工程專業認證理念帶動的實驗教學改革

呂念玲，張林麗，靳貴平，宋洪光

（1.華南理工大學電子與信息學院，廣州 510640；2.深圳市易星標技術有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

工程教育專業認證，是對執業工程師所受專業教育質量的合格認定。在國際工程聯盟（International Engineering Alliance，IEA）對四年制工程教育和執業工程師跨國互認要求中，將具有不低于與華盛頓協議［1］實質等效的工程學位的綜合學術水平列為第一條。成為華盛頓協議會員，通過工程教育專業認證，是院校專業教育質量檢驗的“合格證”；是人才培養與行業職業資格銜接的“許可證”；是工程師全球流動“通行證”。

從1985 年6 月，原國家教委召開的我國第一個全國性的高等教育評估研討會（高等工程教育評估問題專題討論會），到2016 年6 月，我國成為華盛頓協議第18 個正式簽約國，歷經31 年。工程教育專業認證對我國高等工程教育產生了重要影響，以學生成長為目標和持續改進的核心理念已逐漸成為各學校教育、教學的準繩。課程和實驗作為人才培養過程的具體環節，都應圍繞人才培養的目標，針對所有學生成長目標，精細設計教學內容和過程，持續改進，高效率達成教育目標［2-5］。

1 實驗教學的實際問題

聚焦實驗教學，在其相當長的發展過程中，有很多好的做法，也存在不足。

1.1 無個性化教學

實驗課現在還是走“大鍋飯”路線，因為不了解學生學習過程中的真實情況，缺少有效的調控方法。很多時候，僅通過檢查學生的實驗數據來驗收實驗、給予評價。一樣的測量任務，有的學生1 次完成，有的學生3 次才做對，他們的能力顯然不一樣。但這個過程教師看不到，僅憑實驗數據是否正確作為評價學生實驗能力的依據，顯然不夠客觀。沒有客觀評價，又怎么因材施教？

1.2 缺乏持續改進依據

課程改革應是內容、資源及過程的全方位改革提升［6］，但自從實驗項目成為評價課改的重要指標，老師們就把課改的主要精力放在實驗項目的改進上了。不足才要改進，那么實驗項目存在不足的實證在哪里？或者說優化的依據又是什么？如果回答不出這兩個問題，那么這些針對實驗項目的改進就與過往教學基本不相關，這種憑經驗、拍腦瓜做的改進，效果肯定不好。

面對這些現象，必須承認現在大部分實驗課程，并非建立在其客觀實施之上；亟待解決的根本問題是對實驗實施的真實情況不了解，缺乏持續改進依據。

2 改進方法與措施

過程的問題，要在過程中解決。解決的方法包括兩個步驟：前端，建立教學實施過程的精細檢測，獲取學情大數據；后端，基于大數據，設計形成性評價，為調整學習策略和診斷教學問題提供依據［7-8］。

2.1 強制預習檢測

學生進入實驗室，先進行在線預習檢測，檢測時長、檢測次數以及及格分數由任課教師設定；達到及格條件，實驗臺自動接通電源，實驗設備上電；如果重測多次，都不達標，實驗臺不通電，該學生沒有當次實驗資格。這個環節解決了幾個問題：

（1）減輕教師在實驗課前翻閱實驗預習報告的時間壓力和工作強度壓力。

（2）給學生一個明確導向，實驗預習要到位，僅做預習報告上的文字抄錄，表面、形式化準備是不行的；若要達到預期效果，必須對基本實驗理論有所理解，對現場可能出現的實驗問題有所準備，做到深度預習。

（3）實驗室準入制度落地。在實驗現場，若教師在學生面前做出讓其因實驗預習做得不到位而不能進行當次實驗的安排，該生可能反應強烈；如果將這個過程轉為人機對話，學生沒有面子問題，比較容易接受。強制檢測得以順利實施，需要鋪墊，這個過程設計的要點是：只有在教學實驗室，老師發布檢測任務的時候，預習檢測才是限時、限次的；除此之外，學生可無限次登錄預習檢測題庫，進行刷題練習，這也是實驗準備的一部分。必須使學生明白，準入制的初心是促使學生將實驗的準備做得更充分，而不是要趕出實驗室。

