基于OBE-CDIO的《電氣控制與PLC》課程項(xiàng)目化在線混合教學(xué)研究與實(shí)踐

林立松，王建祥

（山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100）

在線課程是基于Internet進(jìn)行現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的支撐平臺，是為教育者和學(xué)習(xí)者提供授課、學(xué)習(xí)、答疑、討論以及作業(yè)等教學(xué)過程的支持平臺，是開展現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育必備的教學(xué)支撐。

1990年由美國克萊蒙特大學(xué)教授凱尼斯.格林發(fā)起并主持的一項(xiàng)大型科研項(xiàng)目“信息化校園計(jì)劃”是在線課程概念的最早出現(xiàn)[1]。目前在西方，有近95%的學(xué)校在網(wǎng)上為學(xué)生提供線上課程服務(wù)。

國內(nèi)的校園在線課程建設(shè)近年來也得到了迅猛的發(fā)展，中華人民共和國國務(wù)院1999年轉(zhuǎn)發(fā)了 “面向21世紀(jì)教育振興行動(dòng)計(jì)劃”，許多高等院校和社會(huì)團(tuán)體加大投入，至今建立了諸如智慧樹、泛雅學(xué)習(xí)通、畢博平臺等眾多的在線學(xué)習(xí)平臺。

1 研究意義分析

當(dāng)前國家正處于抗擊新冠疫情的關(guān)鍵時(shí)期，在國家堅(jiān)持兩手抓,停課不停學(xué)，統(tǒng)籌做好疫情防控和教育教學(xué)工作的要求下[2]，在線混合教學(xué)無疑是解決目前教學(xué)的最好手段。可以隨時(shí)隨地靈活機(jī)動(dòng)地進(jìn)行多種方式的教學(xué)，然而，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)在線教學(xué)仍然存在以下問題：

1.1 在線課程只是教材的機(jī)械替代品，是課堂教學(xué)的簡單重復(fù)，很多在線課程內(nèi)容只是大段照搬課本內(nèi)容，教師表情、語氣、語調(diào)一看就是在念教材。

1.2 課程培養(yǎng)目標(biāo)不清晰，沒有對學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力提出整體規(guī)劃。尤其很多應(yīng)用型本科的專業(yè)課程盡管強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目化，但是還是以課程章節(jié)性內(nèi)容為導(dǎo)向（或者僅僅是形式上章節(jié)更換為了項(xiàng)目和任務(wù)，忽視了工程項(xiàng)目教學(xué)的重要性。

1.3 各知識點(diǎn)缺乏有效地整體聯(lián)系，無法實(shí)現(xiàn)有序銜接，缺乏對學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

1.4 教學(xué)評價(jià)體系極不完善，部分在線課程有一定的評價(jià)體系，但是缺乏對工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力、表達(dá)能力和實(shí)踐學(xué)習(xí)過程的評價(jià)。

2 研究內(nèi)容

2.1 基于OBE-CDIO模式 《電氣控制與PLC》課程教學(xué)體系研究

成果導(dǎo)向教育 （Outcome-Based Education，OBE）1981年由Spady率先提出，被認(rèn)為是追求卓越教育的正確方向。強(qiáng)調(diào)能力導(dǎo)向、目標(biāo)導(dǎo)向、結(jié)果導(dǎo)向，注重以學(xué)生為中心，以學(xué)生“學(xué)習(xí)成果”為導(dǎo)向。

CDIO工程教育理念是由麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)2000年共同研究提出的。CDIO 代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）[3]，它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程問題。

我們學(xué)校試行的新工科教育堅(jiān)持將以學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向的OBE理念和以項(xiàng)目為載體的CDIO理念有機(jī)結(jié)合，建立多元化考核體系，以預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出為中心來組織、實(shí)施和評價(jià)項(xiàng)目化教學(xué)，以成果產(chǎn)出驅(qū)動(dòng) CDIO的實(shí)施，構(gòu)成基于OBE-CDIO的項(xiàng)目教學(xué)體系。

