基于項目的自主探究式教學(xué)模式研究與實踐

石 昊 王 棟 余 劍 古衛(wèi)芳 劉 瓊

(1.山西工程技術(shù)學(xué)院 電氣與控制工程系,陽泉 045000)(2.山西工程技術(shù)學(xué)院 教務(wù)部,陽泉 045000)

2016年6月,我國成為“華盛頓協(xié)議”第18個成員國,我國的工程教育正式與世界工程教育接軌,對于促進我國高等工程教育按照國際標準培養(yǎng)工程技術(shù)人才,提升人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要意義[1-3]。

工程教育專業(yè)認證的核心理念是以學(xué)生為中心、成果導(dǎo)向和持續(xù)改進。以往我國工科專業(yè)教學(xué)體系設(shè)計通常以“課程導(dǎo)向”為原則,更加注重經(jīng)費投入、師資隊伍和辦學(xué)條件的建設(shè),強調(diào)教學(xué)管理機制和教學(xué)實施過程[4]。“電氣控制與PLC”是電氣工程及其自動化專業(yè)的核心課程,是專業(yè)理論與實踐相銜接的關(guān)鍵性課程,涉及的知識和技術(shù)更新迭代快,且與工程應(yīng)用結(jié)合緊密,對學(xué)生的動手能力要求較高。以往的教學(xué)體系存在以下弊端。

(1)教學(xué)過程以教師為中心,缺乏互動,學(xué)生處于被動接受的地位,較難激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性。

(2)以理論知識的傳授為教學(xué)重點,實驗項目往往單純地驗證知識點,缺乏與生產(chǎn)實踐的銜接,導(dǎo)致課程結(jié)束后,學(xué)生雖然順利通過了考試,卻不能熟練地應(yīng)用技術(shù)解決問題。

(3)傳統(tǒng)教學(xué)方式先在教室講授理論知識,后在實驗室進行實驗,且實驗學(xué)時較少,無法體驗工程項目從設(shè)計到實施的整個過程,很難建立起工程的概念,不利于形成基本的工程師素養(yǎng)。

(4)考核體系對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的考核不夠,主要考核對知識的掌握程度,不利于學(xué)生工程技術(shù)應(yīng)用能力的培養(yǎng),難以保障教學(xué)效果。

(5)教學(xué)計劃的針對性不強,難易程度和進度都是統(tǒng)一的,學(xué)習(xí)過程缺乏挑戰(zhàn)度。

要實現(xiàn)培養(yǎng)合格工程技術(shù)應(yīng)用型人才的目標,必須針對上述問題開展教學(xué)改革。

1 教學(xué)改革總體思路

關(guān)于工程教育背景下實踐性課程的教學(xué)方式,多位學(xué)者或從不同視角提出自己的觀點,或通過實證研究得出了可信的結(jié)論。韓婷等通過實證研究證實基于項目的教學(xué)形式在培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力方面具有有效性,而且發(fā)現(xiàn)教學(xué)過程中的自主探究、生師互動、合作學(xué)習(xí)等因素對學(xué)生工程實踐能力的發(fā)展有顯著的促進作用[5]。文學(xué)舟等的研究表明,學(xué)生主動學(xué)習(xí)的意識和自主學(xué)習(xí)的能力是對教學(xué)效果影響顯著的因素,是實現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量提升的最主要動因[6]。黃瑩通過研究美國密西根州立大學(xué)的探究式工程入門實驗課程,得出了基于項目的探究式工程實驗課是提升工程專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)造能力及增強其專業(yè)興趣愛好的理想平臺這一結(jié)論[7]。李瑾等提出了“自主學(xué)習(xí)力”是工科生最重要的能力,能夠幫助學(xué)生更好地應(yīng)對未來的挑戰(zhàn)[8]。

