綜合課程設(shè)計模式在實踐類課程的應(yīng)用和探索

馮學(xué)玲，吳 葛，鄧春花，尹 仕

（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074）

0 引言

工程教育的目標(biāo)是“以學(xué)生為中心”，培養(yǎng)能夠滿足現(xiàn)代工程需要、解決實際工程問題的工程科技人才［1］。趙炬明［2］提出“以學(xué)生為中心（Student-Centeredness，SC）”的教學(xué)模式具有3 個基本特征：以學(xué)生發(fā)展為中心、以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心、以學(xué)生學(xué)習(xí)效果為中心。而非傳統(tǒng)的以“教材為中心、教師為中心、教室為中心”的教師滿堂灌模式。他指出，教學(xué)過程中學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，教師的角色是根據(jù)學(xué)生特點和學(xué)習(xí)要求設(shè)計教學(xué)過程、提供教學(xué)平臺、營造學(xué)習(xí)環(huán)境，在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中成為設(shè)計者、引導(dǎo)者、支持者、輔導(dǎo)者和合作者。

實驗教學(xué)是高等院校教學(xué)中不可或缺的重要組成部分，是工程科技人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生參與工程實踐、培養(yǎng)工程思維、獲得工程經(jīng)驗，旨在培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力［3］。目前各高校開設(shè)實驗教學(xué)主要有如下兩種模式：①實驗附屬于理論課，該模式下實驗學(xué)時占比少，一般僅占總課時的10%左右，且實驗大都為驗證性實驗，實驗與實際脫節(jié)，無法激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和實踐思考［3］；②實驗與課程設(shè)計相結(jié)合，該模式雖加強了理論和實際的結(jié)合，但更偏向于理論設(shè)計，且只針對某門課程，很難系統(tǒng)培養(yǎng)學(xué)生實踐思維和工程思維［3］。針對上述問題，我校電氣學(xué)科專業(yè)開設(shè)了24 學(xué)時的信號與控制綜合實驗課程，由信號與系統(tǒng)、自動控制理論的基本實驗和彼此間的綜合實驗構(gòu)成，解決了“重理論、輕實踐”的問題，但在課程建設(shè)初期還是基于各學(xué)科的基礎(chǔ)實驗展開教學(xué)，亟需進(jìn)一步以學(xué)生發(fā)展、學(xué)習(xí)和效果為中心開展教學(xué)變革和實踐探索，真正解決教學(xué)中的頑疾。

本文依據(jù)美國學(xué)者L·迪芬克《創(chuàng)造有意義的學(xué)習(xí)經(jīng)歷——綜合性大學(xué)課程設(shè)計原則》一書中綜合課程設(shè)計模式，來探索以學(xué)生為中心的信號與控制綜合實驗信號部分的教學(xué)變革和實踐。

1 綜合課程設(shè)計模式

1.1 有意義學(xué)習(xí)的分類法

美國學(xué)者L·迪芬克創(chuàng)造了一個關(guān)注學(xué)習(xí)特定變化、基于6 種有意義學(xué)習(xí)的分類法［4］，如圖1 所示。該分類法超越了布魯姆認(rèn)知領(lǐng)域分類模型［5］的理解-記憶-應(yīng)用型學(xué)習(xí)。

有意義學(xué)習(xí)對學(xué)習(xí)者有各自的價值卻又相互關(guān)聯(lián)。包括如下學(xué)習(xí)種類：

（1）事實和觀點類基礎(chǔ)知識。

（2）能解決復(fù)雜問題的技巧、思維等應(yīng)用能力。

（3）能將不同事物、觀點或領(lǐng)域以及思想、人或生活等進(jìn)行聯(lián)系和融合的綜合素質(zhì)。

（4）對自我形象、自我理想有新的理解，能發(fā)現(xiàn)對個人和社會的人文意義。

（5）能改變學(xué)生對事物的關(guān)注程度，能產(chǎn)生新的情感、興趣和價值，并激發(fā)學(xué)習(xí)動力。

（6）能了解學(xué)習(xí)過程，知道如何自主學(xué)習(xí)。

結(jié)合工程教育“知識、技能和素質(zhì)三位一體”的人才培養(yǎng)目標(biāo)的闡述，可于圖1中將兩者對應(yīng)，并回答“該不該做、可不可做、值不值做以及會不會做”［6］的問題。

圖1 有意義學(xué)習(xí)分類法與“知識、能力、素質(zhì)”

1.2 綜合課程設(shè)計模型

綜合課程設(shè)計模型如圖2 所示，含情境因素、教學(xué)目標(biāo)、反饋與評估以及教學(xué)活動4 個組分，與課程設(shè)計三角形模型［7-8］一致。不同的是該模型突出了各組分的檢驗標(biāo)準(zhǔn)（圖中用虛線框表示）以及各組分之間的項目綜合（圖中用雙向箭頭連接表示）。

