新工科背景下實踐類課程混合教學(xué)模式研究

閻 群，李 擎，崔家瑞，李希勝，楊 旭

（1.北京科技大學(xué) 自動化學(xué)院，北京 100083；2.北京科技大學(xué) 北京市工業(yè)波譜成像工程技術(shù)研究中心，北京 100083）

進入21世紀(jì)，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實、人工智能、區(qū)塊鏈等信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，對高等教育教學(xué)的變革產(chǎn)生了顛覆性影響。《國務(wù)院關(guān)于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見》中明確提出要通過互聯(lián)網(wǎng)推動教育資源共享、推廣網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)模式、加快高等教育服務(wù)模式變革[1]。高校實驗教學(xué)是學(xué)生實現(xiàn)理論知識升華的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和能力、合作精神和團隊意識的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)立德樹人、三全育人的重要方式和途徑[2-3]?；谛鹿た平ㄔO(shè)，面向中國制造2025，要將培養(yǎng)學(xué)生的工程思維、批判性思維、自主終身學(xué)習(xí)能力、團隊協(xié)作能力、跨學(xué)科交叉融合能力貫穿于實驗教學(xué)的全過程[4]。

北京科技大學(xué)自動化專業(yè)作為CDIO（conceive，design，implement，operation）國家級特色專業(yè)、卓越工程師培養(yǎng)計劃專業(yè)和“雙一流建設(shè)”的學(xué)科，于2015年和2018年順利通過兩輪工程教育專業(yè)認證，在實驗實踐類課程教學(xué)方面取得了比較豐碩的成果[5-6]?！白詣踊a(chǎn)線實訓(xùn)”是我校面向自動化專業(yè)高年級學(xué)生開設(shè)的一門綜合性的專業(yè)實驗課程，在培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力方面發(fā)揮了重要作用。但由于實驗室資源有限等原因，目前仍存在實驗學(xué)時有限、實驗項目拓展不夠、學(xué)生自主學(xué)習(xí)的監(jiān)控性不強、師生之間缺少交流平臺、現(xiàn)有教學(xué)模式無法滿足學(xué)生差異化訴求等問題。為此，以交叉跨界問題、綜合復(fù)雜問題和行業(yè)產(chǎn)業(yè)最新成果為導(dǎo)向，設(shè)計創(chuàng)新實驗教學(xué)項目，以學(xué)生為中心，結(jié)合CDIO-OODA工程教育理念與項目驅(qū)動教學(xué)方法，搭建基于 Moodle（modular object-oriented dynamic learning environment，模塊化面向?qū)ο蟮膭討B(tài)學(xué)習(xí)環(huán)境）的混合實驗教學(xué)平臺，強化實驗教學(xué)過程的管理與評價，探索線上、線下教學(xué)相結(jié)合的個性化、智能化、泛在化的混合實驗教學(xué)新模式，進而形成開放共享、教學(xué)效果良好的信息化實驗教學(xué)新體系。

1 混合實驗教學(xué)理念

混合教學(xué)的理論基礎(chǔ)包括建構(gòu)主義、結(jié)構(gòu)主義和人本主義等學(xué)習(xí)理論，主張教師根據(jù)課程以及學(xué)生的特點，綜合多種教學(xué)理論，在多種教學(xué)環(huán)境下，融合線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與線下傳統(tǒng)教學(xué)資源，采用多種教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)；學(xué)生采用多種方式進行學(xué)習(xí)，采取多種學(xué)習(xí)評價評估學(xué)習(xí)效果，實現(xiàn)學(xué)生高效學(xué)習(xí)[7]?；旌鲜浇虒W(xué)充分發(fā)揮了“線上”和“線下”、“課內(nèi)”和“課外”兩種教學(xué)的優(yōu)勢，形成具有針對性、可操作性，循序漸進的能力培養(yǎng)路徑。

