面向能力培养的工科专业课教学设计方法

　　编者按：高校教师是教育教学改革的主力军。产学合作培养工程人才已经逐步在高校教师和企业中形成共识。在这样的大环境下，一些高校教师在校企合作中不断摸索、不断实践，获得了很多经验和体会。难能可贵的是，这些教师都有意识地把眼界放在国际化的视野中，学习国际先进的教育模式，并在各自的教学工作中应用、实践、发展、创新。
　　文章编号：1672-5913(2010)11-0050-06 中图分类号：G642 文献标识码：A
　　摘要：教学设计是实现高质量课程教学的关键，课程教学大纲是其重要的工作结果。大纲不仅体现了特定的教学理念与模式，还为课程教学系统勾画了蓝图。本文以教育本体论为基础，以CDIO工程教育理念为指导，基于对教学本质的理解和对工程教育特点的剖析，提出一种能实现CDIO理念的课程教学设计方法。国家精品课建设实践表明：该方法为CDIO教育理念的实现以及实施面向能力的人才培养提供了系统化方法的指导。
　　关键词：CDIO；教学设计；课程教学系统；精品课；教学大纲
　　
　　鉴于工程人才短缺和高等教育出现的质量问题，面向能力的人才培养及其课程教学设计成为近年来教育界关注的焦点。教学设计是教师主观构建课程教学系统蓝图的一项复杂业务活动，它将教学系统要素有机地组织起来并实例化，设计的内容应体现教学理念、模式和目标，其质量严重影响课程教学的质量。教师作为课程教学系统的主体之一，其教学设计水平分为3个层次(表1)，其中创新者为最高层次。
　　由于缺乏系统化方法的指导，目前高校中教师的教学设计往往凭个人的教学经验和水平进行，忽视设计或设计质量不高是普遍存在的问题。本文以教学本体论为基础，CDIO工程教育理念与方法为指导，研究课程教学系统的组织结构，探索教学设计的系统化方法与内容组织框架，以提升工科专业类课程设计的质量。
　　
　　1　教学的本质与教学系统
　　
　　1.1　教学的本质
　　教学本质问题属于教学论的本体论问题，明确教学本质的科学内涵即是确立教学系统要素及其相互关系，对教学本质的深度理解，是高质量教学设计的基础。教学是一种十分复杂的社会活动，很难用一种定义来全面阐述教学本质所蕴含的特点，有多种流派从不同的角度与深度诠释对教学本质的理解，这除了教学本质的功能性定义外，还包括教学活动内部各要素之间的相互关系，这构成了教学设计必须遵循的教学客观规律。
　　教学是教师教和学生学，共同完成预定任务的双边统一活动。教学活动中，师生两主体间以课程内容为中介，通过双重双向交互的教学方式和手段，在发挥各自能动性的教学相长教学过程中实现教学目标并提升各自主体性的目的。教学活动中，作为主体的教师担当教学设计、组织与引导的角色，这并不能取代学生作为另一个主体在教学中应发挥的主体能动作用。因此，单有学生学或教师教任意一方都构不成真正意义上的教育活动，双方互动中共促进同发展才是教学活动应具有的本质特征。
　　
　　1.2　课程教学系统
　　教师、学生、内容及其载体(即手段)构成了课程教学系统的基本实体，其中教师和学生为主体，内容及其载体为客体即活动的对象。除了上述基本要素外，教学系统还应包括教学目标、教学方法(即过程)、教学环境与教学评价等4个内容要素。研究教学规律即是弄清教学活动要素间的相互联系，教学设计即是构建符合教学规律的教学系统的过程，而教学实践通过教学管理实施教学活动，最终通过教学质量监控来确保并验证教学系统能够实现预期的教学目标。因此，构建高质量的教学系统是实现高质量课程教学的前提，是教学设计的核心任务。
　　图1为课程教学系统模型，其核心是4个基本实体要素，外环为课程教学目标、教学评价、教学环境以及教学法及其技术手段等其他系统要素。由教学理念与方法指导完成教学设计，任务包括：(1)根据专业目标确定的课程教学目标；(2)教学内容设计；(3)教学内容的载体设计；(4)教学组织过程设计；(5)建立适应教学模式的课程教学环境；(6)制定教学进程计划；(7)确立教学评价标准等。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　2　工程教育的特点与教学模式选择
　　
　　教学设计应体现教学理念与模式，明确工程教育的特点、确立相适应的教学模式与环境是高质量教学设计的前提。工程教育的目标是为产业培养合格的工程师，那么有必要深度探讨工程的内涵、明确工程教育应具备的特点，为正确选择教学模式提供理论依据。
　　
　　2.1　工程教育的特点