2.2 在線獲取學情大數據［9-10］

對學生學習和課程實施效果的準確判斷，應建立在對于實驗實施過程的全面了解之上。除了實驗的測量數據之外，試錯次數、完成時間等，也是反映過程質量的重要學情信息。但傳統實驗過程管理依賴教師人力管控，眼、耳、口獲得的信息十分有限，更做不到對學生個體的過程跟蹤。因此，借助技術手段，助力老師提升過程管理的有效性，是解決管理瓶頸問題的關鍵。

這里以多級放大電路（見圖1）設計實驗為例，說明在線獲取關鍵學情大數據的具體步驟。

圖1 多級放大電路設計實驗原理圖

（1）設置監測點。監測點，是實施過程精細檢測時具典型性與代表性的關鍵點；監測點通常從以下幾個層面選取：即實驗技術層面的重點，操作環節的易錯點以及性能指標測量層面的難點。圖2 所示監測點，涵蓋交、直流信號測量任務，全面考核學生交、直流測量儀表和示波器使用技能。監測點設置主要從3 個維度進行，即儀器工具、正確范圍以及重復設置歸類標簽等。

圖2 監測點設置界面

（2）匹配糾錯提示。針對每一個監測點，梳理學生出錯的可能性，以關聯推送方式提出糾錯建議；該內容僅出錯的學生可見。圖3 所示的糾錯提示編輯界面，從與該監測點相關的實驗原理、儀器使用和測量方法等方面進行詳細解析，啟發學生糾正錯誤。

圖3 糾錯提示編輯界面

（3）發布監測任務。在實驗課前或在實驗課上，都可以發布監測任務；一旦到設定好的監測時間節點，任務界面就會自動彈出。監測對象可以對班級也可以對個人，監測任務發布界面如圖4 所示。

圖4 監測任務發布界面

（4）自動獲取測量結果數據和測量過程數據。學生在實驗操作過程中一旦獲得滿意的數據，只要點擊電腦界面的上傳按鈕，系統即自動獲取實驗臺上儀器的實時測量數據。學生可以無限次上傳修正，系統實時記錄全過程，圖5 所示為實驗現場場景。

圖5 實驗現場場景

針對某一監測點，后臺數據庫記錄的與之相關學情數據包括：①第一次上傳數據的時間；②第一次上傳的儀器測量數據；③最后一次上傳的儀器測量數據；④最后一次上傳數據時間；⑤重復上傳次數（試錯）。

2.3 設計形成性評價

形成性評價是指在教師教育教學過程中，為使教師的專業水平繼續提高，不斷獲取反饋信息，以便改進教學而進行的系統性評價。它在教育教學活動中進行，目的是為了找出教師工作中的不足，為教師不斷改進教學提供依據。形成性評價與總結性評價不同，它具有階段性、時效性、過往關聯性的特點。形成性評價的價值，在于及時發現問題。教師需要參考教學效果的形成性評價不斷改進教學；學生也需要借助學習效果的形成性評價指導其及時調整學習策略。

在實驗教學領域，形成性評價分為絕對評價和成長評價兩方面。舉個例子，會使用示波器觀測波形，是絕對評價；而在多次操作訓練過程中，是不是一次比一次熟練，就是成長評價。形成性評價是多維度的系統性評價，這里舉兩個例子，簡單介紹形成性評價設計的原則與重點關注［11-13］。

2.3.1 現場操作評價設計

現場操作成績＝30 ×第一次上傳數據正確率+50 ×最后一次上傳數據正確率+10 ×試錯因數+10 ×時長因數。該項評價的4 個觀測點數據都來自系統現場獲取，客觀真實。其中4 項的意義分別是：①把第一次上傳數據正確率作為評價觀測點，最高給予30 分權重，旨在鼓勵實驗準備到位，實驗的一次成功率高的學生；②把最后一次上傳數據正確率作為評價觀測點，最高給予50 分權重；經過若干次試錯，最后終于做對了，也算達到要求；③試錯因數的定義是監測點數量與總刷新次數的商；時長因數的定義是實驗實際耗時與教學任務設定的標準實驗學時的商；無把握的多次試錯，因不熟練而導致實驗耗時增加，都令試錯因數和時長因數下降，得分受影響。由此可見，將實操過程的有效性、成功率、熟練度及效率等因素導入學生操作評價，令評價更趨客觀。

2.3.2 操作技能成長評價設計

該項評價，以學生同一測量任務重復進行時的耗時是否縮短為依據，評價技能掌握是否越來越熟練，是形成性評價中的成長評價。表1 所示為若當次操作比上次操作少用20%的時間完成，就能獲得滿分評價。