Moodle是一個基于構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論的開源課程管理系統(tǒng)，集學(xué)習(xí)、活動、交流為一體，為教師和學(xué)生提供基于互聯(lián)網(wǎng)的在線學(xué)習(xí)環(huán)境，便于教師進行教學(xué)活動設(shè)計、教學(xué)資源管理、答疑、作業(yè)批改、學(xué)生實驗情況追蹤、學(xué)生能力提升指導(dǎo)等[7]。

在“以學(xué)生為中心”的框架下，我校自動化學(xué)院在“自動化生產(chǎn)線實訓(xùn)”課程中引入CDIO-OODA工程教育理念[4,6]和項目驅(qū)動[5]的實驗教學(xué)方法。CDIO從宏觀上將產(chǎn)品從研發(fā)到運行的生命周期分解為構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行四個過程，OODA（observer，orient，decide，act）又稱博依德循環(huán)，在微觀層面針對CDIO的每個過程采用觀察—確認—決策—執(zhí)行迭代循環(huán)執(zhí)行。CDIO-OODA工程教育理念重在培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題的思維方式和能力。項目驅(qū)動采用基于問題的教學(xué)模式，在項目中教師不斷地給學(xué)生“挖坑”，引導(dǎo)學(xué)生分析問題、學(xué)習(xí)解決問題所需的知識、一步一步地解決問題，激發(fā)學(xué)生積極思考、探索，感受創(chuàng)新的艱辛與樂趣，重視團隊協(xié)作能力。將CDIO-OODA工程教育理念與基于問題的項目驅(qū)動教學(xué)模式相融合，取長補短，充分發(fā)揮“教師引導(dǎo)、啟發(fā)下的學(xué)生主體”作用，使學(xué)生學(xué)習(xí)更加有的放矢，有效提升學(xué)生獲取知識及掌握知識應(yīng)用的能力。

“自動化生產(chǎn)線實訓(xùn)”實踐課程綜合性比較強，動手環(huán)節(jié)多、挑戰(zhàn)性強、知識系統(tǒng)龐雜、教學(xué)過程中涉及的實訓(xùn)設(shè)備種類也比較多，學(xué)生難免有畏難心理。將 Moodle平臺有效融入“自動化生產(chǎn)線實訓(xùn)”實驗教學(xué)中，充分利用 Moodle的網(wǎng)站管理、課程管理、學(xué)習(xí)管理功能，把傳統(tǒng)教學(xué)中的優(yōu)勢與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的優(yōu)勢相結(jié)合，建立網(wǎng)絡(luò)在線互動實驗教學(xué)平臺。便于教師及時提供更多的課內(nèi)及課外拓展學(xué)習(xí)資源，及時追蹤學(xué)生的實驗情況，及時指導(dǎo)學(xué)生在實驗過程中遇到的各種問題，及時評閱學(xué)生CDIO-OODA各階段提交的方案及報告。便于學(xué)生實時在線學(xué)習(xí)、留言、討論，開展學(xué)生小組間攻防學(xué)習(xí)模式。這種自主、探究、協(xié)作性的混合實驗教學(xué)模式，充分體現(xiàn)了教師引導(dǎo)、啟發(fā)下的以學(xué)生為中心，有利于大幅提高實驗教學(xué)效果。

2 混合實驗教學(xué)資源建設(shè)

實驗教學(xué)設(shè)備是培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力的重要場所，是實現(xiàn)混合實驗教學(xué)的重要載體。近五年，根據(jù)國家重大發(fā)展戰(zhàn)略需要和社會行業(yè)企業(yè)的人才需求，結(jié)合我校自動化專業(yè)在冶金行業(yè)的應(yīng)用特色和新工科建設(shè)特點，自主研制實驗教學(xué)設(shè)備6大類，涵蓋過程控制、運動控制、邏輯控制等，很好地支撐了學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。下面以基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能信號處理一體化創(chuàng)新實訓(xùn)平臺為例介紹混合實驗教學(xué)資源建設(shè)。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能信號處理一體化創(chuàng)新實訓(xùn)平臺以“基于電力線載波的綠色建筑能耗監(jiān)測與優(yōu)化控制”等產(chǎn)學(xué)研項目的研究成果和“基于低壓電力線載波的自組網(wǎng)抄表方法”[8]等發(fā)明專利為基礎(chǔ)，優(yōu)化組合相關(guān)系統(tǒng)模塊，強調(diào)信息化與工業(yè)化的深度融合，與智能制造的核心問題相對應(yīng)，由樓宇檢測與控制節(jié)點群（傳感器）、集中器（工控系統(tǒng)）和上位機（互聯(lián)網(wǎng)+智能決策）三部分組成，整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能信號處理一體化創(chuàng)新實訓(xùn)平臺整體架構(gòu)

