工程專業混合式教學設計與實踐研究

張沖 吳冠豪

[摘? ?要] 工程專業的混合式教學有其自身的特點。文章首先闡述了工程專業混合式教學“混合”的內涵;其次基于工程人才培養目標特點，圍繞學習活動、教學資源、教學評價三個方面對混合式教學進行了設計;最后，結合清華大學“光電儀器設計”課程教學改革案例，在教學實踐中實施并驗證了混合式教學效果。

[關鍵詞] 工程專業; 混合式教學; 工程人才; 教學設計; 教學實踐

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

[作者簡介] 張沖（1984—），男，吉林農安人。博士研究生，主要從事工程教育、創新創業教育研究。E-mail：zhangchong @tsinghua.edu.cn。

一、問題的提出

信息網絡技術的發展極大的便捷了知識、理論的傳播，也給高層次工程人才的培養帶來了挑戰。就高等工程教育的目的來看，工程教育、教學已無法停留在知識和信息的簡單傳遞層面，更重要的是，要在此基礎上，促進學生對知識的理解，培養其有效運用知識、技能解決復雜工程問題的能力和創新創造力[1]。當前，我國高等工程教育領域正在大力推進新工科專業建設，新工科專業建設的核心任務是人才培養，而培養和造就一批具有創新創業能力、跨界整合能力、高素質的各類交叉復合型卓越工程科技人才是新工科建設的主要目標[2]。為了實現上述目標：一方面，要系統性地改革工程教育教學內容，以滿足新技術、新產業和新經濟快速發展的需要;另一方面，要創新工程教育教學方法，充分認識到數字技術、信息化對知識獲取方式和傳授方式，以及教和學關系帶來的革命性影響，利用好信息化的手段輔助工科教學，切實提高工科教學效果和工程人才培養的質量。

混合式教學作為一種融入信息技術手段的創新型教學方法，近年來得到了教育界廣泛關注。然而，工程專業混合式教學改革還處于探索階段，尚缺乏策略性、方法性研究，教學效果也有待實踐檢驗。混合式教學中“混合”的內涵是什么，如何結合工程專業特點，進行混合式教學設計，工程專業混合式教學效果如何？本研究基于清華大學“光電儀器設計”課程的混合式教學改革實踐案例，嘗試通過對上述問題的回答，為工程專業混合式教學的有效開展提供參考方案，為信息技術與工程教育的深度融合以及培養具有全面能力素養、高層次、創新型工程科技人才提出合理的意見和建議。

二、混合的內涵

工程專業推進混合式教學改革的前提，是要準確理解“混合”的內涵。國外有學者認為：只有當課程內容通過網絡的方式進行傳授達到一定的比例時，才能算作混合式。如Allen認為，課程在線交付的內容應在30%～79%之間[3];而Watson設定課程內容在線傳授的比例是不低于30%[4]。本研究認為，這樣一種對“混合”內涵的理解是表面的，是無法指導教學實踐的。正如Graham所指出的，即使可以準確地確定一個百分比，29%的課程內容在線傳授與30%的課程內容在線傳授又有什么實際的差別呢[5]？可見，混合式教學中“混合”的本質并不在于多少內容、多少比例的混合。之所以“混合”，是因為有多個不同質的對象要綜合利用，有不同質的目標要實現。如果是同一對象、同一目標，或者相同性質的對象、目標在一起，就不能稱為“混”，也沒有必要“混”[6]。從教學實踐的角度來講，目標是任何教學設計的起點，沒有目標就不會有內容，也不會有形式，更不會有相匹配的資源。因此，不管對混合式教學中的“混合”有多少種形式上的理解，本研究中的“混合”主要指基于工程教學、工程人才培養目標的混合。只有明確了目標，明確了這一內涵，混合式教學設計才能更好地付諸實踐。

