《華盛頓協議》畢業要求框架下課程體系設置合理性評價的計算思維方法

段 斌 付子康

《華盛頓協議》畢業要求框架下課程體系設置合理性評價的計算思維方法

段 斌1,2付子康2

（1. 湘潭大學專業認證指導中心，湖南 湘潭 411100；2. 湘潭大學自動化與電子信息學院，湖南 湘潭 411105）

《華盛頓協議》畢業要求框架規定了學生應掌握的知識、具備的素質和能力，各專業依據畢業要求反向設計課程體系，并對課程體系設置的合理性進行評價，實際實施過程中的主觀因素過多，客觀性不足。本文運用計算思維和教育心理學，通過大數據分析探尋內部規律，將畢業要求對應的能力特征穩定性轉化為各門支撐課程學生成績分布的一致性度量，構建專業課程體系對畢業要求支撐關系的評價算法，以學生綜合成績為主要數據來源，依據計算結果分析畢業要求層面或課程層面支撐關系的短板，給課程體系設置合理性評價提供定量的參考依據。三所高校工科專業課程體系評價案例結果表明，該方法能有效發現專業課程體系存在的課程對畢業要求支撐不當的問題。

華盛頓協議；計算思維；教育心理學；課程體系設計

0 引言

為保障通過工程認證專業的畢業生具有實質等效的教育資格，國際工程聯盟頒布《華盛頓協議》由12條特征組成的畢業要求框架，規定了學生應掌握的知識、具備的素質和能力，其成員以此為參照制定實質等效畢業要求標準，各專業以畢業要求為核心，按成果導向反向設計確定課程體系、課程目標和教學內容。在現行的《工程教育認證自評報告指導書（2022版）》中的標準5.0要求用矩陣或其他適當形式說明課程設置對畢業要求的支撐關系，標準4.1要求專業建立面向產出的課程體系設置合理性評價機制，并給出最近一次課程體系設置合理性評價的過程和結果[1]。當前各專業實施課程體系合理性評價時利用問卷調查、座談會、研討會、論證會等方法進行定性評價，持續改進責任人結合反饋的評價結果，根據問卷調查結果、座談會、研討會意見或結論等，修訂課程體系，實現持續改進。其主要問題在于主觀因素過多，客觀性不足。

如今人類所面臨的全球重大問題，都需要跨學科來解決，人們嘗試在許多學科領域中應用計算思維。計算思維是一種問題解決方式，通過提出易被計算機解決或能通過大數據分析探尋內部規律的難題，帶來能夠應用在生物學、化學、材料，乃至文學、社會研究和藝術等方面的全新技術。工程教育專業認證標準體系為運用計算思維研究工程教育問題，特別是研究課程體系對畢業要求支撐關系的合理性，提供了結構化的基礎和條件。運用計算思維，可以使用數學工具將復雜問題數據化、特征化，以易被他人理解的形式對問題進行構建與解釋。通過給調查問卷定性方法提供定量的參考依據，有望成為當前課程體系設置合理性評價的一個有效補充。

本文結合課程體系設計特點，引入工程教育專業認證畢業要求特征（以下簡稱指標點）相關理念，運用計算思維的科學方法，以學生綜合成績與各項課程表現為數據基礎，構建以學生在課程體系學習過程中的能力特征度量因子為輸出的綜合性課程體系評價模型，通過數據這一較為客觀的視角來闡述針對每個畢業要求進行課程體系設計應該具備的教學特點，并依據該特點初步建立工程教育專業認證課程體系支撐畢業要求合理性的評價方法。

1 課程體系設計的流程與問題

現階段課程體系設計的主要特點為：強調學生的學習成果并不是簡單的分數成績表現，而是學生通過教育過程所獲得的能力提高。將傳統的以教師為中心的教育轉換為以學生為中心的教育，即一切的教學方法、活動組織和考核方式要以學生在學習過程中的能力提升為目標和依據[2]。在現階段重點推進的國際工程專業認證中，學生的學習評估方法更要落實到以學生今后從事相關工程工作或崗位的綜合要求與總體評價為總目標的大方向，即學生解決未知與復雜問題的能力[3]。成果導向教育是反向設計、正向實施，反向設計是從需求開始，由畢業要求決定課程體系，根據畢業要求確定課程目標，課程目標支撐畢業要求的達成。只有明確了具體的課程目標設計，才能完善某一門專業的工程專業人員需要何種綜合素質，而只有確定了專業人員必備的綜合素質，才能更好地針對每一門課程具體化、科學化地設計學生的成長方案。在設計專業課程體系時，相關人員在具體規劃中對課程的安排存在過于主觀化、沒有充足的科學依據與數據支撐的情況；另一方面，教學人員在教學中存在不能按照設計好的課程體系進行特色教學的情況。

