基于知識深度模型的工科畢業設計培養探索

郭玉柱，呂建勛，李 陽，胡慶雷

(北京航空航天大學，北京 100191)

我國的經濟發展正在進入結構調整、轉型升級的時期，需要加快工程科技人才的培養，培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類工程技術人才。新工科專業對人才的要求是多方位的，相對于傳統的工科人才，未來新興產業和新經濟需要的是實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才，新工科涵蓋了以互聯網和工業智能為核心，以智能制造、云計算、人工智能和機器人等用于傳統工科專業的升級改造。高等教育的目標是為社會培養適應時代需要的人才，完成學生從學校到社會的轉變。因此是否滿足社會對人才的需求是大學生培養的核心指標。研究型本科人才培養旨在促進學科發展，其發展遵循學科深化和學科分化的基本規律，重在認識世界，發現科學規律;應用型本科人才培養旨在促進行業領域發展，行業領域的交叉融合，重在將科學原理轉化為工程設計或規劃決策[1]。因此本科畢業設計應能體現自然和人類發展品質等社會需求，以學生為中心，注重學生認知意外的外延性能力培養[2]。

第十一屆中國大學教學論壇上，教育部高等教育司吳巖司長提出了新時期“兩性一度”的金課標準，即高階性、創新性和挑戰度。突出知識能力素質的有機融合，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維;內容反映前沿性和時代性，教學形式呈現先進性和互動性，學習結果具有探究性和個性化，具有一定難度，是對新時期人才培養的總要求[3]。畢業設計作為“新工科”人才綜合素質培養的關鍵環節，應充分體現“兩性一度”的基本要求。

畢業設計是工科專業教學過程的最后階段采用的一種總結性的實踐教學環節，著重于鍛煉學生綜合利用前期所學知識和各種資源解決工程實際問題的能力，著重于提升學生的綜合素養和科技寫作水平及創新意識。要求學生針對某一課題，綜合運用本專業有關課程的理論和技術，作出解決實際問題的設計。畢業設計具有雙重作用，其一是總結檢查學生在校期間的學習成果，評定畢業成績，并作為授予學士學位的重要依據;其二是通過畢業設計，使學生對某一課題作專門深入系統的研究，鞏固、擴大和加深已有知識，培養綜合運用已有知識獨立解決問題的能力。畢業設計效果不僅在綜合素質培養方面優于課堂教學，還有助于學生的均衡發展，英國基于5 000 名學生的研究表明畢業設計對于提高差生更為明顯，有利于教育效果的均衡化[4]。

隨著招生規模擴大，教育資源的相對不足，教師工作負荷，學生升學壓力和就業負擔，以及畢業設計承載的畢業評定功能等成為制約本科畢業設計大膽創新的主要桎梏。如何讓畢業設計工作發揮其在本科教育中應有的作用，仍是需要不斷研究的重要課題。針對畢業設計改革的探索應敢于面對人才培養中的真正問題，突破束縛，大膽嘗試。針對畢業設計培養中的問題，很多高校進行了積極探索，如論文選題多元化、與競賽相結合，以及與科研訓練計劃連貫培養等優秀模式[5-7]。

畢業設計探索多以緩和當前畢業設計中存在的現實困難為目的，沒能真正從人才培養的根本需求出發，充分調動畢業設計主體——學生的積極性和主觀能動性，轉變教師在畢業設計中的職能。本文結合工科畢業設計中的現實問題，從人才培養規律出發，探索工科畢業設計探索的新途徑。

一、知識深度等級體系與綜合能力培養

英國本科研究委員會(Council on Undergraduate Research，CUR)將畢業設計定義為本科生獨立完成的為本學科提出原創性智力或創造性貢獻的調查或研究工作。可見研究的創新性是畢業設計的核心要求之一。