圖2 綜合課程設(shè)計模型及初始階段步驟

綜合課程設(shè)計模式含3 個階段。初始階段構(gòu)建堅實的基本組分：深層分析情境因素，采用反向設(shè)計（先考慮反饋和評估，然后明確教學(xué)活動）［7-8］程式來制定有意義的學(xué)習(xí)目標(biāo)、教育性評估手段和主動積極的教學(xué)活動，并進(jìn)行綜合和調(diào)整。中間階段：設(shè)計課程結(jié)構(gòu)和教學(xué)策略，并落實到教學(xué)活動的整個框架中。完成階段：設(shè)置課程評分、排除問題、編寫課程大綱并評估教學(xué)。

1.3 反向課程設(shè)計矩陣與綜合課程設(shè)計工作簿

將課程設(shè)計矩陣［7-8］（含總體目標(biāo)、具體目標(biāo)、教法、學(xué)法和評價）與綜合課程設(shè)計模型進(jìn)行整合，形成如表1 所示的綜合課程設(shè)計工作簿，用來檢驗學(xué)習(xí)目標(biāo)、反饋與評估和教學(xué)活動間的一致性。

表1 綜合課程設(shè)計工作簿

表1 中，表頭行中的數(shù)字代表工作簿填寫順序，即①首先根據(jù)課程總體目標(biāo)確定6 類有意義學(xué)習(xí)具體目標(biāo)；②針對每個目標(biāo)設(shè)計評價與考核方式，做到以學(xué)習(xí)效果為中心；③根據(jù)具體目標(biāo)和評價方式設(shè)計學(xué)法，凡是能讓學(xué)生自學(xué)的一律不教，做到以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心；④根據(jù)目標(biāo)、評價、學(xué)法來設(shè)計教法，如何幫助學(xué)生學(xué)習(xí)；⑤確定總體目標(biāo)（知識、能力、素養(yǎng)）的最終措辭；⑥填寫針對特定目標(biāo)，課程組能提供以及學(xué)生能使用的有用資源。在設(shè)計具體目標(biāo)時，還需考慮學(xué)生做什么活動才能確保他們能學(xué)到相應(yīng)的知識和能力，并設(shè)想應(yīng)該以什么方式來檢驗學(xué)生是否學(xué)到了相關(guān)知識和能力。

2 綜合課程設(shè)計實踐探索

將趙炬明［7-8］關(guān)于本科教育改革的聚焦設(shè)計所用的方法與L·迪芬克的綜合課程設(shè)計模式相結(jié)合，應(yīng)用于信號與控制綜合實驗課程：基于課程情境因素分析，分別從有意義學(xué)習(xí)目標(biāo)、教育型評估與反饋、教學(xué)活動設(shè)計以及3 者的整合一致性重構(gòu)課程，并對課程結(jié)構(gòu)、教學(xué)策略及教學(xué)安排做初步探討。

2.1 課程情境因素分析

課程情境因素，譬如：有多少學(xué)生參與該課程，他們有什么樣的知識準(zhǔn)備等，分為一般情景、具體情景、學(xué)科特點以及師生特征等，是課程設(shè)計的基石。信號與控制綜合實驗課程開課前課程組編制并發(fā)放了課前調(diào)查問卷，得到本課程的情境因素分析如表2 所示。

表2 課程情境因素分析

2.2 有意義學(xué)習(xí)目標(biāo)確定

采用以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心的做法，確保學(xué)生學(xué)有收獲，基于有意義學(xué)習(xí)分類法本課程確定如下6 個維度的學(xué)習(xí)目標(biāo)：

（1）基礎(chǔ)知識。能描述信號的產(chǎn)生、檢測、傳輸方式和采樣定理；能描述濾波器的設(shè)計原則；能描述連續(xù)時間信號的離散時間處理與變換；能分析信號頻譜；能描述系統(tǒng)模型和閉環(huán)控制器的設(shè)計思路。

（2）學(xué)以致用。能運用軟件和工具實現(xiàn)信號采樣與恢復(fù)、調(diào)制與解調(diào)、分析信號諧波；能運用多種方式改善系統(tǒng)的閉環(huán)性能；能設(shè)計合理的實驗方案、實驗步驟和測試目標(biāo)，并能運用仿真工具證明其合理和有效性。

（3）觸類旁通。能根據(jù)信號的特點將檢測技術(shù)和信號的采集分析建立聯(lián)系；能根據(jù)系統(tǒng)的特點將信號的采集、反饋控制建立聯(lián)系；能綜合運用信號、系統(tǒng)、檢測技術(shù)和控制方面的知識解決實際生活工程問題。

