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摘要:为了培养高素质工程型应用人才,将OBE-CDIO工程教育模式引入电路课程教学改革。该模式借鉴OBE理念进行宏观的教学模式改革,根据行业对毕业生素质的要求反向设计,制定教学目标,构建渐进式教学过程,设计多元化成绩评价体系;采用CDIO模式设计微观的教学过程,建立以基础知识为起点、能力培养承上启下、创新意识和工程意识树立为最终目标的课程内容结构。教学实践表明,该模式提升了学生的学习积极性,提高了学生的工程和创新能力。
关键词:工程教育;OBE;CDIO;电路课程
引言:
2017年2月以来,教育部积极推进新工科建设,先后形成了“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”。[1]新工科建设的过程,是全球化背景下,人才、产业、社会等各方需求对专业的培养目标、能力指标、课程体系、教育方式等发生影响并重构的过程。新工科教育培养的是工程实践能力强、创新能力强的高素质复合型人才。这就要求现有的培养模式在注重通识教育的基础上,加强学生工程实践技能培养,提高学生的动手能力、工程设计能力;搭建知识拓展的平台,提高管理能力和协同创新能力,培养综合素质高的人才。
成果导向(OBE,Out-based Education)教育模式通过分析学习者学习后能够达到的最大能力(学习成果),采用反向设计、正向支撑的思路,基于学习成果构建课程体系、确定教学策略、制定评价标准。成果导向的工程教育强调培养目标与培养过程的高度统一,能够有效提高人才培养质量。[2-3] CDIO代表构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate),它以产品研发到产品运行的生命周期为载体,让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面,大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标。[4-5]可见,OBE是一种以人才需求为出发点,以学习成果为导向的应用型人才培养模式;CDIO是一种通过对问题进行探究,从中获得知识和技能的课堂教学组织模式。OBE是工程教育理念,CDIO是具体实施方式,将两者相结合,有助于提高学生的动手能力和创新意识,培养出社会经济发展所需要的应用型技术人才。
《电路》是电力电子、通信、自控等专业极为重要的专业基础课,虽然其教学理论和教学方法已经非常成熟,但在新工科教育改革的大背景下,《电路》课程教学仍然存在以下问题:1. 教学模式单一。大多采用“填鸭式”灌输的教学方法,教师试图将知识“复制”到学生脑中,导致学生学习兴趣低下。2. 理论与实践脱节。本课程数学公式多、教学中偏重于解题的数学技巧,学生虽然获得了知识,但没有将知识内化为实践能力。3. 实验环节设计不合理。实验大多为验证性实验,实验平台为实验台或实验箱。在实验中,学生往往机械地模仿实验手册操作,并不能实现对动手能力的培养。4. 考核内容单一。考核内容为电路参数的解题技巧,但对于工科学生而言,实践能力和工程素养往往比片段化的知识更为重要,但这些在传统的考核中很难被量化。5. 忽视课程之间的关联度。《电路》中关于含运算放大器电路部分,和《模拟电子线路》中集成运放的知识重叠,动态电路的冲激响应、阶跃响应及信号频域、复频域分析部分又和《信号与系统》的课程知识重合。如果不能与相关课程进行整合,就破坏了知识的连贯性,让学生“只见树木,不见森林”。[6]
为了解决上述问题,将OBE-CDIO教学模式引入《电路》课程教学改革,对课程的教学目标、教学内容、教学设计、实验设计和考核方式进行全面的改革和探索,以提高课程教学效果和人才培养质量,促进专业发展。
一、基于OBE-CDIO模式的教学改革总体思路
《电路》教学改革的总体思路为:
(一)运用OBE理念构建课程体系
采用反向設计、正向支撑的思路,对课程的教学目标、教学内容、教学设计、实验设计和考核方式进行全面的改革和探索。
(二) 运用CDIO模式进行教学设计
在具体课程教学设计中,采用以学生为主体、以电路设计案例为学习起点,以问题为核心的思路来规划学习内容、设计教学过程,让学生围绕问题寻求解决方案,让学生真正成为学习过程的主导者。
详细教改思路如图1所示。
(二) 基于OBE理念的课程体系构建
