基于SPC的“点菜式”教学质量管控方法研究

康桂华， 陈文芳

(1.河海大学常州校区 物联网工程学院，江苏 常州 213022;2.河海大学常州校区 教务部，江苏 常州 213022)

基于SPC的“点菜式”教学质量管控方法研究

康桂华1， 陈文芳2

(1.河海大学常州校区 物联网工程学院，江苏 常州 213022;2.河海大学常州校区 教务部，江苏 常州 213022)

针对目前“点菜式”教学模式缺乏有效的质量监控手段，提出了一种基于SPC的综合质量管控方法.通过在教学过程的关键教学环节设置多个控制节点，采集能够充分反映教学质量的相关信息，采用SPC技术分辩出影响该教学模式质量的主要因素，使教学过程始终处于统计可控状态.将该方法应用于具体教学改革实践，并利用SPC规范对实际应用性能进行分析和评估，结果表明所提出的教学质量管控方法取得了预期效果.

点菜式教学；菜单式教学；教学质量；统计过程控制

“点菜式”教学又称“菜单式”教学[1]，是指以学生为中心的教学改革过程中新出现的一种教学组织形式[2]，目前主要在国内一些高职院校的技能课中试行，最近在宁波大学科技学院部分公共基础课中尝试过，南京政治学院在培养高素质新型军事人才中也采用过.结果表明这种教学改革模式能极大地激发学生们的学习兴趣，深受大家欢迎.但目前国内大部分本科院校均未采用，特别是在基础课和专业课的教学中.原因主要有2点，一是认为本科设置的基础课或专业课的内容, 学生必须学，没有“点菜”的余地；二是目前缺乏评价这种教学方式质量的客观标准，更没有对其教学质量进行有效监控的手段.实际上，目前国内大部分高校使用的选课方式类似于学生“点菜”，不过线条较粗.随着现代科学技术的不断发展，大学本科院校专业课程的教学内容在增多，而教学时数又在减少，有些专业课也适合采用“点菜式”教学方式.关键是要正确地引导，同时对教学质量需要制定一套严格的管控方法[3].

目前统计过程控制(SPC)[4]主要应用于工业生产过程中的质量监控, 在教学改革中的应用案例还甚为鲜见[5].教学过程在某些方面类似于工业生产过程，不过前者要输出合格的学生，后者要输出合格的产品.两者最大的区别在于前者需要教师和学生之间进行互动，后者则不存在生产者与工业产品之间的直接互动关系.鉴于目前“点菜式”教学模式的应用需要，提出一种利用SPC技术对该教学模式的质量进行有效管控的方法，找出可能影响该模式教学质量的随机因素和异常因素.对于前者，确定教学质量的概率分布范围；对于后者，消除其可能对该教学模式造成的破坏作用，使教学过程始终处于统计可控状态.同时将传统上有关教学质量的定性描述转化成概率统计意义上相对精确的定量描述，实现对“点菜式”教学过程的优化监控，确保教学质量满足教学大纲规定的要求，达到“教”与“学”双赢的目的.

1 “点菜式”教学的特点及其实施方案

1.1 “点菜式”教学的特点

河海大学“点菜式”教学改革模式是指教学中学生依据教师制定的或师生联合设计的教学“菜谱”，自主选择学习内容、查找相关资料，在教师的指导下提炼与课程内容相关的系列学习专题，并设计相应PPT，通过课堂演讲、讨论和课后到企业实践，从而获得专业知识与技能的一种开放式教学方法.在教学过程中，任课教师不只是知识的传授者，而且还是学生获取知识的引导者和激励者，整个教学活动中强调师生间互动和双向交流，教师要善于为学生“铺路搭桥”，以教学“菜单”为线索，帮助学生解决该教学模式实施过程中遇到的各种疑难问题.

