基于工程認證OBE理念“檢測技術(shù)與自動控制工程”教學改革

席國強

(重慶理工大學 材料科學與工程學院,重慶 400054)

學習產(chǎn)出導向(OBE)是以成果為導向的教學模式,由美國學者Spady提出。OBE 理念強調(diào)以學生學習成果為起點反向設(shè)計人才培養(yǎng)方案和培養(yǎng)過程[1,2],強調(diào)如下4個問題[3,4]:學生學什么?為什么學?如何學?學得怎么樣?OBE是工程教育專業(yè)認證和新工科建設(shè)的核心理念,要求將面向工科學生的教學理念從內(nèi)容為本轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生為本,以學生的學習成果為導向,最終達成的核心目標是培養(yǎng)掌握知識和具備能力的新工科學生[5]。與傳統(tǒng)填鴨式教學理念相比,OBE理念關(guān)注學生能夠做什么,而不是簡單的學生知道什么,可以有效提升教學效果[6]。

“檢測技術(shù)與自動控制工程”是我校材料學院材料加工專業(yè)的一門專業(yè)核心課程。該課程不僅涉及化學、數(shù)學、物理、力學、電子學等專業(yè)知識,還涉及傳感器材料工藝學及企業(yè)現(xiàn)場的一些實際情況。因而課程包含內(nèi)容極為廣泛。此外,隨著人工智能的發(fā)展,自動化與檢測技術(shù)及其相關(guān)的理論已經(jīng)成為當代科技人員的必備知識。因此,學好該課程,對其他相關(guān)專業(yè)課程的學習具有較大的幫助,在材料加工專業(yè)的人才培養(yǎng)體系中占有重要地位。工程教育專業(yè)認證是以培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求為導向的合格性評價,其核心為確認畢業(yè)生達到行業(yè)認可的既定質(zhì)量標準要求。根據(jù)OBE理念,為達成“檢測技術(shù)與自動控制工程”的培養(yǎng)目標,該課程急需全面深化教學改革。作者對如何在工程教育專業(yè)背景下,實現(xiàn)“檢測技術(shù)與自動控制工程”課堂教學的轉(zhuǎn)變,以提高學生綜合能力為目標,實現(xiàn)從重視知識向重視能力,從灌輸知識向互動學習、自主學習轉(zhuǎn)變,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神、責任意識、辯證思維等,進行了相關(guān)探索。

1 “檢測技術(shù)與自動控制工程”教學現(xiàn)狀分析

1.1 師資問題

將知識轉(zhuǎn)化為學生的技術(shù)能力和應(yīng)用能力是工程認證的任務(wù)之一。然而,近年來各個高校引進的高層次人才基本以剛畢業(yè)的博士為主。教師隊伍中具有工程背景的老師比例較低。這樣雖能提升學校的科研能力及科研水平,但也使學校缺乏具有工程實踐背景的人才。材料學院承擔該門課程的老師以年輕博士為主,教師沒有在生產(chǎn)一線從事過實際生產(chǎn),缺乏工程實踐背景。

1.2 課程內(nèi)容設(shè)置問題

“檢測技術(shù)與自動控制工程”是材料、機械、電氣等專業(yè)的交叉學科,學科范圍廣且內(nèi)容非常多,具體表現(xiàn)在概念多、公式多、邏輯性強、理論性強、實踐性強。因此,在有限的學時條件下,很難全面講授課程涉及的所有內(nèi)容,這就容易導致學生對知識點掌握不牢固、對課程體系邏輯認識不清。此外,該門課程主要由檢測部分和控制部分組成(包括PLC編程),檢測部分涉及信息獲取必須用的傳感器,傳感器的分類及原理是這部分的重點內(nèi)容,但這部分內(nèi)容與很多基礎(chǔ)學科一樣存在課程內(nèi)容枯燥、創(chuàng)新性較弱、學生缺乏積極性的問題;控制部分包括控制基本理論及PLC編程,編程部分對于材料加工專業(yè)學生知識跨越較大、學習動力不足,很難做到理論與實踐相結(jié)合。