三、工程專業混合式教學設計

關于混合式教學中哪些（任務）最好在線完成，哪些（任務）最適宜線下面對面完成，或者什么時候完全的在線學習是比課堂教學更好的選擇，對這些問題尚沒有確切的能夠指導教學實踐的佐證或理論[7]。但工程專業教學具有特殊性，它不同于文理科專業，在教學目標方面不僅強調學生對科學知識、原理的理解和掌握，更強調知識、技能的綜合與實際運用，從而培養學生通過設計等手段創造性地解決復雜工程問題的能力。有學者指出，在知識經濟、科技革命和全球經濟一體化的背景下，未來工程科技人才不僅需要掌握關于什么的知識（即事實方面的知識）、關于為什么的知識（即原理和規律方面的知識），更需要掌握怎么做的知識（即操作、實踐能力）以及關于誰的知識（即怎么合作、如何管理的知識與能力）。培養既有理論創新能力，又有工程實踐能力及其他高階能力素養的創新型工程科技人才已成為未來工程教育核心的目標。已有研究表明：混合式教學中線上與線下教學模式，在不同類型知識學習方面各具優勢。當學習陳述性、事實性知識時，線上多媒體技術的優勢明顯，線上學習對提高學生自主學習能力也更有利;當學習程序性知識，培養學生的高階能力素養時，線下的實踐、參與式學習、研究性教學更具優勢[8]。

因此，工程專業混合式教學設計應遵從工程人才培養目標的上述特點，從教學目標的合理分解出發，發揮線上與線下教學各自的優勢，對整個教學過程進行系統性設計。線上，教學目標應側重于學生對科學知識、原理的記憶、理解和掌握;線下，教學目標則側重于學生綜合運用知識解決復雜工程問題的能力、團隊合作能力的培養，以及設計思維、創新思維、創造力的開發。工程專業混合式教學設計要基于以上教學目標，設計相應的學習活動，匹配合適的教學資源，并采取適當的方式評價教學效果。

（一）學習活動設計

學習活動是指學習者以及與之相關的學習群體，為了達到特定的學習目標需要完成的訓練內容，是教學設計的核心[9]。對學習活動的分類有多種方式，本文根據工程專業學習的知識屬性以及混合式教學目標，將學習活動分為理論概念、思維開發、綜合實踐三種類型。

理論概念類學習活動以靜態的陳述性知識學習為主，主要目的是讓學生掌握本學科專業的基本概念、相關知識原理以及了解知識、原理運用的實踐場景。混合式教學模式下，其實現途徑是：學生通過網絡課程、遠程實驗平臺線上自學，教師主要起輔助作用。

思維開發類學習活動主要目的是開發學生的發散思維、逆向思維、批判思維，培養其創新思維能力。思維能力的培養離不開問題的創設，人的思維活動與具體問題的解決過程密不可分。因此，思維類、開發類學習活動主要是基于問題的學習，其具體實現途徑：一是針對學生網絡課程的學習反饋，總結提煉共性問題、難點問題，由教師組織學生在網絡以及課堂上進行討論，鼓勵學生發散思維，提出一些解決問題的新思路;二是教師在課堂教學的基礎上，結合工程實踐中的開放性任務、企業的需求與案例，以完成專題研究的方式（具體形式可以是調研報告、課程設計、工程部件設計等）引導學生嘗試提出新穎的問題解決思路或設計方案。從教學實踐看，線下教學對學生思維開發的效果更明顯，但線上的交流互動、研討也有利于思維能力培養，對線下教學目標能起到加持作用。

綜合實踐類的學習活動主要目的是為了檢驗學生對所學知識、原理、技能的理解與掌握程度，通過創設基于真實問題情境的學習任務，培養學生綜合運用知識解決復雜工程問題的能力、表達溝通能力、團隊合作能力、創新創造力等高階能力素養。綜合實踐類學習活動主要依靠線下的研究性教學、實踐教學完成，具體實現路徑是：教師將工程科研中的具體任務或企業的現實需求凝練成研究課題或項目選題，科學制定研究目標，并結合學生的學習興趣對其進行分組，指導學生合作學習，通過完成源自工程實踐的綜合項目，培養其高階能力素養。

