“以学生为中心”的工程材料与热成形技术教学设计

摘要：文章介绍了“以学生为中心”教育教学范式的科学原理。为满足工程教育认证的基本要求，按照“以学生为中心”的教育教学原理，作者对“工程材料与热成形技术”课程进行了教学设计。

关键词：工程教育认证;以学生为中心;ADDEI

一、引言

工程教育是我国高等教育的主体，代表我国高等教育的水平和质量。数据表明，我国每年普通本科高校工科毕业生数达113万，其中制造业相关专业工科毕业生近60万，我国满足21世纪全球化需求的工程师仅16万人，不足全国工程师总数的十分之一。为了提高工科毕业生培养质量，补齐我国工程教育的短板，尽快与国际工程界有效接轨，我国于2016年正式加入了《华盛顿协议》，在全国高校的工科专业广泛开展工程教育认证工作。

工程教育认证的核心理念是以学生为中心，考核学生的产出。而我国现有的大学教育主要采用传授式，围绕着教材、教师、教室進行。这种模式传授知识虽然迅捷、高效，能够与工业中的批量生产相适应，却严重忽视了受教育的主体——学生的个性化培养，难以实现人人成才的教育目标。

美国高校从上世纪80年代开始进行“以学生为中心”的本科教学改革运动，提出了“以学生为中心”的新的教学范式。其基本特征是：以学生发展、学生学习、学习效果为中心。以提高学习能力，促进学生发展为目的的教学理念的推广和采用，改善了美国的本科教育，使美国成为很多国家本科教育改革的样本，这也是美国成为世界各国优秀留学生目标国的重要原因。

“以学生为中心”的教学改革运动是以科学为基础的教学改革。在过去的五、六十年里，学习科学研究领域取得了巨大进步，教育科学的黑箱正在逐步打开。但是直到今天，在工程教育领域，教育科学理论的发展与进步并没有带来大学教学水平的迅速提升。大学教师专业不同，不同专业的学科理论差异较大，他们更多地是强调课程教学的专业性，对教育教学的科学性与规律性重视不足。

二、“以学生为中心”的科学原理

脑科学、青春期大学生培养研究、认知心理学与认知科学、学习科学等四个领域的研究为“以学生为中心”教育教学范式的实施和发展打下了坚实的科学基础。

（一）脑科学

脑科学研究发现了“运动—环境变化—生存挑战—大脑发展”的规律。教育可以通过改变学习环境来改变学生的大脑。环境变化越大，生存挑战越大，对大脑发展的促进作用也越大。

大脑在工作时需要大量的能量供给，学生要通过严格的自律达到学习目标。它要求学生具备以下条件：①足够的营养;②充足的睡眠;③充分的体育锻炼。通过参加体育锻炼把尽可能多的能量和氧气输送给大脑。

学生对学习活动的参与程度会随着时间的延长而下降，大多数学生的注意力保持时间为6～12分钟，微课的时长是据此设计的。大脑发展适用用进废退原则，教学上采取的方法一是规定学习科目，规定学分，并通过考核来强制学生。二是寓教于乐，通过教学内容的趣味化来吸引学生学习。根据“用进废退”原理，知识需要重复加工才能实现从感觉记忆、工作记忆到长时记忆的转换。大脑又需要用多媒体刺激来保持新鲜度和维持兴奋点。因此，利用多感官接收信息可以有效刺激大脑，增强记忆效果。记忆遵循从短时记忆到工作记忆到形成初级认知模型，再经过思维整理产生更大的思维模型进而形成知识体系。

大脑中负责情绪的是边缘系统，边缘系统控制产生各种情绪反应，如愤怒、厌恶、恐惧、高兴、悲伤、惊讶等;而情绪影响学习和记忆。边缘系统还控制皮质醇和多巴胺的分泌，使人产生快乐和上瘾行为，这可以用来理解维果斯基的最近发展区理论和记忆的优先性。

模仿和交流是实现社会性学习的主要形式。人类的认知能力、模仿能力都建立在镜像神经元的功能之上。人脑中存在的镜像神经元，具有视觉思维和直观本质的特性，由于有镜像神经元的存在，人类才能学习新知、与人交往。镜像神经元能够直接吸收文化。每一代人都是通过模仿、观察来教育下一代人的。美国南加州大学神经学家迈克尔·阿尔比指出，人类的语言就是建立在镜像神经元的基础上的。阿尔比教授认为，复杂的手势以及人类在说话时舌头和嘴唇的运动，都是基于同样的原理。因此发展学生的语言能力可以促进学生思维能力的提高。