（4）人性維度。能評估自己團隊合作、管理和調(diào)動資源的能力，反思學(xué)習(xí)對自己和社會的意義。

（5）人文關(guān)愛。能對信號成分缺失或異常更感興趣，關(guān)注更多前沿和先進(jìn)的技術(shù)。

（6）學(xué)會學(xué)習(xí)。會總結(jié)方法和技巧來促進(jìn)更好地學(xué)習(xí)，能構(gòu)建個人的信號與控制認(rèn)知框架。

根據(jù)工程教育認(rèn)證能力結(jié)構(gòu)和12 項畢業(yè)要求及其分解的指標(biāo)點與課程體系的清晰映射關(guān)系，每門課程均要對能力結(jié)構(gòu)有確定貢獻(xiàn)，亦有可能支持多種能力結(jié)構(gòu)［6］。而某一能力亦可通過不同的課程、不同的學(xué)習(xí)階段來達(dá)成。

2.3 教育型評估與反饋

教育型評估的目的是幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)。根據(jù)教育型評估的4 個基本要素，來進(jìn)行設(shè)計。

（1）前瞻性評估。真實性的任務(wù)驅(qū)動—基于學(xué)生可能在將來要面對的、具有真實意義的情景來設(shè)計任務(wù)，使學(xué)生將學(xué)習(xí)聚焦到現(xiàn)實的、有意義的任務(wù)上來。本課程任務(wù)：基于學(xué)生當(dāng)前生活，將熟悉的信號如聲音信號［9］、生理（人體心電信號）［10］、電流電壓等電信號從書本搬至實際工程應(yīng)用，分別設(shè)計調(diào)音器、心電信號分析儀和電能質(zhì)量分析儀等儀器儀表；引導(dǎo)學(xué)生通過實踐甚至是自主開發(fā)來體驗信號分析處理的趣味性，產(chǎn)生新的知識和鏈接，來激發(fā)學(xué)生的應(yīng)用和創(chuàng)造能力。

如果學(xué)生能有機會使用新知識更有效地解決與自己有關(guān)的真實性任務(wù)，他們會產(chǎn)生更多智力上的興奮與動機。

（2）目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)。基于評價量表的目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，通過設(shè)計維度和因子來評價學(xué)生的學(xué)習(xí)投入［11］，亦便于學(xué)生更有針對性、更明確地進(jìn)行自我評價。課程以有意義學(xué)習(xí)目標(biāo)分類作為課程任務(wù)評價量表的維度，具體詳見表3。答辯環(huán)節(jié)的評價量表由于篇幅的關(guān)系，不在此列出。

（3）自我評估。通過明確評價標(biāo)準(zhǔn)評價他人進(jìn)而進(jìn)行誠實的自我評估。可依據(jù)如表3 所示的評價量表作為評估他人和自己的標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)自我改進(jìn)。

表3 基于虛擬儀器的信號與控制實驗評價量表

（4）忠實FIDelity反饋。對學(xué)生進(jìn)行高質(zhì)量的反饋，如經(jīng)常（Frequent）、及時地（Immediate）、有區(qū)分度地（Discriminating）、積極關(guān)愛地（Delivered Lovingly）。包括預(yù)習(xí)作業(yè)課前反饋、隨堂檢查、實驗結(jié)果驗收以及答辯評價等，按照表3 所述標(biāo)準(zhǔn)給出有區(qū)分度的反饋，并做到“若表揚并告訴原因，若批評需商討改變”。

2.4 教學(xué)活動（學(xué)法與教法）

教學(xué)活動指教師活動（教法）和學(xué)生活動（學(xué)法），需考慮活動設(shè)計才能使學(xué)生掌握所學(xué)知識和能力。學(xué)生處于主動學(xué)習(xí)狀態(tài)（見圖3），需讓學(xué)生“動”起來，促使他們思考和學(xué)習(xí)：

圖3 全面的主動學(xué)習(xí)觀

（1）獲取信息和觀點。

（2）實踐和觀察的經(jīng)歷。

（3）反思自己的學(xué)習(xí)。

實踐類課程要求學(xué)生更多地實踐動手［13］：基于理論課程的信息和觀點，助力更有偏向性的動手實踐；而在動手完成真實性任務(wù)的過程中，可以進(jìn)一步獲取信息和觀點；學(xué)生獲得新的信息觀點和經(jīng)歷后，要反思這些別樣的學(xué)習(xí)對自己產(chǎn)生的意義。

為促進(jìn)學(xué)生主動學(xué)習(xí)（見表4），教師需做到：凡是學(xué)生能自己學(xué)的一律不教；凡是學(xué)生自己學(xué)習(xí)有困難的要提供“腳手架”。

