基于學習產出導向教育的工科類實驗室開放研究

薛鵬 楊鵬

[摘要]基于學習產出導向教育（OBE）在工科類教育改革中有著舉足輕重的作用，在工科人才培養中得到國內外廣泛認同。推行實驗室開放則是落實此理念的基本條件。依托“互聯網+”管理平臺建設，通過線上實時預約管理、全天候異地指導及實驗項目模塊設計，不僅解決了實驗室開放“難”的普遍難題，并促進OBE理念沉浸于實驗室開放過程。同時，配套運行機制是實驗室有效開放的保證，特別是構建課內外有機融合的任務驅動式的實驗室開放環境，以增強工科類實驗室開放內涵，最終培育學生解決工程問題的能力。

[關鍵詞]產出導向;智能化平臺;任務驅動

[中圖分類號]G642.4 [文獻標志碼]A [文章編號]1005-0310（2020）01-0011-06

產出導向教育（Outcome-Based Education，OBE）于1981年由美國學者威廉·斯派蒂（Spady WD）提出，其中“產出”是指學生在最終學習過程后證明自己真正具備的能力[1]。OBE理念以驚人的速度得到了世界多國的廣泛重視和應用，已成為美國、英國、加拿大等國家教育改革的主流理念[2]。美國工程教育認證協會（A-BET）也全面接受了OBE理念，并將其貫穿于認證實踐全過程[3-4]。2016年6月，國際工程聯盟大會接納我國成為《華盛頓協議》正式成員[5]。中國工程教育專業認證協會是經教育部授權的在中國開展認證工作的唯一合法組織[6]。OBE理念相對于傳統教育而言，其核心在于由外部社會需求決定培養目標，由培養目標決定畢業要求再到課程體系設計，具有“反向設計、正向實施”的本質特點[7]。站在國際視野的大背景下，用OBE理念引領工科類教育改革，以工科類實驗室開放為載體將OBE理念更好地在應用型高校落地扎根，具有很強的緊迫性和現實意義。

1 學習產出導向教育之基本理念

1.1 學習產出導向教育精髓

學習產出導向教育的精髓在于清楚聚焦學習產出，特別強調學生學到了什么，而非傳統教育的輸人。這一理念對于工程教育培養過程起到“制導”作用。按照《華盛頓協議》，兩年制和三年制專科分別培養學生解決狹義工程問題和廣義工程問題的能力，本科培養學生解決復雜工程問題的能力[8]。OBE要求學生將掌握內容的效果，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。在此基礎上，追求“以學生為中心”，把學生放在中心位置，學生是知識的主動學習者、自主建構者，注重通過研究和實踐來建構知識和發展知識。最后，OBE主張實現從質量監控過渡至質量的持續改進，通過解決質量問題達到持續的螺旋式上升循環[9-10]。

1.2 學習產出導向教育的實施

學習產出導向教育的具體實施過程中，首先要建立清晰的學習產出藍圖。課程體系要對實現能力結構作出確定的貢獻，以達成頂峰產出——實際應用能力。OBE中的“O”特別強調越接近學生的真實學習經驗，越可能持久存在，且兼顧生活的重要內容和技能，注重實用性等特征。這充分體現著“激發探究欲望、培養獨立意識、增強實踐能力”的工科類學生培養愿景，也從本質上凸顯了工科類實驗室開放具有很強的必要性。其次，創設與之相適應的環境是必不可少的重要條件，為學生達成預期產出提供適宜的條件和機會。OBE蘊含了從封閉課堂向開放課堂的轉變，破除課內與課外邊界;建立對話課堂，偏重過程性評價;考慮學生差異，在時間和資源上保障每位學生都有達成學習產出的機會等思想，從方法和形式等不同側面為“如何開放工科類實驗室”提出了確定性要求，每一種具體思想也為我們提供了努力方向和若干條潛在實施路徑。由此，實驗室開放是一道設計實施路徑的研究命題，更多地從創設成功環境的測度上助力每位學生取得預期產出。

