工程学科教育的有效教学方法探讨

2018-03-05丁云飞文西芹

机械设计与制造工程 2018年2期

丁云飞，文西芹

(淮海工学院机械工程学院，江苏连云港 222005)

随着我国工程技术的快速发展，由于缺乏针对大学生在工程难题中解决实际技术问题的指导与训练，高校中以传统的传授基础理论为主、以实验为辅的教学方式难以满足当今高科技、创新型工业体系对人才技能的需求。目前，我国处于由工业化社会向信息化社会转变的历史时期，教育主管部门要求工科高校必须加强大学生对专业基础知识的学习，并提出对工科院校大学生的教育要覆盖更多的科学领域，为大学生提供更多、更好的沟通技巧和团队合作技巧的指导[1]，培养创造性思维和解决实际工程技术难题的方法与技能，培育熟悉工程伦理和技术以及社会发展需求的工程专业大学生，逐步减少照本宣科，把科研精神与科研内容融入到大学4年教育中[2]。

面对提高大学生创新和创造水平的迫切需求，社会对教学方法的有效性有了更高和更新的要求[3]。相对传统的单一学科演讲方法，课堂理论教育、实践技术教育和教育心理学3方面同时开展更有利于大学生的科学精神和人文素养的提高。然而，现实中这些方面的发展至今对主流工程教育的影响相对较小。尽管其内容在某些方面发生了变化，但是直到目前，许多工程课的教学方式仍停留在课堂教学辅以计算机多媒体教学的模式，这与2000年工程学科的教学方式没有特别差异[4-5]。

基于推动工程学科教学方法的创新和确保教学目标的实现，笔者通过总结以往课堂实践中和教学科研中的关键方法，结合自身在国内外的教学经历，探讨了工程学科教学中教学目标在规划、制定、评判标准以及合作学习需要把握的重点，以此为高校教师教学工作的开展提供新的思路。

1 教学目标的制定

1.1 规划和制定详尽的教学目标

教学目标是根据教学计划实施教学内容，通过一定的方法使学生掌握一定的技能和知识，达到教学计划所期望的目标[6]。从学生学习角度可以理解为学生应该能够做什么来证明他们对课程要求的技能的掌握。教学目标包含一个关键内容，即指明学生应该掌握的知识点，以及每个知识点包含的科学性、逻辑性和深入性。以大学物理中学习理想气体方程为例，教师让学生明白学习的任务是推导理想气体方程。学生为了完成学习任务，首先要判断理想气体方程涉及的变量，即学生根据高中阶段学习理解的理想气体状态方程来定义变量；然后从其他3个值的给定值中计算任意一个变量的值，此外还要判断计算值的误差；最终根据气体动力学理论推导出理想气体方程。本例中4个步骤的共同之处是环环相扣，可以理解为“一个环节完成”是“为了在下一个环节做得更好”。对这一过程可以理解为针对目标进行定义、计算、估计和概述。在每个环节中可使用的教学模式包括列表、识别、解释、预测、模型、派生、比较和对比、设计、创建、选择、优化等等。此外，教学目标中所隐藏的教学行为和意义必须由教师直接观察，并应尽可能具体和明确。

1.2 教学目标评判标准的使用

教学目标的制定为教学目标的实现提供了理论基础。为了实现教学目标，教师在教学过程中需要及时掌握学生是否已经掌握教学内容，因此教师可以针对教学目标列出大学生在教学过程中需要完成的任务，而这些任务的内容和重点都需要与教学目标保持一致。针对教学目标的完成度，笔者根据教学内容的复杂性和难度制定出6个等级，见表1[7]。

表1 教学目标评判标准的等级

其中，知识、理解和申请可称为基础技能；分析、综合和评估则是高级技能。大多数工程学科课程的重点是申请，对为期4年的本科教学而言，实现知识、理解和申请是基础，熟悉分析和综合是素质拓展，了解评估是引申技能。