新的培養(yǎng)方案涵蓋了眾多的課程與知識能力，也給教師和學(xué)生帶來了新的挑戰(zhàn)，如何運(yùn)用改革前一半的學(xué)時(shí)學(xué)好比原來更多的知識內(nèi)容，是專業(yè)授課教師面臨著一道重要的課題。《電氣控制與PLC》是機(jī)械電子工程專業(yè)的專業(yè)核心課程，也是三名工程中“電氣控制”名課程群的出口性課程。在新冠疫情下采用什么樣的教學(xué)模式與方法滿足新工科教學(xué)目的尤為重要和突出。

2.2 疫情下 《電氣控制與PLC》在線學(xué)習(xí)平臺建設(shè)研究

2.2.1 教師將項(xiàng)目典型相關(guān)知識以及規(guī)范化操作視頻制作成項(xiàng)目化教學(xué)課件，錄制教學(xué)視頻。

2.2.2 建立體現(xiàn)各知識點(diǎn)與工程應(yīng)用能力試題庫。

2.2.3 精心設(shè)計(jì)搭建基于新工科的《電氣控制與PLC》課程OBE-CDIO項(xiàng)目化在線課程。

本研究以國內(nèi)高等院校與一線企業(yè)為調(diào)研對象，以本學(xué)校目前試行的新工科培養(yǎng)專業(yè)（機(jī)械電子工程本科專業(yè)）學(xué)生為授課主體，特別注重針對新冠疫情形勢，利用泛雅學(xué)習(xí)通系統(tǒng)和直播系統(tǒng)，結(jié)合與優(yōu)化教師剛剛自行研發(fā)的電氣控制綜合實(shí)驗(yàn)箱，充分綜合學(xué)生在線自主學(xué)習(xí)、網(wǎng)上直播指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)箱在線演示、學(xué)生工程案例在線調(diào)試等方式，在《電氣控制與PLC》教學(xué)中將以學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向的OBE理念和以項(xiàng)目為載體的CDIO理念有機(jī)結(jié)合，針對新工科的特點(diǎn)，分層次地進(jìn)行應(yīng)用能力與綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，突出本校農(nóng)業(yè)特色項(xiàng)目，堅(jiān)持在線CDIO模式運(yùn)行，同時(shí)建立多元化考核體系，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)興趣，腳踏實(shí)地地進(jìn)行基于校企合作項(xiàng)目化在線課程混合教學(xué)改革與實(shí)踐，探索教學(xué)新模式，從而解決新工科培養(yǎng)方案中課程高度融合帶來的課時(shí)少、任務(wù)重的問題。這對豐富高等院校尤其是應(yīng)用型本科院校專業(yè)課程項(xiàng)目化教學(xué)研究，指導(dǎo)新冠疫情和后疫情形勢下電氣控制方面乃至整個(gè)工科領(lǐng)域工程教育的在線混合教學(xué)具體實(shí)施具有現(xiàn)實(shí)的意義。

3 《電氣控制與PLC》在線項(xiàng)目化混合教學(xué)具體研究

本研究包括:電氣控制與PLC項(xiàng)目化內(nèi)容研究、電氣控制與PLC在線課程學(xué)習(xí)平臺建設(shè)研究、超星學(xué)習(xí)通在線直播系統(tǒng)混合教學(xué)研究。

課題整體研究框架如圖1。

圖1 課題整體研究框架

3.1 《電氣控制與PLC》課程分級項(xiàng)目體系

3.1.1 調(diào)研企業(yè)項(xiàng)目并總結(jié)出項(xiàng)目化案例，將典型的工程工作任務(wù)設(shè)計(jì)為跟本校注重的農(nóng)業(yè)特色培養(yǎng)相關(guān)的一個(gè)綜合課程項(xiàng)目：智慧農(nóng)業(yè)大棚電氣控制設(shè)計(jì)。