（二）教學資源設計

工程專業混合式教學資源，包括線上教學資源與線下教學資源兩部分。其中線上教學資源主要呈現形式是網絡課程資源與遠程實驗資源;線下教學資源主要呈現形式是工程項目資源、工程實踐教學資源與企業學習資源。

1. 網絡課程資源

網絡課程是在線學習最主要的資源載體，是線上教學設計的核心。網絡課程的設計不是簡單地將原有的線下課程資源照搬到網絡上，而要兼顧學習內容的有效性與趣味性，前者保證課堂的效率，后者助力于學生的深度參與[10]。為此，教師一方面要注重教學內容與現實生活、工程實踐中真實問題的聯系，促進學生感知課程的效用價值;另一方面，要適度增加學習任務的挑戰性并采取模塊化課程設計方法，將學習任務分解為不同的教學內容和相應的知識點，針對每一部分的模塊設置相應的引導性問題，并提供輔助學習資料、文獻，以及與課程學習相關的工程數據庫資源、案例資源等，引起學生參與學習的興趣，調動學生自學的積極性。

2. 遠程實驗資源

遠程實驗室是遠程實驗資源的載體，它主要由一些智能設備、仿真設備、計算機、數據庫、工程軟件等資源通過網絡有機聯結而形成，是工程專業特有的在線學習資源。遠程實驗在一定程度上能夠解決工程專業對線下實驗環境強依賴性的問題，使得一些理論驗證性實驗可以通過網絡學習的方式完成，加深學生對所學知識的理解。教師應根據相關課程模塊的具體教學內容、知識點的需求，設置遠程實驗。可將實驗要求、操作規程錄制成視頻，讓學生結合在線課程共同學習，并通過遠程實驗室自主完成對相關理論、原理的驗證，深化對所學知識的理解。

3. 工程項目資源

工程項目是綜合實踐類學習活動項目選題最主要的來源。典型的工程項目包括：工程企業委托的橫向項目、國家重大科技專項等項目課題，這類項目既有很強的科技創新要求，同時也具有強烈的實踐應用導向，是培養工科學生解決實際問題能力以及其他高階能力素養的重要抓手。教師要把參與、完成這些工程實踐類研究課題的心得體會、科技攻關取得的成果，含有關鍵技術突破的子任務，凝練成工程案例和適合綜合實踐類學習活動的項目選題，在線下開展研究性教學。一方面，引導和幫助學生選擇有價值的工程問題;另一方面，要能夠指導學生科學制定項目總體目標，并合理分解目標，確定研究成果的呈現形式及任務分工，指導項目實施。

4. 工程實踐教學資源

工程專業除了仿真類、驗證性實驗可通過在線方式完成，大部分實驗仍需要學生現場操作，動手實踐，特別是綜合實踐類學習活動更需要工程實踐教學資源的支撐。工程實踐教學資源由各專業類實驗室、工程綜合訓練中心等承載，為工科學生參與工程實驗、實踐提供相關的場地、儀器設備等條件。教師應充分利用本學科專業實驗室、學校開放性實驗資源，為學生提供相關實踐教學資源。

5. 企業學習資源

為了更好地完成工程專業綜合實踐類項目學習，學生需要了解企業的運作、產品開發的流程以及市場的需求。為此，線下教學要盡可能為學生提供企業學習資源。企業學習資源具體表現形式有如下幾種：一是有助于工科學生總體了解學科、行業發展歷史和發展現狀的案例、報告等;二是大學沒有而企業具備的工程實驗條件，包括儀器設備、數據庫資源、軟件環境等;三是與企業研發、銷售、管理人員溝通交流的條件或渠道。這里最重要的是與學生項目學習直接相關的企業資源，教師可以基于所承擔企業委托橫向課題設置學生項目學習選題，這樣可幫助學生直接建立起與企業界的聯系，充分利用企業的研發條件，更好地與企業一線研發、銷售、管理人員交流互動，了解工程產品設計開發的流程與市場需求。