教學是學生與教師共同完成的過程，在這個過程中學生需要理解與記憶大量的知識，而教師更是需要針對每門課程的知識點與教學方式進行預先構思，使課程教學過程可以積極調動學生的心理情緒等，幫助其更好地完成學習。不過，在實際教學中不難發現，多數課程之間具有因果性與協同性，這就對專業課程設計方案有了要求，不僅要考慮學習過程中知識點難度的循序漸進與前后知識點之間的銜接，更要考慮課程間的內在關系[4]。

在工程教育背景下，一套成熟的課程體系設計方案應當滿足以下四點要求：

1）滿足被培養人員所需要的根本目標。

2）體現學科專業的整體脈絡與體系。

3）適應經濟發展與社會需要。

4）培養本專業學生整體發展的體系能力。

通過以上要求不難發現，面向產出的工程教育專業認證注重的是以解決實際問題為目標的學生能力，而不是傳統的以考察學生知識點掌握為終極目標的分數教育[5]。這表示要強調學生的主體地位，以學生為中心，關注學生的具體學習過程，注重每一項指標，不僅是單個課程的成績，更是以每個學生的專業能力達成指標，所以將能力指標概念引入課程設計中，可以更好地推進工程教育教學方法的探索，也可以提高工程教育的教學質量[6]。

《華盛頓協議》畢業要求框架由12條特征組成，具體包括工程知識、問題分析、設計/開發解決方案、研究、使用現代工具、工程與社會、環境和可發展持續、職業規范、個人和團隊、溝通、項目管理、終身學習。根據認知心理學，人在處理問題時一般分為感受器（receptor）、反應器（effector）、記憶（memory）和處理器（processor）四部分，即在處理類似問題時，認知心理學模型中人的知識調用與處理機制是相似的[7]。那么，對于每一個獨立學生個體來說，在教育的過程中，其畢業要求能力對應的就是每位學習者各自的感受器、反應器、記憶和處理器這四部分，可以簡單歸結為每位學生的能力特質，因此教學過程實際上就是教授者對學習者的能力特質進行培養提升。從課程體系的視角來看就是多門課程對同一學習者的相同能力特質進行聯合培養，那么在教學中的考核標準就不再只是本門課程的知識，還包括對本門課程具有支撐作用的學生能力特質。教學過程因果圖如圖1所示。

圖1 教學過程因果圖

在專業課程體系對畢業要求特征支撐關系的設計中，大多數設計者只是使用過往經驗將課程按照畢業要求特征進行劃分，沒有充分考慮課程與畢業要求特征之間是否為真實的反映與包含關系，也沒有考慮該教學內容與形式是否對學生的能力特質進行同一方面強化，甚至存在該課程對畢業要求特征支撐性較小甚至不支撐的情況，在完善設計時也有可能會使用對某項畢業要求特征支撐性更小但表現較好的課程來替換對畢業要求特征支撐較好但表現很差的課程，因而在偏誤的道路上越走越遠。即使課程體系設計較為合理，也存在課程老師在教學中未按要求進行教學的情況，比如在支撐學生設計/開發解決方案這一項特征的相關課程中，只是進行簡單的知識灌輸，在教學與考核階段都沒有按畢業要求特征的實際要求內容進行專門設計，僅在算分法的課程評價階段完成了相關特征達成的虛假滿足。

2 研究思路與方法

2.1 畢業要求框架下相關課程分析思路

雖然在課程體系考核時可以引入能力特質進行評判，但學生的能力特質是一種人類特質，無法進行考量。若只是簡單地使用某種分數或某項考核進行評判，則與傳統算分法并無實質區別，也無法真實反映學生特質。在認知心理學的假設下，在學生處理同一畢業要求特征下的問題時，大腦的反應與問題處理機制均類似，而在課程體系設計方案中，課程教學內容與教學方式要與該課程的畢業要求特征相匹配，如高等數學通常匹配的是工程基礎知識這一畢業要求特征。一項畢業要求特征通常由多門課程共同支撐，則在該項畢業要求特征下的課程的相關性與其他畢業要求特征下的課程相比應該是比較高的[8]。

