基于学习产出导向教育的工科类实验室开放研究

薛鹏 杨鹏

[摘要]基于学习产出导向教育（OBE）在工科类教育改革中有着举足轻重的作用，在工科人才培养中得到国内外广泛认同。推行实验室开放则是落实此理念的基本条件。依托“互联网+”管理平台建设，通过线上实时预约管理、全天候异地指导及实验项目模块设计，不仅解决了实验室开放“难”的普遍难题，并促进OBE理念沉浸于实验室开放过程。同时，配套运行机制是实验室有效开放的保证，特别是构建课内外有机融合的任务驱动式的实验室开放环境，以增强工科类实验室开放内涵，最终培育学生解决工程问题的能力。

[关键词]产出导向;智能化平台;任务驱动

[中图分类号]G642.4 [文献标志码]A [文章编号]1005-0310（2020）01-0011-06

产出导向教育（Outcome-Based Education，OBE）于1981年由美国学者威廉·斯派蒂（Spady WD）提出，其中“产出”是指学生在最终学习过程后证明自己真正具备的能力[1]。OBE理念以惊人的速度得到了世界多国的广泛重视和应用，已成为美国、英国、加拿大等国家教育改革的主流理念[2]。美国工程教育认证协会（A-BET）也全面接受了OBE理念，并将其贯穿于认证实践全过程[3-4]。2016年6月，国际工程联盟大会接纳我国成为《华盛顿协议》正式成员[5]。中国工程教育专业认证协会是经教育部授权的在中国开展认证工作的唯一合法组织[6]。OBE理念相对于传统教育而言，其核心在于由外部社会需求决定培养目标，由培养目标决定毕业要求再到课程体系设计，具有“反向设计、正向实施”的本质特点[7]。站在国际视野的大背景下，用OBE理念引领工科类教育改革，以工科类实验室开放为载体将OBE理念更好地在应用型高校落地扎根，具有很强的紧迫性和现实意义。

1 学习产出导向教育之基本理念

1.1 学习产出导向教育精髓

学习产出导向教育的精髓在于清楚聚焦学习产出，特别强调学生学到了什么，而非传统教育的输人。这一理念对于工程教育培养过程起到“制导”作用。按照《华盛顿协议》，两年制和三年制专科分别培养学生解决狭义工程問题和广义工程问题的能力，本科培养学生解决复杂工程问题的能力[8]。OBE要求学生将掌握内容的效果，从解决有固定答案问题的能力拓展到解决开放问题的能力。在此基础上，追求“以学生为中心”，把学生放在中心位置，学生是知识的主动学习者、自主建构者，注重通过研究和实践来建构知识和发展知识。最后，OBE主张实现从质量监控过渡至质量的持续改进，通过解决质量问题达到持续的螺旋式上升循环[9-10]。

1.2 学习产出导向教育的实施

学习产出导向教育的具体实施过程中，首先要建立清晰的学习产出蓝图。课程体系要对实现能力结构作出确定的贡献，以达成顶峰产出——实际应用能力。OBE中的“O”特别强调越接近学生的真实学习经验，越可能持久存在，且兼顾生活的重要内容和技能，注重实用性等特征。这充分体现着“激发探究欲望、培养独立意识、增强实践能力”的工科类学生培养愿景，也从本质上凸显了工科类实验室开放具有很强的必要性。其次，创设与之相适应的环境是必不可少的重要条件，为学生达成预期产出提供适宜的条件和机会。OBE蕴含了从封闭课堂向开放课堂的转变，破除课内与课外边界;建立对话课堂，偏重过程性评价;考虑学生差异，在时间和资源上保障每位学生都有达成学习产出的机会等思想，从方法和形式等不同侧面为“如何开放工科类实验室”提出了确定性要求，每一种具体思想也为我们提供了努力方向和若干条潜在实施路径。由此，实验室开放是一道设计实施路径的研究命题，更多地从创设成功环境的测度上助力每位学生取得预期产出。

2 开放实验室路径设计

实验室开放不仅指通常意义上实验室时间和空间上的简单开放，还包含实验内容的开放和实施方法的创新。推行工科类实验室开放即是在解决“如何将OBE思想落地、怎样大面积地安全开放、怎样驱动更多学生到实验室去”等现实问题。以下将以工科类实验室为例，探讨实验室开放的设计与实践过程。