　　工程是运用抽象的知识创造具象产品(或实质性服务)的协作活动和创新过程。其中产品、技术、方法、具有技能的人、工具与环境、经验、目标以及整合上述要素的过程构成了工程的内涵。工程具有如下特征：
　　·　产品／系统有明确的构建目标与构建生命周期；
　　·　有事前的计划和过程，并基于计划实施过程控制，使得产品在一种有序的过程中有目的地、有条不紊地、高效率地被生产出来；
　　·　基于角色实现分工与协作；
　　·　应用成熟(成功)的方法、技术；
　　·　遵循已有的产品制造过程标准，如体现技术与方法的流程与工艺；
　　·　使用有效的工具和设施：
　　·　确认与验证。
　　工程教育被视为培养工程师具有产品构思、设计、实现至运维所需工程能力与综合素质的服务性产业，工程师是它的输出“产品”。因此，工程教育一定是以应用为导向、以产品／结果为目标、以工程过程(即问题解决过程)为教学组织主线、以理论加经验的“做中学”为教学模式的一种教育。作为工程教育输出的产品——工程师，其品质除了需要有坚实的理论基础即懂原理(Know Why)、能够举一反三和择优折中的设计能力，还需要知道“做什么”即内容(KnOW What)和“怎样做”即过程(Know How)，能够在有限的时间、费用和资源的约束下将客户满意的产品生产出来即懂工程管理，这是工程师区别于研究者的所在。
　　因此，工科专业课教学设计应把握以下几点：
　　(1)内容组织以产品过程为导向：依据问题解决过程(即产品过程)进行课程内容的设计与教学组织。
　　(2)采用面向能力培养的建构主义教学模式：强调以学生为中心、教师为引导的教学模式，通过问题解决语境下做有意义的构建进行教与学的活动，针对不同能力水平培养的需求进行教学环节设计(图2)，实现能力的渐进培养。
　　·　以刺激一响应行为为特征的教学：如案例教学、作业练习和单项实验，着力于概念识记与技能训练。
　　·　以内部心理认知特征的主动式学习：如基于场景或问题的启发式教学，主动探究的研究型学习以及基于项目的“做中学”等。针对能力培养的教学环节设计是教学大纲重要的内容之一。
　　(3)面向社会需求的教学系统构建：课程教学目标、教学内容以及教学环境均应该面向产业需要。
　　·　目标设计应遵循以下过程：获取产业人才需求→确立专业人才培养目标与规格→定义课程教学目标。
　　·　内容设计应与产业实践紧密结合，及时引入产业应用的先进技术、方法、过程与工程经验，建立机制确保教学内容与时俱进，并体现产业应用的实际水平。
　　·　建立贴近工程实践环境的教学环境，内容包括：工程化管理与组织、软件过程标准、实验环境与工具、自主学习指导、确认与验证标准等。
　　
　　2.2　教学模式的选择
　　CDIO是构思(conceive)，设计(Design)，实现(Implement)，运作(Operate)四个英文单词的缩写，它是“做中学”和“基于项目教与学”的集中概括和抽象表达。它以工程项目为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO所提出的培养计划、教学方法、师资、学生考核、学习环境以及实施过程和结果检验的12条标准具有可操作性，使之成为当今国际上最流行的工程教育方法论。
　　教学模式是教学论研究的热点之一，发展历程长而分类复杂(图2)。带客观主义倾向的教学模式一般说来适合于“良构”领域中基础知识的学习，其学习结果是能够“收敛”的(学生很容易达成共识)，在知识应用能力方面通常表现“近迁移”，因其采取直接传递的教学形式，通常具有较高的教学效率；带建构主义倾向的教学系统比较适合于“劣构”领域中高级知识的学习，其学习结果往往是“发散”的(学生不易达成共识1，在知识应用能力方面通常表现为“远迁移”，因其大多采取发现式和讨论式的教学，一般说来耗时较多，其意义是有利于学生创新能力的培养。由于现代科学研究和技术应用开始向那些“劣构”且发散领域冲击的趋向，对创新人才需求若渴，教学模式从倾向于客观主义的传统教育文化向突出创新意识培养的建构主义教育文化转变，并且现代化信息技术为建构主义学习提供了强有力的条件保证。
　　建构主义教学模式是CDIO工程教育倡导的教学模式，强调学习者以自己的方式通过别人的帮助，建构对事物的理解及其问题解决方案。其教学方法有情境法、探索发现法、基于问题式学习、小组研究、合作学习等。特别适用于“劣构”领域和高级知识的学习以及培养科学研究的创新精神。实施建构主义教学模式的课程其教学设计应具有以下特点：
　　·　以“学”为主，学生为主体，教师为辅导。强调教学设计中教学大纲的宏观指导作用、基于内容载体的教学以及教案的微观引导作用。
