基于CDIO-PBL的“電工電子學(xué)”課程混合式教學(xué)研究

曾 琦，雷 勇，沈曉東

（四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065）

一、背景介紹

2018年，教育部印發(fā)的《教育信息化2.0行動計劃》指出：“利用智能技術(shù)加快推動人才培養(yǎng)模式、教學(xué)方法改革，探索泛在、靈活、智能的教育教學(xué)新環(huán)境建設(shè)與應(yīng)用模式”［1］。基于教育信息化背景，以課程為基礎(chǔ)，將線上的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與線下的課堂授課有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建混合教學(xué)模式成為當(dāng)前教學(xué)改革的重點(diǎn)［2-3］。教育信息化下，“電工電子學(xué)”課程已于2017年率先進(jìn)行了混合式教學(xué)改革，且于2017—2019年進(jìn)行了混合教學(xué)模式的初步嘗試，并取得了良好的效果。通過課堂講授和線上學(xué)習(xí)相結(jié)合的方式進(jìn)行了SPOC教學(xué)改革，促進(jìn)了電子化學(xué)習(xí)環(huán)境下的自主學(xué)習(xí)與課堂學(xué)習(xí)環(huán)境下的合作學(xué)習(xí)相互結(jié)合和互補(bǔ)，一定程度上調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的參與意識，提高了教學(xué)效果，初步積累了混合式教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，探索了其實(shí)施方法。在已取得的成績的基礎(chǔ)上，需要根據(jù)教學(xué)對象的特點(diǎn)進(jìn)一步深化教改過程，升華教改成果。面向非電專業(yè)授課的“電工電子學(xué)”課程，教學(xué)對象除了對電工理論有要求外，對電工理論在實(shí)際中的應(yīng)用有更多需求和側(cè)重，因此在教學(xué)中需更加注重理論與實(shí)際的結(jié)合及“電工電子學(xué)”課程的工程應(yīng)用性。因此，本課程引入國際工程教育專業(yè)改革的成果——CDIO工程教育理念，采用PBL教學(xué)方式，將兩者相結(jié)合，實(shí)施以知識體系化構(gòu)建為基礎(chǔ)、以理論與實(shí)踐結(jié)合為目標(biāo)的課程教學(xué)改革實(shí)踐，以期達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果。

二、基于CDIO-PBL的混合式教學(xué)

當(dāng)今，教育信息化的意義和作用進(jìn)一步得到肯定，教育信息化加速發(fā)展，信息化將不再僅僅是課程建設(shè)的應(yīng)用手段，而是轉(zhuǎn)向課程內(nèi)容與信息化應(yīng)用手段相融合、線上教學(xué)與課程實(shí)踐相融合的全方位融合創(chuàng)新階段［4-7］。此外，隨著對創(chuàng)新型人才和復(fù)合型高級工程技術(shù)人才的需求大幅度增長，2016年教育部提出了新工科建設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題和創(chuàng)新能力是工科高等院校面臨的首要問題［8］。為了改變工科高等院校的教育觀念和教學(xué)模式，教育部開展了中國工程教育專業(yè)認(rèn)證、CDIO特色專業(yè)建設(shè)、新工科建設(shè)、卓越工程師培養(yǎng)計劃等多項(xiàng)工程教育改革項(xiàng)目，重點(diǎn)在引導(dǎo)工科高等院校培養(yǎng)學(xué)生的知識綜合運(yùn)用能力、自主研究思維能力、動手操作能力和創(chuàng)新思維能力。CDIO工程教育理念是近年來國際工程教育專業(yè)改革的成果，是將構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）融為一體的新型工程教育模式［9-10］。這種教育模式以案例開展課堂教學(xué)，在教學(xué)過程的實(shí)施中培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、分析和解決問題的能力及創(chuàng)新能力。問題驅(qū)動教學(xué)（Problem-based Learning，PBL）是一種以學(xué)生為中心、以實(shí)際工程問題為學(xué)習(xí)起點(diǎn)、以問題的解決為核心來規(guī)劃學(xué)習(xí)內(nèi)容，讓學(xué)生圍繞問題尋求解決方案的一種教學(xué)方法［11］。本課程將CDIO工程教育理念采用PBL方式具體實(shí)施，兩者相結(jié)合，研究基于CDIO-PBL理念的“探究式—小班化”教學(xué)模式，依托多樣化的信息技術(shù)和手段，加強(qiáng)學(xué)生對知識的檢索、查閱、自學(xué)和綜合運(yùn)用能力，該教學(xué)模式有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和創(chuàng)新意識，有助于提高學(xué)生的動手能力和解決問題的能力，提高新工科下學(xué)生的綜合能力。