節(jié)點群主要完成樓宇不同物理量的采集功能，并通過電力線載波與數(shù)據(jù)集中器通信，主要包括開關(guān)燈控制器、風(fēng)扇控制器、空調(diào)控制器、人居環(huán)境采集器（溫度、濕度、PM2.5、CO2、甲醛、TVOC、光照度）和能耗采集器等。集中器主要完成多種不同采集節(jié)點群數(shù)據(jù)的存儲管理、與上位機通過GPRS通信，并通過內(nèi)置的控制策略控制相關(guān)節(jié)點群。上位機主要應(yīng)用虛擬儀器、BIM（building information modeling，建筑信息化模型）技術(shù)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實、云平臺等網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化技術(shù)手段，完成樓宇能耗監(jiān)測與智能優(yōu)化控制，具體功能包括控制策略的仿真驗證、數(shù)據(jù)的可視化展示、互聯(lián)網(wǎng)與工控網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互、分布式工控系統(tǒng)參數(shù)配置與查詢、通信協(xié)議的編解碼等。

智能信號處理一體化實訓(xùn)平臺涉及了自動化、檢測與儀表、物聯(lián)網(wǎng)、計算機和機械等相關(guān)專業(yè)的知識點，涵蓋了MCU、ARM、DSP、FPGA等常用嵌入式處理器，融入了電力線載波、CAN總線、RS485、Zigbee、4G/GPRS和Wi-Fi等常用物聯(lián)網(wǎng)通信方式，具體對應(yīng)關(guān)系如表1所示。基于該實訓(xùn)平臺，可以從信號檢測、傳輸、處理和顯示的全過程有效培養(yǎng)學(xué)生快速獲取相關(guān)知識的能力，全方位提升學(xué)生解決跨學(xué)科復(fù)雜工程問題的能力。該平臺榮獲第二屆自動化類專業(yè)青年教師實驗設(shè)備設(shè)計“創(chuàng)客大賽”銀獎。

表1 智能信號處理一體化創(chuàng)新實訓(xùn)平臺涉及的知識點及對應(yīng)學(xué)科

3 基于Web的PjBL混合實驗教學(xué)方法

將基于問題的教學(xué)方法（problem-based learning，PBL）與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)有機融合，實現(xiàn)信息聚合、自主學(xué)習(xí)、分享交互，形成具有我校特色的基于Web的PjBL（project-based learning）混合實驗教學(xué)方法，該方法的整體框圖如圖2所示。

CDIO-OODA教學(xué)模式中各個階段的內(nèi)容不同，具體要求也不同，各階段不能機械地采用同一種教學(xué)方法?；赪eb的PjBL混合實驗教學(xué)方法針對各階段不同特點，具體實施過程中采用了與之相匹配的多種教學(xué)方法，具體描述如下：

（1）在整個課程的執(zhí)行過程中，以項目全壽命周期管理的形式管理實驗教學(xué)過程，即基于項目的教學(xué)方法，并將每個過程轉(zhuǎn)化為單獨的小項目，這些小項目環(huán)環(huán)相扣，最終形成一個完整的大項目。

