工程教育認證下自動化專業實踐類課程改革

李 擎, 崔家瑞, 閻 群, 楊 旭,董 潔， 李春雷

(北京科技大學 自動化學院, 北京 100083)

工程教育認證下自動化專業實踐類課程改革

李 擎, 崔家瑞, 閻 群, 楊 旭,董 潔， 李春雷

(北京科技大學 自動化學院, 北京 100083)

為了大力提升學生的工程實踐能力和創新能力,培養滿足我國現代化建設需要和具有自動化專業特色的高水平工程技術人才,基于OBE工程教育理念,充分借鑒CDIO工程教育模式,結合國際工程教育改革、工程教育認證發展趨勢與自動化專業的人才培養目標及專業特色,優化了自動化專業畢業生對實踐與創新能力的要求,根據畢業要求深度,提出了基于CDIO教育模式的工程認證能力培養方法,切實加強了實踐環節設置的針對性和科學性,提高了人才的培養質量。

工程教育認證； 實踐教學； 成果導向教育

我國在工程實踐教育層面開展了“卓越工程師培養計劃”和CDIO(構思conceive、設計design、實施implement、運行operate)工程教育。“卓越工程師培養計劃”[1]的培養目標是面向工業界、面向世界、面向未來,培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才,為建設創新型國家、實現工業化和現代化奠定堅實的人力資源優勢，增強我國的核心競爭力和綜合國力。CDIO工程教育模式[2-5]以產品研發到產品運行的生命周期為載體,讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程,培養學生的工程實踐能力和創新能力。為了迎接新工業革命對高等工程教育的挑戰,同時為了適應由于公共問責制的興起、人們更加關注教育投入的回報與實際產出的現實需要,成果導向教育(outcome-based education,OBE)[6-8]已在美國、英國、加拿大等國家成為了教育改革的主流理念。基于OBE工程教育理念,充分借鑒CDIO工程教育模式,結合國際工程教育改革、工程教育認證[9-11]發展趨勢與自動化專業的人才培養目標及專業特色,優化自動化專業畢業生對實踐與創新能力的要求,根據畢業要求深度改革現有實踐課程教學方法、調整或重新設計實踐課程體系和內容,切實加強實踐環節設置的針對性和科學性。

1 成果導向教育(OBE)

OBE是指教學設計和教學實施的目標是學生取得的學習成果。OBE評價體系的關鍵步驟見圖1。

圖1 OBE評價體系的關鍵步驟

教學設計采用反向設計法進行,反向設計法是指根據培養目標設計畢業要求,在畢業要求的基礎上設計課程大綱和課程內容。教學實施是采用以學生為中心的正向實施的過程,通過過程的學習達到設定的畢業要求和培養目標。課程評價則是持續改進的過程,即通過學生的學習效果調整課程大綱和課程內容,直到能夠使學生達到預定的要求。OBE強調4個問題:

(1) 想讓學生取得的學習成果是什么？

(2) 為什么要讓學生取得這樣的學習成果？

(3) 如何有效地幫助學生取得這些學習成果？

(4) 如何知道學生已經取得了這些學習成果？

OBE衡量學生能做什么,而不是學生知道什么,前者是傳統教育無法做到的。例如,傳統教育衡量學生的常用方法是,從幾個給定答案中選擇出一個正確答案。這種方法往往只能測試出學生的記憶力,而不能讓學生展示出他們學會了什么。也就是說,重要的是理解而不是記憶。對內容的理解所體現的認知能力比對內容的記憶所體現的記憶能力重要得多。OBE要求學生將掌握內容的方式,從解決有固定答案問題的能力拓展到解決開放問題的能力。OBE要求學生通過具有挑戰性的任務,例如提出項目建議、完成項目策劃、開展案例研究和進行口頭報告等,來展示他們的能力。這樣的任務,能讓學生展示思考、質疑、研究、決定和呈現的能力。因此,OBE是將學生置于發展他們的設計能力到完成一個完整過程的環境之中。OBE更加關注高階能力,這種能力可以通過以團隊的形式完成某些比較復雜的任務來獲得。

2 能力子指標與匹配矩陣的優化

首先,根據自動化辦學定位,將相關利益群體對于現代工程師所必備的知識、能力和素質等進行系統分解,構成畢業生可操作、可觀察和可評測的實踐與創新能力預期學習結果,并依照著名教育學家布魯姆教育目標分類法來確定畢業生在各細化條目上的掌握水平。