如圖1所示,“電氣控制與PLC”課程實施“成果導(dǎo)向、項目驅(qū)動、自主探究”的教學(xué)模式,以課程思政建設(shè)為教學(xué)改革創(chuàng)新根基,引入了OBE理念,從人才培養(yǎng)目標出發(fā),把思政、知識、技能、能力的培養(yǎng)與來源于工業(yè)現(xiàn)場的工程項目相融合,構(gòu)建應(yīng)用型知識體系,以小組為組織形式在實驗室實施體驗式教學(xué),建設(shè)能力導(dǎo)向的過程化考核體系,因材施教開展個性化教學(xué),學(xué)生在教師的組織和引導(dǎo)下自主探究完成項目任務(wù),在完成任務(wù)的過程中實現(xiàn)思政目標、知識目標、技能目標和能力目標的達成,為培養(yǎng)工程技術(shù)應(yīng)用型人才奠定基礎(chǔ)[9-11]。

圖1 教學(xué)模式支撐關(guān)系圖

2 教學(xué)改革內(nèi)容

2.1 課程思政建設(shè)

當今時代科技高速發(fā)展,各種新興技術(shù)與行業(yè)的結(jié)合越來越緊密,這就導(dǎo)致行業(yè)對從業(yè)人員的需求多樣性越來越高、變化速度越來越快,學(xué)校培養(yǎng)的人才將要應(yīng)用現(xiàn)在還不成熟甚至還未出現(xiàn)的技術(shù),去解決將來才會出現(xiàn)的問題,這意味著對學(xué)生的能力和素養(yǎng)的培養(yǎng)遠比傳授知識更重要[8]。而我們現(xiàn)在的學(xué)生從小生長在信息爆炸的時代,獲取信息的渠道更多了,難度更低了,也導(dǎo)致學(xué)生上課的注意力更難集中了。在這樣的背景下,傳統(tǒng)以教師為主的被動教學(xué)難以實現(xiàn)培養(yǎng)目標,學(xué)生強烈的主動學(xué)習(xí)意識和良好的自主學(xué)習(xí)能力,才是實現(xiàn)培養(yǎng)工程技術(shù)應(yīng)用型人才目標的基本保障。而學(xué)生具備正確的人生觀和價值觀,具備強烈的家國情懷和歷史責(zé)任感,是能夠激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的強烈愿望、培養(yǎng)學(xué)生形成良好的自學(xué)能力的基礎(chǔ),課程思政建設(shè)的重要性日益凸顯。

古語有云“為學(xué)須先立志。志既立,則學(xué)問可次第著力。立志不定,終不濟事。”課程思政建設(shè)是教學(xué)改革創(chuàng)新的根基,課程以培養(yǎng)學(xué)生具備 “堅定自信、團結(jié)奮進、自立自強、求精創(chuàng)新”的素養(yǎng)為思政目標,寓價值觀引導(dǎo)于知識傳授和能力培養(yǎng)之中,幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀,激勵學(xué)生自覺把個人的理想追求融入國家和民族的事業(yè)中。思政建設(shè)內(nèi)容主要包括:

1)師德師風(fēng)建設(shè)

經(jīng)師易求,人師難得,授課教師首先應(yīng)堅持政治理論學(xué)習(xí)和專業(yè)知識學(xué)習(xí),努力成為先進思想文化的傳播者、黨執(zhí)政的堅定支持者,做到以德立身、以德立學(xué)、以德施教,為學(xué)生點亮理想的燈、照亮前行的路。

2)歷史與現(xiàn)實相結(jié)合

新中國是逐步在艱難困苦中歷練、成長起來的,在這一過程中,一代代科學(xué)家和工程師用他們的無私奉獻精神和艱苦奮斗精神,不斷地譜寫著一段段動人的篇章,挖掘貼近行業(yè)的相關(guān)案例,用事實激發(fā)學(xué)生的家國情懷和歷史責(zé)任感。

3)專業(yè)與國情相結(jié)合

隨著我們國家工業(yè)生產(chǎn)自動化水平的不斷提升,作為主流工業(yè)控制器的PLC的應(yīng)用越來越廣,但是現(xiàn)在占據(jù)我國PLC市場較大份額的還是以國外品牌為主,如果遇到類似現(xiàn)在中美貿(mào)易摩擦的情況,可能會被人卡脖子,幫助學(xué)生認清實現(xiàn)理想的長期性、艱巨性和曲折性,培養(yǎng)學(xué)生持之以恒、艱苦奮斗的精神。