美國認知心理學家古寧漢認為“學習是建構內在的心理表征的過程，學習者并不是把知識從外界搬到記憶之中，而是以已有的知識經驗為基礎，通過與外界的相互作用來建構新的理解”。在古寧漢的假設成立條件下，可以很自然地認為學生在學習具有十二項畢業要求特征模式的課程體系課程時，是對已經存在的認知體系進行利用與改造，那么這一過程必然具有區別性。在其他研究中也體現出了學習過程具有一致性，其對學生在遇到困難時的自我效能情況進行了評估，發現自我效能較高的同學在面對問題時的產出均較為良好，即在一定時期學生使用這一體系解決特定問題時的產出具有一致性[9]。美國的一項研究表示，學生在受一定的客觀環境影響后，即使進行教學干預，學生的反應與認知也不會出現突兀的轉變，而是一種緩慢的漸變過程[10]，即學生在一定時間內對表現與認知處理具有連續性。依據工程教育專業認證標準要求，課程設置能支持畢業要求的達成，課程設置對畢業要求的支撐關系布局具備合理性，就可以得出假設：一定時間范圍內，學生在考察特定能力的相同畢業要求特征下，課程的學習產出具有相對一致性。具體到實際教學過程中，就是在一定時期內，課程考核成績分布在相同畢業要求特征下的分布具有相對穩定性。

2.2 畢業要求框架下相關課程分析方法

對于教學過程中學生特質的考察有多種方法，如加權算分法、調查統計法、因子分析法等[11-12]。以上方法均是在對特定范圍內的學生總體進行設計區分后，將單個學生樣本特征簡化為數學數據，可得出所考察目標群體的不同特點，但無法確定所得出特征與畢業要求的對應關系。因此，本文以課程體系設計中需要考慮的工程教育專業認證十二項畢業要求特征為標準，以相關性為依據，設計課程體系的評價指標如下。

1）計算各課程間的相關系數。定義與課程間的相關系數p，將所有學生的每門課程考核結果進行排位處理，并利用相關性定義進行計算，公式為

2）根據工程教育專業課程體系要求每門課程均要支持特定的指標點這一設計原則，對同一指標點下的支撐課程集合間的課程相關系數進行累加，定義為累計相關系數Q，計算公式為

3）對指標點的相關系數進行歸一化排序，以便進行評價。定義為指標點，其包含門課程，該指標點相關系數歸一化度量因子（簡稱度量因子）O計算公式為

4）根據對課程進行持續改進這一要求，找出特定指標點下達成情況較差的課程。需對相同指標點下課程對本指標點的占比進行計算，并依據占比進行排序，定義為占比因子O，計算公式為

3 數據分析

3.1 數據來源與數據處理

本文以湖南某大學2018級電子信息專業學生的4年全部課程數據為原始數據，包含平時成績、作業成績與考核成績，按照考核要求加權為綜合成績。所有樣本數據共包含66門課程，其中必修課為58門。對所有數據進行完整度篩選與數據清洗，最終數據樣本為45門課程，且所有課程數據均來自相同的107名學生。對數據按照課程設計中各部分成績比例加和后再進行排序處理，按分數分別對每門課程進行排名，相同分數排名相同且不累加（如98分兩人，97分一人，則排名分別為1，1，2），對排名處理過的數據再進行去中心化處理形成最終處理數據。

3.2 畢業要求特征支撐度排名分析

依據本次實驗數據的專業課程體系與模型公式，計算各指標點的相關系數總和并按照式（3）計算度量因子，得到指標點評價系數排名見表1。在本次評價的樣本中指標點支撐度最好的是指標點1，其度量因子達到0.505；最差的是指標點6，其度量因子只有0.045，同時指標點6只有兩門課程進行支撐，表明本次實驗樣本對指標點6的重視程度還不夠。

表1 指標點評價系數排名

縱觀表1可以發現，指標點1、2、3的度量因子明顯超過其他指標點，說明這三項指標點支撐度較好；同時也可以發現，達成度量因子最好的指標點1、2課程數量最多，指標點3在課程體系中只有4門課進行支撐，但卻比有5門課支撐的指標點9的度量因子高出0.267，說明度量指標并不是在課程體系中占據的課程數量越多，支撐度就越好。