然后,圍繞自動化專業的預期畢業要求能力,逆向設計各門實踐課程,明確各門實踐課程對于實現預期畢業要求能力的貢獻及程度。以“自動化生產線實訓課程”為例,對預期畢業要求能力的貢獻見表1。

表1 “自動化生產線實訓”對預期畢業要求能力貢獻度

最后,在確定課程對預期畢業要求能力的貢獻度的基礎上,建立如表2所示的能力匹配矩陣。

3 基于CDIO教育模式的工程認證能力培養

結合CDIO教育模式的構思、設計、實施和運行4個過程,正向實施實驗實踐教學各個環節,并融入OBE的評價原則。

3.1 構思階段(conceive)

在構思階段,學生主要完成項目的需求分析,教師根據具體的項目,提出項目需求,然后,有學生通過文獻檢索、小組討論等形式,完成“項目需求分析報告”,并制作PPT進行需求分析報告會；教師對學生的“項目需求分析報告”進行點評,指出報告中的問題,學生根據教師點評,修改報告,并撰寫“項目需求分析心得體會”；只有教師點評合格的項目需求分析報告才能進入下一階段,不合格的需要繼續改進,直到通過為止。該階段教師與學生的交互流程如圖2所示。

3.2 設計階段(design)

在設計階段,學生主要根據在構思階段完成的項目需求分析,通過查閱技術資料、文獻、視頻、慕課等教學科研相關的資源,設計項目總體方案,包括系統硬件設計、軟件設計、算法設計等,在設計過程中,需要考慮工藝、結構、安裝等方面的要求,撰寫“項目詳細設計報告”。教師在該階段提供相關技術支持,包括問題解答、項目建議及提供一些項目相關的資料等。

表2 “自動化生產線實訓課程”能力匹配矩陣

圖2 CDIO 構思階段教師與學生的交互流程圖

學生完成方案設計后,教師和其他學生進行項目方案評審,評審通過后,教師提供和實施過程相關的技術資料,學生通過閱讀資料、網上預習平臺、教學視頻、慕課、公開課等學習,學習完成后,進行“項目實施必備知識測驗”,若通過測驗,則進入實施階段,若不通過,則給予3次機會,3次都不通過,則該項課程不合格。該階段教師與學生的交互流程如圖3所示。

圖3 CDIO 設計階段教師與學生的交互流程圖

3.3 實施階段(implement)

在實施階段,通過我院的實驗室開放政策和管理系統,學生預約相關實驗,學生按預約實踐到實驗室進行現場實施,根據實驗室提供的相關器件和“項目詳細設計方案報告”完成項目的現場實施。在實施過程中,教師根據學生實施過程中的問題和結果對學生進行評價。以“自動化生產線實訓課程”為例,實施階段學生的工作主要包括以下幾個過程:

(1) 了解工藝流程。根據實驗室提供的器件和相關資料,了解相關工業領域的工藝流程。

(2) 硬件電路接線與測試。主要完成項目所需硬件的電氣連接,并利用相關儀表進行電氣特性測試。

(3) 軟件代碼仿真、下載與調試。對設計的軟件代碼進行硬件在環仿真,并下載的CPU并進行調試。

(4) 系統組態設計與系統級聯調。利用組態軟件,對項目進行聯合調試,測試相關功能(功能測試)。

(5) 項目方案優化與調整。根據調試結果,進一步優化方案,直到滿足設計指標為止。

(6) 撰寫“項目實施工作總結”,進入下一階段。

CDIO實施階段教師與學生的交互流程圖見圖4。

圖4 CDIO 實施階段教師與學生的交互流程圖

3.4 運行階段(operate)

在運行階段,教師將根據項目中可能出現的問題,驗證學生項目實施的可靠性和魯棒性,比如教師可以針對學生設計的系統增加一些擾動和一些異常數據,檢驗系統的穩定性和魯棒性。根據測試結果,讓學生現場優化調整系統,以滿足工業環境的應用要求。完成上述工作后,需要撰寫“項目結題總結報告”,制作相關PPT,進行項目結題答辯。運行階段的流程見圖5。

圖5 CDIO 運行階段教師與學生的交互流程圖

4 持續改進

建立一種有效的持續改進機制,實現如下功能:能夠持續地改進畢業要求能力中關于實踐創新能力的子指標,以保障其始終與培養目標相符合；能夠持續地改進實驗實踐教學活動,以保障其始終與畢業要求能力子指標相符合。

