基于課程導圖的高校選課系統研究*

于源 于洪杰 范一強 汪曉男 張婭 （北京化工大學機電工程學院）

一 選課系統中課程關聯的重要性

課程體系是高校人才培養目標和規格的主要體現，其改革以適應社會發展需求，培養創新型人才，尊重學生個性發展和科學地整合知識系統為目標。個性化學習理念正逐步被廣大高校所接受，學分制成為高校的主流培養模式，具體表現為學校提供多元化課程，學生可以根據自己的興趣，在學校培養計劃的指導下選課。同時，還可以自主選修培養計劃外的相關課程（包括部分非本專業課程），具有一定的開放性[1]。此外，授課方式也由傳統課堂面授的單一途徑向在線教學、在線答疑等多元化模式轉變。大型開放式網絡課程（Massive Open Online Courses，MOOCs）的快速發展及其對于激發學生學習動機起到的良好效果，得到了許多高校的認可。部分高校正計劃或已經將這種模式引入到本科生培養中，以充分利用在線課程（Online Education）的開放性與便利性等優勢，來彌補課堂教育（Classroom Education）由于時間和空間的限制所帶來的不足，充分發揮學生學習的主動性。如三大課程供應商之一的Coursera，就已與29 個國家和地區的149 所高等院校和達成合作（數據來源于 https：//www.coursera.org/），中國有包括中國科技大學、北京大學以及上海交通大學等六所頂級高校已與其展開合作。開放式網絡課程已經成為一股不可忽視的力量，并且正在走向成熟。從長遠看，將會對教育事業產生革命性的影響[2,3]。然而，這種開放式的選課和自主學習在實際操作上會有一定的弊端，即容易導致學生的整個學習計劃缺乏科學系統的規劃和指導，使其所選課程之間缺少關聯，造成知識鏈的脫節，不利于形成系統性的知識框架。具體來講，學生在選課過程中，往往對備選課程不加了解，只給出簡單的主觀判斷，并在這些判斷的基礎上，選擇性地接受或者放棄某些課程的學習。但是由于缺乏系統的了解，這些被放棄的課程中，可能會包含部分后續課程的先修課程，這樣就會對后續相關課程的學習造成障礙，同時也不利于對于學生專業興趣的培養。以A 大學機械工程與自動化專業在大學二年級下學期開設的復變函數與積分變換課程為例，它是大學三年級上學期開設的控制工程基礎的先修課程，但部分學生因為對課程體系并不了解而放棄該課程，造成控制工程基礎在教學過程中出現很大的困難，老師教學吃力，學生學習費勁。同樣，MOOCs 中每門課程自成一體，盡管課程內容完整，且有討論區及提交作業等較為完善的功能，但隨著課程數目激增，涉及的學科內容越來越寬泛，MOOCs 平臺課程管理的不足也顯現出來。課程之間相互獨立，在知識結構上沒有相互聯系起來，這對于想要系統深入學習的學習者來說，將會遇到很大的障礙。

由此可以看出，無論是高校的學生選課系統，還是互聯網在線學習系統，如果課程之間相互獨立，缺乏關聯，在知識結構上沒有系統性約束，缺少友好的選課操作平臺，那么學生在選課過程中就會因為沒有選課依據，而存在盲目選課的問題。根據北京大學一項研究顯示，“選課系統”是除了“師兄師姐介紹”外，學生獲取信息最主要的途徑，占比高達74.9%[4]。學生選課系統是學生接觸和了解學校培養方式的主要途徑，也是學生選課獲取信息的重要方法。可以說，選課系統對高校的人才培養具有直接而深刻的意義。因此，學生選課系統的功能就顯得尤其重要。高校大多數現行的選課系統在知識結構管理上具有明顯的不足，雖然學生可以在上面查看每一門課程的信息，但系統中沒有儲存和整理課程體系的知識結構，每門課程之間相對獨立。雖然有些信息可以通過課程的備注信息表示出來，但這種方式無法直接建立課程之間的銜接。本文為解決這一問題，提出基于課程導圖的高校選課系統，并以A 大學機電工程學院機械工程及自動化專業為例，對選課系統進行了設計和構建。利用該課程平臺，使學生能夠明晰課程脈絡并科學地、系統地進行選課。

