基于OBE-CDIO的《电气控制与PLC》课程项目化在线混合教学研究与实践

林立松，王建祥

（山东农业工程学院 机械电子工程学院，山东 济南 250100）

在线课程是基于Internet进行现代远程教育的支撑平台，是为教育者和学习者提供授课、学习、答疑、讨论以及作业等教学过程的支持平台，是开展现代远程教育必备的教学支撑。

1990年由美国克莱蒙特大学教授凯尼斯.格林发起并主持的一项大型科研项目“信息化校园计划”是在线课程概念的最早出现[1]。目前在西方，有近95%的学校在网上为学生提供线上课程服务。

国内的校园在线课程建设近年来也得到了迅猛的发展，中华人民共和国国务院1999年转发了 “面向21世纪教育振兴行动计划”，许多高等院校和社会团体加大投入，至今建立了诸如智慧树、泛雅学习通、毕博平台等众多的在线学习平台。

1 研究意义分析

当前国家正处于抗击新冠疫情的关键时期，在国家坚持两手抓,停课不停学，统筹做好疫情防控和教育教学工作的要求下[2]，在线混合教学无疑是解决目前教学的最好手段。可以随时随地灵活机动地进行多种方式的教学，然而，通过调研发现在线教学仍然存在以下问题：

1.1 在线课程只是教材的机械替代品，是课堂教学的简单重复，很多在线课程内容只是大段照搬课本内容，教师表情、语气、语调一看就是在念教材。

1.2 课程培养目标不清晰，没有对学生工程设计能力提出整体规划。尤其很多应用型本科的专业课程尽管强调项目化，但是还是以课程章节性内容为导向（或者仅仅是形式上章节更换为了项目和任务，忽视了工程项目教学的重要性。

1.3 各知识点缺乏有效地整体联系，无法实现有序衔接，缺乏对学生创新设计能力和综合素质的培养。

1.4 教学评价体系极不完善，部分在线课程有一定的评价体系，但是缺乏对工程应用能力、创新能力、表达能力和实践学习过程的评价。

2 研究内容

2.1 基于OBE-CDIO模式 《电气控制与PLC》课程教学体系研究

成果导向教育 （Outcome-Based Education，OBE）1981年由Spady率先提出，被认为是追求卓越教育的正确方向。强调能力导向、目标导向、结果导向，注重以学生为中心，以学生“学习成果”为导向。

CDIO工程教育理念是由麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学2000年共同研究提出的。CDIO 代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）[3]，它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，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问题。

我们学校试行的新工科教育坚持将以学习产出为导向的OBE理念和以项目为载体的CDIO理念有机结合，建立多元化考核体系，以预期学习产出为中心来组织、实施和评价项目化教学，以成果产出驱动 CDIO的实施，构成基于OBE-CDIO的项目教学体系。

新的培养方案涵盖了众多的课程与知识能力，也给教师和学生带来了新的挑战，如何运用改革前一半的学时学好比原来更多的知识内容，是专业授课教师面临着一道重要的课题。《电气控制与PLC》是机械电子工程专业的专业核心课程，也是三名工程中“电气控制”名课程群的出口性课程。在新冠疫情下采用什么样的教学模式与方法满足新工科教学目的尤为重要和突出。

2.2 疫情下 《电气控制与PLC》在线学习平台建设研究

2.2.1 教师将项目典型相关知识以及规范化操作视频制作成项目化教学课件，录制教学视频。

2.2.2 建立体现各知识点与工程应用能力试题库。

2.2.3 精心设计搭建基于新工科的《电气控制与PLC》课程OBE-CDIO项目化在线课程。

本研究以国内高等院校与一线企业为调研对象，以本学校目前试行的新工科培养专业（机械电子工程本科专业）学生为授课主体，特别注重针对新冠疫情形势，利用泛雅学习通系统和直播系统，结合与优化教师刚刚自行研发的电气控制综合实验箱，充分综合学生在线自主学习、网上直播指导、实验箱在线演示、学生工程案例在线调试等方式，在《电气控制与PLC》教学中将以学习产出为导向的OBE理念和以项目为载体的CDIO理念有机结合，针对新工科的特点，分层次地进行应用能力与综合素质的培养，突出本校农业特色项目，坚持在线CDIO模式运行，同时建立多元化考核体系，激发学生主动学习兴趣，脚踏实地地进行基于校企合作项目化在线课程混合教学改革与实践，探索教学新模式，从而解决新工科培养方案中课程高度融合带来的课时少、任务重的问题。这对丰富高等院校尤其是应用型本科院校专业课程项目化教学研究，指导新冠疫情和后疫情形势下电气控制方面乃至整个工科领域工程教育的在线混合教学具体实施具有现实的意义。

