基于項目的自主探究式教學模式研究與實踐

石 昊 王 棟 余 劍 古衛芳 劉 瓊

(1.山西工程技術學院 電氣與控制工程系,陽泉 045000)(2.山西工程技術學院 教務部,陽泉 045000)

2016年6月,我國成為“華盛頓協議”第18個成員國,我國的工程教育正式與世界工程教育接軌,對于促進我國高等工程教育按照國際標準培養工程技術人才,提升人才培養質量具有重要意義[1-3]。

工程教育專業認證的核心理念是以學生為中心、成果導向和持續改進。以往我國工科專業教學體系設計通常以“課程導向”為原則,更加注重經費投入、師資隊伍和辦學條件的建設,強調教學管理機制和教學實施過程[4]?！半姎饪刂婆cPLC”是電氣工程及其自動化專業的核心課程,是專業理論與實踐相銜接的關鍵性課程,涉及的知識和技術更新迭代快,且與工程應用結合緊密,對學生的動手能力要求較高。以往的教學體系存在以下弊端。

(1)教學過程以教師為中心,缺乏互動,學生處于被動接受的地位,較難激發學生主動學習的積極性。

(2)以理論知識的傳授為教學重點,實驗項目往往單純地驗證知識點,缺乏與生產實踐的銜接,導致課程結束后,學生雖然順利通過了考試,卻不能熟練地應用技術解決問題。

(3)傳統教學方式先在教室講授理論知識,后在實驗室進行實驗,且實驗學時較少,無法體驗工程項目從設計到實施的整個過程,很難建立起工程的概念,不利于形成基本的工程師素養。

(4)考核體系對學生學習過程的考核不夠,主要考核對知識的掌握程度,不利于學生工程技術應用能力的培養,難以保障教學效果。

(5)教學計劃的針對性不強,難易程度和進度都是統一的,學習過程缺乏挑戰度。

要實現培養合格工程技術應用型人才的目標,必須針對上述問題開展教學改革。

1 教學改革總體思路

關于工程教育背景下實踐性課程的教學方式,多位學者或從不同視角提出自己的觀點,或通過實證研究得出了可信的結論。韓婷等通過實證研究證實基于項目的教學形式在培養學生的工程實踐能力方面具有有效性,而且發現教學過程中的自主探究、生師互動、合作學習等因素對學生工程實踐能力的發展有顯著的促進作用[5]。文學舟等的研究表明,學生主動學習的意識和自主學習的能力是對教學效果影響顯著的因素,是實現教學質量提升的最主要動因[6]。黃瑩通過研究美國密西根州立大學的探究式工程入門實驗課程,得出了基于項目的探究式工程實驗課是提升工程專業創新創造能力及增強其專業興趣愛好的理想平臺這一結論[7]。李瑾等提出了“自主學習力”是工科生最重要的能力,能夠幫助學生更好地應對未來的挑戰[8]。

如圖1所示,“電氣控制與PLC”課程實施“成果導向、項目驅動、自主探究”的教學模式,以課程思政建設為教學改革創新根基,引入了OBE理念,從人才培養目標出發,把思政、知識、技能、能力的培養與來源于工業現場的工程項目相融合,構建應用型知識體系,以小組為組織形式在實驗室實施體驗式教學,建設能力導向的過程化考核體系,因材施教開展個性化教學,學生在教師的組織和引導下自主探究完成項目任務,在完成任務的過程中實現思政目標、知識目標、技能目標和能力目標的達成,為培養工程技術應用型人才奠定基礎[9-11]。

圖1 教學模式支撐關系圖

2 教學改革內容

2.1 課程思政建設

當今時代科技高速發展,各種新興技術與行業的結合越來越緊密,這就導致行業對從業人員的需求多樣性越來越高、變化速度越來越快,學校培養的人才將要應用現在還不成熟甚至還未出現的技術,去解決將來才會出現的問題,這意味著對學生的能力和素養的培養遠比傳授知識更重要[8]。而我們現在的學生從小生長在信息爆炸的時代,獲取信息的渠道更多了,難度更低了,也導致學生上課的注意力更難集中了。在這樣的背景下,傳統以教師為主的被動教學難以實現培養目標,學生強烈的主動學習意識和良好的自主學習能力,才是實現培養工程技術應用型人才目標的基本保障。而學生具備正確的人生觀和價值觀,具備強烈的家國情懷和歷史責任感,是能夠激發學生主動學習的強烈愿望、培養學生形成良好的自學能力的基礎,課程思政建設的重要性日益凸顯。

