新工科背景下實踐類課程混合教學模式研究

閻 群，李 擎，崔家瑞，李希勝，楊 旭

（1.北京科技大學 自動化學院，北京 100083；2.北京科技大學 北京市工業波譜成像工程技術研究中心，北京 100083）

進入21世紀，互聯網、大數據、虛擬現實、人工智能、區塊鏈等信息技術蓬勃發展，對高等教育教學的變革產生了顛覆性影響。《國務院關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》中明確提出要通過互聯網推動教育資源共享、推廣網絡學習模式、加快高等教育服務模式變革[1]。高校實驗教學是學生實現理論知識升華的關鍵環節，是培養學生創新意識和能力、合作精神和團隊意識的關鍵環節，是實現立德樹人、三全育人的重要方式和途徑[2-3]。基于新工科建設，面向中國制造2025，要將培養學生的工程思維、批判性思維、自主終身學習能力、團隊協作能力、跨學科交叉融合能力貫穿于實驗教學的全過程[4]。

北京科技大學自動化專業作為CDIO（conceive，design，implement，operation）國家級特色專業、卓越工程師培養計劃專業和“雙一流建設”的學科，于2015年和2018年順利通過兩輪工程教育專業認證，在實驗實踐類課程教學方面取得了比較豐碩的成果[5-6]。“自動化生產線實訓”是我校面向自動化專業高年級學生開設的一門綜合性的專業實驗課程，在培養學生解決復雜工程問題能力方面發揮了重要作用。但由于實驗室資源有限等原因，目前仍存在實驗學時有限、實驗項目拓展不夠、學生自主學習的監控性不強、師生之間缺少交流平臺、現有教學模式無法滿足學生差異化訴求等問題。為此，以交叉跨界問題、綜合復雜問題和行業產業最新成果為導向，設計創新實驗教學項目，以學生為中心，結合CDIO-OODA工程教育理念與項目驅動教學方法，搭建基于 Moodle（modular object-oriented dynamic learning environment，模塊化面向對象的動態學習環境）的混合實驗教學平臺，強化實驗教學過程的管理與評價，探索線上、線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化的混合實驗教學新模式，進而形成開放共享、教學效果良好的信息化實驗教學新體系。

1 混合實驗教學理念

混合教學的理論基礎包括建構主義、結構主義和人本主義等學習理論，主張教師根據課程以及學生的特點，綜合多種教學理論，在多種教學環境下，融合線上網絡教學與線下傳統教學資源，采用多種教學方式，引導學生學習；學生采用多種方式進行學習，采取多種學習評價評估學習效果，實現學生高效學習[7]。混合式教學充分發揮了“線上”和“線下”、“課內”和“課外”兩種教學的優勢，形成具有針對性、可操作性，循序漸進的能力培養路徑。

Moodle是一個基于構建主義學習理論的開源課程管理系統，集學習、活動、交流為一體，為教師和學生提供基于互聯網的在線學習環境，便于教師進行教學活動設計、教學資源管理、答疑、作業批改、學生實驗情況追蹤、學生能力提升指導等[7]。

在“以學生為中心”的框架下，我校自動化學院在“自動化生產線實訓”課程中引入CDIO-OODA工程教育理念[4,6]和項目驅動[5]的實驗教學方法。CDIO從宏觀上將產品從研發到運行的生命周期分解為構思、設計、實施、運行四個過程，OODA（observer，orient，decide，act）又稱博依德循環，在微觀層面針對CDIO的每個過程采用觀察—確認—決策—執行迭代循環執行。CDIO-OODA工程教育理念重在培養學生解決工程問題的思維方式和能力。項目驅動采用基于問題的教學模式，在項目中教師不斷地給學生“挖坑”，引導學生分析問題、學習解決問題所需的知識、一步一步地解決問題，激發學生積極思考、探索，感受創新的艱辛與樂趣，重視團隊協作能力。將CDIO-OODA工程教育理念與基于問題的項目驅動教學模式相融合，取長補短，充分發揮“教師引導、啟發下的學生主體”作用，使學生學習更加有的放矢，有效提升學生獲取知識及掌握知識應用的能力。

“自動化生產線實訓”實踐課程綜合性比較強，動手環節多、挑戰性強、知識系統龐雜、教學過程中涉及的實訓設備種類也比較多，學生難免有畏難心理。將 Moodle平臺有效融入“自動化生產線實訓”實驗教學中，充分利用 Moodle的網站管理、課程管理、學習管理功能，把傳統教學中的優勢與網絡教學中的優勢相結合，建立網絡在線互動實驗教學平臺。便于教師及時提供更多的課內及課外拓展學習資源，及時追蹤學生的實驗情況，及時指導學生在實驗過程中遇到的各種問題，及時評閱學生CDIO-OODA各階段提交的方案及報告。便于學生實時在線學習、留言、討論，開展學生小組間攻防學習模式。這種自主、探究、協作性的混合實驗教學模式，充分體現了教師引導、啟發下的以學生為中心，有利于大幅提高實驗教學效果。

2 混合實驗教學資源建設

實驗教學設備是培養學生工程實踐能力的重要場所，是實現混合實驗教學的重要載體。近五年，根據國家重大發展戰略需要和社會行業企業的人才需求，結合我校自動化專業在冶金行業的應用特色和新工科建設特點，自主研制實驗教學設備6大類，涵蓋過程控制、運動控制、邏輯控制等，很好地支撐了學生實踐能力的培養。下面以基于物聯網技術的智能信號處理一體化創新實訓平臺為例介紹混合實驗教學資源建設。