（二）青春期大学生培养研究

人的大脑到25岁左右发育完全成熟。青春期结束，大脑开始衰退。大学教育的重要任务是帮助学生在青春期这一人生发展的关键时期，强化思维能力训练，发展大脑能力，培育理性和理性能力。大学生发展的另一项任务是促进人的社会化进程，自我认同是大学生发展的核心问题。

（三）认知心理学和认知科学

20世纪认知科学的最重要成果是提出了认知模型论。认知模型论认为，大脑不能直接接触外部世界，而是通过形成一种相对定型的心智结构来组织和表征外部世界，即认知模型。认知模型是由一些概念和他们之间的固定联系构成，是一种知识模式。

其次是元认知理论。元认知是关于人们思考过程的知识。元认知理论用于调节思维和学习，有三种元认知技能：计划、监控和评价。计划决定在一个任务上花的时间、使用的策略、怎样开始、收集什么资源、遵循什么程序等。监控过程提示自己这个是否有意义，我是不是太快了？我学够了吗？评价是对思维过程和学习结果的判断以及对判断做出的反应。

第三是专家（新手）研究。专家拥有大量专门领域的知识，包括陈述性知识、程序性知识和条件性知识。专家形成了有关领域的长时工作记忆并且能很快地通达相关知识和策略来解决该领域的难题。

（四）学习科学。

20世纪以来，学习科学领域的研究转向以“学”为主，为学而教，即“以学生发展、学生学习、学习效果”为教学活动的中心。建构主义心理学是“以学生为中心”的直接理论基础，社会建构主义有重大影响。最近发展区理论对以“以学生为中心”的教学改革的一系列理论和实践提供基础。

三、工程材料与热成形技术课程教学设计

教学设计采用著名的ADDEI模型，即：分析、设计、发展、实施、教学评价。

（一）分析

本课程与学生前导课程数学、物理学、化学等课程差异较大，是一门科学、技术与工程紧密结合的技术基础课，有利于培养学生的批判性和理性思维能力。课程属于工程类课程，与金工实习、工程材料课程实验联系紧密。

（二）设计

教学大纲设计：本课程用翻转课堂教学模式进行教学。学生根據教师布置的自主学习任务课前学习，实现在任务驱动下的有效学习。自学中的疑难问题可以通过与同学、教师的相互交流得到解决，难题带到课堂上由师生讨论解决，在课堂上进行进阶练习，加深对知识的理解掌握，完成知识的内化。

（三）发展

教学计划设计：组建学习小组进行学习合作，一般是一个寝室4到6人一个学习小组，学生自荐、推荐或选出组长。组长负责分配小组内角色，主要角色有发言人、记录人、协调人、观察员等。组长安排集体学习时间和集中讨论时间。合作学习一方面方便学生学习交流，解决学习中同伴更容易解释的一些问题，另一方面通过轮流担当发言人角色，也锻炼发展了学生的语言能力。

通过碎片化学习内容，录制微课进行教学，试图解决学生专注时间短，注意力容易分散的问题。也通过把微课作为任务点的方法来督促学生复习和预习。

（四）实施

1.课前教学资料和学习任务单上传于超星泛雅网络教学平台，根据遗忘曲线，学生上课前1～3天在平台上预习。学习任务点设置成闯关模式，完成前一个学习任务后才能进入到下一个学习任务。课前资料和学习任务包括教学视频、课件、扩展阅读资料以及练习题等。

2.课堂教学按下列步骤进行：①学习小组由组长主持讨论自主学习中的疑问和教师出的思考题。②小组自学总结。学生用几句话总结学到了什么，还想学什么。③疑难讲解。④讨论练习题。根据语言能力是思维能力的先导的科学原理，在小组内讨论练习题，小组发言人代表小组回答问题，发言人由小组内成员轮流担当。⑤教师总结本次课学习内容，对学生课堂表现进行评价。

通过结构化的教学设计，实现了学生与学生、学生与教师的有效互动。

（五）教学评价

1.学生学习评价。采用过程性或形成性评价方法，对学习过程进行全面过程考核。考核成绩包括完成网络平台任务统计、网上作业统计、课堂表现、实验、大作业等，考核成绩占总成绩的50%。另50%成绩通过期末集中考试来取得，集中考试试卷要体现出课程知识的特点，考查学生掌握课程知识的系统性、完整性以及知识应用能力。

2.教师教学评价。按照程序教学原则，教师分析学生在各阶段的学习表现和成绩，发现自己在教学过程中各环节的优点和不足，并加以记录，称为教学后记。

参考文献：

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