3.3 指標點1中的課程支撐度排名分析

依據本次實驗數據的專業課程體系與模型公式，選取指標點1下的15門支撐課程進行課程對指標點的貢獻度分析，結合式（4）計算得到指標點1內課程貢獻度排名見表2。課程“信息論與編碼基礎”排名最后，指標點內占比只有5.644%。依據畢業要求1的內涵“能夠將數學、自然科學、工程基礎和專業知識用于解決復雜工程問題”，工程基礎類課程和專業基礎類課程需體現數學和自然科學在本專業應用能力的培養，核查“信息論與編碼基礎”的試卷發現，對數學與自然科學在本專業應用能力的考核明顯不足。

表2 指標點1內課程貢獻度排名

觀察表2數據還可以發現，課程“電路分析基礎”對指標點1的支撐情況最為良好，占比為7.642%，在進行課程持續改進時其他課程也可以借鑒該課程的教學與考核模式。

3.4 指標點4的支撐課程替換

觀察表1發現，指標點4的課程間相關系數較差，說明指標點4的支撐課程體系設計存在問題，需要進行課程教學反思或者課程設置調整，可以采用式（4）與式（5）實現度量因子判斷進行解決。計算得到指標點4內課程占比排名見表3，發現課程“電路分析基礎實驗”對本指標點支撐度最差，因此決定嘗試對該課程進行課程替換，通過測試計算在課程體系中尋找替代課程。

表3 指標點4內課程占比排名

使用式（5）對所有課程進行課程替換測試發現，用課程“計算機網絡Ⅱ”替換課程“電路分析基礎實驗”后，在指標點4下支撐課程總數不變的情況下，相關系數總和上升了0.636，相比之前提高了10.71%。但指標點的支撐課程替換仍要通過相關人員的討論與分析，式（5）只是提供一個可供選擇的依據，并不能確定某課程確實比另一門課程對本指標點的支撐程度更好。指標點4替換課程后情況見表4。

表4 指標點4替換課程后情況

4 結論

本文結合使用計算思維與工程教育專業認證中課程體系對畢業要求特征的支撐關系，針對同一畢業要求特征下支撐課程合理性如何進行評價這一問題進行研究發現，雖然課程難度不同、考察時間不同，但依據教育心理學原理，相同畢業要求特征下的課程在同一名學生上對應的是同一能力的表現，所以其在成績排位分布上應具有一致性。據此設計出針對畢業要求框架下的專業課程體系對畢業要求支撐關系的評價方案。使用某大學2018級電子信息專業107名學生的課程樣本作為數據，計算分析了各畢業要求特征的能力特質一致性度量因子的分布情況，可用于發現課程體系對畢業要求支撐關系設計中畢業要求層面或課程層面的短板，并可自動測試出整個課程體系中對某項畢業要求特征支撐度更好的課程，以用作持續改進的參考。

本文方法除文中展示案例外，還對山東某大學的2018級光電專業與湖南某大學的高分子化學與材料專業進行評價，均發現存在課程對畢業要求支撐不當的問題。

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Computational thinking to evaluating the rationality of curriculum development in the framework of “Washington Accord” graduation requirements

DUAN Bin1,2FU Zikang2

(1. Xiangtan University Professional Accreditation Guidance Centre, Xiangtan, Hu’nan 411100;2. College of Automation and Electronic Information, Xiangtan University, Xiangtan, Hu’nan 411105)

The framework of graduation requirements of the Washington Accord stipulates the knowledge, qualities and abilities that students should master. Each major designs the curriculum system in the reverse direction based on the graduation requirements and evaluates the rationality of the curriculum system settings, which has too many subjective factors and not enough objectivity in actual operation. In this paper, computational thinking and educational psychology are used to explore the internal rules through big data analysis, translate stability of ability characteristics corresponding to graduation requirements into consistency measure of distribution of students’ performance in each supporting course, and construct an algorithm to evaluate the support relationship between professional curriculum system and graduation requirements. Students’ comprehensive performance is taken as main data source to analyze the shortcomings of the support relationship at graduation requirements level or course level based on calculation results. Results of evaluation cases of engineering majors curriculum system in three universities show that this method can effectively detect the problem of improper support of courses to graduation requirements in the professional curriculum system.

Washington Accord; computational thinking; educational psychology; curriculum system design

2022-06-30

2022-08-31

段 斌（1966—），男，教授，博士生導師，主要研究方向為電力系統自動化、電力通信網絡與系統、電力傳輸與轉換、工程教育認證技術支撐體系等。