1997 年，美國威斯康星州教育研究中心的教育評價專家諾曼·韋伯提出了“知識深度(Depth of Knowledge，DOK)”理論，用于評估美國各州教學效果評價與國家標準及州標準的一致性，是一整套如何基于課程標準來實施學業成就評價的程序、方法和具體技術[8]。知識深度等級體系旨在分析學生在回答問題和完成活動時思考的深度(思維的復雜度)，而不是內容的難度。DOK 已從評價領域延伸和拓展到課堂教學領域，成為課堂教學設計的重要理論和方法。知識深度理論將知識深度分為：回憶與再現(獲取知識)、技能與概念(應用知識)、策略性思維(分析知識)和延展性思維(擴充知識)四個層次。研究者根據其不同等級的思維要求設計和開發相應的活動、任務和問題，使得教育實踐者能夠設計有質量、促進學生深度學習的教學任務、活動和問題。從DOK 理論和活動看，教師在教學活動或任務設計時，需要從教學內容和學生特點出發，設計具有不同認知水平要求的活動。這既是對學科內容本身梯度性的積極回應，也是深度學習、培養學生用知識解決問題的能力的內在需求。教學任務的最終目標指向是高階思維和綜合能力的培養。

知識深度等級體系從思維深度的角度對教學活動進行了分層，非常適用于綜合能力培養的素質教育分析。面向社會對創新性工科人才的要求，工科畢業設計的核心思想是，學生在解決問題的背景下獲取和應用新知識時，通過現實世界的問題吸引學生的興趣并引發認真思考。同時由于實際問題很少只使用一門學科解決，畢業設計培養通常是跨學科的，學生需要綜合學習和使用來自多個學科領域的知識。畢業設計有助于從三個方面提升學生的素養：個人提升、智力提升和職業素養提升，包括處理及分析問題的能力、批判性思維、主動性及溝通能力、克服苦難的能力、寫作及表達能力等。

針對于“新工科”人才培養的需求，工科畢業設計對學生的四個核心能力要求可以總結為：根據相關領域發展現狀，通過分析對比研究，發現并提出問題的能力，是在專業領域創造和擴充現有知識體系的重要環節，是創新能力的集中體現;針對已知問題，提出解決方案，將科學原理轉化為工程設計或規劃決策的能力;依據具體方案具體實施的能力;以及在具體方案實施中所學知識再現的能力。以上四個核心能力要求分別對應于DOK 理論中的延展性思維、策略性思維、應用型思維和知識獲取與再現的四個思維層次，充分涵蓋了工科人才綜合素質培養的核心要素，因此在人才培養方案中應充分體現對工科學生的四種核心思維方式的培養。而本科課程以教學、課后訓練及實驗為主的環節主要集中在知識的回憶與再現，以及技能與知識的應用這兩個較低層次的思維方式的訓練。對于反映綜合創新能力的后兩個策略性思維和拓展性思維方面的培養嚴重不足。

畢業設計屬于項目型教學(Project Based Learning，PBL)，學生獨立收集資源和信息，創建項目和產品。由于畢業設計以個人完成為主，避免了傳統項目型教學中個體參與度不確定的弊端。在探索中增進與老師和同學交流的過程。PBL 的基礎在于研究的真實性或現實應用，被認為是紙質、死記硬背、教師主導的教室的替代方案。研究表明，學生在基于項目的學習教室獲得比學生在傳統教室更高的分數[9]。項目學習好處，包括更深入地理解概念、更廣泛的知識基礎、改進溝通和人際/社交技能、提高領導技能、增加創造力和提高寫作技能。

由此可見，畢業設計教學的核心是從以教師為中心的模式轉變為以學生為中心鼓勵學生“通過做來學習”(約翰·杜威)。學生的問題和創造力往往主導教學過程。當學生使用技術作為與他人溝通的工具時，他們扮演主動的角色，而不是老師、書籍或媒體傳播知識的被動接收者。具體體現在學生在項目過程中不斷主動選擇如何獲取、顯示或運用信息。因此以學生為中心或者學生在全過程中的自由決定權是培養學生高級思維能力的核心要素。