1.2 “点菜式”教学的实施方案

河海大学“点菜式”教学改革模式的总体实施方案如图1所示.具体实行时，要求教师根据教学课程大纲要求和教学进度安排，精心设计出符合学生胃口的“菜谱”.依据教学过程中采集的信息和学生对教学效果的反馈，对所设计的教学“菜谱”进行不断改进.并结合有关技术产业的最新发展水平，对教学“菜谱”内容进行及时更新.为防止学生“点菜”的盲目性，错过很多应该掌握或被忽视掉了的知识点，“菜谱”的设计采用了循环方式，使学生无论选择哪个菜单入口，都要遍历主要知识点.学生根据所选择“菜单”涉及的知识点，收集相关资料，设计PPT，教师给予指导，此过程由教师和学生共同完成.专题讨论形式多样化，学生课后到企业实践没有固定的模式，具体实施细节可根据企业情况进行调整，该教学环节需要体现师生的互动关系.考虑到具体实施过程中可能发生的随机因素和突发因素对教学质量造成损害，在关键教学环节，设置了多个控制节点，采集反映教学质量的相关信息，并对采集的信息以及平时测验和期终考试成绩进行综合统计分析，依据分析结果，对教学“菜谱”和具体实施过程进行不断改进，逐步建立一套完善的“点菜式”教学模式综合教学质量的有效管控体系.

2 基于SPC的综合教学质量管控实现方案

2.1 SPC技术基本原理

SPC技术[4,6]最早由美国贝尔实验室休哈特(Shewhart)于20世纪30年代提出，它主要应用统计分析方法对工业生产过程进行监控，将生产过程中采集的原始数据变换成概率表示的信息，并形成多种图表，根据对图表的分析结果，去发现影响产品质量的随机因素和异常因素，并采取相应的纠正或改进措施，维持生产过程的稳定性，以达到提高生产效能的目的.具体实现时大多是运用过程控制图来监测产品在生产过程中各个阶段的质量特性，以确保生产过程始终处于统计控制状态，从而确保产品的质量满足预定的要求.SPC中，控制图作为生产过程中反映产品质量状况的一种记录图形，多年来得到了不断改进和优化，形成了多种类型的控制图，能够满足对“点菜式”教学质量监控的需要.

2.2 综合教学质量管控实现的框图与步骤

根据上述SPC技术原理和“点菜式”教学改革模式的具体实施方案，提出了一种基于SPC的“点菜式”教学的综合质量管控方法，具体实现框图如图2所示.

该方法的主要实现步骤如下：

1) 制定“点菜式”教学模式的总体实施方案，如图1所示;

2) 设计既满足教学大纲要求又符合学生“胃口”的教学“菜谱”;

3) 在关键教学环节设置教学质量信息的采样点；

4) 对采样点上教学信息进行收集与分析；

5) 计算基于SPC的“点菜式”教学综合质量管控参数；

6) 根据SPC控制图判断教学质量是否处于正常范围；

7) 如果发现教学质量不正常，则区分出是随机因素还是异常因素引起；

8) 如果是随机因素引起，则调整教学“菜谱”；

9) 如果是异常因素造成，则修改教学“菜谱”，避免异常事件的发生；

10) 如果教学质量处于正常范围，可根据往届学生对教学质量评价的满意度，对过程控制图的3个参数进行适当调整，使教学质量评价结果更趋合理.

3 综合教学质量评价与SPC参数的计算

3.1 综合教学质量评价指标

“点菜式”教学模式的综合教学质量评价指标由主观和客观2部分组成，主观部分主要是指学生对该教学过程的各个教学环节的评价，评价结果往往用语言文字描述，如很好、好、较好等.客观部分包括单元测验、期终考试成绩等，客观评价结果要求直接用数量描述.为便于“点菜式”教学过程中实现SPC，主观评价结果应根据SPC的要求进行量化，量化基准和区间应与客观评价结果建立对等关系.使主、客观评价有一个统一的标准，最终形成一套综合教学质量的量化评价体系.

3.2 主观教学质量信息的采集

根据“点菜式”教学模式的具体实施方案和主要实现步骤，有关教学质量主观评价信息的采集，共设置了5个采样点，分别如图1中上方虚线箭头所示，它们分别是：①对所设计的教学“菜谱”的满意度或认可度评价；②对“点菜”时可能出现问题的应对策略评价；③对设计专题演讲PPT时所遇到问题的解决方法评价；④对课堂专题汇报、演讲或讨论时遇到问题的解决方法评价;⑤对课后到企业实践时可能遇到问题的应对策略评价.主观评价信息的采集，均采用问卷调查的形式，上述5个关键控制节点信息采样的调查问卷如表1所示.

表1 各教学信息采样点上学生的满意度评价

3.3 客观教学质量信息的采集

客观教学质量信息主要来自于平时测验和期终考试成绩的统计分析结果.每个学生的单元测验和期终考试成绩属于客观性评价指标，一般用百分制表示.根据SPC要求，需要计算出学生成绩分布的均值、方差/变异、全距、众数、标准差等.从而得到学生平时测验和期终考试成绩的总体分布以及个体差异等信息.