　　·　面向问题解决过程的课程内容设计与教学组织，基于有意义的构建进行学习。
　　·　强化自主学习设计，创建构建主义学习环境。任务包括：问题引导的内容设计，案例／项目载体设计，信息资源设计，认知工具采用，会话与协作工具，社会背景支持。
　　
　　3　能力培养途径与教学设计方法
　　
　　3.1　能力及其培养途径
　　按照CDIO标准，工程师应具备的能力为在现代团队工作的环境中，构思，设计，实施，运作复杂的、增值的工程系统的能力。其内涵包括：
　　(1)用专业知识解决问题的能力。
　　·　发现问题、理解业务的能力
　　·　需求分析能力
　　·　方案设计与优化能力
　　·　产品／系统实现能力
　　(2)现代团队环境下工作的能力：包含国际环境或企业文化的融入能力。
　　·　过程执行能力
　　·　团队协作能力
　　·　沟通与表达能力(含英语实用能力)
　　(3)学习能力。
　　CDIO将工程师的能力水平分成五个等级，教学环节与能力培养的关系参见图3与表2、表3。教学设计必须给出渐进提升能力的培养方案，通过教学环节的设置、项目载体设计及其项目研发实践来实现能力渐进培养的目标。
　　有知识并不等于有能力，能力培养必须置于应用的语境下，通过知识与技能的运用与实践而转变成个人的一种能动性，项目是能力培养的有效载体，通过设定难度不同的项目实践来实现能力的渐进培养。
　　
　　3.2　教学设计方法
　　教学设计的根本目标是开发出体现教学理念和教学模式的、优化的课程教学系统蓝图，以期实现课程教学目标。教学设计方法(图4)包括3方面内容：
　　(1)思想层：确立先进而正确的教学理念，选择合适的教学模式，认清工程教学的本质，建立课程教学的系统观与系统模型。
　　(2)任务层：基于课程教学系统模型，识别教学设计的任务，建立合理的设计过程。
　　①教学目标分析与定义：面向社会需求设计课程教学目标。
　　②情景创设：面向问题解决过程(即产品生命周期过程)组织内容和基于工作场景进行实践设计。
　　⑧资源设计与开发：教案与课件、参考资源、工具资源、项目资源以及教材的开发。
　　④自主学习设计：研读指南与小组报告规划。
　　⑤协作学习环境设计：项目协作的工业化过程标准以及支撑的信息技术平台。
　　⑥学习效果评价设计：面向能力培养效果的评价方法。
　　⑦教学环节设计：针对教学内容进行教学手段及其环节设计，来具体实现教学模式。
　　(3)结果层：定义应提交的设计结果及其内容规范。
　　笔者在其主讲的软件系统分析与设计技术课程建设实践中采用了上述方法，系统构建了课程教学系统，教学实际效果显著，所开发的教学大纲在北京交通大学首届研究型教学大纲评比中获优秀奖，课程入选2009年国家级精品课和教育部-IBM精品课，笔者本人应邀在第二届全国软件工程教育年会上作《国家精品课建设实践经验分享》大会报告。
　　
　　3.3　教学设计结果
　　教学大纲是教学设计的重要产物，其内容组织结构与课程性质、教学目标以及选择的教学模式紧密相关，体现CDIO理念和建构主义模式的课程教学大纲应具有不同的内容组织结构。Prabhu认为：教学大纲分为过程型和内容型两类，前者强调做什么以及怎样做的过程，适合实践性强的专业课，后者则强调学什么以及学习的结果，适合理论性强的基础课或专业基础课。对于软件系统分析与设计技术这类理论与实践兼有的专业课来讲，结合两者特点建立双教学大纲是一种有效的方法，即理论教学由内容型大纲定义，实践教学采用过程型大纲。笔者提炼出符合CDIO教学模式的课程大纲内容框架(表4)，据此开发的教学大纲在学校首批研究型教学大纲评比中获优，并作为样板在全校推广。
　　
　　5　结论
　　
　　基于对教学本质的理解和对工程教育特点的剖析，论文着力阐述了能力培养与教学活动的关系，提出了面向能力培养的课程教学设计方法，定义了建构主义教育视角下教学设计应完成的任务和提交的工作结果，给出了支持CDIO教学的课程教学大纲内容框架。这些成果用于指导软件系统分析与设计技术课程建设，并使得该课入选2008年北京市精品课，2009年国家级精品课。课程建设的成绩表明：课程教学系统的构建是一个系统工程，需要科学方法的指导；好的教学设计是高质量课程教学的前提，而承载教学设计方案的课程教学大纲，不仅体现教学理念，还应该在内容结构上与采用的教学模式相匹配。
　　作为教学设计结果之一的教学大纲是教师与学生之间的一种契约，应进行目标是否满足的确认与验证，来科学评价教学设计的质量和设计方案可能实施的效果，这是下一步要研究的内