4)典型案例與教學(xué)過程相結(jié)合

例如以國產(chǎn)大型數(shù)控銑床“十米數(shù)控龍門銑”為典型案例,幫助學(xué)生了解我國數(shù)控機床的先進技術(shù),培養(yǎng)學(xué)生的民族自豪感,引導(dǎo)學(xué)生堅定“四個自信”,同時讓學(xué)生感受技術(shù)進步背后一代代工程師的辛苦付出,培養(yǎng)學(xué)生持續(xù)奮斗,勇于創(chuàng)新、精益求精的工匠精神。

2.2 重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容

如圖2所示,課程內(nèi)容不再以基于學(xué)科的知識體系為序,而是圍繞人才培養(yǎng)目標,采用反向設(shè)計法,重新構(gòu)建基于工作過程的應(yīng)用型知識體系,以電氣工程師崗位所需的知識和能力為教學(xué)內(nèi)容核心,以來源于實際應(yīng)用的項目為教學(xué)載體,將思政元素、PLC控制技術(shù)、繼電—接觸器控制技術(shù)、觸摸屏技術(shù)、變頻器技術(shù)、工業(yè)通信技術(shù)、電工技術(shù)等融入到源于工業(yè)現(xiàn)場的具體項目中去,學(xué)生通過完成這些項目,成長為具備社會主義核心價值觀、終身主動學(xué)習(xí)意識、自主學(xué)習(xí)能力、發(fā)現(xiàn)分析解決復(fù)雜工程問題的能力、團結(jié)精神和團隊協(xié)作能力、創(chuàng)新創(chuàng)造的意識和能力、職業(yè)道德和工匠精神的工程技術(shù)應(yīng)用型人才。

圖2 教學(xué)內(nèi)容示意圖

課程內(nèi)容劃分成各自相對獨立,整體由基礎(chǔ)到復(fù)雜的四個學(xué)習(xí)情境,后續(xù)的情境是對前面情境的延伸和拓展,每個學(xué)習(xí)情境又包含若干個由易到難的項目,各個項目按照對知識和技能的要求循序漸進編排,每個項目按照教學(xué)目標的需要設(shè)計了若干個任務(wù),具體課程項目見表1。

表1 課程項目表

2.3 創(chuàng)新教學(xué)空間和教學(xué)組織形式

教學(xué)空間在以往的教學(xué)改革中是容易被忽視的一個教學(xué)要素,隨著教學(xué)改革范圍和深度的拓展,更多教育研究者和實踐者認識到教學(xué)空間在教學(xué)改革過程中的重要性。張濤等就指出教學(xué)空間既是教學(xué)活動的承載者,也是教學(xué)活動的構(gòu)成要素,對于教學(xué)活動其他要素作用的發(fā)揮是有影響的,教學(xué)組織形式和教學(xué)空間是互為條件性的存在[12]。陳飛和李曉文等多位學(xué)者認為合理的教學(xué)空間變革,對于推進教學(xué)方式的演變、實現(xiàn)教學(xué)理念、改善教學(xué)效果是有利的[13-14]。

為了建設(shè)適合本課程教學(xué)活動的空間,對PLC實驗室進行了重新布局,把課堂直接放在了實驗室,PLC實驗室具體布局見圖3。實驗室采取了中間圓桌四周實驗臺的組合式布局,中間的圓桌從空間上消除了師生之間的對立感,營造了自由平等的學(xué)習(xí)氛圍,圓桌上放置了投影儀和計算機,教師布置任務(wù)、講解演示,師生集體討論,學(xué)生繪圖、答辯等教學(xué)環(huán)節(jié)都可以使用圓桌。四周實驗臺是相對獨立的空間,適合小組交流討論,學(xué)生可在該平臺上自由配置電氣元件,將電氣圖紙轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實的控制電路。在上課的過程中,學(xué)生可以隨時觀察了解相關(guān)設(shè)備,在項目解決方案確定后,可以在實驗臺實施方案,實現(xiàn)了理論知識由學(xué)習(xí)到應(yīng)用的無縫銜接。在實驗室現(xiàn)場教學(xué),師生雙方邊教、邊學(xué)、邊做、邊討論,學(xué)生動手實踐穿插于整個課堂教學(xué)過程中,在實踐中理解知識、應(yīng)用知識,在完成任務(wù)的過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