1.3 教學模式與教學方法問題

在教學模式上,和許多基礎(chǔ)學科一樣,主要通過填鴨式的授課方式,任課教師將課程知識一股腦地傳授給學生。學生在聽課的時候?qū)⒋蟛糠謺r間用在記筆記,并以最終成績?yōu)槟繕?與教師交流討論的機會幾乎為零,這對學生的自主學習能力培養(yǎng)非常不利。教師是主體,教師講什么,學生學什么,學生總是被動地接受知識。因為檢測部分和控制部分存在大量的原理及分類,枯燥乏味,因而和學生課堂互動感差,學生課堂參與度低,教師的思路和學生不能完全一致,甚至很多時候?qū)W生被其他事物吸引,與教師的思路脫節(jié)。這非常不利于學生自主創(chuàng)新能力、自主學習能力的提升。這種教學模式無法體現(xiàn)OBE理念的教學指導思想。另外,教學模式“一刀切”,忽視學生的差距。傳統(tǒng)教學模式中對所有學生講授知識的深度和范圍相同,學習目標也是一樣的。但各大高校擴招,學生生源參差不齊,基礎(chǔ)差異較大,導致學習目標對于大部分同學可能難易適中,但有一小部分同學覺得目標不符。這里有兩種情況,有些學習能力強的同學認為學習目標太過簡單,而一些基礎(chǔ)差的學生認為晦澀難懂,完成目標困難較大,難以跟上教學節(jié)奏。

1.4 教學評價體系問題

考核方式單一,只包括平時表現(xiàn)和期末試卷。在傳統(tǒng)教學模式中,“檢測技術(shù)與自動控制工程”課程考核方式多為“期末考試+平時表現(xiàn)”,總分為100分,其中平時表現(xiàn)占30%,卷面成績占70%。平時表現(xiàn)來源于學生的考勤和課堂提問等,這種評價方式更側(cè)重于評價學生有沒有曠課、遲到等,而無法實現(xiàn)對學生當時學習情況的掌握。此外,課堂提問由于時間有限,提問次數(shù)受限,導致無法掌握學生的學習狀態(tài)和教學效果,更無法滿足工程認證所要求的達成度分析和科學評價的需要。

2 “檢測技術(shù)與自動控制工程”教學改革

隨著我國工程認證工作的全面開展,面向新一輪的專業(yè)課程改革也在加強和探究。本文從確定課程教學能力、整合課程內(nèi)容、改進授課方式、優(yōu)化教學評價體系等方面入手,闡明如何基于OBE理念,以學生為本,構(gòu)建針對“檢測技術(shù)與自動控制工程”教學方式,以改革現(xiàn)有的工程人才培養(yǎng)方式。

2.1 改善教師工程背景

改善教師工程背景打出一套組合拳:(1)加大對具有企業(yè)經(jīng)歷的高級人才的引進和培養(yǎng),確實提高“雙師型”教師比例。(2)聘請有企業(yè)背景的工程師為學校導師。與相關(guān)企業(yè)聯(lián)合組建一支具有雄厚工程實力的師資隊伍。一方面,將青年教師送到企業(yè)實踐鍛煉,另一方面,聘請企業(yè)工程師或技術(shù)專家來校教學,走進課堂。(3)鼓勵教師積極參加企業(yè)主辦的培訓,與行業(yè)工程師保持密切聯(lián)系和交流,促進理論和實踐的深度融合,以加強工程實踐能力。(4)鼓勵校內(nèi)沒有工程背景的青年老師去企業(yè)掛職鍛煉和培訓。近年來,材料學院派出多名年輕博士去企業(yè)掛職,同時聘請具有企業(yè)背景的專家和知名工程師來校交流指導,分享相關(guān)行業(yè)的動態(tài)及成果經(jīng)驗,使教師不斷提高工程實踐能力。

2.2 教學大綱修訂

在明確課程培養(yǎng)能力的前期下,解決傳統(tǒng)教學過程中只注重專業(yè)知識的問題。把分組討論、專題報告、觀點辯論等加入課程教學中,培養(yǎng)學生的溝通和協(xié)調(diào)能力。教師備課時應(yīng)充分調(diào)研和思考,該課程可以培養(yǎng)學生的何種能力,培養(yǎng)學生的哪些綜合素質(zhì)。課堂的教學內(nèi)容要緊跟社會的需求,不能與社會脫節(jié),以培養(yǎng)學生的能力為引導,以工程認證的培養(yǎng)目標為導向,以社會和企業(yè)需求為目標。