(一) 反向设计,制定教学目标
在课程教改过程中,通过对毕业生的调研和用人单位的走访,基于学习者特性及行业对毕业生技能与素质的要求,从知识、能力、素质三个层面确立《电路》课程的教学目标。表1给出了课程教学目标及其具体实现方法。
(二)构建渐进式教学过程
对《电路》传统教学模式进行改革,包括三个层面:
1:课堂教学模式改革:基于CDIO理念,探索创新教学模式;2:实验教学方法改革:淘汰实验箱式实验模式,探索创新性、团队合作性实验课程的设计;3. 线下学习方式改革:结合第二课堂、电子设计竞赛训练,探索建立贯彻大学四年的课外自主学习和创新实验体系。
新工科教育强调培养学生的工程实践能力和创新精神,而能力的培养不是一蹴而就的。为此,采用“知识传授—能力培养—创新锻炼”的渐进式结构,重新组织教学过程,如图2所示。
1. 知识传授阶段:这一阶段主要在课堂教学时完成,在每个知识单元开始前,首先提出一个设计任务,以激发学生的学习兴趣。学生会在教学中主动思考哪些知识点可用以实现电路的设计。
2. 能力培养阶段:这一阶段主要在实验课程中完成。基于课堂教学中获得的知识,学生在实验室设计和制作小型简单电路,锻炼动手能力。
3. 创新锻炼阶段:这一阶段主要在课程设计、第二课堂中完成。在实验课小型简单电路的基础上,给出一些具有一定难度的挑战性设计课题,将学生分成若干小组,采用组内合作、组间竞争的方法,完成电路的设计、制作和检测,撰写设计报告并进行展示。 (三)设计多元化成绩评价体系
建立基于过程跟踪和多元指标的成绩评价体系,根据课程进度的不同阶段,采用“精确评价”和“模糊评价”、“过程评价”和“结果评价”、“学习态度评价”和“学习成果评价”相结合的手段,针对性的设计考核内容。具体考核方式为:
1. 出勤、作业和课堂表现评价:这是一种注重学习态度的过程性评价指标,在课堂教学阶段,基于学生的表现给出分数。如果学生积极参加第二课堂,还可以获得额外的加分。
2. 项目完成情况评价:在实验和课程设计阶段,主要考察学生对工程项目和创新实验的完成程度,采用“组间互评、组内自评”的方式。首先由项目完成团队展示完成作品,由其他团队打出分数,该分数为团队总分;再进行组内自评,团队成员根据团队分工和表现,互相给出团队总分分配比例。这种评价方式侧重动手能力和创新意识的评价,有意识地引导学生锻炼能力、提高素质。
3. 期末考试成绩评价:这是一种注重结果的评价方式,但不同于传统的闭卷考试,允许学生带一张A4纸的资料。因此引导学生主动归纳、总结课程知识,同时也将考核重点从知识的记忆升华为分析问题、解决问题的能力。
上述三种考核方式,方式1和2采用模糊评价,根据学生表现在全班的排名给出等级,占总成绩的50%;方式3采用精确评价,占比50%。另外,课程设计还有单独的2个学分。课程的考核成绩还将成为遴选进入电子设计竞赛团队的标准。
三、基于CDIO模式的课程教学过程设计
(一)基于CDIO模型进行项目式教学
基于CDIO思想,采用“任务驱动、情境创设、渐进培养”教学模式,将教学过程分为五个阶段:1. 案例导入,展示学习目标;2. 案例为载体,在课堂教学中学习知识,进行构思;3. 小组合作,完成电路设计;4. 展示作品,分享设计经验;
5. 反馈评价,梳理知识体系。
在课前准备阶段,提出设计要求,让学生产生主动学习的兴趣;在课堂教学过程中,通过实物展示的方式,围绕项目的实现讲解知识点,让知识变得有趣、具体;在课后,改变传统的单一通过做题来巩固知识的方式,引导学生自主动手,完成项目的设计与实现。
打破传统的以知识为本位,以教学过程为主线,以教师为中心,以教材内容为主题的教学过程设计思路,根据工程化教育理念,构建以能力为本位,以职业活动为主线,以学习者为中心,以工程项目为主题的模块化课程内容设计框架。建立以基础知识为起点、能力培养承上启下、创新意识和工程意识树立为最终目标的课程内容结构,图3给出了第一单元教学内容组织图。
目前,将课程知识点重构在11个项目和4个创新实验中,如表2所示。
四、结论
新工科背景下的专业教育是“与未来合作”的工程教育,是高等教育“质量革命”的先驱性、引领性和支撑性力量,是加快推进教育现代化、建设教育强国、办好人民满意的教育的战略支点。《电路》教学改革的实施,获得了以下的成果:
(一)学生地位主体化