1.3 教学目标指导性原则

一门课程(或一门课程的一部分)的教学目标应包括教学内容、学生需要掌握的技能以及工程学科课程的各个层次都包括的一些较高水平的解决问题的技巧(如多学科分析、设计和批判性思维)和“软”技能(如口头和书面交流、团队合作、社会和道德意识)，且内容应尽可能的详细和具体。例如学生需要“设计一个工厂”，在设计工厂的过程中学生需要列出要完成的所有不同的事情(查找、估计、计算、创建、分析、选择、解释)。教师通过课堂练习和作业分配的方式，使教学目标与教学内容相一致，让学生获得技能与知识，并体现出教学目标在教学工作中的指导性[8]。

1.4 教学目标的基础性

教学目标一旦制定出来，就会揭示出哪些课程或某一课程的哪些部分是最重要的；哪些内容应该得到最大程度的覆盖；哪些内容只需要掌握重点；哪些内容容易被忽略和忘记。清晰的教学目标使教师能够设计出一致的作业内容，为所需的技能和考试提供练习，并能够让教师评估学生对技能的掌握情况。此外，教师建立清晰的教学目标，为学生提供理想的学习指导，教师能够清晰地认识到想要学生做什么，怎样成功地做到这一点。这些目标为首次教授课程的教师和后续课程的开展提供了一个很好的纲要。所有课程的教学目标集中体现了课程中的差距和冗余，这更为等待选课的学生和即将参与教学的教师提供了一个很好的课程概述。

2 教学方法研究

2.1 进行合作学习

合作学习是一种教学方法，在西方高校中使用广泛。合作学习是让学生开展团队合作，通过相互协作，共同努力去完成一个学习任务。表2列举了合作学习的特点和主要内容[9]：

表2 合作学习的特点和主要内容

合作学习可以在课堂内外进行，工程学科中的合作学习，需要学习小组设定共同任务、完成实验报告、设计项目和分配课程中的作业。在实际开展过程中，一个小组只需要负责完成一个问题集或报告，并根据教学目标，设定不同的考核等级和成绩，可以根据小组具体情况调整小组中个人的贡献度，还可以设置考前小组学习课程，以满足课外需求，并有奖励积分授予团队中有突出贡献且成绩超过规定值的成员。

2.2 合作学习需要把握的重点

1)向学生解释需要做什么，为什么做。合作学习实施过程中，学生会认为这是教师使用的针对学生采用的测试手段，测试结束后让学生回答或提交问题的答案。对学生而言，这样的一个过程实际是一个学习的过程，成功地回答问题就能体现出学习目标的完成。考虑到课堂合作学习方法使用的初期学生可能存在的迷茫和抵触，教师应在第一节课或第一周每节课前5min说明使用合作方法的一些原因(例如合作学习方式使学生能够在一种营造的工程师环境中工作，以团队的形式努力完成问题)以及这种模式对学生的益处(例如独自解决问题的能力、团队合作技巧、更高的完成率和取得更好的成绩)。

2)适宜的分组规模。合作学习需要将学生进行分组，每组中学生数目过多或者过少都将影响教学效果。合作学习适宜将学生分成若干组，每组包含3～4名学生。少数情况下存在两人一组的情况，这种情况下需要对每个人制定详细的学习任务和考核方法，避免一个人主宰小组工作。

3)教师主导学生分组。教师根据学生个体差异和特长，有目标性地分组。这样构成的团队往往比学生自由组合或学生自选分组有更好的学习效果。当学生自我选择群体时，弱势学生往往喜欢向优势学生身边转移，且弱势学生往往缺乏学习的主动性。另外，存在学生以朋友的形式分组，这会导致一两个学生永远不能完全融入团队。理想的团队是学生根据自身特点和特长进行互补。尤其针对大一、大二的学生和来自不同地区的学生(有着不同的学习基础和特长)，相对弱势学生(综合能力稍弱的学生，包括工科班级中的女生)不应该被隔离开。

4)分配合作学习小组的团队角色。每组中至少安排3个不可缺少的角色，分别是管理员(分解任务为各项子任务，分配责任)、记录员(写出最终报告或问题解决方案，汇总报告)和检查员(在提交之前进一步检查和纠正最终报告)。而其他角色，例如进程督导员(确保每个团队成员正在做出贡献，并确保所有的贡献得到其他人的认可；每个团队成员都理解并完成任务的每个部分)和观察员(建议可能的替代方案和现有方案的可行性)。在合作学习实施过程中，角色应随每个作业或任务在一个分组中轮换，直到每个队员都担任了不同职位。