工科类实验室不同于传统计算机房，设备类型繁多，甚至包含部分大型设备，并涉及大量操作工具和琐碎耗材，加之实验教师数量不足等现状，这类实验室的开放一直是难题。依托物联网技术，建设工科类实验室智能化管理平台是破解这一难题的重要载体，是立足现实条件有限的前提下，实验室开放高效运作的有力支撑。OBE指出要正确处理课内与课外之间的关系及显性与隐性课程之间的关系，强调教学内容由课内向课外延伸，与传统教学的显著差异在“课外”“隐性”。其中，“隐性课程”的一种重要载体是第二课堂，第二课堂要与第一课堂一样得到重视，提升其建设水平和育人效果。由此，平台功能设计重点关注以下三个部分：

2.1 实时预约管理

顺应移动时代“00后”学生的学习习惯，以他们习惯的方式来进行初始化设计，更能体现“以学生为中心”理念。因此，平台的基础即是手机端实时预约模块及配套硬件设备，并为学生提供自适应网页版与微信小程序两种移动端预约方式。参照互联网叫车或影院选座的相似操作体验，学生先后经过“选择实验室或实验项目，设定预约起、终点时刻，锁定实验室内工位号”等简要环节，即可在校内外随时完成实验室工位预约过程（如图1所示）。

工科类实验室开放后的安全问题不可忽视，因此，在预约模块中多处嵌入了有关安全的功能设计。例如，将安全认证答题前置于首次预约之前，答题涉及设备使用、触电等知识考核，学生通过认证后方可获得预约授权;每次进入实验室之前设置了现场脸部拍照环节，以约束学生行为及责任追溯（如图2所示）。平台特别设计了预约规则及惩罚，针对爽约、迟到等现象由管理员灵活设定惩罚基准，平台将自动收回涉事学生一定时段的预约授权，管理员亦可据实收回或释放学生的预约授权。

在配套硬件设备方面，平台应用物联网等技术，通过布设的电源控制装置、门禁等装备实现移动端预约模块的联动，完成实验设备监管及开放数据的实时采集。需特别指出的是，工科类实验室本身就涉及自动控制、机械制造等多门类，如果出现同类型的两间实验室，建议统筹调配实验室资源，走实验室差异化、实验资源多样化的建设之路。OBE指出，在资源上保障给不同学生提供不同机会，逻辑前提是首先有丰富的实验资源供学生自由选择。而此处的核心配套硬件设备——电源控制装置则不受设备类型的限定，通过控制每一工位设备电源的通断实现实验室工位的精细化预约管理，进而完成跨楼宇、跨楼层多形态实验室的平台一体化管理。

2.2 全天候异地指导

从课内向课外延伸的第二课堂往往集中于晚间或周末等时段。对照OBE理念提倡的过程性评价，这从时间和课程准备上均向指导教师提出了很高的要求。传统式的实验室指导不太可能覆盖整个实验室开放时段，构建移动端指导模块则会化解矛盾。首先，该模块包含实时聚焦任一实验工位（区域）以及实验过程，高清观看并有选择性地录制学生实验过程。交替安置的多路摄录装备确保各开放实验室无盲区。其次，模块集成了师生双向音频交互的特色功能，当学生有问题时，借助实验室内的对讲设备即能直接与教师手机端对话;当教师需提供提示和指导时，实时通过手机端讲话，经由实验室对讲设备同步播放。在此基础上，鼓励指导教师与学生之间建立微信等社群，与移动端指导模块形成互补。基于OBE理念的传统做法与移动端指导模块的对比如表1所示。

值得一提的是，充分利用移动端的便捷性，教师仅用手机就可以在校内外进行全天候异地指导，以此既保证了教师指导的灵活可达性，为师生提供共同参与、互动、互进的适宜环境，使教师的“教”与学生的“学”自然融入第二课堂;又为实验室安全开放增添了一道屏障，管理员可实时调阅实验室学生的状态与行为，发现问题后可在远程及时制止。此模块从多个关键点上应答了OBE之落地实施的问题，是工科类实验室开放的又一特色。