3.1.2 分析綜合課程項(xiàng)目并分解為課程分項(xiàng)目。將課程項(xiàng)目分解為幾個(gè)相互關(guān)聯(lián)的課程分項(xiàng)目：智慧農(nóng)業(yè)大棚卷簾機(jī)繼電器控制、智慧農(nóng)業(yè)大棚補(bǔ)光燈控制、智慧農(nóng)業(yè)大棚出入口控制、智慧農(nóng)業(yè)大棚卷簾機(jī)PLC控制。

3.1.3 將課程分項(xiàng)目細(xì)化為多個(gè)有機(jī)聯(lián)系的分任務(wù)，層層遞進(jìn)地構(gòu)成與崗位有關(guān)的課程相關(guān)知識。形成完整的課程項(xiàng)目-課程分項(xiàng)目-分任務(wù)-相關(guān)知識-工程應(yīng)用能力-學(xué)時(shí)課程庫體系。

3.1.4 繪制CDIO知識-素質(zhì)-能力一體化魚骨圖。魚骨圖模型見圖2

3.2 《電氣控制與PLC》在線學(xué)習(xí)平臺建設(shè)中的具體研究

3.2.1 教學(xué)視頻制作。視頻力求生動(dòng)、實(shí)用，作為小單元有機(jī)地嵌入到在線課程章節(jié)設(shè)計(jì)中。有利于學(xué)生課前預(yù)習(xí)，課堂查閱，課后復(fù)習(xí)，全方位全時(shí)間段方便學(xué)生有目的地進(jìn)行學(xué)習(xí)。

學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)施時(shí)往往要進(jìn)行動(dòng)手操作，安全規(guī)范的操作是CDIO項(xiàng)目化教學(xué)中非常重要的一個(gè)問題，為此除了再三強(qiáng)調(diào)安全規(guī)程之外，制作典型項(xiàng)目規(guī)范化操作視頻是非常必要的，因此，線上課程將典型操作規(guī)范也錄制成視頻，視頻有的是教師操作，也有的是往屆優(yōu)秀學(xué)生操作。隨著項(xiàng)目化教學(xué)的推廣，逐步建立典型項(xiàng)目視頻庫，既完成了對上一級優(yōu)秀同學(xué)的考核與激勵(lì)，又為下一級同學(xué)提供了示范與鼓勵(lì)，形成了良性循環(huán)。

3.2.2 教師根據(jù)具體項(xiàng)目的基本理論與工程應(yīng)用能力建立海量習(xí)題庫，按照單選題、多選題、判斷題、填空題、簡答題、計(jì)算題、設(shè)計(jì)題等形式上傳到課程中，隨機(jī)產(chǎn)生課堂同步練習(xí)、作業(yè)、單元測驗(yàn)、考試，通過課程評價(jià)數(shù)據(jù)來督促、檢查學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

3.2.3 教師上傳課程介紹、視頻、課件、動(dòng)畫、參考資料。項(xiàng)目教學(xué)相關(guān)的項(xiàng)目要求、相關(guān)基礎(chǔ)知識與工程應(yīng)用能力、工程設(shè)計(jì)和項(xiàng)目實(shí)施要求也一并上傳。同時(shí)將疫情教育、思政教育融入知識點(diǎn)與工程案例實(shí)施過程。

3.3 《電氣控制與PLC》在線混合教學(xué)細(xì)化研究

3.3.1 教師提前在在線課程上發(fā)布項(xiàng)目要求、相關(guān)基礎(chǔ)知識和工程應(yīng)用能力、任務(wù)點(diǎn)，在學(xué)習(xí)平臺發(fā)布通知，布置學(xué)習(xí)計(jì)劃，指導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)、查詢相關(guān)資料。

3.3.2 學(xué)生提前利用手機(jī)或電腦自行進(jìn)行預(yù)習(xí)學(xué)習(xí)。根據(jù)教師提出的討論問題，帶著問題進(jìn)行預(yù)習(xí)，有目的地進(jìn)行學(xué)習(xí)。