古語有云“為學須先立志。志既立,則學問可次第著力。立志不定,終不濟事?！闭n程思政建設是教學改革創新的根基,課程以培養學生具備 “堅定自信、團結奮進、自立自強、求精創新”的素養為思政目標,寓價值觀引導于知識傳授和能力培養之中,幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀,激勵學生自覺把個人的理想追求融入國家和民族的事業中。思政建設內容主要包括:

1)師德師風建設

經師易求,人師難得,授課教師首先應堅持政治理論學習和專業知識學習,努力成為先進思想文化的傳播者、黨執政的堅定支持者,做到以德立身、以德立學、以德施教,為學生點亮理想的燈、照亮前行的路。

2)歷史與現實相結合

新中國是逐步在艱難困苦中歷練、成長起來的,在這一過程中,一代代科學家和工程師用他們的無私奉獻精神和艱苦奮斗精神,不斷地譜寫著一段段動人的篇章,挖掘貼近行業的相關案例,用事實激發學生的家國情懷和歷史責任感。

3)專業與國情相結合

隨著我們國家工業生產自動化水平的不斷提升,作為主流工業控制器的PLC的應用越來越廣,但是現在占據我國PLC市場較大份額的還是以國外品牌為主,如果遇到類似現在中美貿易摩擦的情況,可能會被人卡脖子,幫助學生認清實現理想的長期性、艱巨性和曲折性,培養學生持之以恒、艱苦奮斗的精神。

4)典型案例與教學過程相結合

例如以國產大型數控銑床“十米數控龍門銑”為典型案例,幫助學生了解我國數控機床的先進技術,培養學生的民族自豪感,引導學生堅定“四個自信”,同時讓學生感受技術進步背后一代代工程師的辛苦付出,培養學生持續奮斗,勇于創新、精益求精的工匠精神。

2.2 重構教學內容

如圖2所示,課程內容不再以基于學科的知識體系為序,而是圍繞人才培養目標,采用反向設計法,重新構建基于工作過程的應用型知識體系,以電氣工程師崗位所需的知識和能力為教學內容核心,以來源于實際應用的項目為教學載體,將思政元素、PLC控制技術、繼電—接觸器控制技術、觸摸屏技術、變頻器技術、工業通信技術、電工技術等融入到源于工業現場的具體項目中去,學生通過完成這些項目,成長為具備社會主義核心價值觀、終身主動學習意識、自主學習能力、發現分析解決復雜工程問題的能力、團結精神和團隊協作能力、創新創造的意識和能力、職業道德和工匠精神的工程技術應用型人才。

圖2 教學內容示意圖

課程內容劃分成各自相對獨立,整體由基礎到復雜的四個學習情境,后續的情境是對前面情境的延伸和拓展,每個學習情境又包含若干個由易到難的項目,各個項目按照對知識和技能的要求循序漸進編排,每個項目按照教學目標的需要設計了若干個任務,具體課程項目見表1。

表1 課程項目表

2.3 創新教學空間和教學組織形式

教學空間在以往的教學改革中是容易被忽視的一個教學要素,隨著教學改革范圍和深度的拓展,更多教育研究者和實踐者認識到教學空間在教學改革過程中的重要性。張濤等就指出教學空間既是教學活動的承載者,也是教學活動的構成要素,對于教學活動其他要素作用的發揮是有影響的,教學組織形式和教學空間是互為條件性的存在[12]。陳飛和李曉文等多位學者認為合理的教學空間變革,對于推進教學方式的演變、實現教學理念、改善教學效果是有利的[13-14]。