2.3 实验项目模块设计

创造适宜的工科类实验室开放条件是基础，以学习任务驱动学生走进实验室则是开放的内涵。指导教师在实验课程中布置开放实验项目并纳入课程过程考核将不失为一条可行途径，逐步形成规模效应。在此，指导教师根据课程培养目标开设开放实验项目是上述逻辑的起点。实验项目模块主要完成对实验项目的线上流程化管理，形成“指导教师申报实验项目+学生选择实验项目（嵌入至实时预约过程）+学生上传实验报告+教师评价反馈”的管理闭环。该模块使得智能化管理平台与实验教学过程耦合更紧密。每一实验项目包含实验目标、实验层次、主要内容、操作步骤、所需设备等基本信息及辅助资料。教师在实验过程中可以通过手机随时查阅，用以实时指导，学生实验完毕后上传实验报告、源程序等成果，由教师评定后反馈。

如图3所示的流程类似于教师线上申请课程。实验项目设有开放时间段或长期开放，管理员可随时统计某一实验项目的参与学生信息、实验时长等数据，以此既能深度了解实验室开放的客观情况，又对教师第二课堂建设形成督促和压力。经一段时期运行，整个平台将累积一定体量的实验项目，按体验性、设计性、综合性等分层级以菜单形式供学生自由选择，与OBE“以学生为中心”理念相吻合。长期积累的实验项目以及学生实验成果或作品等是应用型大学的宝贵资源，亦是本文探讨实验室开放内涵的应有之义。

3 开放实验室配套运行机制建设

智能化管理平台在多个节点融入了OBE理念，但现实中做好工科类实验室开放仍需依赖配套管理机制的保障。

3.1 基本制度建设

建立面向实验室开放所有环节的“管理生态链”，规范实验室有序开放，提升开放效果[11]。以“互联网+”管理平台为基础，建立相关管理办法是必要的，旨在教师、学生、管理员三方形成刚性约束及相互衔接，实现“教师有要求、学生有任务、管理有监督”的目标。

指导教师是实验室开放的主导[12]，由此建议明确赋予指导教师通用的职责任务（如表2所示）。例如，试行指导教师所授课程大纲满足课内与课外学时按1：1.5比例设定，有意将课内未完成的实验延伸至课外，将课程关键节点的实验作业划转至“隐性课堂”。依托管理平台推行导师制，强化“每名指导教师带领若干学生，每名进入实验室的学生要有对应的指导教师”的紧密联结关系。指导教师同时对异地指导、学生预约及安全使用等行使履约责任等。

学生是使用实验室空间的主体，因此需要引导并规范学生对于管理平台的全过程使用，以及在安全防护、实验求助等常见情景下的正确步骤。

管理员是服务保障的守门人。在保障管理平台、硬件装备运行的基础上，需了解指导教师对实验资源的需求，按需个性化增配设备与耗材等。同样依托平台，定期梳理指导教师开设实验项目数、指导教师所带学生数、学生实验时长等多维度交叉统计，形成对指导教师课程及学生成绩评价的客观依据。

3.2 分类分层任务驱动的思考

每位学生个体都是不同的，扩大机会是OBE理念蕴含的一条基本原则。探索分类分层的开放实验任务是工科类实验室开放的内涵发展，逐步实现工科类实验室在时间、空间、内容的全开放，营造“不限形式，只见效果”的实验氛围（见图4）。实验室建设也不只是单纯购置仪器设备，需要与学科发展有机结合[13]。实践中按一般工程类的课型，开放实验任务可分为软件类、硬件类及软硬结合类，每一类再细分为初、中、高三个层级，以菜单式的分类分层任务为学生提供实验机会。

1）初阶：完成课程所规定的实验作业，偏于验证性实验，以达成课程基本要求。本层主要依赖机制从“面上”强制性推进实施。初阶的本质特征在于覆盖学习课程的全体学生，而非某一学生群体甚至个体，这也正是OBE特征的具体体现，即要在时间和资源上保障“每名学生”都有达成各自顶峰学习产出“O”的充足机会。实践中发现，初阶的开放实验项目更易形成实验室开放的规模效应。

2）中阶：本层突破了课程本身的边界，旨在吸引有兴趣和学有余力的学生，为他们创造更多的选择机会。实验项目类型则由验证性实验向设计性、综合性实验转变[14-15]。实践中，一方面从授课班级内选拔学生，即课后完成具有一定挑战度的实验任务或综合设计实验;另一方面以创办科技竞赛、校外赛事预备赛等形式，从更广泛的范围吸引相关专业学生。为形成归属感，探索创立侧重不同专业方向的学生社团组织，培育稳固的参与中阶实验的学生团队。