圖3 PLC實驗室布局圖

為了便于開展基于項目的教學(xué)活動,學(xué)生在上課初期就組建固定的項目小組,學(xué)生以小組為單位領(lǐng)取項目任務(wù),完成項目的整體設(shè)計和實施。在完成項目過程中,小組成員有各自的崗位和職責(zé),而且成員之間會定期輪換崗位,讓學(xué)生有機會感受真實的工作氛圍,有利于培養(yǎng)學(xué)生全面的專業(yè)素質(zhì)。

2.4 線上線下混合式教學(xué)

本課程在超星學(xué)習(xí)通平臺建設(shè)了線上課程,把項目任務(wù)書、知識點講解視頻、章節(jié)測驗、拓展資料等課程相關(guān)資料放在了線上,學(xué)生可以在線上完成預(yù)習(xí)任務(wù),開展問題討論和進行意見反饋。知識點視頻放在線上后,學(xué)生可以反復(fù)觀看學(xué)習(xí),既節(jié)約了線下課堂講授的時間,也避免了課堂講授時可能出現(xiàn)的遺漏,可以保證學(xué)生對知識點的學(xué)習(xí)質(zhì)量。

2.5 考核評價體系

課程不再采用以理論知識考核為核心,更注重期末考試的考核方式,構(gòu)建了以工程技術(shù)應(yīng)用能力考核為核心,全過程考核的考核評價體系,其構(gòu)成如表2所示,由日常考核、期中考核和期末考核三部分構(gòu)成。針對每節(jié)課的學(xué)習(xí)任務(wù)細化考核環(huán)節(jié),把學(xué)習(xí)壓力分散到每一個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié),避免出現(xiàn)平時學(xué)習(xí)懶散,考前集中突擊的不合理現(xiàn)象,通過考核的導(dǎo)向作用,引導(dǎo)學(xué)生注重工程技術(shù)應(yīng)用能力和實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng),引導(dǎo)培育學(xué)生的團隊協(xié)作意識,切實起到保障教學(xué)效果的作用。

表2 考核評價體系構(gòu)成

(1)日常考核部分占到了總成績的50%,是過程考核理念的集中體現(xiàn),實現(xiàn)了對整個教學(xué)過程的量化考核,引導(dǎo)學(xué)生認真完成每個教學(xué)環(huán)節(jié)。

(2)期中考核是對學(xué)生綜合素質(zhì)的評價環(huán)節(jié),要求每位學(xué)生完成一份學(xué)習(xí)報告,通過這份學(xué)習(xí)報告對已掌握的知識和技能進行梳理和總結(jié),對所學(xué)課程和專業(yè)進行重新認識,對后期課程和專業(yè)的學(xué)習(xí)進行規(guī)劃,然后要求學(xué)生制作PPT完成對學(xué)習(xí)報告的演示和答辯。

(3)期末考核采用在實驗臺實操完成考核項目的考核方式,實現(xiàn)對學(xué)生專業(yè)知識和專業(yè)技能應(yīng)用能力的考核。制定若干個題目,根據(jù)題目的難易程度分成三個檔次,學(xué)生可以根據(jù)個人情況選擇不同的檔次,并在2個小時內(nèi)獨立完成考題,學(xué)院還設(shè)置了加分項,學(xué)生在已選擇題目的基礎(chǔ)上可以適當發(fā)揮,滿足加分項要求可以獲得加分。

2.6 因材施教分層教學(xué)