（三）教學評價設計

教學評價的目的是為了保障教學目標的實現，目標導向是教學評價應遵從的基本原則。從工程專業混合式教學目標的特點來看，線上的教學目標相對是顯性的，較容易評價，教師可以通過網絡隨堂測驗、考試等方式實現對上述目標的教學評價;但線下的教學目標相對是隱性的，解決復雜工程問題的能力、團隊合作能力，設計思維、創新思維以及創造力等教學目標很難通過量化的指標對教學效果作出客觀、準確的評價。因此，針對這部分教學目標，要結合研究性教學的特點，引入過程性評價，通過個人的心得體會，以及在項目學習中的行為表現等作為評估準則，評估教學效果。工程專業混合式教學評價要素見表1。工程專業混合式教學最終效果，還應在目標要素評價的基礎上，通過與傳統教學的比較，進行驗證，檢驗其有效性。

“光電儀器設計”課程線下研究性教學是混合式教學實施的重點，為滿足工程人才高階能力素養培養需要，線下教學主要呈現如下特點：

（1）突出教師主導作用

工程實際問題往往都是多學科交叉的，具有很強的綜合性。基于合理分工，以跨學科團隊合作組成項目小組的綜合項目學習模式，不僅能訓練學生的工程專業能力，同時也有利于培養學生跨學科思維能力、團隊合作能力和創新創造力。但以往在教學實踐過程中，由于過于強調學生的自主性，往往造成學習任務分工不明確、研究性選題不合理等問題，線下小組學習中也會產生“抱大腿，搭便車”的現象。為此，本課程在線下教學設計中，注重強化教師的主導作用，即由教師精心設計研究任務，同伴分組完成后，明確每個組員的分工與考核，避免搭便車現象。各組的任務選題不同，但有銜接和交叉，這樣可以增進組內和組間的交流，促進學生發散思維，提高其合作能力。

（2）注重與工程科研結合

具體策略是：以科研帶動教學，增加課程的前沿性與挑戰性。在教學過程中，教師結合自己承擔的國家重大專項任務，將光柵科研案例融入混合式教學之中。一方面，通過生動的案例、先進的科研成果激發學生的學習興趣和動機;另一方面，將科研任務中的一些重點難點問題、關鍵技術凝練成綜合性實驗的研究選題，鼓勵學生發散思維、逆向思維，嘗試提出、采用一些創新的方法去完成學習任務，培養其創新思維能力以及解決工程問題的能力。在本課程的混合式教學實踐中，學生綜合性實驗研究成果成功應用到了教師的科研項目之中，提高了光柵周期測量的效率，證明這種方法能夠取得良好效果。

（3）注重與企業合作，共同開展混合式教學

具體方式是：一是為學生與企業研發、銷售人員的交流互動建立起暢通的渠道，要求學生在正式進入在線學習、綜合性實驗學習前，對企業一線的研發與銷售人員進行訪談，熟悉相關儀器的發展歷程、研發設計經驗、現實存在的問題及市場的新需求，確保研究選題的意義和價值。二是與企業建立互利共贏的合作機制。企業為課程實驗教學提供相關儀器設備，教師與學生運用儀器設備開展各類實驗，錄制儀器設備操作視頻，為企業提供產品使用經驗與心得，反饋產品使用過程中存在的問題與不足，促進企業改進、提升產品性能。

（三）“光電儀器設計”課程混合式教學效果

“光電儀器設計”課程混合式教學效果，主要基于課程目標的實現情況，并通過與教改前傳統教學模式的比較，來進行考查評價。具體評價方法：一是對該課程混合式教學改革前、后兩學年，學生的課業成績進行比較分析，相對客觀評價混合式教學中知識傳授、技能訓練的效果;二是比較兩種教學模式對學生表達溝通能力、團隊合作能力、創新思維等高階能力素質提升情況的影響，驗證混合式教學效果。

基于選課人數，遵照整體抽樣，嚴格控制組間差異的原則，從混合式教學改革前、后兩學年各抽取30名學生作為調查分析對象，即混合教學組30人（簡稱混合組），傳統教學組30人（簡稱傳統組），樣本情況見表3。