3 《电气控制与PLC》在线项目化混合教学具体研究

本研究包括:电气控制与PLC项目化内容研究、电气控制与PLC在线课程学习平台建设研究、超星学习通在线直播系统混合教学研究。

课题整体研究框架如图1。

图1 课题整体研究框架

3.1 《电气控制与PLC》课程分级项目体系

3.1.1 调研企业项目并总结出项目化案例，将典型的工程工作任务设计为跟本校注重的农业特色培养相关的一个综合课程项目：智慧农业大棚电气控制设计。

3.1.2 分析综合课程项目并分解为课程分项目。将课程项目分解为几个相互关联的课程分项目：智慧农业大棚卷帘机继电器控制、智慧农业大棚补光灯控制、智慧农业大棚出入口控制、智慧农业大棚卷帘机PLC控制。

3.1.3 将课程分项目细化为多个有机联系的分任务，层层递进地构成与岗位有关的课程相关知识。形成完整的课程项目-课程分项目-分任务-相关知识-工程应用能力-学时课程库体系。

3.1.4 绘制CDIO知识-素质-能力一体化鱼骨图。鱼骨图模型见图2

3.2 《电气控制与PLC》在线学习平台建设中的具体研究

3.2.1 教学视频制作。视频力求生动、实用，作为小单元有机地嵌入到在线课程章节设计中。有利于学生课前预习，课堂查阅，课后复习，全方位全时间段方便学生有目的地进行学习。

学生进行项目实施时往往要进行动手操作，安全规范的操作是CDIO项目化教学中非常重要的一个问题，为此除了再三强调安全规程之外，制作典型项目规范化操作视频是非常必要的，因此，线上课程将典型操作规范也录制成视频，视频有的是教师操作，也有的是往届优秀学生操作。随着项目化教学的推广，逐步建立典型项目视频库，既完成了对上一级优秀同学的考核与激励，又为下一级同学提供了示范与鼓励，形成了良性循环。

3.2.2 教师根据具体项目的基本理论与工程应用能力建立海量习题库，按照单选题、多选题、判断题、填空题、简答题、计算题、设计题等形式上传到课程中，随机产生课堂同步练习、作业、单元测验、考试，通过课程评价数据来督促、检查学生自主学习。

3.2.3 教师上传课程介绍、视频、课件、动画、参考资料。项目教学相关的项目要求、相关基础知识与工程应用能力、工程设计和项目实施要求也一并上传。同时将疫情教育、思政教育融入知识点与工程案例实施过程。

3.3 《电气控制与PLC》在线混合教学细化研究

3.3.1 教师提前在在线课程上发布项目要求、相关基础知识和工程应用能力、任务点，在学习平台发布通知，布置学习计划，指导学生预习、查询相关资料。

3.3.2 学生提前利用手机或电脑自行进行预习学习。根据教师提出的讨论问题，带着问题进行预习，有目的地进行学习。

3.3.3 上课前教师手机或电脑发起签到，然后教师利用手机邀请同学进入同步课堂，引导所有同学进行学习。学生学习在线课程上的基本知识点，穿插回答教师提出讨论题、抢答题、练习题，这样利用丰富的课堂活动基本可以保障每一个同学不偷懒、不掉队，比课堂教学更能保证出勤率与课堂参与程度。

3.3.4 基本知识点学习结束，教师可以发出邀请，开设直播课（当然视学习内容不同，基本知识点学习期间可以穿插直播，但考虑到疫情需要，无法实现线下教学，建议教师尽量减少切换次数，这样有利于保持学生专注度）。直播形式可以选择手机，也可以采用电脑操作，建议手机直播适合于课余时间或流动性现场教学与学生进行交流，课堂直播最好选用电脑操作，推荐教师们使用学习通直播系统，该系统可以灵活方便地调用视频文件、图片、PPT讲稿，还可以选择屏幕共享，将电脑上屏幕操作现场直播出去，这样教师可以带领学生一起去观看在线课程知识点，可以指导学生合理利用其它网上资源，可以穿插播放视频文件、声音文件，可以启动编程软件设计程序，可以使用摄像头显示现场下载程序，现场调试。更让老师舒适的是整个讲解过程还可以选择不同的绘图工具类似黑板讲解。

直播系统中也可以现场出题，客观题系统会自动判断正确与否，并提示正确答案，教师和学生都能看到所有同学的正确率，便于教师判断该做什么程度的讲解。

另外直播课系统中显示学生在线情况，学生可以现场提出问题，教师解答，比起现场线下教学，隔着屏幕更给学生提供了提出问题的勇气与思考机会，而且因为没有声音的相互影响，更不影响教师直播课堂的进程，教师可以选择有代表性的问题统一解答。直播时间最后小结、布置作业。

3.3.5 下课后教师发布作业（还可以根据课堂学习情况临时调整作业），作业题以成绩的形式反馈给教师和学生，教师可以根据实际情况决定作业的完成时间与允许重做的次数。

课程结束后可以发出问卷或讨论，征求学生对本堂课建议，加强教师和学生之间、学生之间交流。也可以根据问题引导学生复习知识点或回放直播中某一段内容。

项目设计与实施情况学生可以自行完成设计，需要现场调试的学生可以将程序发给教师（或助教），由教师或助教通过直播下载到教师刚刚自主研发的“电气控制综合实验箱”，利用新型实验箱的多功能特点，快速按学生提供的接线图完成接线，配合学生完成调试。教师可以选择代表性问题在课下或下次课前对所有同学直播现场调试与运行情况。