通过在每个知识单元提出设计任务的方式,改变了老师讲,学生听的被动学习状态,让学生带着设计任务来学习,在探索中主动求知,成为教学过程的主导者。部分设计任务还需要《模拟电子线路》、《数字电子线路》课程知识支撑,这样就将整个电子工程相关的专业课程融会贯通,解决了知识碎片化的问题。
(二)抽象概念具体化
设计了大量实验,将抽象的概念转换为实验现象,以帮助学生更好地理解和掌握各种电路原理和设计技巧。这些实验大部分来自实际电气工程,也能培养学生理论联系实际的能力。
(四)课堂实验一体化
通过“知识传授、能力锻炼、创新培养”三阶段渐进式的培养模式,打通课堂教学、实验教学和课程设计,将知识传授、能力培养和创新意识的锻炼成为一个整体。同时也改变了传统实验教学中学生缺乏动手机会的问题,实验全部是创新型、设计型实验,让学生既锻炼了动手能力,也能将理论知识转化为工程意识。
参考文献:
[1]黄英,李保国,雷菁,等. 新工科的专业核心能力探索及课程体系构建[J]. 大学教育,2020,5:20-22
[2]Spady,W.D. Outcome-based education: critical issues and answers[M]. Arlington: American Association of School Administrators.1994.
[3]葛浩,林其斌,倪受春,等. OBE-CDIO 工程教育模式下的单片机课程教学改革与实践[J]. 滁州学院学报,2019,21(5):114-119.
[4]Maidan, Halim A , Safitri R , et al. Impact of Problem-based Learning (CDIO) model through Science Technology Society (STS) approach on students’ interest[J]. Journal of Physics Conference Series, 2020, 1460:012145.
[5]劉萌,郑煊. OBE 模式结合CDIO教学法实现地方高校教育范式转变的研究[J]. 齐鲁师范学院学报,2019,34(3):31-61.
[6]陈小玲.新工科背景下《电路理论》课程教学改革与创新[J].科技创新导报,2019,16(14):194-195.
基金项目:2019年度湖南省普通高校教学改革研究项目“工程认证背景下基于OBE理念的《电路》课程教学模式研究与实践”(20191056)
作者简介:
孙元(1980-),男,汉族,甘肃武威,博士,湖南第一师范学院信息科学与工程学院,讲师,研究方向为物联网技术。
关键词:工程教育;OBE;CDIO;电路课程
引言:
2017年2月以来,教育部积极推进新工科建设,先后形成了“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”。[1]新工科建设的过程,是全球化背景下,人才、产业、社会等各方需求对专业的培养目标、能力指标、课程体系、教育方式等发生影响并重构的过程。新工科教育培养的是工程实践能力强、创新能力强的高素质复合型人才。这就要求现有的培养模式在注重通识教育的基础上,加强学生工程实践技能培养,提高学生的动手能力、工程设计能力;搭建知识拓展的平台,提高管理能力和协同创新能力,培养综合素质高的人才。
成果导向(OBE,Out-based Education)教育模式通过分析学习者学习后能够达到的最大能力(学习成果),采用反向设计、正向支撑的思路,基于学习成果构建课程体系、确定教学策略、制定评价标准。成果导向的工程教育强调培养目标与培养过程的高度统一,能够有效提高人才培养质量。[2-3] CDIO代表构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate),它以产品研发到产品运行的生命周期为载体,让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面,大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标。[4-5]可见,OBE是一种以人才需求为出发点,以学习成果为导向的应用型人才培养模式;CDIO是一种通过对问题进行探究,从中获得知识和技能的课堂教学组织模式。OBE是工程教育理念,CDIO是具体实施方式,将两者相结合,有助于提高学生的动手能力和创新意识,培养出社会经济发展所需要的应用型技术人才。