3）高阶：本层更充分体现《华盛顿协议》对复杂工程问题特征的描述，如必须运用深入的工程原理经过分析才可能解決，不是仅靠常用方法就可以完全解决等。高阶实验项目可从指导教师科研项目、市级或全国学科竞赛等产生。此过程旨在培养学生解决复杂工程问题的能力。实践中，建议定期就某项具体任务组成“专组”，吸纳相关专业学生甚至跨学院不同专业学生，发挥各自的专业特长，鼓励协作形成互补，亦为营造专业交叉创新的实践环境铺路。

以北京联合大学为例，以任务驱动的实验室智能化平台推行一年多来，从课内延伸至课外工程类硬件、软件及软硬结合的分类分层实验项目近60项。实施后的课外学生实验人次显著提升，从原一学年不到100人次跃升至逾6000人次;课外更多学生完成了具有一定展示度的学习产出+0;，完成初、中、高阶实验作品70余件。在试点课程的学生寄语中提到最多的是实验开放环境及带有任务的独立实验经历。

4 结束语

工科类实验室开放是一个实践性强的综合体，包含技术应用、课程改革、管理机制等多个分支，尤其与专业教学密不可分，需要多举措并行方可能取得成效。在这一过程中，从每一分支挖掘出能够体现OBE理念的细节将是工科类实验室开放过程的努力方向，最终助力基于OBE理念的工科类人才培养。

[参考文献]

[1]SPADY W D.Choosing outcomes of significance[J].Educational Leadership，1994，151（6）：18-22.

[2]吕帅，朱泓，赵磊.基于成果导向理念的教育改革实践与探索[J].重庆高教研究，2017，5（2）：101-106.

[3]李志义，朱泓，刘志军，等.用成果导向教育理念引导高等工程教育教学改革[J].高等工程教育研究，2014（2）;29-34.

[4]周洪波，周平，黄贤立.OBE理念下应用型本科人才培养方案的构建[J].高教学刊，2018（10）：76-78.

[5]李志义.对我国工程教育专业认证十年的回顾与反思之一：我们应该坚持和强化什么[J].中国大学教学，2016（11）：10-16.

[6]中国工程教育专业认证协会秘书处.工程教育认证工作指南[G].北京：中国工程教育专业认证协会，2017.

[7]李志义.成果导向的教学设计[J].中国大学教学，2015（3）32-39.

[8]蒋宗礼.培养计算机类专业学生解决复杂工程问题的能力[M].北京：水利水电出版社，2018：1-2.

[9]PETROVA R，TIBREWAL A，SOBH T M.An electronic web-based assessment system[J].Journal of STEM Education，2006，7（3）：44-57.

[10]金玉洁.基于成果导向理念的本科人才培养体系构建与探索[J].武汉理工大学学报，2018，31（5）;205-208.

[11]尹立苹.以实践创新能力培养为核心，全面推进实验室开放共享[J].实验科学与技术，2015（10）：229-231.

[12]张艳芬，刘中成，耿强，等.新形势下高校实验室开放管理与运行机制的研究[J].实验技术与管理，2013，30（3）：180-183.

[13]张菊辉，彭斌.地方大学精品土木工程专业实验室建设探究[J].实验室研究与探索，2017，37（3）243-246.

[14]潘文婵.面向创新人才培养的实验室开放模式研究[J].实验科学与技术，2015，13（3）：146-148.

[15]钱小明.高校实验室开放管理机制的探索与实践[J].实验技术与管理，2013，30（11）40-42.

（责任编辑 李亚青）

[收稿日期]2019-11-19

[基金项目]北京市教育规划重点项目（SZ20161141729），北京联合大学教学改革项目（JJ2017Z010）。

[作者简介]薛鹏（1981-），男，北京市人，北京联合大学工科综合实验教学示范中心副主任、高级工程师，硕士，主要研究方向为信息技术教育。

[通訊作者]杨鹏（1966-），男，四川遂宁人，北京联合大学工科综合实验教学示范中心主任、教授，博士，主要研究方向为教育部工程教育认证等。E-mail：yangpeng@buu.edu.cn