3.4 基于SPC的综合质量管控参数的计算

SPC中，可利用控制图对过程质量进行测定、记录和管理控制.控制图包括3条直线：①控制上限(UCL)；②中心线(CL)；③控制下限(LCL).3条直线代表的数值需要根据综合教学质量评价的结果来确定.因此，首先需要将上述5个信息采样点上采集的主观信息逐一进行量化和转换，并与单元测验和期终考试成绩进行综合，计算出反映总体教学质量信息数据的均值、方差/变异、全距、众数、标准差等参数，并建立这些参数与SPC控制图3条直线之间的对应关系，有关各参数的具体计算方法参考了文献[7].

将表1中得到的5分制表示的数据转换成百分制表示的数据，采用的公式为：

(1)

式(1)中a、b分别为转换尺度和区间的调整系数，exp(·)为指数函数，Ds、Do分别表示转换前、后的信息数据.图2中SPC控制图3条直线代表的数值计算公式如下：

4 教学应用实例及其质量管控性能分析

为了验证本文提出的基于SPC的“点菜式”教学质量管控方法的实用性和有效性，将其应用于河海大学移动通信课程的教学改革实践，取得了预期效果.

4.1 “点菜式”教学综合质量的控制图及其分析

依据上述基于SPC的“点菜式”教学质量管控方法的实现框图与具体步骤，分别采集能反映综合教学质量信息的主观和客观数据，并将采集的主观数据进行变换，再与采集的客观数据进行综合，得到了能全面反映“点菜式”教学综合质量的数据.运行Minitab软件[8]，输入得到的教学质量数据，并设置相关参数，绘制出“点菜式”教学综合质量的X-R(均值-极差)控制图，分别如图3(a)和(b) 所示，其中数据总数为106，每个样本由5个数据组成.图3(a)中均值图的中心线CL为77.78，控制上限UCL为93.75，控制下限LCL为61.81.图3(b)中极差图的中心线R为12.38，控制上限UCL为26.18，控制下限LCL为0.图3(c)还给出了最后22个样本的数据分布图.

根据X-R控制图的判异规则[9]，结合“点菜式”教学的具体要求，制订了教学质量处于非正常状态的判别准则，具体条件如下：

1) 连续9点在中心线同一侧；

2) 连续6点全部递增或全部递减；

3) 连续14点上下交错；

4) 有1点偏离中心线超过 3个标准差；

5) 同侧连续 3 点中有 2 点大于距离中心线 2 个标准差；

6) 同侧连续 5 点中有 4 点大于距离中心线 1 个标准差；

7) 任一侧连续 15 点全部在距离中心线 1 个标准差以内；

8) 任一侧连续 8 点全部在距离中心线 1 个标准差以外.

只要某个样本值满足条件1)～8)之一，则判断教学质量处于非正常状态.而且如果满足条件1)～3)之一，则判断教学质量非正常是由随机因素引起，如果满足条件4)～8)之一，则判断教学质量非正常是由异常因素引起.

从图3(a)、(b)中可看出没有样本值超出上、下控制限，也没有样本值满足上述8个条件之一，说明河海大学进行的移动通信课程“点菜式”教学改革实践的综合教学质量处于正常受控状态.

4.2 教学质量管控过程能力分析

在教学过程正常受控后，需要进一步评估管控过程的控制能力.从图3(d)所示的样本值的能力直方图可看出综合教学质量符合近似正态分布.从图3(e)所示的样本值的正态概率图可看出样本数据与正态分布吻合的程度，两者的面积差(AD)只有0.458.图3(d)、(f)均反应了该管控方法的控制能力.在SPC中，通常用过程能力指数Cp与Cpk来表示控制过程的样本组内潜在能力与实际表现能力，前者表示过程变异与规格界限之间的关系，后者则表示过程中心值与规格中心值偏移程度.而且还用过程指数Pp与Ppk来表示整体性能.这些性能指标的具体计算公式如下：

(3)式(3)中USL和LSL分别表示要求达到的控制上限和下限(也称为规格上限和下限)，σ组内为样本值的组内方差.

(4)式(4)中NSL为USL和LSL之一，μ为样本中心值.同理

(5)

(6)

式中σ整体为样本值整体的方差.