表1 重復操作時長與技能成長評價得分對應表

2.4 提出教、學建議

學情大數據有體量大、多維度和完備性等特點，根據培養目標要求，組織推送與教、學直接相關的信息［14-16］。

2.4.1 推送給學生的統計信息與個性化建議

學生界面看到的是針對其現場操作表現而推送的信息，主要包括：

（1）實驗現場操作評價。包括第一次上傳正確率、最后一次上傳正確率、試錯因數和時長因數等4 項主要指標。

（2）實驗數據原始記錄及糾錯提示。復盤當次實驗操作過程，包括做對多少、錯誤多少，試錯多少次，耗時多長；凡是最后一次上傳數據仍然是錯誤的學生，都可獲系統自動推送的“糾錯提示”。學生現場操作評價及實驗過程回放實例如圖6 所示。

圖6 現場操作評價及實驗過程復盤實例

（3）操作水平班級排位。顯示全班當次實驗現場操作成績統計情況，學生知道自己在班級的位置，知己知彼，才能有所針對地調整學習的定位和方向。

（4）操作技能成長記錄。記錄某操作難點學生重復訓練的成長過程；以彩條長、短直觀顯示由不熟練到熟練的進階過程（見圖7）。

圖7 學生操作技能成長記錄（示波器交、直流耦合功能應用操作時長）

（5）個性化實驗方案。每個實驗項目都要經過檢測和評價，若達標，學生可按照教學計劃的安排進行下一個必修實驗項目；若不達標，則要完成指定的附加訓練項目補齊短板，并經測試合格，才能再進行下一個必修實驗項目（見圖8）。因此，在同一門實驗課程中，因每個學生的實驗表現不同，其所要完成的實驗內容和實驗項目數量而不同。這樣，每個學生都得到一套專屬的實驗培養方案。

圖8 學生個性化實驗方案導航圖

2.4.2 推送給教師的信息

從點、線、面分析學情大數據，幫助教師從多維度審視實驗實施效果，主要包括：

（1）學生現場操作評價。針對當次實驗項目，匯總每個學生的實際完成情況及得分情況。

（2）班級實驗完成情況統計。針對每個監測點，統計學生整體的試錯和錯誤率等情況，教師由此可了解實驗實施的實際效果。表2 所示是15 個人的實驗班，針對多級放大電路設計實驗中8 個測量項的實際完成情況統計。

表2 班級實驗中8 個測量項實際完成情況統計信息

（3）關鍵操作掌握情況。統計班級每個學生對于操作難點的掌握情況。這里以使用示波器的交、直流耦合功能完成實驗任務為例，顯示了重復進行4 次該技能訓練，每個學生及學生群體的操作技能進步情況。

3 改革成效

從2015 年12 月至今，在以學生為中心，持續改進理念的引領下，針對實驗教學的個性化問題和持續改進的難點等兩大焦點問題，開展了實驗過程管理的改革探索，在內涵研究、理念創新、實現技術和教學運行等方面均獲益頗豐。

（1）成功開發出電工電子實驗在線共享平臺，突破性解決電類實驗臺智能管控和在線實時獲取數據的技術問題，實現電路分析實驗室32 張實驗臺的全部署與常態化教學應用，49 個班，2 411 名學生獲益。

（2）作為率先落地的個性化實驗教學模式，對以學生為中心，持續改進理念的理解與落實獲同行廣泛認可，獲邀在“全國高校電子電氣課程報告論壇”以及“國家級實驗教學示范中心（電子學科組）聯席會年會”上做經驗分享。

（3）大數據反映教、學過程的真實情況，它呈現了許多令人驚訝的真相。比如：對教師憑經驗認為的一些比較簡單的技能進行檢測，檢測結果（學情大數據）是學生的試錯率較高，掌握起來很吃力；又如一些有難度的實驗技能達成非一次訓練可得，但到底重復幾次訓練學生才能熟練掌握？大數據（技能成長記錄）告訴我們需要4 次。這就是實證的價值與力量！

4 結語

基于前端過程精細檢測與后端形成性評價的實驗過程管理模式，其核心在于以學生學習的實效為檢驗教學的唯一標準。這種做法，推動教師觀念由憑“經驗”向依據“實證”優化轉變；帶動課改方向由關注“實驗項目內容”向關注“學生能力成長”轉變；從而最終實現實驗教學由“大鍋飯”向“個性教學”轉變，與工程教育認證的核心理念完美契合。