基于物聯網技術的智能信號處理一體化創新實訓平臺以“基于電力線載波的綠色建筑能耗監測與優化控制”等產學研項目的研究成果和“基于低壓電力線載波的自組網抄表方法”[8]等發明專利為基礎，優化組合相關系統模塊，強調信息化與工業化的深度融合，與智能制造的核心問題相對應，由樓宇檢測與控制節點群（傳感器）、集中器（工控系統）和上位機（互聯網+智能決策）三部分組成，整體架構如圖1所示。

圖1 智能信號處理一體化創新實訓平臺整體架構

節點群主要完成樓宇不同物理量的采集功能，并通過電力線載波與數據集中器通信，主要包括開關燈控制器、風扇控制器、空調控制器、人居環境采集器（溫度、濕度、PM2.5、CO2、甲醛、TVOC、光照度）和能耗采集器等。集中器主要完成多種不同采集節點群數據的存儲管理、與上位機通過GPRS通信，并通過內置的控制策略控制相關節點群。上位機主要應用虛擬儀器、BIM（building information modeling，建筑信息化模型）技術、大數據、虛擬現實、云平臺等網絡化、數字化、智能化技術手段，完成樓宇能耗監測與智能優化控制，具體功能包括控制策略的仿真驗證、數據的可視化展示、互聯網與工控網絡數據交互、分布式工控系統參數配置與查詢、通信協議的編解碼等。

智能信號處理一體化實訓平臺涉及了自動化、檢測與儀表、物聯網、計算機和機械等相關專業的知識點，涵蓋了MCU、ARM、DSP、FPGA等常用嵌入式處理器，融入了電力線載波、CAN總線、RS485、Zigbee、4G/GPRS和Wi-Fi等常用物聯網通信方式，具體對應關系如表1所示。基于該實訓平臺，可以從信號檢測、傳輸、處理和顯示的全過程有效培養學生快速獲取相關知識的能力，全方位提升學生解決跨學科復雜工程問題的能力。該平臺榮獲第二屆自動化類專業青年教師實驗設備設計“創客大賽”銀獎。

表1 智能信號處理一體化創新實訓平臺涉及的知識點及對應學科

3 基于Web的PjBL混合實驗教學方法

將基于問題的教學方法（problem-based learning，PBL）與網絡技術、信息技術有機融合，實現信息聚合、自主學習、分享交互，形成具有我校特色的基于Web的PjBL（project-based learning）混合實驗教學方法，該方法的整體框圖如圖2所示。

CDIO-OODA教學模式中各個階段的內容不同，具體要求也不同，各階段不能機械地采用同一種教學方法。基于Web的PjBL混合實驗教學方法針對各階段不同特點，具體實施過程中采用了與之相匹配的多種教學方法，具體描述如下：

（1）在整個課程的執行過程中，以項目全壽命周期管理的形式管理實驗教學過程，即基于項目的教學方法，并將每個過程轉化為單獨的小項目，這些小項目環環相扣，最終形成一個完整的大項目。

（2）以 Moodle平臺作為“自動化生產線實訓”課程的過程管理平臺，實現課程項目資源共享及優化，包括教師和學生在實踐教學過程中形成的成果，監控學生的實踐過程，實時在線評價學生的學習效果，有效提升教師與學生之間溝通協調效率。

（3）在需求分析和方案設計階段，采用基于問題的教學方法。將學生置于復雜、有意義的問題情境中，通過學生自主、協作學習解決問題，掌握隱含在問題背后的科學知識，形成解決問題的技能和自主學習的能力，達到建構經驗的目的。

（4）在方案設計和產品研發階段，主要采用自主探究和小組協作的學習方法。學生根據教師提出的項目問題自主探究，通過小組成員之間的分工與協作，完成問題解答，實現學習資源共享，提升整體學習效率。

圖2 基于Web的PjBL混合實驗教學方法

（5）在方案設計和產品上線階段，采用不同小組間互攻的學習模式，即其他小組可對展示組的方案設計和產品上線進行提問，可攻擊，也可提改進意見，充分調動全體學生的積極性，提升學生提出問題和分析問題的能力。

4 混合實驗教學實施及應用成果

以Moodle平臺為載體，構建了基于Web的“自動化生產線實訓”實踐課程PjBL混合實踐教學平臺。

學習資源是學生進行自主學習的重要組成部分，利用 Moodle平臺的添加資源工具，將項目需求與背景知識、試題、案例、CDIO-OODA工程教學理念、項目驅動教學方法等以文本、圖片、視頻、音頻等媒體方式上傳到 Moodle平臺。在課前學生借助平臺了解項目任務及具體實施流程；在課中學生總結自主學習的知識，形成WIKI或者文檔上傳到Moodle平臺，接受同學及老師的評議，同時，學生還可以利用討論區、聊天室等，與組內成員、同學和教師進行在線的技術交流與答疑；在課后教師通過平臺在線對學生提交的作品開展自評、互評，進行個性化、自適應學習與答疑。

該平臺的應用大幅提升了學生解決復雜工程問題的能力，同時提升了我校自動化專業建設水平。近幾年學生省部級以上競賽獲獎率達到專業人數的40%以上，穩居全校前兩名。2018年度全國高校學科競賽排行榜中，北京科技大學排名第36位，其中自動化專業學生參加競賽獲獎貢獻率接近15%。

5 結語

在新工科建設背景下，以 Moodle平臺為依托，構建了“自動化生產線實訓”實踐課程混合實驗教學模式，充分發揮了傳統教學和網絡學習的優勢，發揮教師主導作用的同時突出學生的主體地位。我校自動化專業2014—2016級學生應用表明，該混合實驗教學模式充分調動了學生參與實踐教學的積極性和主動性，激發了學生的批判性思維，增強了學生自主學習能力，有效提升了學生快速獲取與智能制造核心問題相關知識的能力，特別是提升了解決信息化與工業化深度融合的跨學科復雜工程問題的能力。