為了建設適合本課程教學活動的空間,對PLC實驗室進行了重新布局,把課堂直接放在了實驗室,PLC實驗室具體布局見圖3。實驗室采取了中間圓桌四周實驗臺的組合式布局,中間的圓桌從空間上消除了師生之間的對立感,營造了自由平等的學習氛圍,圓桌上放置了投影儀和計算機,教師布置任務、講解演示,師生集體討論,學生繪圖、答辯等教學環節都可以使用圓桌。四周實驗臺是相對獨立的空間,適合小組交流討論,學生可在該平臺上自由配置電氣元件,將電氣圖紙轉換為現實的控制電路。在上課的過程中,學生可以隨時觀察了解相關設備,在項目解決方案確定后,可以在實驗臺實施方案,實現了理論知識由學習到應用的無縫銜接。在實驗室現場教學,師生雙方邊教、邊學、邊做、邊討論,學生動手實踐穿插于整個課堂教學過程中,在實踐中理解知識、應用知識,在完成任務的過程中發現問題、解決問題。

圖3 PLC實驗室布局圖

為了便于開展基于項目的教學活動,學生在上課初期就組建固定的項目小組,學生以小組為單位領取項目任務,完成項目的整體設計和實施。在完成項目過程中,小組成員有各自的崗位和職責,而且成員之間會定期輪換崗位,讓學生有機會感受真實的工作氛圍,有利于培養學生全面的專業素質。

2.4 線上線下混合式教學

本課程在超星學習通平臺建設了線上課程,把項目任務書、知識點講解視頻、章節測驗、拓展資料等課程相關資料放在了線上,學生可以在線上完成預習任務,開展問題討論和進行意見反饋。知識點視頻放在線上后,學生可以反復觀看學習,既節約了線下課堂講授的時間,也避免了課堂講授時可能出現的遺漏,可以保證學生對知識點的學習質量。

2.5 考核評價體系

課程不再采用以理論知識考核為核心,更注重期末考試的考核方式,構建了以工程技術應用能力考核為核心,全過程考核的考核評價體系,其構成如表2所示,由日?？己?、期中考核和期末考核三部分構成。針對每節課的學習任務細化考核環節,把學習壓力分散到每一個學習環節,避免出現平時學習懶散,考前集中突擊的不合理現象,通過考核的導向作用,引導學生注重工程技術應用能力和實踐創新能力的培養,引導培育學生的團隊協作意識,切實起到保障教學效果的作用。

表2 考核評價體系構成

(1)日?？己瞬糠终嫉搅丝偝煽兊?0%,是過程考核理念的集中體現,實現了對整個教學過程的量化考核,引導學生認真完成每個教學環節。

(2)期中考核是對學生綜合素質的評價環節,要求每位學生完成一份學習報告,通過這份學習報告對已掌握的知識和技能進行梳理和總結,對所學課程和專業進行重新認識,對后期課程和專業的學習進行規劃,然后要求學生制作PPT完成對學習報告的演示和答辯。

(3)期末考核采用在實驗臺實操完成考核項目的考核方式,實現對學生專業知識和專業技能應用能力的考核。制定若干個題目,根據題目的難易程度分成三個檔次,學生可以根據個人情況選擇不同的檔次,并在2個小時內獨立完成考題,學院還設置了加分項,學生在已選擇題目的基礎上可以適當發揮,滿足加分項要求可以獲得加分。

2.6 因材施教分層教學

學生學習習慣的養成和專業技能的培養需要持續的激勵和引導,教師在教學改革的過程中,要有為學生提供彈性學習空間的意識,考慮學生的個性化培養,為學生營造一個持續深入、不斷拓展的學習環境。傳統教學計劃只考慮大部分學生的情況,針對所有學生制定教學內容,教學的難易程度和教學進度都是統一的,但在實際教學過程中,隨著教學活動的開展,會有部分學生對PLC和自動控制產生強烈的興趣,萌發了強烈的動手實踐的欲望,卻因受到教學條件和環境的限制,不能得到良好的引導。

針對上述情況,本課程采取了因材施教的分層教學法,允許學生不再統一學習進度,學習興趣強烈的學生采取自學為主的方式,在教師的引導下加快學習進度,給這部分學生較大的拓展空間,完成課堂必修項目后可以進一步完成自選項目,實現學習效率最大化。這部分學生積極努力學習的行為也會在班級中起到示范和引領作用,可以改善整體學習氛圍。同時,鼓勵學生參加各級各類學科競賽和創新創業比賽,引導學生持續成長,最終成為合格的工程技術應用型人才。