2 開放實驗室路徑設計

實驗室開放不僅指通常意義上實驗室時間和空間上的簡單開放，還包含實驗內容的開放和實施方法的創新。推行工科類實驗室開放即是在解決“如何將OBE思想落地、怎樣大面積地安全開放、怎樣驅動更多學生到實驗室去”等現實問題。以下將以工科類實驗室為例，探討實驗室開放的設計與實踐過程。

工科類實驗室不同于傳統計算機房，設備類型繁多，甚至包含部分大型設備，并涉及大量操作工具和瑣碎耗材，加之實驗教師數量不足等現狀，這類實驗室的開放一直是難題。依托物聯網技術，建設工科類實驗室智能化管理平臺是破解這一難題的重要載體，是立足現實條件有限的前提下，實驗室開放高效運作的有力支撐。OBE指出要正確處理課內與課外之間的關系及顯性與隱性課程之間的關系，強調教學內容由課內向課外延伸，與傳統教學的顯著差異在“課外”“隱性”。其中，“隱性課程”的一種重要載體是第二課堂，第二課堂要與第一課堂一樣得到重視，提升其建設水平和育人效果。由此，平臺功能設計重點關注以下三個部分：

2.1 實時預約管理

順應移動時代“00后”學生的學習習慣，以他們習慣的方式來進行初始化設計，更能體現“以學生為中心”理念。因此，平臺的基礎即是手機端實時預約模塊及配套硬件設備，并為學生提供自適應網頁版與微信小程序兩種移動端預約方式。參照互聯網叫車或影院選座的相似操作體驗，學生先后經過“選擇實驗室或實驗項目，設定預約起、終點時刻，鎖定實驗室內工位號”等簡要環節，即可在校內外隨時完成實驗室工位預約過程（如圖1所示）。

工科類實驗室開放后的安全問題不可忽視，因此，在預約模塊中多處嵌入了有關安全的功能設計。例如，將安全認證答題前置于首次預約之前，答題涉及設備使用、觸電等知識考核，學生通過認證后方可獲得預約授權;每次進入實驗室之前設置了現場臉部拍照環節，以約束學生行為及責任追溯（如圖2所示）。平臺特別設計了預約規則及懲罰，針對爽約、遲到等現象由管理員靈活設定懲罰基準，平臺將自動收回涉事學生一定時段的預約授權，管理員亦可據實收回或釋放學生的預約授權。

在配套硬件設備方面，平臺應用物聯網等技術，通過布設的電源控制裝置、門禁等裝備實現移動端預約模塊的聯動，完成實驗設備監管及開放數據的實時采集。需特別指出的是，工科類實驗室本身就涉及自動控制、機械制造等多門類，如果出現同類型的兩間實驗室，建議統籌調配實驗室資源，走實驗室差異化、實驗資源多樣化的建設之路。OBE指出，在資源上保障給不同學生提供不同機會，邏輯前提是首先有豐富的實驗資源供學生自由選擇。而此處的核心配套硬件設備——電源控制裝置則不受設備類型的限定，通過控制每一工位設備電源的通斷實現實驗室工位的精細化預約管理，進而完成跨樓宇、跨樓層多形態實驗室的平臺一體化管理。

2.2 全天候異地指導

從課內向課外延伸的第二課堂往往集中于晚間或周末等時段。對照OBE理念提倡的過程性評價，這從時間和課程準備上均向指導教師提出了很高的要求。傳統式的實驗室指導不太可能覆蓋整個實驗室開放時段，構建移動端指導模塊則會化解矛盾。首先，該模塊包含實時聚焦任一實驗工位（區域）以及實驗過程，高清觀看并有選擇性地錄制學生實驗過程。交替安置的多路攝錄裝備確保各開放實驗室無盲區。其次，模塊集成了師生雙向音頻交互的特色功能，當學生有問題時，借助實驗室內的對講設備即能直接與教師手機端對話;當教師需提供提示和指導時，實時通過手機端講話，經由實驗室對講設備同步播放。在此基礎上，鼓勵指導教師與學生之間建立微信等社群，與移動端指導模塊形成互補。基于OBE理念的傳統做法與移動端指導模塊的對比如表1所示。