學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣的養(yǎng)成和專業(yè)技能的培養(yǎng)需要持續(xù)的激勵和引導(dǎo),教師在教學(xué)改革的過程中,要有為學(xué)生提供彈性學(xué)習(xí)空間的意識,考慮學(xué)生的個性化培養(yǎng),為學(xué)生營造一個持續(xù)深入、不斷拓展的學(xué)習(xí)環(huán)境。傳統(tǒng)教學(xué)計劃只考慮大部分學(xué)生的情況,針對所有學(xué)生制定教學(xué)內(nèi)容,教學(xué)的難易程度和教學(xué)進度都是統(tǒng)一的,但在實際教學(xué)過程中,隨著教學(xué)活動的開展,會有部分學(xué)生對PLC和自動控制產(chǎn)生強烈的興趣,萌發(fā)了強烈的動手實踐的欲望,卻因受到教學(xué)條件和環(huán)境的限制,不能得到良好的引導(dǎo)。

針對上述情況,本課程采取了因材施教的分層教學(xué)法,允許學(xué)生不再統(tǒng)一學(xué)習(xí)進度,學(xué)習(xí)興趣強烈的學(xué)生采取自學(xué)為主的方式,在教師的引導(dǎo)下加快學(xué)習(xí)進度,給這部分學(xué)生較大的拓展空間,完成課堂必修項目后可以進一步完成自選項目,實現(xiàn)學(xué)習(xí)效率最大化。這部分學(xué)生積極努力學(xué)習(xí)的行為也會在班級中起到示范和引領(lǐng)作用,可以改善整體學(xué)習(xí)氛圍。同時,鼓勵學(xué)生參加各級各類學(xué)科競賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽,引導(dǎo)學(xué)生持續(xù)成長,最終成為合格的工程技術(shù)應(yīng)用型人才。

3 教學(xué)活動實施流程

3.1 整體實施流程

課程教學(xué)活動實施流程如圖4所示,整個教學(xué)過程以學(xué)生為主線,分成了課前、課中、課后三部分。

(1)課前:由于上課主要內(nèi)容是學(xué)生完成項目任務(wù),教師講解時間有限,因此課前需要學(xué)生預(yù)習(xí)上課時需要用到的知識和技能,由教師提前發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù),學(xué)生可以按自己的時間規(guī)律自行在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺完成預(yù)習(xí)任務(wù)。

(2)課中:教師組織引導(dǎo)學(xué)生在實驗室完成項目任務(wù),在此過程中,教師的更多時間是在陪伴和觀察,只在學(xué)生出現(xiàn)安全隱患時會主動干預(yù)。

(3)課后。教師對學(xué)生提交的疑問及時給出反饋,適宜在網(wǎng)絡(luò)平臺答疑的問題直接在網(wǎng)絡(luò)平臺回復(fù),重難點問題在上課時現(xiàn)場演示講解。

同時教師要負責(zé)課程教學(xué)方案的持續(xù)改進,對教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題進行整理分析,結(jié)合學(xué)生反饋對教學(xué)內(nèi)容和手段重新進行歸納和策劃,然后調(diào)整修正教學(xué)方案,應(yīng)用在后續(xù)教學(xué)活動中。