相反教師是這種以學生為中心的方法的輔助者和促進者，在必要時提供幫助和指導。教師的作用在于與學生合作，制定有價值的問題，對學生進行方向引導。同時通過過渡性目標來規范學生的探索，以確保學生項目保持專注，并且引導學生對正在研究的概念有深刻的理解。他們不是放棄對合作課堂或學生學習的控制，而是營造一種共同承擔責任的氣氛。

二、畢業設計中存在的典型問題分析

由于畢業設計的學生自主性要求和內容的靈活性和不確定性，給教學實踐中的具體實施提出了更高的挑戰，無法充分發揮其在綜合素質培養中的作用，教學過程和培養目標嚴重脫節。在實際教學實踐中常見的問題包括以下三個方面。

(一)畢業設計退化為教師主導的被動教學過程

具體表現在學生在選題、方案選擇甚至具體實施細節中缺乏自主性，按照導師安排按部就班的完成相關任務，畢業設計工作缺乏創造性。畢業設計中創新性和學生的自主性是嚴格相關的，學生需要通過自己的分析、判斷、歸納和總結做出選擇從而實現高階思維能力的鍛煉。最典型的問題表現為，學生盡管高質量完成了相關任務，卻回答不了諸如“為什么要研究這個問題”“研究這個問題的意義是什么”“為什么采取這樣的方案”“采取這樣的方案的好處及不足是什么”之類的問題。因此，針對培養學生策略性和拓展性高階思維過程設計的畢業設計淪為對學生又一輪低階重復性思維過程的強化。“虛假繁榮”的高分成績下是與素質教育培養目標的嚴重脫節。

(二)畢業設計時間較短及與學生升學和就業求職的時間沖突

畢業設計時間通常為大四最后一個學期，為期16 周，期間學生同時可能面臨研究生復試、找工作和實習等一系列現實問題。再加上學生對所選題目興趣不足、熟悉度不夠，知識儲備不充分等問題，往往導致學生精力不集中、畢業設計完成質量參差不齊。其核心原因在于畢業設計內容與個人興趣、研究生復試、實習和就業等需求不一致。而本科畢業人才培養的就是為實現學生的個人追求、滿足社會發展對人才的需求以及為進一步深造奠定基礎，實現從學校到社會或者專業研究的順利過渡。因此核心在于畢業設計內容與學生發展的需求的對立，是培養過程與培養目標的另一嚴重錯配。事實上，在大部分的科技競賽中需要學生用數日時間完成一個比較完整的高質量論文。因此畢業設計是對以往知識的綜合應用，在選題合理和充分激發學生興趣的前提下，時間短的問題并不突出。

(三)畢業設計教師負擔重

畢業設計教育中的另一常見問題是老師帶學生“帶不動”，在畢業設計中，導師需要為學生安排題目、提供數據及資料、設計方案，甚至幫學生修改程序，提供保姆式服務。然而，這種情況結果卻往往不盡如人意，學生在畢業設計中會出現各種各樣“出乎意料”的結果，導師扮演救火隊員。而與之相反，另一些同學卻幾乎可以“甩手不管”。究其原因在于學生由于缺乏背景知識或者對研究內容的興趣，機械執行老師教給的每條指令。在畢業設計過程中導師扮演項目的主體，學生只是導師思路的執行者，因此導師是畢業設計過程中每個細節的第一責任人。學生的參與感不強，而導師的感覺是“與其讓學生做，還不如自己做”。最終的結果往往是結果比導師預期差，學生抱怨導師指導得不好，陷入惡性循環。因此主要問題在于在畢業設計過程中導師和學生身份的錯配。

總結以上問題，不難發現社會對人才的需求及學生自身發展都要求充分體現學生在畢業設計培養全過程中的自主性，以學生為中心，讓學生作為畢業設計的完全責任人。學生根據自身未來發展需求，在導師的輔助下自主決定項目選題、方案、實施和評價的各個環節，充分鍛煉，以適應社會和進一步深造的能力要求。學校和導師在畢業設計過程中，提供好保障和輔助工作，包括條件保障及各項必須的技能培訓，為學生提供完成畢業設計所需要的必要資源的訪問權限。