三、教學(xué)改革具體實(shí)施

教育信息化下基于CDIO-PBL理念“電工電子學(xué)”課程“探究式—小班化”混合式教學(xué)，采用多信息工具（電腦、手機(jī)、平板等）、多信息平臺（慕課、學(xué)習(xí)通、騰訊會議、騰訊課堂）、多渠道和信息手段（QQ、微信等），打通預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)、復(fù)習(xí)、答疑各環(huán)節(jié)，充分促進(jìn)課堂面授和線上課程、線上交流軟件的融合，實(shí)現(xiàn)信息化教學(xué)模式，具體實(shí)施方案如下。

（一）反向設(shè)計，采用閉環(huán)教育模式制定教學(xué)目標(biāo)

在課程教改過程中，基于教學(xué)對象及行業(yè)對畢業(yè)技能與素質(zhì)的要求，從知識、能力、素質(zhì)三個層面確立課程的教學(xué)目標(biāo)。按照反向設(shè)計原則，采用倒推式的閉環(huán)教育模式設(shè)置課程，教學(xué)目標(biāo)以知識為基礎(chǔ)、以能力為中心、以素質(zhì)為目標(biāo)，兼顧三者統(tǒng)一及實(shí)用性，分階段對成果進(jìn)行評價。該模式以學(xué)生為中心，重理論、強(qiáng)實(shí)踐、求創(chuàng)新，充分體現(xiàn)“知識、能力、素質(zhì)”三維度的統(tǒng)一，探索創(chuàng)立學(xué)生參與、能力主導(dǎo)，致力于培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

（二）構(gòu)建探究式、漸進(jìn)式教學(xué)過程

構(gòu)建漸進(jìn)式教學(xué)過程包括三個層面。

1.課堂教學(xué)模式改革：基于CDIO-PBL理念，進(jìn)行“探究式—小班化”教學(xué)。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革：進(jìn)行線上和線下結(jié)合、驗(yàn)證型和設(shè)計型實(shí)驗(yàn)結(jié)合、仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的“三結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3.線下學(xué)習(xí)方式改革：結(jié)合課程設(shè)計、第二課堂等，探索建立課外自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新體系。

（三）基于CDIO-PBL模式的課程教學(xué)實(shí)施

新工科教育強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，而能力的培養(yǎng)不是一蹴而就的，為此，將課程分解為“知識傳授—能力培養(yǎng)—創(chuàng)新鍛煉”的三個階段，重新組織教學(xué)過程。

1.知識傳授階段。這一階段通過混合式教學(xué)完成，分為線上和線下教學(xué)，均采用PBL模式。線上教學(xué)通過在學(xué)生線上學(xué)習(xí)前設(shè)置問題來引導(dǎo)學(xué)習(xí)。線下教學(xué)在每個知識單元開始前，首先提出一個設(shè)計任務(wù)，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生在教學(xué)中主動思考哪些知識點(diǎn)可用于完成設(shè)計，同時根據(jù)不同專業(yè)設(shè)置不同的切入點(diǎn)，通過“探究式—小班化”教學(xué)實(shí)施討論。

2.能力培養(yǎng)階段。這一階段主要在實(shí)驗(yàn)課程中完成?；谡n堂教學(xué)中獲得的知識，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室完成驗(yàn)證及設(shè)計性實(shí)驗(yàn)，鍛煉動手能力。

基于CDIO-PBL思想，采用“任務(wù)驅(qū)動、情境創(chuàng)設(shè)、漸進(jìn)培養(yǎng)”的教學(xué)模式，將教學(xué)過程分為五個階段：（1）案例導(dǎo)入，展示學(xué)習(xí)目標(biāo)；（2）案例為載體，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)知識；（3）小組合作，完成實(shí)驗(yàn)；（4）展示作品，分享經(jīng)驗(yàn)；（5）反饋評價，梳理知識體系。在課前準(zhǔn)備階段，提出實(shí)驗(yàn)或設(shè)計要求，讓學(xué)生產(chǎn)生主動學(xué)習(xí)的興趣；在課堂教學(xué)過程中，通過實(shí)物展示的方式，圍繞目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)講解知識點(diǎn)，讓知識變得有趣、具體；在課后，改變傳統(tǒng)的單一通過做題來鞏固知識的方式，引導(dǎo)學(xué)生自主動手，完成實(shí)驗(yàn)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。

3.創(chuàng)新鍛煉階段。這一階段主要在課程設(shè)計、第二課堂中完成，可采用兩種方式：（1）對上一階段中實(shí)驗(yàn)室完成的實(shí)驗(yàn)或作品給予改進(jìn)或拓展；（2）給出一些具有一定難度的挑戰(zhàn)性設(shè)計課題，將學(xué)生分成若干小組，采用組內(nèi)合作、組間競爭的方法完成并進(jìn)行展示。