表4 促進(jìn)主動學(xué)習(xí)的活動

2.5 綜合課程設(shè)計工作簿

表5 所示的課程設(shè)計工作簿可用來檢驗教學(xué)目標(biāo)、反饋和評估以及教學(xué)活動的整合一致性。

表5 中各個目標(biāo)對應(yīng)的有用資源，可幫助學(xué)生更好地實現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)、完成教學(xué)活動和評估。同時深度反思性對話能夠給予學(xué)生時間，鼓勵他們結(jié)合調(diào)音器、心電實時監(jiān)測儀和單相電能質(zhì)量分析儀3 個綜合實驗項目，去思考自己學(xué)習(xí)的意義。

表5 信號分析處理綜合實驗課程矩陣

2.6 課程結(jié)構(gòu)、教學(xué)策略及教學(xué)安排

信號與控制綜合實驗最重要的概念包括采樣、信號變換、分類識別、提取有用信號和噪聲信號等，依據(jù)這5 個概念并結(jié)合前文的真實性任務(wù)，制定了3 個不同的主題［14-16］，各主題分別對應(yīng)基礎(chǔ)任務(wù)和拓展任務(wù)。

（1）基于聲音信號。①調(diào)音器（基礎(chǔ)任務(wù)）；②聽音識曲（拓展任務(wù)）。

（2）基于人體生理信號（心電信號、脈搏）。①心電信號分析儀（基礎(chǔ)任務(wù)）；②不同年齡段心電信號識別器（拓展任務(wù)）。

（3）基于電流電壓等電信號。①電能質(zhì)量分析儀（基礎(chǔ)任務(wù)）；②電源波形提取／恢復(fù)演示儀（拓展任務(wù)）。

上述3 個主題可供學(xué)生根據(jù)自己興趣進(jìn)行選擇，分別安排12 學(xué)時，4 次課。課前預(yù)習(xí)作業(yè)為仿真軟件入門訓(xùn)練，第1 次課為仿真4 學(xué)時，第2 次課為基礎(chǔ)任務(wù)4 學(xué)時，第3 次課為拓展任務(wù)2 學(xué)時，第4 次課為按主題分組答辯，2 學(xué)時，學(xué)生于答辯結(jié)束后1 周內(nèi)提交實驗總報告、反思性個人對話以及所有課程材料。可將活動計劃和教學(xué)安排所涉及的學(xué)習(xí)活動按順序表示成如圖4 所示的教學(xué)策略，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生全面主動地學(xué)習(xí)。

圖4 信號分析處理課程教學(xué)策略

2.7 課程評分結(jié)構(gòu)及教學(xué)評估

評分體系中，評分項目需多元化且能充分全面地反映學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)活動，表3 的評價量表已基本滿足該要求，結(jié)合課程的答辯評價量表及答辯記錄表，最終選擇表3 的評價量表占課程總分的70%，答辯評價占課程總分的30%。同時為完成拓展任務(wù)的同學(xué)給予評分激勵，即學(xué)習(xí)總分可達(dá)90 分及以上。至此，基于綜合課程設(shè)計模式的信號與控制綜合實驗的信號實驗課程設(shè)計已經(jīng)基本完成。

3 教學(xué)效果

為了檢驗該模式的教學(xué)效果，在課程結(jié)束后，向?qū)W生發(fā)放問卷（見表6），內(nèi)容涵蓋：在解釋信號與系統(tǒng)的相關(guān)原理方面是否有提高？在分析信號有用成分和處理手段方面是否有提高？在判斷信號有無缺失以及識別信號方面是否有提高？

表6 問卷調(diào)查及結(jié)果

問卷調(diào)查結(jié)果顯示，80%以上的同學(xué)在解釋和分析問題方面都得到了很大提高，大概有30%的同學(xué)完成了拓展實驗，破解了信號識別這個難點。以上調(diào)查結(jié)果反應(yīng)本文的研究和探索在實驗教學(xué)中取得了較好的效果，學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、安排以及對課堂老師的評教滿意度評分較高。他們還期待課程組能開發(fā)更多有趣的實驗?zāi)K，供他們體驗和實踐。本課程將在不斷應(yīng)用和實踐中進(jìn)一步優(yōu)化和迭代。

4 結(jié)語

依據(jù)綜合課程設(shè)計模式重構(gòu)的信號與控制綜合實驗信號部分實驗，直擊學(xué)生信號與系統(tǒng)課程學(xué)習(xí)的難點，為學(xué)生創(chuàng)造了有意義的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，做到了以學(xué)生為中心，滿足以成果為導(dǎo)向的OBE教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。該設(shè)計模式還可進(jìn)一步推廣到其他工科實踐類課程。