內(nèi)容,通過總結(jié)整改,使課程教學(xué)質(zhì)量螺旋式改進(jìn),如圖3所示。
圖3 基于PDCA循環(huán)機(jī)制實施課程教學(xué)及持續(xù)改進(jìn)
課程經(jīng)過近三年的改革研究與實踐,促進(jìn)了教學(xué)質(zhì)量的提高,表 6是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 2014—2016級三個教學(xué)班的課程目標(biāo)達(dá)成度,表7是對應(yīng)三個學(xué)期課程組教師的學(xué)生評教的平均統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
表6 2014—2016級計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程目標(biāo)達(dá)成度
表7 最近三個學(xué)期課程組教師學(xué)生評教的平均統(tǒng)計數(shù)據(jù)
從上述各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出,在實驗項目難度及驗收要求相差不大的情況下,依據(jù)既定評價機(jī)制得到的課程目標(biāo)達(dá)成度逐年提高,學(xué)生對教師的評價及滿意度也是逐步提高。
在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下,將其核心理念貫徹到操作系統(tǒng)課程實踐教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中,以成果為導(dǎo)向,以學(xué)生為中心,引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)。教學(xué)實踐證明,課程的教學(xué)改革提高了課程教學(xué)質(zhì)量,對培養(yǎng)學(xué)生復(fù)雜問題的分析與解決能力、團(tuán)隊協(xié)作能力及創(chuàng)新意識具有重要意義。