3.3.3 上課前教師手機(jī)或電腦發(fā)起簽到，然后教師利用手機(jī)邀請同學(xué)進(jìn)入同步課堂，引導(dǎo)所有同學(xué)進(jìn)行學(xué)習(xí)。學(xué)生學(xué)習(xí)在線課程上的基本知識點(diǎn)，穿插回答教師提出討論題、搶答題、練習(xí)題，這樣利用豐富的課堂活動(dòng)基本可以保障每一個(gè)同學(xué)不偷懶、不掉隊(duì)，比課堂教學(xué)更能保證出勤率與課堂參與程度。

3.3.4 基本知識點(diǎn)學(xué)習(xí)結(jié)束，教師可以發(fā)出邀請，開設(shè)直播課（當(dāng)然視學(xué)習(xí)內(nèi)容不同，基本知識點(diǎn)學(xué)習(xí)期間可以穿插直播，但考慮到疫情需要，無法實(shí)現(xiàn)線下教學(xué)，建議教師盡量減少切換次數(shù)，這樣有利于保持學(xué)生專注度）。直播形式可以選擇手機(jī)，也可以采用電腦操作，建議手機(jī)直播適合于課余時(shí)間或流動(dòng)性現(xiàn)場教學(xué)與學(xué)生進(jìn)行交流，課堂直播最好選用電腦操作，推薦教師們使用學(xué)習(xí)通直播系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以靈活方便地調(diào)用視頻文件、圖片、PPT講稿，還可以選擇屏幕共享，將電腦上屏幕操作現(xiàn)場直播出去，這樣教師可以帶領(lǐng)學(xué)生一起去觀看在線課程知識點(diǎn)，可以指導(dǎo)學(xué)生合理利用其它網(wǎng)上資源，可以穿插播放視頻文件、聲音文件，可以啟動(dòng)編程軟件設(shè)計(jì)程序，可以使用攝像頭顯示現(xiàn)場下載程序，現(xiàn)場調(diào)試。更讓老師舒適的是整個(gè)講解過程還可以選擇不同的繪圖工具類似黑板講解。

直播系統(tǒng)中也可以現(xiàn)場出題，客觀題系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判斷正確與否，并提示正確答案，教師和學(xué)生都能看到所有同學(xué)的正確率，便于教師判斷該做什么程度的講解。

另外直播課系統(tǒng)中顯示學(xué)生在線情況，學(xué)生可以現(xiàn)場提出問題，教師解答，比起現(xiàn)場線下教學(xué)，隔著屏幕更給學(xué)生提供了提出問題的勇氣與思考機(jī)會(huì)，而且因?yàn)闆]有聲音的相互影響，更不影響教師直播課堂的進(jìn)程，教師可以選擇有代表性的問題統(tǒng)一解答。直播時(shí)間最后小結(jié)、布置作業(yè)。

3.3.5 下課后教師發(fā)布作業(yè)（還可以根據(jù)課堂學(xué)習(xí)情況臨時(shí)調(diào)整作業(yè)），作業(yè)題以成績的形式反饋給教師和學(xué)生，教師可以根據(jù)實(shí)際情況決定作業(yè)的完成時(shí)間與允許重做的次數(shù)。

課程結(jié)束后可以發(fā)出問卷或討論，征求學(xué)生對本堂課建議，加強(qiáng)教師和學(xué)生之間、學(xué)生之間交流。也可以根據(jù)問題引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)知識點(diǎn)或回放直播中某一段內(nèi)容。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)施情況學(xué)生可以自行完成設(shè)計(jì)，需要現(xiàn)場調(diào)試的學(xué)生可以將程序發(fā)給教師（或助教），由教師或助教通過直播下載到教師剛剛自主研發(fā)的“電氣控制綜合實(shí)驗(yàn)箱”，利用新型實(shí)驗(yàn)箱的多功能特點(diǎn)，快速按學(xué)生提供的接線圖完成接線，配合學(xué)生完成調(diào)試。教師可以選擇代表性問題在課下或下次課前對所有同學(xué)直播現(xiàn)場調(diào)試與運(yùn)行情況。