二 課程導圖的設計

課程之間的關聯可以從多個視角來考察，例如從培養目標的知識、能力或素質方面,或者從課程的實踐環節來考察。但不管從哪個角度出發，落腳點都是課程之間的知識關聯[5]。課程導圖產生于20世紀80年代美國“標準化運動”[6]。它可直觀地展示課程脈絡之間的關系，不僅能使課程之間相互關聯起來，也可讓學生進入大學之后能有學習的整體方向，并且提供學生規劃四年修課的參考，幫助學生進行選課咨詢及學業規劃。目前已經在歐美等域外國家和我國的港澳臺地區得到充分重視[7]。課程導圖作為平臺和工具被引入高校的高等人才培養體系中，并且起著越來越重要的作用。而目前在這個領域研究以及應用最深入和充分的依然是歐美國家，以醫學教育為例，根據Timothy G Willett 教授的調查，加拿大和英國絕大部分醫學院校正在著力構建課程導圖，并且有至少20%的院校完成了課程導圖的構建[8]。值得一提的是，由于課程導圖是關于專業培養的系統表達，在此過程中就需要全體老師參與進來，才能保證課程導圖真正有效。相較于那些對課程導圖重視的高校，我國還有很多高校對課程導圖的重要性沒有充分認識，課程導圖的使用并不普及，相關研究也剛剛起步。但不少人已經開始對此產生重視，一些院校的研究人員結合自己所在專業，對課程導圖的開發與設計進行分析，并意識到其對學生專業培養、教師教學的提高以及專業的建設具有重要意義[9]。

本文擬利用課程導圖來表達課程“時序關系”。課程導圖的本質，就是要梳理課程之間的聯系，找出每門課所要求的與“預備知識”相對應的課程，并以“先修課程”的方式展示給用戶。以圖1所示控制工程基礎課程為例，導圖中根節點指待選課程，葉節點表示無先修要求的基礎型課程。而除第一層外，所有課程均為控制工程基礎的先修課程。第二層為控制工程基礎的直接先修課程，該層的節點均是根節點的子節點。第三層節點則是第二層相關節點的直接先修課程，如高等數學是復變函數與積分變換的直接先修課程。

控制工程基礎是研究控制系統的組成、原理及分析方法的學科。傳遞函數是其數學模型。建立了系統的數學模型之后，就可以采用時域分析法或頻域分析法，對系統的穩定性、準確性和快速性進行分析。復變函數與積分變換課程知識包含復變函數和積分變換兩大部分，后者包括拉普拉斯變換和傅里葉變換，而這是理解控制工程基礎中傳遞函數、時域分析法和頻域分析法等要點的基礎[10]。復變函數與積分變換課程為控制工程基礎課程奠定了學習基礎。圖1所示課程導圖中，復變函數與積分變換是控制工程基礎的一門先修課程。以此方法分析，可獲得其余先修課程。

控制工程基礎是控制領域的一門專業基礎課程，先修課程數量較少，但對于某些專業課來而言，其先修課程比較多，以機器人技術課程為例。該課程作為一門專業方向選修類課程，根據A 大學機電工程學院機械工程及自動化專業培養計劃，其先修課程包括19 門。包括1）專業方向課程，如機電一體化系統設計、測試技術、機電傳動控制；2）專業基礎課，如理論力學、工程材料、互換性與技術測量、機械設計、機械原理、機械制造技術、控制工程基礎；3）公共基礎課程，如大學物理、線性代數、高等數學、概率論與數理統計、復變函數與變換、電子電路技術、機械制圖；4）實踐環節課程，如金工實習、金工實習導論。如果僅以此對課程進行展示，課程的參與人無論是老師還是學生都僅能從中得到課程的歸類情況，難于找到課程之間的關聯，也難于厘清課程所涉及的知識結構。利用課程導圖將機器人技術上述先修課程進行梳理和關聯，如圖2所示。該課程的直接先修課為機電一體化設計和理論力學；機電一體化設計以機為主，以電為用，從系統的角度論述機械系統和微機控制系統的原理、特點、選用方法，穩態設計和動態設計的分析方法等，因此需要具有機械設計和測試技術等課程的支持；而機械設計課程涉及機械和機械零件設計的概要，需要學生具備機械原理和機械制造技術的相關基礎知識；機械制造技術對不同材料的加工方法進行介紹，因此是建立在學生對工程材料和互換性與技術測量有所了解的基礎上的；金工實習（含金工實習導論）是實踐性技術基礎課，學生通過動手實踐，熟悉機械制造的一般過程，掌握金屬加工的主要工藝方法和工藝過程，可為工程材料和互換性與技術測量等課程打下良好基礎；機械制圖是門工程基礎類課程，被稱為工程界的語言，用來表達設計意圖和制造要求以及交流經驗的技術文件，因此是該課程導圖的葉結點。因此，可以看出，找出課程的關鍵知識點，依此梳理課程間相互關聯，是建立該課程的課程導圖的關鍵所在，繼而可得到課程之間先修或后繼的關系。