值得一提的是，充分利用移動端的便捷性，教師僅用手機就可以在校內外進行全天候異地指導，以此既保證了教師指導的靈活可達性，為師生提供共同參與、互動、互進的適宜環境，使教師的“教”與學生的“學”自然融入第二課堂;又為實驗室安全開放增添了一道屏障，管理員可實時調閱實驗室學生的狀態與行為，發現問題后可在遠程及時制止。此模塊從多個關鍵點上應答了OBE之落地實施的問題，是工科類實驗室開放的又一特色。

2.3 實驗項目模塊設計

創造適宜的工科類實驗室開放條件是基礎，以學習任務驅動學生走進實驗室則是開放的內涵。指導教師在實驗課程中布置開放實驗項目并納入課程過程考核將不失為一條可行途徑，逐步形成規模效應。在此，指導教師根據課程培養目標開設開放實驗項目是上述邏輯的起點。實驗項目模塊主要完成對實驗項目的線上流程化管理，形成“指導教師申報實驗項目+學生選擇實驗項目（嵌入至實時預約過程）+學生上傳實驗報告+教師評價反饋”的管理閉環。該模塊使得智能化管理平臺與實驗教學過程耦合更緊密。每一實驗項目包含實驗目標、實驗層次、主要內容、操作步驟、所需設備等基本信息及輔助資料。教師在實驗過程中可以通過手機隨時查閱，用以實時指導，學生實驗完畢后上傳實驗報告、源程序等成果，由教師評定后反饋。

如圖3所示的流程類似于教師線上申請課程。實驗項目設有開放時間段或長期開放，管理員可隨時統計某一實驗項目的參與學生信息、實驗時長等數據，以此既能深度了解實驗室開放的客觀情況，又對教師第二課堂建設形成督促和壓力。經一段時期運行，整個平臺將累積一定體量的實驗項目，按體驗性、設計性、綜合性等分層級以菜單形式供學生自由選擇，與OBE“以學生為中心”理念相吻合。長期積累的實驗項目以及學生實驗成果或作品等是應用型大學的寶貴資源，亦是本文探討實驗室開放內涵的應有之義。

3 開放實驗室配套運行機制建設

智能化管理平臺在多個節點融入了OBE理念，但現實中做好工科類實驗室開放仍需依賴配套管理機制的保障。

3.1 基本制度建設

建立面向實驗室開放所有環節的“管理生態鏈”，規范實驗室有序開放，提升開放效果[11]。以“互聯網+”管理平臺為基礎，建立相關管理辦法是必要的，旨在教師、學生、管理員三方形成剛性約束及相互銜接，實現“教師有要求、學生有任務、管理有監督”的目標。

指導教師是實驗室開放的主導[12]，由此建議明確賦予指導教師通用的職責任務（如表2所示）。例如，試行指導教師所授課程大綱滿足課內與課外學時按1：1.5比例設定，有意將課內未完成的實驗延伸至課外，將課程關鍵節點的實驗作業劃轉至“隱性課堂”。依托管理平臺推行導師制，強化“每名指導教師帶領若干學生，每名進入實驗室的學生要有對應的指導教師”的緊密聯結關系。指導教師同時對異地指導、學生預約及安全使用等行使履約責任等。

學生是使用實驗室空間的主體，因此需要引導并規范學生對于管理平臺的全過程使用，以及在安全防護、實驗求助等常見情景下的正確步驟。

管理員是服務保障的守門人。在保障管理平臺、硬件裝備運行的基礎上，需了解指導教師對實驗資源的需求，按需個性化增配設備與耗材等。同樣依托平臺，定期梳理指導教師開設實驗項目數、指導教師所帶學生數、學生實驗時長等多維度交叉統計，形成對指導教師課程及學生成績評價的客觀依據。