《电路》是电力电子、通信、自控等专业极为重要的专业基础课,虽然其教学理论和教学方法已经非常成熟,但在新工科教育改革的大背景下,《电路》课程教学仍然存在以下问题:1. 教学模式单一。大多采用“填鸭式”灌输的教学方法,教师试图将知识“复制”到学生脑中,导致学生学习兴趣低下。2. 理论与实践脱节。本课程数学公式多、教学中偏重于解题的数学技巧,学生虽然获得了知识,但没有将知识内化为实践能力。3. 实验环节设计不合理。实验大多为验证性实验,实验平台为实验台或实验箱。在实验中,学生往往机械地模仿实验手册操作,并不能实现对动手能力的培养。4. 考核内容单一。考核内容为电路参数的解题技巧,但对于工科学生而言,实践能力和工程素养往往比片段化的知识更为重要,但这些在传统的考核中很难被量化。5. 忽视课程之间的关联度。《电路》中关于含运算放大器电路部分,和《模拟电子线路》中集成运放的知识重叠,动态电路的冲激响应、阶跃响应及信号频域、复频域分析部分又和《信号与系统》的课程知识重合。如果不能与相关课程进行整合,就破坏了知识的连贯性,让学生“只见树木,不见森林”。[6]
为了解决上述问题,将OBE-CDIO教学模式引入《电路》课程教学改革,对课程的教学目标、教学内容、教学设计、实验设计和考核方式进行全面的改革和探索,以提高课程教学效果和人才培养质量,促进专业发展。
一、基于OBE-CDIO模式的教学改革总体思路
《电路》教学改革的总体思路为:
(一)运用OBE理念构建课程体系
采用反向設计、正向支撑的思路,对课程的教学目标、教学内容、教学设计、实验设计和考核方式进行全面的改革和探索。
(二) 运用CDIO模式进行教学设计
在具体课程教学设计中,采用以学生为主体、以电路设计案例为学习起点,以问题为核心的思路来规划学习内容、设计教学过程,让学生围绕问题寻求解决方案,让学生真正成为学习过程的主导者。
详细教改思路如图1所示。
(二) 基于OBE理念的课程体系构建
(一) 反向设计,制定教学目标
在课程教改过程中,通过对毕业生的调研和用人单位的走访,基于学习者特性及行业对毕业生技能与素质的要求,从知识、能力、素质三个层面确立《电路》课程的教学目标。表1给出了课程教学目标及其具体实现方法。
(二)构建渐进式教学过程
对《电路》传统教学模式进行改革,包括三个层面:
1:课堂教学模式改革:基于CDIO理念,探索创新教学模式;2:实验教学方法改革:淘汰实验箱式实验模式,探索创新性、团队合作性实验课程的设计;3. 线下学习方式改革:结合第二课堂、电子设计竞赛训练,探索建立贯彻大学四年的课外自主学习和创新实验体系。
新工科教育强调培养学生的工程实践能力和创新精神,而能力的培养不是一蹴而就的。为此,采用“知识传授—能力培养—创新锻炼”的渐进式结构,重新组织教学过程,如图2所示。
1. 知识传授阶段:这一阶段主要在课堂教学时完成,在每个知识单元开始前,首先提出一个设计任务,以激发学生的学习兴趣。学生会在教学中主动思考哪些知识点可用以实现电路的设计。
2. 能力培养阶段:这一阶段主要在实验课程中完成。基于课堂教学中获得的知识,学生在实验室设计和制作小型简单电路,锻炼动手能力。
3. 创新锻炼阶段:这一阶段主要在课程设计、第二课堂中完成。在实验课小型简单电路的基础上,给出一些具有一定难度的挑战性设计课题,将学生分成若干小组,采用组内合作、组间竞争的方法,完成电路的设计、制作和检测,撰写设计报告并进行展示。 (三)设计多元化成绩评价体系
建立基于过程跟踪和多元指标的成绩评价体系,根据课程进度的不同阶段,采用“精确评价”和“模糊评价”、“过程评价”和“结果评价”、“学习态度评价”和“学习成果评价”相结合的手段,针对性的设计考核内容。具体考核方式为:
1. 出勤、作业和课堂表现评价:这是一种注重学习态度的过程性评价指标,在课堂教学阶段,基于学生的表现给出分数。如果学生积极参加第二课堂,还可以获得额外的加分。
2. 项目完成情况评价:在实验和课程设计阶段,主要考察学生对工程项目和创新实验的完成程度,采用“组间互评、组内自评”的方式。首先由项目完成团队展示完成作品,由其他团队打出分数,该分数为团队总分;再进行组内自评,团队成员根据团队分工和表现,互相给出团队总分分配比例。这种评价方式侧重动手能力和创新意识的评价,有意识地引导学生锻炼能力、提高素质。
3. 期末考试成绩评价:这是一种注重结果的评价方式,但不同于传统的闭卷考试,允许学生带一张A4纸的资料。因此引导学生主动归纳、总结课程知识,同时也将考核重点从知识的记忆升华为分析问题、解决问题的能力。