圖2 機器人技術課程導圖

基于課程導圖的在線選課系統正是針對以上所述的現行選課系統不足的改進，它能夠使選課系統具備一定的知識結構管理的能力，并且這種知識結構可以展示出來。學生選課之前可以在系統內查詢每門課在知識結構上與其他課程之間的關系，從而獲得先修要求。學生也可以依據各自的興趣提前做好準備。如學生甲對機器人技術這門課感興趣時，他可以在入學時查看這門課的先修要求，選修線性代數、高等數學等基礎課程和機械設計、機電一體化系統設計等專業先修課程，為將來學習機器人這門課打下理論基礎。這種選課系統對現代教育的人才培養具有重要的意義。

三 基于課程導圖的選課系統

本文在WAMP server 開源軟件的基本框架上，利用MySQL 完成了學生信息、課程信息、選課信息以及教師信息等數據在數據庫中的存儲，并采用PHP storm 完成了交互界面的設計，實現了基于課程導圖的選課系統。本系統的用戶分為：學生、教師、管理員。用戶不同，系統功能不同，權限也不相同，因此需要進行身份驗證，驗證通過后，方可進入相應操作界面。

傳統的選課系統的核心功能是退選課。而當學生要了解某門課程的先修要求信息時，只能查看課程教學大綱。學生要根據這些信息，自己梳理課程脈絡，進行課程之間的關聯。由于學生獲取的信息不夠完整，很難系統地完成這項任務，而且也不便捷。基于課程導圖的高校選課系統，在“培養計劃”頁面中增加了“查看先修課程”的超鏈接，學生直接點擊該鏈接就能獲得每門課程對應的先修課程。在所有的先修課程中，將課程導圖中相鄰節點，即直接先修課程，單獨列出，作為第一列；第二列則列出該課程所有的先修課程，使學生在瀏覽的時候更有層次感，能夠突出重點，以機器人技術為例，理論力學和機電一體化系統設計為其直接先修課程，將其列在第一欄，如表1所示。

表1 先修課程列表示意圖

傳統選課系統對學生的選課一般不加限制，這就會使得一部分不滿足先修要求的學生，也能選修相關課程。這將會給后續學習和教學帶來不少問題。對學生而言，由于背景知識的缺乏，很多知識點聽不明白，跟不上課程進度，嚴重時會導致學習半途而廢；對老師而言，學生“預備知識”不足，講課將會非常吃力。有時，為了照顧這些學生，必然要從頭講一些“先修知識”，影響教學進度。基于課程導圖的高校選課系統在學生選課時，會對該生的先修要求進行驗證，如果不滿足選課條件，該生將無法選擇這門課程，同時系統會顯示用戶不能選課的原因。以機器人技術為例，當學生未選修這門的先修課程機電一體化系統設計，則系統會給出提示。這樣學生因為先修課程不滿足條件，故無法選修機器人技術這門課程。該選課系統對于先修課程的約束，不僅有助于學生合理選課，而且也使學生更加明確本專業課程間關聯、達到了使學生深入了解課程體系的目的。

四 基于課程導圖的高校選課系統的現實意義

針對高校現有選課系統中由于課程間的邏輯關系相互獨立，關聯性不強而無法系統地、科學地引導學生選課的問題，本文設計了基于課程導圖的選課系統。這種選課系統能夠系統地表示課程在知識結構上的遞進關系，使學生厘清課程之間的脈絡關系，幫助他們建立個人的知識結構，使學生更高效獲取先修課程信息，在選課時做到有的放矢，有利于培養目標的實現。該系統還能對學生的選課行為進行限制，避免由于片面性選課造成學生在課程學習過程中的知識斷層而導致學習困難。此外，正快速發展的MOOCs 技術，逐漸被引入高等院校，將基于課程導圖的選課系統應用在MOOCs 平臺中，對選課活動進行科學的引導，將有利于用戶做出系統的學習規劃。