3.2 分類分層任務驅動的思考

每位學生個體都是不同的，擴大機會是OBE理念蘊含的一條基本原則。探索分類分層的開放實驗任務是工科類實驗室開放的內涵發展，逐步實現工科類實驗室在時間、空間、內容的全開放，營造“不限形式，只見效果”的實驗氛圍（見圖4）。實驗室建設也不只是單純購置儀器設備，需要與學科發展有機結合[13]。實踐中按一般工程類的課型，開放實驗任務可分為軟件類、硬件類及軟硬結合類，每一類再細分為初、中、高三個層級，以菜單式的分類分層任務為學生提供實驗機會。

1）初階：完成課程所規定的實驗作業，偏于驗證性實驗，以達成課程基本要求。本層主要依賴機制從“面上”強制性推進實施。初階的本質特征在于覆蓋學習課程的全體學生，而非某一學生群體甚至個體，這也正是OBE特征的具體體現，即要在時間和資源上保障“每名學生”都有達成各自頂峰學習產出“O”的充足機會。實踐中發現，初階的開放實驗項目更易形成實驗室開放的規模效應。

2）中階：本層突破了課程本身的邊界，旨在吸引有興趣和學有余力的學生，為他們創造更多的選擇機會。實驗項目類型則由驗證性實驗向設計性、綜合性實驗轉變[14-15]。實踐中，一方面從授課班級內選拔學生，即課后完成具有一定挑戰度的實驗任務或綜合設計實驗;另一方面以創辦科技競賽、校外賽事預備賽等形式，從更廣泛的范圍吸引相關專業學生。為形成歸屬感，探索創立側重不同專業方向的學生社團組織，培育穩固的參與中階實驗的學生團隊。

3）高階：本層更充分體現《華盛頓協議》對復雜工程問題特征的描述，如必須運用深入的工程原理經過分析才可能解決，不是僅靠常用方法就可以完全解決等。高階實驗項目可從指導教師科研項目、市級或全國學科競賽等產生。此過程旨在培養學生解決復雜工程問題的能力。實踐中，建議定期就某項具體任務組成“專組”，吸納相關專業學生甚至跨學院不同專業學生，發揮各自的專業特長，鼓勵協作形成互補，亦為營造專業交叉創新的實踐環境鋪路。

以北京聯合大學為例，以任務驅動的實驗室智能化平臺推行一年多來，從課內延伸至課外工程類硬件、軟件及軟硬結合的分類分層實驗項目近60項。實施后的課外學生實驗人次顯著提升，從原一學年不到100人次躍升至逾6000人次;課外更多學生完成了具有一定展示度的學習產出+0;，完成初、中、高階實驗作品70余件。在試點課程的學生寄語中提到最多的是實驗開放環境及帶有任務的獨立實驗經歷。

4 結束語

工科類實驗室開放是一個實踐性強的綜合體，包含技術應用、課程改革、管理機制等多個分支，尤其與專業教學密不可分，需要多舉措并行方可能取得成效。在這一過程中，從每一分支挖掘出能夠體現OBE理念的細節將是工科類實驗室開放過程的努力方向，最終助力基于OBE理念的工科類人才培養。

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（責任編輯 李亞青）

[收稿日期]2019-11-19

[基金項目]北京市教育規劃重點項目（SZ20161141729），北京聯合大學教學改革項目（JJ2017Z010）。

[作者簡介]薛鵬（1981-），男，北京市人，北京聯合大學工科綜合實驗教學示范中心副主任、高級工程師，碩士，主要研究方向為信息技術教育。

[通訊作者]楊鵬（1966-），男，四川遂寧人，北京聯合大學工科綜合實驗教學示范中心主任、教授，博士，主要研究方向為教育部工程教育認證等。E-mail：yangpeng@buu.edu.cn