每一個(gè)項(xiàng)目結(jié)束后設(shè)置有單元測驗(yàn)題，引導(dǎo)學(xué)生將與該項(xiàng)目相關(guān)的知識點(diǎn)綜合起來加以理解，有能力的同學(xué)還可以選擇拓展任務(wù)繼續(xù)學(xué)生，這樣就達(dá)到了新工科教育下所有學(xué)生達(dá)到基本要求，有能力的同學(xué)進(jìn)一步學(xué)習(xí)的目的。

3.4 在線課程評價(jià)與考核體系精細(xì)研究

在線課程提供學(xué)習(xí)訪問量、討論、簽到、投票、搶答/指定人回答、問卷、測驗(yàn)、直播、作業(yè)、測驗(yàn)、考試、成績等多種評價(jià)體系，教師通過各種圖表和數(shù)據(jù)隨時(shí)可以查看學(xué)生整體和個(gè)人的課堂參與程度、學(xué)習(xí)時(shí)間、學(xué)習(xí)效率、知識掌握情況，形成課程平時(shí)成績。

另外，根據(jù)CDIO教學(xué)的特點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生分組進(jìn)行工程設(shè)計(jì)與項(xiàng)目實(shí)施，共同完成答辯報(bào)告、工程接線圖、硬件配置、軟件程序以及調(diào)試視頻上傳，由教師和別的同學(xué)進(jìn)行評分，同組間由組長評分、組員相互評分，教師或助教線上調(diào)試評分，最后產(chǎn)生項(xiàng)目完成分?jǐn)?shù)，真正意義上體現(xiàn)專業(yè)能力、創(chuàng)造能力、協(xié)作能力與交流能力培養(yǎng)。課程最后考核分?jǐn)?shù)由平時(shí)在線學(xué)習(xí)成績、項(xiàng)目完成分?jǐn)?shù)和期末考試分按比例產(chǎn)生。其中期末考試視疫情情況靈活掌握，如果疫情條件不允許現(xiàn)場考試就采用在線課程上的“考試”進(jìn)行。單選題、多選題、判斷題、填空題等客觀題自動(dòng)閱卷，簡單題、計(jì)算題、設(shè)計(jì)題、論述題等主觀題由教師線上閱卷。如果疫情后期條件允許則參加學(xué)校統(tǒng)一進(jìn)行的期末考試。由于在線課程平時(shí)學(xué)習(xí)中作業(yè)、測驗(yàn)已經(jīng)積累了大量的習(xí)題庫，考試試題可以方便地從試題庫中進(jìn)行手動(dòng)選題或隨機(jī)選題，然后進(jìn)行合理修改。

當(dāng)然評價(jià)與考試不是目的而是為了促進(jìn)學(xué)生積極學(xué)習(xí)的手段，教師可以設(shè)置各種任務(wù)完成最低限度，對達(dá)不到的學(xué)生利用在線課程進(jìn)行教學(xué)預(yù)警，指導(dǎo)督促學(xué)生完成既定任務(wù)。在線課程還鼓勵(lì)學(xué)生對課程和教師進(jìn)行評價(jià)，幫助教師改善在線課程建設(shè)，也有利于學(xué)校進(jìn)行督導(dǎo)與考評。

由于課程評價(jià)采用了成績評價(jià)，每個(gè)學(xué)生都可以通過手機(jī)隨時(shí)查詢自己學(xué)習(xí)分?jǐn)?shù)，所以同學(xué)們表現(xiàn)出較高的學(xué)習(xí)主動(dòng)性與積極性，且疫情期間同學(xué)大部分時(shí)間都在家里或宿舍，也方便學(xué)生在閑暇時(shí)間利用手機(jī)隨時(shí)自主學(xué)習(xí)。從試運(yùn)行周期來看，學(xué)習(xí)效果特別顯著。