課程組教師在教研室通過大量討論,依據(jù)我校材料加工專業(yè)最新的培養(yǎng)方案,緊密結(jié)合工程教育認證的基本要求對教學大綱進行修訂,確定滿足畢業(yè)要求的畢業(yè)目標。學生通過學習該門課程應(yīng)掌握如下技能:(1)掌握材料成型中常用的檢測技術(shù)及自動化控制的原理和方法,并用其對材料成型產(chǎn)品質(zhì)量進行分析判斷,能夠用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、專家控制等方法的分析;(2)基于PLC基本工作原理、PLC的基本指令和典型程序的設(shè)計方法,能夠完成成形過程的PLC程序設(shè)計、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)。

可以將傳感器技術(shù)、控制理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等融入教學大綱中,從而實現(xiàn)課程目標對于畢業(yè)要求指標點的支撐。

2.3 教學內(nèi)容改革

依照教學大綱分解出課程目標,重新整合“檢測技術(shù)及自動控制工程”的課程內(nèi)容。(1)構(gòu)建模塊化分類?！皺z測技術(shù)與自動控制工程”是一門交叉學科,集材料、機械、電氣三位一體。這也決定了該門課程的邏輯是網(wǎng)狀,其教學內(nèi)容的設(shè)置應(yīng)該注重知識模塊間的科學聯(lián)系,促進知識的系統(tǒng)化。采取模塊式編排,將整個課程內(nèi)容分為檢測原理、控制理論、PLC編程三大板塊,并采用思維導圖挖掘各個板塊之間的內(nèi)在聯(lián)系,使知識像網(wǎng)絡(luò)一樣形成一個有機的整體。這樣就會使看似瑣碎的知識變得條理化,更有利于學生掌握檢測技術(shù)及自動控制工程的結(jié)構(gòu),從而達到舉一反三,以點帶面的效果。(2)精簡教學內(nèi)容?；诠こ陶J證下OBE理念的指導,“檢測技術(shù)與自動控制工程”注重綜合能力的培養(yǎng)和提升。因此根據(jù)培養(yǎng)方案并結(jié)合實際情況修訂大綱并精簡教學內(nèi)容是必要的。在模塊化編排的基礎(chǔ)上,對每個模塊的內(nèi)容進行精簡,適當刪減檢測原理部分傳感器的種類,PLC部分只保留PLC編程的基礎(chǔ)部分,使重點突出。

2.4 教學方法改革

課堂教學環(huán)節(jié)要體現(xiàn)以學生為中心,課堂教學改革應(yīng)著眼于提升課堂的教學質(zhì)量,應(yīng)該從學生一味地被動接受知識,教師填鴨式講解,逐步向師生都為課堂主體,以交流互動為主的課堂氛圍進行轉(zhuǎn)變。(1)啟發(fā)討論式教學。根據(jù)課程知識點,通過網(wǎng)絡(luò)、圖片、在線課程、視頻等教學資源,進行 “課前問題引入+學生查找資料+課堂互動討論+知識點講解+分組討論”的形式開展教學活動。比如,講授傳感器技術(shù)時,事先通過QQ班級群布置任務(wù):搜尋常見的傳感器實物圖片及其結(jié)構(gòu),以考查學生文獻查閱和自主學習的能力。授課開始,同學們就課前作業(yè)進行討論,同時老師歸納總結(jié),引出傳感器的概念、作用、分類等授課內(nèi)容。最后根據(jù)講授知識,拋出問題,比如我們選用傳感器該注意什么。激發(fā)學生的好奇心,分組展開討論,互相打分,培養(yǎng)學生團隊合作和批判性思維等能力。(2)分級分層教學。針對學生能力差異大的現(xiàn)實問題,我們采用多層次教學的辦法。分級分層教學要求把學生能力做一個分類,比如按照高、中、低分類,從而因材施教提高教學質(zhì)量。對于高和低這兩類學生需要特殊管理,對學習能力強的學生額外安排難度較大的探討性題目,引導其完成;對于能力較弱的學生,幫助其完成課程基本要求,鼓勵逐步挑戰(zhàn)中等級別問題。分級分層的教學方式可以有效地避免優(yōu)秀學生 “吃不飽”、能力差的學生“吃不了”的現(xiàn)象,使不同層次的學生在知識和能力方面得到充分地拓展。