（2）以 Moodle平臺作為“自動化生產(chǎn)線實訓(xùn)”課程的過程管理平臺，實現(xiàn)課程項目資源共享及優(yōu)化，包括教師和學(xué)生在實踐教學(xué)過程中形成的成果，監(jiān)控學(xué)生的實踐過程，實時在線評價學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，有效提升教師與學(xué)生之間溝通協(xié)調(diào)效率。

（3）在需求分析和方案設(shè)計階段，采用基于問題的教學(xué)方法。將學(xué)生置于復(fù)雜、有意義的問題情境中，通過學(xué)生自主、協(xié)作學(xué)習(xí)解決問題，掌握隱含在問題背后的科學(xué)知識，形成解決問題的技能和自主學(xué)習(xí)的能力，達到建構(gòu)經(jīng)驗的目的。

（4）在方案設(shè)計和產(chǎn)品研發(fā)階段，主要采用自主探究和小組協(xié)作的學(xué)習(xí)方法。學(xué)生根據(jù)教師提出的項目問題自主探究，通過小組成員之間的分工與協(xié)作，完成問題解答，實現(xiàn)學(xué)習(xí)資源共享，提升整體學(xué)習(xí)效率。

圖2 基于Web的PjBL混合實驗教學(xué)方法

（5）在方案設(shè)計和產(chǎn)品上線階段，采用不同小組間互攻的學(xué)習(xí)模式，即其他小組可對展示組的方案設(shè)計和產(chǎn)品上線進行提問，可攻擊，也可提改進意見，充分調(diào)動全體學(xué)生的積極性，提升學(xué)生提出問題和分析問題的能力。

4 混合實驗教學(xué)實施及應(yīng)用成果

以Moodle平臺為載體，構(gòu)建了基于Web的“自動化生產(chǎn)線實訓(xùn)”實踐課程PjBL混合實踐教學(xué)平臺。

學(xué)習(xí)資源是學(xué)生進行自主學(xué)習(xí)的重要組成部分，利用 Moodle平臺的添加資源工具，將項目需求與背景知識、試題、案例、CDIO-OODA工程教學(xué)理念、項目驅(qū)動教學(xué)方法等以文本、圖片、視頻、音頻等媒體方式上傳到 Moodle平臺。在課前學(xué)生借助平臺了解項目任務(wù)及具體實施流程；在課中學(xué)生總結(jié)自主學(xué)習(xí)的知識，形成WIKI或者文檔上傳到Moodle平臺，接受同學(xué)及老師的評議，同時，學(xué)生還可以利用討論區(qū)、聊天室等，與組內(nèi)成員、同學(xué)和教師進行在線的技術(shù)交流與答疑；在課后教師通過平臺在線對學(xué)生提交的作品開展自評、互評，進行個性化、自適應(yīng)學(xué)習(xí)與答疑。

該平臺的應(yīng)用大幅提升了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，同時提升了我校自動化專業(yè)建設(shè)水平。近幾年學(xué)生省部級以上競賽獲獎率達到專業(yè)人數(shù)的40%以上，穩(wěn)居全校前兩名。2018年度全國高校學(xué)科競賽排行榜中，北京科技大學(xué)排名第36位，其中自動化專業(yè)學(xué)生參加競賽獲獎貢獻率接近15%。

5 結(jié)語

在新工科建設(shè)背景下，以 Moodle平臺為依托，構(gòu)建了“自動化生產(chǎn)線實訓(xùn)”實踐課程混合實驗教學(xué)模式，充分發(fā)揮了傳統(tǒng)教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的優(yōu)勢，發(fā)揮教師主導(dǎo)作用的同時突出學(xué)生的主體地位。我校自動化專業(yè)2014—2016級學(xué)生應(yīng)用表明，該混合實驗教學(xué)模式充分調(diào)動了學(xué)生參與實踐教學(xué)的積極性和主動性，激發(fā)了學(xué)生的批判性思維，增強了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，有效提升了學(xué)生快速獲取與智能制造核心問題相關(guān)知識的能力，特別是提升了解決信息化與工業(yè)化深度融合的跨學(xué)科復(fù)雜工程問題的能力。