采用式(3)～(6)的计算结果分别如图3(f)所示.图3(f)中得到组内方差和整体方差值分别为5.323、5.747，两者的差别较小，说明控制过程波动较小，稳定性较好.Cp与Cpk值分别为1.06和1.05，两者均大于1，而小于1.33，说明过程控制精度较好，且过程控制能力较强，在过程能力的等级评定中处于2级水平[6]，仍需用控制图对该教学过程进行监控，以便及时发现异常波动.此外Pp与Ppk值分别为0.99和0.97，说明从整体上看，过程控制精度和过程控制能力还存在一定的提升空间，图3(f)中组内PPM=1 417.83，表示每百万个样值中存在约 1 418 个样值会使教学过程处于非正常状态.

5 结语

实践结果表明,基于SPC的教学质量管控方法不仅能使河海大学“移动通信”课程的“点菜式”教学综合质量得到有效管控，而且还能使该课程的教学克服传统“按部就班”教学模式的弱点，充分体现学生的个性化学习需求，从而为创新型人才培养创造了有利条件.使所设计的教学“菜谱”既能满足移动通信专业课的教学需要，又能极大地激发学生们的学习兴趣，使某些学生变被动学习为主动学习，人人参与，避免学生“逃课”现象的发生.同时还能使在校学生学习的知识与当前移动通信产业发展保持同步，为学生就业创造有利条件，也使河海大学培养的人才能快速适应时代发展要求.

目前“点菜式”教学模式虽然只在小范围内以实验的方式展开，但已对传统的教学方式产生了不小的冲击，深受广大学生们的欢迎.随着以学生为中心的教学组织形式(如自主学习、个性化学习等)的研究与实践不断深化[10]，以及综合教学质量管控手段的有效性不断增强，“点菜式”教学模式将朝着更实用、更完善的方向发展，未来也将会在更多高等院校教学中推广和应用.

[1] 甘毛文.浅析“菜单式”实践教学模式中大学生主体作用[J].法制与经济,2013(6):116-118.

[2] COGAN M.Menu - teaching measures[EB/OL].[2014-05-31]http://www.teachingmeasures.co.uk/menu.html.

[3] LANCTON S.Customize course menu,properties & colors [EB/OL].[2014-05-21]http://www.unco.edu/blackboard/docs/bb9/.

[4] 刘宏，全凌云．应用SPC技术监控过程质量[J].电子质量，2010(1):34-37.

[5] WANG Zi-ren,LIANG Rong-hua.Discuss on applying SPC to quality management in university education [C]//The 9th International Conference for Young Computer Scientists.China :Zhang Jia Jie,2008,1(1):2372-2375.

[6] 蒋家东，冯允成．统计过程控制[M]．北京：中国计量出版社，2011.

[7] 康桂华，康鸿博．基于SPC的“点菜式”教学模式的综合质量管控装置及方法[P].中国专利:CN103985071A,2014-08-13.

[8] 陈旭东.基于SPC工具的高职实践教学质量监控体系研究[J].南通职业大学学报，2012，26(1):28-31.

[9] 石文.基于SPC技术的课堂教学质量监控系统研究[J].现代电子技术,2011,34(21):205-207.[10] FRANZONI A L.Student learning styles adaptation method based on teaching strategies and electronic media[J].Media Educational Technology & Society,2009,12(4):15-29.

(责任编辑 庄红林)

On the SPC-based method of monitoring the quality of food-ordering-style teaching

KANG Gui-hua1,CHEN Wen-fang2

(1.College of Internet of Things Engineering,Hohai University at Changzhou,Changzhou 213022,China;2.Academic Affairs Office,Hohai University at Changzhou,Changzhou 213022,China)

For the existing problem of lacking the efficient methods for monitoring and controlling the quality of food-ordering-style teaching, this paper puts forward a SPC-based method of administering and controlling the integrated quality of teaching. Through the setting-up of multiple controlling points in the key steps of the teaching process, the collecting of the information related closely to the quality of teaching, and the discrimination of the main factors of affecting the quality of the teaching mode by the SPC technology, the teaching process is always controllable in a statistical sense. Moreover, the proposed method is applied to the teaching reform, and its application in reality is analyzed and evaluated by the SPC specification. The results show that the expected effect is achieved by the proposed method of controlling the teaching quality.

food-ordering-style teaching; menu-style teaching; teaching quality; statistical process control

2014-07-08.

河海大学2013年教育教学改革研究项目(XZX/13A001-36).

康桂华(1963-)，男，博士，副教授. 主要研究方向：通信与信息系统.

TN710.34

A

1672-8513(2015)01-0075-05