3 教學活動實施流程

3.1 整體實施流程

課程教學活動實施流程如圖4所示,整個教學過程以學生為主線,分成了課前、課中、課后三部分。

(1)課前:由于上課主要內容是學生完成項目任務,教師講解時間有限,因此課前需要學生預習上課時需要用到的知識和技能,由教師提前發布預習任務,學生可以按自己的時間規律自行在網絡教學平臺完成預習任務。

(2)課中:教師組織引導學生在實驗室完成項目任務,在此過程中,教師的更多時間是在陪伴和觀察,只在學生出現安全隱患時會主動干預。

(3)課后。教師對學生提交的疑問及時給出反饋,適宜在網絡平臺答疑的問題直接在網絡平臺回復,重難點問題在上課時現場演示講解。

同時教師要負責課程教學方案的持續改進,對教學過程中出現的問題進行整理分析,結合學生反饋對教學內容和手段重新進行歸納和策劃,然后調整修正教學方案,應用在后續教學活動中。

3.2 課中教學活動實施流程

課中教學活動實施流程如圖5所示,可以分為“布置任務、制定方案、實施方案、調試修正、結果演示”五個階段。布置任務階段,教師針對項目內容和任務進行解釋,對項目所涉及知識和技能的重難點進行必要的梳理、講解和演示;制定方案階段,學生分組討論,通過回顧以往知識、查閱文獻資料、分析論證等方式探究項目的解決方案,確定解決方案后繪制電氣原理圖,教師負責審核圖紙安全性;實施方案階段,學生依據電氣原理圖,在實驗臺的網孔板上配置所需設備,并進行接線,然后進行軟件設計,包括制定I/O分配表、繪制程序流程圖和編寫梯形圖程序;調試修正階段,學生通過運行系統確定是否能夠實現項目控制要求,如有錯誤,就需要學生重新對解決方案進行分析討論,并修正硬件和軟件,直到能夠滿足項目控制要求為止;結果演示階段,學生講解系統功能并現場演示,結果正確則項目任務結束。完成項目任務的過程中,會指定小組成員記錄各自擔任的角色和負責的工作,以及遇到的困難和解決的方法,在項目任務完成后,會總結本小組在完成項目過程中收獲的經驗和存在的疑問,以及對課程的建議。

圖5 學生上課完成項目任務流程圖

在學生完成項目任務期間,教師需要時刻巡視觀察整個課堂,在學生出現違規操作或者設計方案存在安全隱患時及時指出,在學生有問題和困難時提供幫助和引導,保障教學活動的正常進行。對于學生主動提出的問題,教師會給出必要的指導,但不會直接給出解決方案,即使發現學生的方向有誤,只要不涉及安全問題,就會讓學生自主試錯,分析出錯原因,修正解決方案,這種分析問題、解決問題的過程正是學生獲取工程師基本素質的良好途徑。

4 教學效果分析

為了更客觀地了解學生對課程教學模式的認可程度,課程組在網絡問卷平臺制作了調查問卷,學生通過匿名填寫方式完成了問卷調查,下面分析過程中的數據來源于2021年11月的問卷調查結果,有效調查問卷共51份。

如圖6所示,64.71%的學生對課程整體教學效果非常滿意,33.33%的學生比較滿意,反映出課程總體教學效果良好。

圖6 課程整體教學效果調查結果

表3為“教學要素影響度調查結果”,其中課程加強實驗室教學比例是學生認為對學習效果最主要的促進因素,在實驗室學生自己動手把理論知識用實際的設備去實現,使得理論知識不再枯燥和抽象,確實能夠幫助學生更好地理解和應用理論知識。表4為“對學生的促進調查結果”,88.24%的學生認為課程對其“主動學習意識和自主學習能力”有明顯的促進作用,這一結果正體現了本課程以學生為中心的教學理念。

表3 教學要素影響度調查結果

表4 對學生的促進調查結果

5 結語

通過實踐證實,“成果導向、項目驅動、自主探究”的教學模式能夠促進學生主動學習的積極性和自主學習能力的提升,培養學生獲得工程師基本素質,能夠為培養工程技術應用型人才提供有力的支撐。但是課程建設依然存在著硬件設施建設滯后、配套教學資源不足、評價考核體系缺乏多元性、現代教育手段有待開發利用、專業整體教學環境亟待改善等諸多問題。教學改革是教育工作者的終身事業,不斷靈活調整,緊跟時代步伐,才能保證高等工程教育的良性、健康、持續地發展。