工程教育实验教学的科学设计与过程管理方案

袁炎成, 吕念玲, 赖丽娟, 殷瑞祥

(华南理工大学 电子与信息学院, 广东 广州 510640)

1 实验教学在高等工程教育中的定位分析

高等工程教育作为培养工程科技人才的重要环节,与国家和产业的发展密切相关。工程教育的目标是能够为学生提供成为一名成功的工程师所需要的养分——专业知识、社会意识和创新精神[1]。为了达成这个目标,工程教育工作者的任务就是要不断改进本科工程教育的质量和内涵[2]。

为了推动工程教育不断改革创新,以适应国家战略的发展需要和国际竞争的新形势,我国分别于2016年和2017年加入了《华盛顿体系》和提出了“新工科”建设的思路[3]。在新形势下,工程教育的教学理念将与时俱进地做出调整,强调“培养目标为导向”“注重教育产出和成果”及“持续改进人才培养质量”[4],实施“以学生为中心”的教学理念。

工程能力是学生在工程实践活动中综合素质的体现,其内涵广泛而具体,并且随着科技的发展和社会的进步而不断深化发展[5]。实验教学是学生研究和解决工程问题能力的启蒙环节,承担着培养学生基础工程素质的任务,是工程教育中不可或缺的组成部分。实验教学的过程,是在一定的实验资源支撑下,以实验项目为载体,通过让学生循环往复地学习、模仿和积累,训练学生掌握实验技能的过程。因此,实验教学需要内容优化、资源支撑和过程管理三位一体的协调运作[6]。

实验教学从课程内容的设计到教学过程的规划与质量管理,都需要科学的、可量化统计的设计与管理方案,这样才能从根本上保障工程专业人才培养的毕业目标的达成。

2 工程专业实验教学的现状与存在问题

实验教学的建设与改革,首要任务是明确其内涵实质。从根本上来说,它是对基础工程能力的分解、释义和量化,也是规划实验教学过程的依据。明确实验教学到底是教什么的问题,是开展一切教学建设工作的前提和核心。

然而一直以来,由于实验教学内涵评定标准的缺位,高校工程专业实验教学无论是内容的设计,还是过程的规划与管理,都带有较大的局限性、模糊性和片面性,从而导致其设计与实施未能与学生的工程能力达成目标相匹配,阻碍了工程教育向更高层次的发展。

2.1 实验教学内容设计的局限性

实验内容是培养学生工程能力的载体,其设计必须与工程能力的培养目标相适应,体现实验技能对于工程能力的贡献。然而作为实验教学设计者的任课教师或工程师,通常会根据自身或同行的经验来设计实验项目。由于设计者的经验存在差异,同时缺少科学的设计指导办法,使得实验教学内容的建设与改革工作带有较大的局限性。

2.2 实验教学过程规划的模糊性

实验教学讲究的是如何将专业知识与技能融入到教学过程中的每一个细节,让学生清晰地了解实验的本质和目的,在实验的过程中领悟和成长[7]。传统的实验教学过程,只是粗略地划分为实验预习、实验操作和报告撰写三个阶段,而对于其中各个环节的内涵,及其对学生工程能力的训练要求,缺少明确的释义和量化方法,往往导致教、学双方在规划实验过程时带有较大的模糊性[8]。

2.3 实验学习效果评价的片面性

实验教学的过程,也是学生工程能力成长的过程。通过全面的考评体系,教师能够及时掌握学生个体能力成长状况,然后进行有针对性的辅导。然而,在现行的教学管理模式下,教师主要以实验报告和考试成绩作为衡量学习效果的依据,忽视了其他环节的评价与管理,导致了学习效果评价的片面性[9]。

要解决实验教学设计与规划的科学性和过程管理的有效性问题,首先要明确工程专业实验教学的目标内涵,再基于此目标内涵科学地设计实验教学内容和规划其过程,并同步建立起适应工程实验教学特点的过程管理方案。