整個教學(xué)過程采用正向?qū)嵤?，包括計劃（P）、實(shí)施（D）、評價（C）和改進(jìn)（A）四個環(huán)節(jié)，亦稱PDCA教學(xué)。根據(jù)內(nèi)容實(shí)施教學(xué)計劃，通過機(jī)制約束實(shí)施過程。教師根據(jù)學(xué)生的學(xué)情和學(xué)習(xí)效果，分析整理歸納，反饋并改進(jìn)教學(xué)方式方法。由此，通過在CDIO-PBL理念下實(shí)施教學(xué)，實(shí)現(xiàn)知識、能力、素質(zhì)的培養(yǎng)，達(dá)到既定目標(biāo)。

（四）設(shè)計多元化成績評價體系

建立基于過程跟蹤和多元指標(biāo)的成績評價體系，根據(jù)課程進(jìn)度的不同階段，采用“精確評價”和“模糊評價”、“過程評價”和“結(jié)果評價”、“學(xué)習(xí)態(tài)度評價”和“學(xué)習(xí)成果評價”相結(jié)合的手段，有針對性地設(shè)計考核內(nèi)容。具體考核方式如下。

1.出勤、作業(yè)和課堂表現(xiàn)評價：在課堂教學(xué)階段，基于學(xué)生的表現(xiàn)給出分?jǐn)?shù)。如果學(xué)生積極參加課程設(shè)計等，還可以獲得額外的加分。

2.項(xiàng)目完成情況評價：在實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計階段，采用“組間互評、組內(nèi)自評”的方式，首先由項(xiàng)目完成團(tuán)隊展示完成作品，由其他團(tuán)隊打出分?jǐn)?shù)，該分?jǐn)?shù)為團(tuán)隊總分；再進(jìn)行組內(nèi)自評，團(tuán)隊成員根據(jù)團(tuán)隊分工和表現(xiàn)，互相給出團(tuán)隊總分分配比例。這種評價方式側(cè)重動手能力和創(chuàng)新意識的評價，有意識地引導(dǎo)學(xué)生鍛煉能力、提高素質(zhì)。

3.期末考試成績評價：引導(dǎo)學(xué)生主動歸納、總結(jié)課程知識，同時通過非標(biāo)準(zhǔn)答案題目的設(shè)置將考核重點(diǎn)從知識的記憶升華為分析問題、解決問題的能力。這是一種注重結(jié)果的評價方式。

四、教學(xué)效果與問題

在課程教學(xué)中，以實(shí)際問題引出教學(xué)內(nèi)容，以探究式學(xué)習(xí)逐層深入學(xué)習(xí)理論知識，在教學(xué)中注重將理論知識的應(yīng)用和實(shí)際應(yīng)用對應(yīng)，且分別結(jié)合開課學(xué)院，如化工學(xué)院、材料學(xué)院設(shè)置太陽能電源等與開課學(xué)院（專業(yè)）相關(guān)度高的教學(xué)實(shí)例，加強(qiáng)了學(xué)生對知識的檢索、查閱、自學(xué)和探究能力，培養(yǎng)和訓(xùn)練了學(xué)生的工程意識和創(chuàng)新意識，提高了學(xué)生的綜合解決問題的能力，達(dá)到了較好的教學(xué)效果。但是，由于課程開設(shè)面廣，學(xué)生的層次和專業(yè)水平參差不齊，存在如下問題。

由于學(xué)習(xí)本課程的大多為大一、大二的學(xué)生，相對而言，其知識的遷移和應(yīng)用能力有限，動手實(shí)踐能力偏弱，完成既定設(shè)計目標(biāo)受限，需要教師更多的指導(dǎo)和引導(dǎo)，增加了教師的工作時間和工作量。

由于CDIO的工程理念覆蓋了從設(shè)計到實(shí)現(xiàn)的全過程，除與教師、學(xué)生能力因素有關(guān)外，還受制于實(shí)現(xiàn)條件、市場環(huán)境等多方面因素，要打通理論應(yīng)用到具體實(shí)踐實(shí)現(xiàn)的環(huán)節(jié)需要各方面的努力。

結(jié)語

基于CDIO-PBL理念的“電工電子學(xué)”課程混合式教學(xué)改革，針對教學(xué)對象的具體需求，突出工程應(yīng)用和專業(yè)融合，依托多樣化的信息技術(shù)和手段，采用先進(jìn)的教育理念和方法重構(gòu)并實(shí)施電工教學(xué)，充分培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識和融合創(chuàng)新意識，提高了新工科下學(xué)生的綜合能力。