3.2 課中教學(xué)活動實施流程

課中教學(xué)活動實施流程如圖5所示,可以分為“布置任務(wù)、制定方案、實施方案、調(diào)試修正、結(jié)果演示”五個階段。布置任務(wù)階段,教師針對項目內(nèi)容和任務(wù)進行解釋,對項目所涉及知識和技能的重難點進行必要的梳理、講解和演示;制定方案階段,學(xué)生分組討論,通過回顧以往知識、查閱文獻資料、分析論證等方式探究項目的解決方案,確定解決方案后繪制電氣原理圖,教師負責(zé)審核圖紙安全性;實施方案階段,學(xué)生依據(jù)電氣原理圖,在實驗臺的網(wǎng)孔板上配置所需設(shè)備,并進行接線,然后進行軟件設(shè)計,包括制定I/O分配表、繪制程序流程圖和編寫梯形圖程序;調(diào)試修正階段,學(xué)生通過運行系統(tǒng)確定是否能夠?qū)崿F(xiàn)項目控制要求,如有錯誤,就需要學(xué)生重新對解決方案進行分析討論,并修正硬件和軟件,直到能夠滿足項目控制要求為止;結(jié)果演示階段,學(xué)生講解系統(tǒng)功能并現(xiàn)場演示,結(jié)果正確則項目任務(wù)結(jié)束。完成項目任務(wù)的過程中,會指定小組成員記錄各自擔(dān)任的角色和負責(zé)的工作,以及遇到的困難和解決的方法,在項目任務(wù)完成后,會總結(jié)本小組在完成項目過程中收獲的經(jīng)驗和存在的疑問,以及對課程的建議。

圖5 學(xué)生上課完成項目任務(wù)流程圖

在學(xué)生完成項目任務(wù)期間,教師需要時刻巡視觀察整個課堂,在學(xué)生出現(xiàn)違規(guī)操作或者設(shè)計方案存在安全隱患時及時指出,在學(xué)生有問題和困難時提供幫助和引導(dǎo),保障教學(xué)活動的正常進行。對于學(xué)生主動提出的問題,教師會給出必要的指導(dǎo),但不會直接給出解決方案,即使發(fā)現(xiàn)學(xué)生的方向有誤,只要不涉及安全問題,就會讓學(xué)生自主試錯,分析出錯原因,修正解決方案,這種分析問題、解決問題的過程正是學(xué)生獲取工程師基本素質(zhì)的良好途徑。

4 教學(xué)效果分析

為了更客觀地了解學(xué)生對課程教學(xué)模式的認可程度,課程組在網(wǎng)絡(luò)問卷平臺制作了調(diào)查問卷,學(xué)生通過匿名填寫方式完成了問卷調(diào)查,下面分析過程中的數(shù)據(jù)來源于2021年11月的問卷調(diào)查結(jié)果,有效調(diào)查問卷共51份。

如圖6所示,64.71%的學(xué)生對課程整體教學(xué)效果非常滿意,33.33%的學(xué)生比較滿意,反映出課程總體教學(xué)效果良好。

圖6 課程整體教學(xué)效果調(diào)查結(jié)果

表3為“教學(xué)要素影響度調(diào)查結(jié)果”,其中課程加強實驗室教學(xué)比例是學(xué)生認為對學(xué)習(xí)效果最主要的促進因素,在實驗室學(xué)生自己動手把理論知識用實際的設(shè)備去實現(xiàn),使得理論知識不再枯燥和抽象,確實能夠幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用理論知識。表4為“對學(xué)生的促進調(diào)查結(jié)果”,88.24%的學(xué)生認為課程對其“主動學(xué)習(xí)意識和自主學(xué)習(xí)能力”有明顯的促進作用,這一結(jié)果正體現(xiàn)了本課程以學(xué)生為中心的教學(xué)理念。

表3 教學(xué)要素影響度調(diào)查結(jié)果

表4 對學(xué)生的促進調(diào)查結(jié)果

5 結(jié)語

通過實踐證實,“成果導(dǎo)向、項目驅(qū)動、自主探究”的教學(xué)模式能夠促進學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性和自主學(xué)習(xí)能力的提升,培養(yǎng)學(xué)生獲得工程師基本素質(zhì),能夠為培養(yǎng)工程技術(shù)應(yīng)用型人才提供有力的支撐。但是課程建設(shè)依然存在著硬件設(shè)施建設(shè)滯后、配套教學(xué)資源不足、評價考核體系缺乏多元性、現(xiàn)代教育手段有待開發(fā)利用、專業(yè)整體教學(xué)環(huán)境亟待改善等諸多問題。教學(xué)改革是教育工作者的終身事業(yè),不斷靈活調(diào)整,緊跟時代步伐,才能保證高等工程教育的良性、健康、持續(xù)地發(fā)展。