3 实验教学的内涵分解及量化设计模型的教学应用

3.1 模型的建立

工程专业实验教学的内涵,是对教学过程中各个环节的技术性分析。教学内容的设计,其实质是对实验教学内涵的研究、分解和应用。

为明确实验教学目标与学生工程能力成长需求的关联性,项目组于2006年通过问卷调查、讲座研讨等形式,对电子信息产业的相关企事业单位进行深度调研和交流。在此基础上,总结出实验教学中对于工程能力培养所必需的10项内涵,及其与处理复杂工程问题能力的关联(见图1)。该10项内涵是对于工程专业实验教学的普适性概述。

图1 实验内涵对处理复杂工程问题能力的贡献率Rn

以此为依据,结合各个专业培养计划的实验课程教学大纲,可构建“实验课程—实验内涵—毕业达成目标”的网络映射模型(见图2),建立起各门实验课程在人才培养过程中与毕业达成目标之间的量化联系,为人才培养的质量认证提供支撑。

图2 “实验课程—实验内涵—毕业达成目标”的网络映射模型

在完成“实验课程—实验内涵—毕业达成目标”网络映射模型的基础上,项目组设计了一套服务于实验课程和实验项目内容的内涵分解及量化设计模型,可对实验项目进行内涵分解和科学设计,检验其合理性,最终使课程内容的建设与其定位相一致。该模型体现了实验教学设计与学生工程能力培养之间的密切关系,在此基础上,项目组面向电子信息专业开展了一系列的教学研究与实践工作,并获得了2017年广东省教育教学成果奖二等奖。充分说明该模型对于工程专业的普适性,可作为实验教学课程建设的科学设计工具。

3.2 模型的使用方法

下面结合“电子技术工程素质实践基础课”的教学设计,说明模型的使用方法。

(1) 根据培养方案确定课程定位系数,并对各实验项目按性质进行预分类系数P赋值。根据电子信息工程专业的培养方案,“电子技术工程素质实践基础课”属于集中实践环节,是核心实验课程,课程学时数为32。结合实验学时的安排,该课程设置了6个实验项目。首先对各实验项目进行预分类(类别以P表示),即对于基础类实验、设计类实验、综合研究类实验,分别赋予1、2和3的权重值。

(3) 核定各实验项目的类别权重系数Pj。结合6个实验项目的10项内涵分解系数knj,及其对学生工程能力的贡献率Rn(见图1),通过以下的分段计算式(N为实验项目数,这里为6),核定实验项目的类别权重系数Pj:

(1)

结果如表1最右列所示,从而确定每个实验项目的内涵分解是否符合预期的教学要求。

(4) 确定实验课程的定位系数W。在核定了各实验项目的性质后,利用类别权重系数Pj,统计整个实验课程在10个实验内涵的分解系数Kn,如表1最下一行所示:

(2)

(5) 结合Kn和Rn,确定实验课程的定位系数W(基础实验课程W=1,核心实验课程W=2,关键实验课程W=3):

(3)

对照式(3),可以确定该课程的定位系W=2,与培养计划要求的课程定位(核心实验课程)一致。

可见,该模型能够通过不断调整每个实验项目内涵分解的百分比,最终使课程满足培养计划的定位要求,为实验课程的内容设计提供了科学的指导方法。

表1 《电子技术工程素质实践基础课》实验内涵分解与实验层次分析表 %

4 实验教学过程的规划

4.1 实验项目的内涵分解

实验教学是一个多流程的、分阶段实施的综合能力训练过程。一般来说,它包含了任务分析、实验预习、课前任务(可选做)、实验操作和课后作业五个环节[10]。各个环节紧密关联、相互依存,构成一个完整的系统。

实验教学的10项内涵,均以具体的理论与技能知识点等形式,融入到各个环节中。因此,要规划实验教学的过程,首先要明确的是实验课程内容与内涵指标的匹配关系,表2以“电子技术工程素质实践基础课”为例,列举了实验教学10项内涵的释义及相关实验内容的具体达成[11]。