三、布魯姆學習分類模型與本科畢業設計教學實施

充分訓練學生的深層思維，以學生為中心的畢業設計培養為學生提供了充分的權限和自由度，同時也需要配套的評價機制保證該設想的可行性。需要將以學生為中心的培養思路落實到每個可實施、可衡量的學習過程中。DOK對畢業設計所需要培養的核心能力進行了分析。

布魯姆學習目標模型(Bloom's Taxonomy)提供了根據不同認知嚴謹性和復雜性對學習進行分類的框架，常用于具體教學實踐的設計策略[10]。學習活動通常既包括低階也包括高級思維，同時是具象知識和抽象知識的混合。通過將教學過程中的各個環節進行遞進層次分類，安德森和克拉斯沃爾在修訂的布魯姆學習模型將識別、回憶、闡釋、示例、歸類、總結、推理、比較、解釋、區分、組織、歸因、檢查、批判、生成、規劃和構建等16 個認知過程分為從低到高的六個認知級別，分別為：記憶、理解、應用、分析、評估和創造，分別對應于該培養過程中所要達到的培養目標[11]。

DOK 對畢業設計的能力培養提出了總的要求，而Bloom's Taxonomy 將畢業設計中的具體教學環節進行了認知層次的分類，為具體實施提供具體指導。因此導師可以依據學生具體需要達到的指標點，進行反向設計，通過確定預期目標、梳理考核點、安排教學設計，完成工科畢業設計的培養過程設計。

結合DOK 四個思維層次(能力培養要求)和布魯姆六個認知級別(具體實施指標點)可將畢業設計中的不同學習行為進行歸類，從而使之對應于每一個培養目標指標點。使用Hess Cognitive 赫斯認知嚴謹矩陣(Hess Cognitive Rigor Matrix，CRM)將工科畢業設計中的可能培養環節分布在以DOK 四個思維層次和Bloom 六個認知級別[12]。畢業設計者可以根據自身專業特色不斷豐富工科畢業設計CRM 表格，并選用其中的培養環節，進行畢業設計培養方案設計。通過選取不同認知級別的學習行為實現各個思維能力培養。對照此表，量化學生在畢業設計期間包含了哪些認知層次的學習行為，覆蓋了哪些層次的思維能力培養目標。見表1。

表1 工科畢業設計認知嚴謹矩陣CRM

需要特殊強調的是學生的自主性水平是教學實踐中的一個隱變量，同一個教學行為，學生的自主性水平不同，將直接改變其對應的認知層級和所屬思維水平。以學生選題為例，如果學生選題過程中主導題目擬定過程，通過自身對相關行業發展現狀進行詳細分析，發現目前相關領域中存在的問題，這樣的選題過程，包含了深層次的拓展性思維，是對現有學科發展的創新性探索過程，其中包含分析、評估和創造等高級認知層次行為;而如果學生不具有經過探索發現問題的靈活性，而是結合自身特征和職業發展需要進行評估，從眾多題目中選擇適合自身發展需求的畢業設計題目，其中包含了評估、分析等認知層次行為，更多屬于策略性思維范疇;相反，如果學生對擬定題目不具有自主性，被動接受導師安排的題目，則可能只需要與導師的簡單溝通，對題目進行理解，則此過程基本屬于較低層次的應用已有知識對題目類型進行確認的思維過程。

由此可見，同樣的畢業設計培養環節，學生的自主性水平直接影響畢業設計的培養效果，因此以學生為中心，轉變導師職能是提升畢業設計綜合能力培養效果的核心。

四、結束語

工科本科畢業設計作為工科人才培養中的必修環節，承載著本科培養質量評估和創新人才綜合能力培養的重要作用，是學生完成從學校到社會身份轉變的重要橋梁。要解決當前工科畢業設計存在的深層矛盾，適應新時期創新人才培養和“兩性一度”的基本要求，需要充分運用認知和教育規律，突破傳統教學思維桎梏，進行深層次探索。其中以學生為中心，充分釋放學生的活力和主動性，是提升人才培養質量，解決資源緊張，化解培養過程和培養目標錯配的關鍵。