5)强化组员个人责任意识。对合作学习小组中个别懈怠的学生进行单独的测试；随机检查个别小组及成员个人工作进展；采用无记名的方式进行小组间互评来调整小组/组员的学习成果。

6)小组自评。定期要求学生在工作间隙花费5～10min来评估各自的表现，确定组员的不足，并设定改进目标。自评结果可写进小组的问题解决方案或小组工作报告。

7)重新分组的间隔。一个团队至少要合作学习一个月，以便通过团队进行“任务构建，头脑风暴，工作规范和任务执行”。如果知道自己所在的小组只需要合作两三个星期，学生就会缺乏足够的动力去面对和克服团队中经常出现的问题。如果知道要在一起的时间很长，学生就不得不努力面对学习问题，制定创造性的应对策略，并加以利用和重视，进而发展个人才能和掌握更多的学习方式。

8)从小规模分组开始。如果教师从来没有使用过合作学习，而且没有和经验丰富的同事一起工作，则可以考虑从相对较小规模的分组方式开始，或者一个任务由两个或更多的团队完成(任务的分解)。随着学生和教师经验的积累和水平的提高，教师和学生的参与水平提高到一个“得心应手”的水平，则可适当地增大小组规模[10]。

2.3 合作学习的优势

大多数工程项目和问题都需要合作完成，而不是依靠某一个人和一个小组单独完成。在团队合作的过程中，交流技能和表达技能尤为重要。已有的报道和研究表明，各类企事业单位对大学毕业生的沟通和团队合作的技能排在期望技能的首要位置。如果团队合作技能是未来工程师的必要技能之一，那么团队合作技能的培育就应该归为教学内容的一部分，而作为工程领域孵化器的工科院校则应该充当这一基础技能培养与教育的桥梁[11]。

合作学习可能是所有教育方法中研究得最为深入的教学方法，而且越来越多的研究都表明合作学习对工程教育和技术培训有着积极的促进作用[12-13]。研究表明，相对于接受传统教学(主要指课堂讲授和个人作业)的学生，系统地参与过合作学习型教学的学生往往能够在大脑保留较多的信息量，且持续性较好，成绩相对优异，批判性思维和解决问题的能力较强，学习的动机更强，人际沟通技巧越好，对学习的焦虑程度更低。除此之外，相对弱势的学生在单独面对困难时可能会放弃，而与更有实力的学生合作工作，则可以有信心继续完成。在此过程中，许多有实力的学生倾向于在最短的时间内完成任务(追求完成任务的高效性)，当面对相对弱势的学生进行学习内容的解释和说明时，优势学生能够在一两次的重复中发现更多的问题，提供更多的解决问题的思路，得到更多的锻炼。

3 结束语

笔者总结了提高工程学科教育质量的教学技巧和方法，即规划、制定详尽的教学目标以及合作学习方法的使用。在实施这些教学方法的过程中，除了应该把握教学目标与教学内容相统一，教学目标完成性的评判标准和合作学习需要把握的重点，还应该兼顾以下几点：建立课程资料的相关性并进行归纳教学；在每门课程中平衡具体和抽象的信息；引导并促进学生在课堂上主动学习，传达对学生学习的关心。

教师在开展教学时，要有针对性地改善教学方法，进一步提高教学质量。然而需要说明的是，任何有效教学方法的使用都不能保证教学目标能够不打折扣地实现，使教学班级所有学生都能达到较高的水平。一个班级学生的表现取决于各种各样的因素，其中很多因素都超出了教师的控制范围。

希望广大高校教师能够根据自己的教学风格选择适当的教学方法，尝试在下一门课程中有针对性地规划和制定详尽的教学目标，并根据教学内容和课程安排采用合作学习的方式进行教学。从科学角度来说，教师无法预测这些方法在教学目标实现上的成功程度，但可以明确这些方法使用将会从一定程度上提高工程学科的教育质量。

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