4 在線課程評價(jià)與考核體系研究

4.1 教師對學(xué)生評價(jià)?！峨姎饪刂婆cPLC》在線學(xué)習(xí)平臺提供了一整套完整的課程評價(jià)體系，方便教師進(jìn)行選擇與權(quán)重設(shè)置，對每個(gè)學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)過程進(jìn)行評價(jià)。

4.2 學(xué)生互評。學(xué)生可以通過課程中評價(jià)體系對每個(gè)同學(xué)進(jìn)行評價(jià)，相互督促。

4.3 項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)施能力評價(jià)。同學(xué)根據(jù)小組在線調(diào)試視頻為小組評分，教師為小組打分，組長為組員按權(quán)打分。

4.4 期末考試評價(jià)。教師通過在線課程手動(dòng)或隨機(jī)選擇組合試題產(chǎn)生試卷，學(xué)生在指定時(shí)間內(nèi)完成考試。

4.5 學(xué)生課程總評由以上幾部分按比例產(chǎn)生。

4.6 學(xué)生對課程和教師進(jìn)行評價(jià)。學(xué)生可通過在線課程給教師打分，幫助教師提高授課能力與課程建設(shè)能力，改善在線課程建設(shè)，也方便學(xué)校進(jìn)行督導(dǎo)與考評[4]。

5 體會(huì)

5.1 視頻制作

教學(xué)視頻（尤其是動(dòng)手操作視頻）的錄播和后期制作是一個(gè)龐大的工程，建議使用比較專業(yè)點(diǎn)的高清主播攝像頭，例如羅技C920e，性價(jià)比較高。視頻制作軟件推薦使用Camtasia 9，此款軟件可以方便地根據(jù)PPT進(jìn)行視頻錄制、插入視頻和圖片、后期編輯、噪聲處理、轉(zhuǎn)場特效，可以直接轉(zhuǎn)存MP4格式。想選擇更簡單操作的老師可以選擇Powerpoint 2016及之后的版本，Powerpoint 2013安裝mix插件也能達(dá)到相同的錄制效果。

5.2 工程應(yīng)用能力培養(yǎng)的體現(xiàn)

整個(gè)在線課程中，從課件的制作、視頻的錄制、章節(jié)設(shè)計(jì)、海量的習(xí)題、工程設(shè)計(jì)與實(shí)施，處處滲透工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)，需要教師進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)。

5.3 課后輔導(dǎo)交流

從試運(yùn)行周期來看，學(xué)生在線提出的問題很多，為了保證教學(xué)質(zhì)量，保持學(xué)生良好的學(xué)習(xí)氛圍，教師需要付出大量的時(shí)間與熱情保持與學(xué)生的交流與鼓勵(lì)。不過作為教師，看到學(xué)生因?yàn)樽约壕膭?chuàng)建的在線課程而忙于學(xué)習(xí)，應(yīng)該是好的回報(bào)吧。

5.4 預(yù)期效果

在新冠疫情下，通過實(shí)施基于新工科背景下OBE-CDIO的項(xiàng)目化在線課程混合教學(xué)改革，學(xué)生不僅解決了因疫情不能集中上課的問題，而且從運(yùn)行的兩周期情況來看，學(xué)生爆發(fā)出前所未有的學(xué)習(xí)興趣與熱情，因此可以預(yù)見這對推進(jìn)我校機(jī)械電子工程專業(yè)的新工科課程教學(xué)改革，提高電氣控制綜合工程實(shí)踐應(yīng)用能力，豐富高等院校尤其是應(yīng)用型本科院校專業(yè)課程項(xiàng)目化教學(xué)研究，為新冠疫情乃至后疫情下電氣控制方面乃至整個(gè)工科領(lǐng)域工程教育的在線混合教學(xué)改革提供有益的借鑒。