2.5 教學評價體系改革

將學生的培養(yǎng)作為課程考核的主要目標,將學生對專業(yè)知識的掌握及應(yīng)用情況作為檢查作業(yè)的方向。“檢測技術(shù)與自動控制工程”教研室通過充分地交流研討,得出開展多元化考核方式。具體如下:文獻查找、閱讀、解析、案例調(diào)查、最新熱點實時追蹤等。文獻查找閱讀要求2人一組查閱與該學科教學內(nèi)容相關(guān)的文獻,制作PPT或口頭講解,并撰寫筆記。例如檢測的概念,使學生能夠更好地理解檢測和測量的區(qū)別。案例調(diào)查主要針對現(xiàn)實生活中跟“檢測技術(shù)及自動控制工程”教學內(nèi)容密切相關(guān)的案例進行調(diào)查分析,在調(diào)查分析過程中鞏固知識點。比如,自動收費系統(tǒng)等的原理和作用,用到了哪些自動控制理論和檢測知識。最新熱點追蹤多為人工智能發(fā)展的最新科研成果,這部分要求學生以探討的方式進行。多元化考核方式不僅保障學生對基礎(chǔ)知識的熟練掌握和鞏固,還培養(yǎng)創(chuàng)新思維和進一步提升工程實踐的能力。

建立持續(xù)改進機制。傳統(tǒng)的做法是期末成績占70%,平時考勤等占30%。我們調(diào)整了平時成績和期末成績的占比,期末成績最多占60%;二是改進考核內(nèi)容,在平時成績中增加文獻查閱、課堂討論、案例匯報等分值;期末考試也增加了15%左右的考核應(yīng)用理論分析和解決實際問題的題目。課程目標是課堂教學活動的基本點,達成度計算是檢測課堂教學質(zhì)量的重要手段。因此,在最后計算總成績后,根據(jù)該門課程的課程目標,分項計算各個目標的達成度,從而獲得“檢測技術(shù)及自動控制工程”的達成度分析報告。

分析近三年“檢測技術(shù)與自動控制工程”課程目標達成度,組建持續(xù)改進課程工作小組,由課程組教研室負責人擔任組長,督促組員的持續(xù)改進過程,提出持續(xù)改進方案。平時成績的持續(xù)改進機制如下:參考近三年各屆學生的學習情況,按周統(tǒng)計學生各項成績中的考核指標。期末考試考核機制為劃分期末試卷,按模塊化統(tǒng)計各項得分,認真分析各個模塊學生的掌握情況。最后通過目標達成和總達成度數(shù)據(jù),研究分析學生對每個指標點的掌握情況,提出持續(xù)改進意見。

3 結(jié)論

隨著人工智能的快速發(fā)展,材料加工正在向智能加工、智能制造轉(zhuǎn)變,各大企業(yè)均需要大量自動控制方面的應(yīng)用型人才。根據(jù)工程認證的OBE理念,為提高人才培養(yǎng)質(zhì)量,針對“檢測技術(shù)與自動控制工程”教學存在的問題,通過提升師資工程背景、精簡教學內(nèi)容、改革教學手段、完善考核制度,不斷地激發(fā)學生的興趣和學習積極性,提高教學效果,最終提高其在人工智能、智能制造領(lǐng)域解決實際問題及開發(fā)新產(chǎn)品的能力。但有效快速地提高該門課程的教學質(zhì)量是一項長期而艱巨的任務(wù),如提前安排題目,需要學生課前查閱大量文獻;課中討論,會占用大量的時間和精力,如何引入靈活的工作量考核制度是一個挑戰(zhàn)。只有不斷地進行教學改革和探索,才能不斷地提高學生的培養(yǎng)質(zhì)量。整個教學過程中,教學課程組要不斷地總結(jié)經(jīng)驗教訓,反思教育行為,不斷改進,以學生為中心把學生學到了什么始終作為改革的主線,融合貫穿到日常教學過程中。