建立持續改進體系,通過3個循環來實現,即通過外循環持續改進培養目標、通過內循環持續改進畢業要求能力子指標、通過成果循環持續改進實驗實踐教學活動。首先,評價畢業要求能力子指標是否與內外需要相符合,如果不符合,就要改進畢業要求能力指標；然后,評價畢業要求能力子指標是否達成,如果沒有達成,就要改進實驗實踐教學活動。實驗實踐教學活動的改進包括實驗實踐課程體系及內容、實驗實踐教學過程和評價等。

5 結語

(1) 基于OBE工程教育理念,結合國際工程教育改革、工程教育認證發展趨勢與自動化專業的人才培養目標及專業特色,優化了自動化專業畢業生對實踐與創新能力的要求。

(2) 根據畢業要求深度,提出了基于CDIO教育模式的工程認證能力培養方法,切實加強了實踐環節設置的針對性和科學性,提高了人才培養質量。

References)

[1] 董學平,魯照權.自動化卓越工程師培養的課程體系研究[J].實驗室研究與探索,2011,30(10): 265-267.

[2] 凌芳,呂恬生,范成杰,等.以CDIO模式推進工程實踐教學改革[J].實驗室研究與探索,2010,29(10): 141-142.

[3] 張鳳娥,薛健飛,李定龍,等.CDIO工程人才培養模式的研究[J].實驗技術與管理,2010,27(12): 8-10.

[4] 薛健飛,鄒海燕,席海濤,等.基于CDIO-CMM的大學生實踐能力成熟度評估及其在工程素質培養中的應用[J].實驗技術與管理,2012,29(9):145-147+166.

[5] 顧佩華,沈民奮,陸小華,等.重新認識工程教育:國際CDIO培養模式與方法[M].北京:高等教育出版社,2009.

[6] 顧佩華,胡文龍,林鵬,等.基于“學習產出”(OBE)的工程教育模式:汕頭大學的實踐與探索[J].高等工程教育,2014(1):27-37.

[7] 李志義,朱泓,劉志軍,等.用成果導向教育理念引導高等工程教育教學改革[J].高等工程教育,2014(2):29-34，70.

[8] 李志義.解析工程教育專業認證的成果導向理念[J].中國高等教育,2014(17):7-10.

[9] 林健.工程教育認證與工程教育改革和發展[J].高等工程教育研究,2015(2):10-19.

[10] 支希哲,韓阿偉.高等工程教育專業認證的問題及對策[J].中國高校科技,2015(4): 44-47.

[11] 余天佐,劉少雪.從外部評估轉向自我改進:美國工程教育專業認證標準EC2000的變革及啟示[J].高等工程教育,2014(6):28-34.

Reform of practical teaching courses for Automation major under engineering education accreditation

Li Qing, Cui Jiarui, Yan Qun, Yang Xu, Dong Jie, Li Chunlei

(School of Automation and Electrical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

The requirements of the ability about innovation and practice for the graduates are optimized based on the concept of OBE(Outcome-Based Education) engineering education. It is to enhance the ability of engineering practical and innovative ability of the undergraduates greatly and train to meet the needs of China’s modernization and automation, which should have high level of professional engineering and technical personnel characteristics. Then, the training method is proposed to fully draw CDIO(conceive, design, implement, operate) engineering education mode that combines international engineering education reform, engineering education accreditation trends, automation professional training objectives and professional characteristics based on authentication methods ability of CDIO education mode. It can effectively strengthen scientific settings and improve the quality of talent cultivation.

engineering education accreditation； practical teaching； outcome-based education

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.057

2016-05-16

中央高校基本科研業務費實驗室專項(FRF-OT-012SY);北京高等學校教育教學改革面上項目(2014-ms028)；北京市視頻共建課項目；北京科技大學教育教學改革與研究重點項目(JG2014Z01,JG2015Z09)；北京科技大學教育教學改革項目(JG2014M30,JG2015Z09,JG2016M19)

李擎(1971—)，男，河北唐山，博士，教授，博士生導師，研究方向為智能控制理論及其應用

崔家瑞(1982—)，男，山東微山，博士，高級工程師，研究方向為二維隨機系統及實驗實踐教學.

E-mail：cuijiarui@ustb.edu.cn

G642.0

: B

: 1002-4956(2016)12-0225-04