上述三种考核方式,方式1和2采用模糊评价,根据学生表现在全班的排名给出等级,占总成绩的50%;方式3采用精确评价,占比50%。另外,课程设计还有单独的2个学分。课程的考核成绩还将成为遴选进入电子设计竞赛团队的标准。
三、基于CDIO模式的课程教学过程设计
(一)基于CDIO模型进行项目式教学
基于CDIO思想,采用“任务驱动、情境创设、渐进培养”教学模式,将教学过程分为五个阶段:1. 案例导入,展示学习目标;2. 案例为载体,在课堂教学中学习知识,进行构思;3. 小组合作,完成电路设计;4. 展示作品,分享设计经验;
5. 反馈评价,梳理知识体系。
在课前准备阶段,提出设计要求,让学生产生主动学习的兴趣;在课堂教学过程中,通过实物展示的方式,围绕项目的实现讲解知识点,让知识变得有趣、具体;在课后,改变传统的单一通过做题来巩固知识的方式,引导学生自主动手,完成项目的设计与实现。
打破传统的以知识为本位,以教学过程为主线,以教师为中心,以教材内容为主题的教学过程设计思路,根据工程化教育理念,构建以能力为本位,以职业活动为主线,以学习者为中心,以工程项目为主题的模块化课程内容设计框架。建立以基础知识为起点、能力培养承上启下、创新意识和工程意识树立为最终目标的课程内容结构,图3给出了第一单元教学内容组织图。
目前,将课程知识点重构在11个项目和4个创新实验中,如表2所示。
四、结论
新工科背景下的专业教育是“与未来合作”的工程教育,是高等教育“质量革命”的先驱性、引领性和支撑性力量,是加快推进教育现代化、建设教育强国、办好人民满意的教育的战略支点。《电路》教学改革的实施,获得了以下的成果:
(一)学生地位主体化
通过在每个知识单元提出设计任务的方式,改变了老师讲,学生听的被动学习状态,让学生带着设计任务来学习,在探索中主动求知,成为教学过程的主导者。部分设计任务还需要《模拟电子线路》、《数字电子线路》课程知识支撑,这样就将整个电子工程相关的专业课程融会贯通,解决了知识碎片化的问题。
(二)抽象概念具体化
设计了大量实验,将抽象的概念转换为实验现象,以帮助学生更好地理解和掌握各种电路原理和设计技巧。这些实验大部分来自实际电气工程,也能培养学生理论联系实际的能力。
(四)课堂实验一体化
通过“知识传授、能力锻炼、创新培养”三阶段渐进式的培养模式,打通课堂教学、实验教学和课程设计,将知识传授、能力培养和创新意识的锻炼成为一个整体。同时也改变了传统实验教学中学生缺乏动手机会的问题,实验全部是创新型、设计型实验,让学生既锻炼了动手能力,也能将理论知识转化为工程意识。
参考文献:
[1]黄英,李保国,雷菁,等. 新工科的专业核心能力探索及课程体系构建[J]. 大学教育,2020,5:20-22
[2]Spady,W.D. Outcome-based education: critical issues and answers[M]. Arlington: American Association of School Administrators.1994.
[3]葛浩,林其斌,倪受春,等. OBE-CDIO 工程教育模式下的单片机课程教学改革与实践[J]. 滁州学院学报,2019,21(5):114-119.
[4]Maidan, Halim A , Safitri R , et al. Impact of Problem-based Learning (CDIO) model through Science Technology Society (STS) approach on students’ interest[J]. Journal of Physics Conference Series, 2020, 1460:012145.
[5]劉萌,郑煊. OBE 模式结合CDIO教学法实现地方高校教育范式转变的研究[J]. 齐鲁师范学院学报,2019,34(3):31-61.
[6]陈小玲.新工科背景下《电路理论》课程教学改革与创新[J].科技创新导报,2019,16(14):194-195.
基金项目:2019年度湖南省普通高校教学改革研究项目“工程认证背景下基于OBE理念的《电路》课程教学模式研究与实践”(20191056)
作者简介:
孙元(1980-),男,汉族,甘肃武威,博士,湖南第一师范学院信息科学与工程学院,讲师,研究方向为物联网技术。