表2 “电子技术工程素质实践基础课》的内涵释义及相关实验内容

表2(续)

表2(续)

表2(续)

注:表2中第三列的括号内的数字,代表该内容所属的实验单元(见表1)。

4.2 实验教学过程的分解与规划

与实验项目的内涵分解类似,实验教学的过程,同样具有可量化分解的特点。教师可根据各个环节对学生工作量和耗时的要求,对实验过程进行科学合理的规划,使教学内容更加明晰,达到优化教学效果的目的。

下文以“电子技术工程素质实践基础课”的综合实训环节“功率放大电路的制作与调测”(12学时)为例,说明实验教学过程的分解与规划方法(见图3)。

“功率放大电路的制作与调测”教学过程可以分解为5个流程,教师结合具体的实验内容,将每个流程与相应的实验内涵、专业知识点、工作量需时相关联,让教、学双方能够清晰了解该实验项目的教学目标,以及各个环节所包含的知识技能和耗时,充分利用课内、外的条件,合理规划实验,同时为实验教学过程的质量监测与考评提供路径。

图3 实验教学过程的分解与规划

5 实验教学过程的管理

实验教学重在过程,且环环相扣。图3所示的教学过程分解与规划,充分说明了实验教学过程的重要性。建立全面的基于过程内涵指标的考评体系,是保证实验教学高质量实施的根本。考评体系的建立应该充分考虑实验教学多流程、分阶段的特点,运用多元的考评方法评价过程中的每一个环节[13-14]。

5.1 实验教学过程的考评方法

结合上文,表3再次以“功率放大电路的制作与调测”为例,介绍实验过程考评方法的操作模式。

表3 “功率放大电路的制作与调测”项目的考评方法

表3(续)

我们根据实验知识点和内涵载体的不同特点,在整个实验过程中设置了相应的考核形式。从表3最右列可知,考核形式除了有传统的课堂现场检查和作业批改以外,还引入了基于互联网和计算机技术的智能管理平台。考核形式的全面性和多样性,有助于教师及时发现学生的能力盲点,保证了对其工程能力成长的全方位监测。

5.2 开发电源智能管理系统,提高实验预习的质量

学生对实验预习不重视,对实验准备不充分,甚至不做预习直接进入实验室做实验,将严重影响学习的效果。为了严格把关实验预习的质量,项目组开发了电类实验室电源智能管理系统,系统实现在线测试结果与仪器的启停功能自动关联(见图4、图5),学生必须在课前完成由系统随机生成的测试题并达到一定分数,才能参加该项实验,以此促进学生加强课前预习的专注度,也从源头上保证了实验的教学质量。实践证明,该系统能够极大提高学生对于实验预习的重视和对实验知识点的掌握程度。

图4 电源智能控制模块

图5 学情信息收集(预习检测情况)

5.3 开发“实验在线共享平台”,全面保障学习效果

实验的过程认证,是保证学生学习效果的重要措施。利用互联网技术,项目组与企业联合开发了“实验在线共享平台”(见图6),该平台拥有学生刷脸登陆、实验现场关键数据上传、错误提醒、实验成绩自动评价、学情信息统计分析及学生个性实验方案定制等功能,提供了对实验教学实施状态的数据采集功能,借助大数据分析,实现动态反馈调整机制,保证实验教学的持续改进。

图6 实验在线共享平台登录界面

通过表3的考评方法,根据实验项目各项内涵占比和具体的实验内容,设置观测点和评分值,再结合内涵的各自表现形式(载体),选择合适的考核形式。借助对实验过程的考评反馈,教师能够全面了解学生个体的知识结构,并进行有针对性的指导,真正实现了对实验教学过程的质量管理。

6 结语

工程专业实验教学的建设,是一个系统性的工程。其中,明确实验教学内涵的本质是核心问题,基于实验内涵的研究与分解,我们从教学内容的设计到实验过程的规划,再到教学过程的质量管理三个维度,提出了科学的指导方法和系统的解决方案,为工程专业实验教学的深化改革提供了借鉴。