控制組間差異的方法是：兩組選課學生男女比例基本相同;所有學生均來自同一院系（精儀系），同一年級;學生基礎以及以往所學課程內容基本相當。對兩組學生課業成績、高階能力素養提升情況具體分析如下：

1. 課業成績

從兩組學生的課業成績來看，混合組與傳統組在成績均值、方差、優秀率方面均有明顯差異。混合組相對于傳統組學生成績平均分提升了近10分。混合組學生成績方差為5.1，傳統組為11.3，混合組方差約為傳統組的二分之一，說明混合組學生成績個體差異明顯降低。從優秀率來看（課業成績90分以上所占比率），混合教學組學生獲得優秀的比率較傳統教學組顯著提高，整體提升了13.3%。具體分析結果見表4。

混合組與傳統組學生課業成績單因素方差分析結果亦表明：混合組與傳統組差異性顯著。即在a=0.05的水平上，p值為0.00012，遠遠小于0.01。表5為具體的方差分析結果。

上述結果證明：混合式教學注重線上與線下相結合，強調研究性教學、合作學習這樣一種新的教學模式，有利于總體上提升學生對知識、技能的理解與掌握程度，降低學生間的個體差異，有效促進每一個學生個體課業成績的提高。相比于傳統教學，混合式教學在知識傳授、技能訓練方面，能夠取得更好的教學效果。

2. 高階能力素養

根據本課程的教育目標，學生高階能力素養主要包括7部分：學生對所學知識的理解力及有效運用能力、工程設計能力、分析與解決問題的能力、創新思維能力、表達溝通能力、團隊合作能力以及自學能力。通過李克特五分量表，對混合組與傳統組學生問卷調查發現，混合教學組學生上述能力要素提升明顯好于傳統教學組，具體情況見表6。

方差分析結果表明，混合式教學在學生對所學知識的理解力、有效運用能力，工程設計能力，分析問題與解決問題能力，創新思維能力，表達溝通能力，團隊合作能力以及自學能力等高階能力素養培養方面，均能取得比傳統教學更顯著的教學效果（顯著性p<0.01）。方差分析結果見表7。

五、結論與建議

工程專業教學不僅強調知識的學習，更重視知識的應用、創新，以及各種能力的培養和素質的養成[11]。在工程專業開展混合式教學，是數字時代網絡信息技術與工程教育深度融合的具體體現，也是培養具有全面能力素養、高層次、創新型工程人才的必然要求。本文結合清華大學“光電儀器設計”課程混合式教學改

革實例，系統闡釋了工程專業混合式教學設計的思路和方法，并對混合式教學效果進行了評價和驗證。

主要結論與建議如下：

（1）工程專業混合式教學本質是基于人才培養目標的混合，要牢牢把握工程專業教學既重理論創新也重實踐應用的特點，圍繞培養具有全面能力素養的工程科技人才這一目標進行混合式教學設計。

（2）工程專業混合式教學線上部分，要注重網絡課程學習與遠程實驗的結合，遵從教學內容設計前沿性、有效性與趣味性原則，調動學生自主學習的興趣。在教學實踐中，教師應充分利用信息技術手段，促進生生、師生之間基于問題的交流互動。

（3）線下教學部分應強化研究性教學，注重教學與工程科研的結合、與企業的合作。教師要幫助學生凝練有價值，適合思維開發、綜合實踐類學習活動的研究選題，鼓勵學生積極參與研究，并引導學生與企業人員交流互動，在實踐中促進學科間的交叉與融合，開發學生的創新思維，培養學生的實踐能力及其他高階能力素養。

（4）“光電儀器設計”課程混合式教學實踐結果表明：相較于傳統教學，混合式教學不僅能夠在知識學習層面，同時在知識運用、高階能力素養培養方面也取得了更好的效果。混合式教學更有利于培養具有全面能力素養的工程科技人才，值得在工程專業推廣。

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