每一个项目结束后设置有单元测验题，引导学生将与该项目相关的知识点综合起来加以理解，有能力的同学还可以选择拓展任务继续学生，这样就达到了新工科教育下所有学生达到基本要求，有能力的同学进一步学习的目的。

3.4 在线课程评价与考核体系精细研究

在线课程提供学习访问量、讨论、签到、投票、抢答/指定人回答、问卷、测验、直播、作业、测验、考试、成绩等多种评价体系，教师通过各种图表和数据随时可以查看学生整体和个人的课堂参与程度、学习时间、学习效率、知识掌握情况，形成课程平时成绩。

另外，根据CDIO教学的特点，鼓励学生分组进行工程设计与项目实施，共同完成答辩报告、工程接线图、硬件配置、软件程序以及调试视频上传，由教师和别的同学进行评分，同组间由组长评分、组员相互评分，教师或助教线上调试评分，最后产生项目完成分数，真正意义上体现专业能力、创造能力、协作能力与交流能力培养。课程最后考核分数由平时在线学习成绩、项目完成分数和期末考试分按比例产生。其中期末考试视疫情情况灵活掌握，如果疫情条件不允许现场考试就采用在线课程上的“考试”进行。单选题、多选题、判断题、填空题等客观题自动阅卷，简单题、计算题、设计题、论述题等主观题由教师线上阅卷。如果疫情后期条件允许则参加学校统一进行的期末考试。由于在线课程平时学习中作业、测验已经积累了大量的习题库，考试试题可以方便地从试题库中进行手动选题或随机选题，然后进行合理修改。

当然评价与考试不是目的而是为了促进学生积极学习的手段，教师可以设置各种任务完成最低限度，对达不到的学生利用在线课程进行教学预警，指导督促学生完成既定任务。在线课程还鼓励学生对课程和教师进行评价，帮助教师改善在线课程建设，也有利于学校进行督导与考评。

由于课程评价采用了成绩评价，每个学生都可以通过手机随时查询自己学习分数，所以同学们表现出较高的学习主动性与积极性，且疫情期间同学大部分时间都在家里或宿舍，也方便学生在闲暇时间利用手机随时自主学习。从试运行周期来看，学习效果特别显著。

4 在线课程评价与考核体系研究

4.1 教师对学生评价。《电气控制与PLC》在线学习平台提供了一整套完整的课程评价体系，方便教师进行选择与权重设置，对每个学生平时学习过程进行评价。

4.2 学生互评。学生可以通过课程中评价体系对每个同学进行评价，相互督促。

4.3 项目设计与实施能力评价。同学根据小组在线调试视频为小组评分，教师为小组打分，组长为组员按权打分。

4.4 期末考试评价。教师通过在线课程手动或随机选择组合试题产生试卷，学生在指定时间内完成考试。

4.5 学生课程总评由以上几部分按比例产生。

4.6 学生对课程和教师进行评价。学生可通过在线课程给教师打分，帮助教师提高授课能力与课程建设能力，改善在线课程建设，也方便学校进行督导与考评[4]。

5 体会

5.1 视频制作

教学视频（尤其是动手操作视频）的录播和后期制作是一个庞大的工程，建议使用比较专业点的高清主播摄像头，例如罗技C920e，性价比较高。视频制作软件推荐使用Camtasia 9，此款软件可以方便地根据PPT进行视频录制、插入视频和图片、后期编辑、噪声处理、转场特效，可以直接转存MP4格式。想选择更简单操作的老师可以选择Powerpoint 2016及之后的版本，Powerpoint 2013安装mix插件也能达到相同的录制效果。

5.2 工程应用能力培养的体现

整个在线课程中，从课件的制作、视频的录制、章节设计、海量的习题、工程设计与实施，处处渗透工程应用能力的培养，需要教师进行精心的设计。

5.3 课后辅导交流

从试运行周期来看，学生在线提出的问题很多，为了保证教学质量，保持学生良好的学习氛围，教师需要付出大量的时间与热情保持与学生的交流与鼓励。不过作为教师，看到学生因为自己精心创建的在线课程而忙于学习，应该是好的回报吧。

5.4 预期效果

在新冠疫情下，通过实施基于新工科背景下OBE-CDIO的项目化在线课程混合教学改革，学生不仅解决了因疫情不能集中上课的问题，而且从运行的两周期情况来看，学生爆发出前所未有的学习兴趣与热情，因此可以预见这对推进我校机械电子工程专业的新工科课程教学改革，提高电气控制综合工程实践应用能力，丰富高等院校尤其是应用型本科院校专业课程项目化教学研究，为新冠疫情乃至后疫情下电气控制方面乃至整个工科领域工程教育的在线混合教学改革提供有益的借鉴。