基于知识深度模型的工科毕业设计培养探索

郭玉柱，吕建勋，李 阳，胡庆雷

(北京航空航天大学，北京 100191)

我国的经济发展正在进入结构调整、转型升级的时期，需要加快工程科技人才的培养，培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类工程技术人才。新工科专业对人才的要求是多方位的，相对于传统的工科人才，未来新兴产业和新经济需要的是实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才，新工科涵盖了以互联网和工业智能为核心，以智能制造、云计算、人工智能和机器人等用于传统工科专业的升级改造。高等教育的目标是为社会培养适应时代需要的人才，完成学生从学校到社会的转变。因此是否满足社会对人才的需求是大学生培养的核心指标。研究型本科人才培养旨在促进学科发展，其发展遵循学科深化和学科分化的基本规律，重在认识世界，发现科学规律;应用型本科人才培养旨在促进行业领域发展，行业领域的交叉融合，重在将科学原理转化为工程设计或规划决策[1]。因此本科毕业设计应能体现自然和人类发展品质等社会需求，以学生为中心，注重学生认知意外的外延性能力培养[2]。

第十一届中国大学教学论坛上，教育部高等教育司吴岩司长提出了新时期“两性一度”的金课标准，即高阶性、创新性和挑战度。突出知识能力素质的有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维;内容反映前沿性和时代性，教学形式呈现先进性和互动性，学习结果具有探究性和个性化，具有一定难度，是对新时期人才培养的总要求[3]。毕业设计作为“新工科”人才综合素质培养的关键环节，应充分体现“两性一度”的基本要求。

毕业设计是工科专业教学过程的最后阶段采用的一种总结性的实践教学环节，着重于锻炼学生综合利用前期所学知识和各种资源解决工程实际问题的能力，着重于提升学生的综合素养和科技写作水平及创新意识。要求学生针对某一课题，综合运用本专业有关课程的理论和技术，作出解决实际问题的设计。毕业设计具有双重作用，其一是总结检查学生在校期间的学习成果，评定毕业成绩，并作为授予学士学位的重要依据;其二是通过毕业设计，使学生对某一课题作专门深入系统的研究，巩固、扩大和加深已有知识，培养综合运用已有知识独立解决问题的能力。毕业设计效果不仅在综合素质培养方面优于课堂教学，还有助于学生的均衡发展，英国基于5 000 名学生的研究表明毕业设计对于提高差生更为明显，有利于教育效果的均衡化[4]。

随着招生规模扩大，教育资源的相对不足，教师工作负荷，学生升学压力和就业负担，以及毕业设计承载的毕业评定功能等成为制约本科毕业设计大胆创新的主要桎梏。如何让毕业设计工作发挥其在本科教育中应有的作用，仍是需要不断研究的重要课题。针对毕业设计改革的探索应敢于面对人才培养中的真正问题，突破束缚，大胆尝试。针对毕业设计培养中的问题，很多高校进行了积极探索，如论文选题多元化、与竞赛相结合，以及与科研训练计划连贯培养等优秀模式[5-7]。

毕业设计探索多以缓和当前毕业设计中存在的现实困难为目的，没能真正从人才培养的根本需求出发，充分调动毕业设计主体——学生的积极性和主观能动性，转变教师在毕业设计中的职能。本文结合工科毕业设计中的现实问题，从人才培养规律出发，探索工科毕业设计探索的新途径。

一、知识深度等级体系与综合能力培养

英国本科研究委员会(Council on Undergraduate Research，CUR)将毕业设计定义为本科生独立完成的为本学科提出原创性智力或创造性贡献的调查或研究工作。可见研究的创新性是毕业设计的核心要求之一。

1997 年，美国威斯康星州教育研究中心的教育评价专家诺曼·韦伯提出了“知识深度(Depth of Knowledge，DOK)”理论，用于评估美国各州教学效果评价与国家标准及州标准的一致性，是一整套如何基于课程标准来实施学业成就评价的程序、方法和具体技术[8]。知识深度等级体系旨在分析学生在回答问题和完成活动时思考的深度(思维的复杂度)，而不是内容的难度。DOK 已从评价领域延伸和拓展到课堂教学领域，成为课堂教学设计的重要理论和方法。知识深度理论将知识深度分为：回忆与再现(获取知识)、技能与概念(应用知识)、策略性思维(分析知识)和延展性思维(扩充知识)四个层次。研究者根据其不同等级的思维要求设计和开发相应的活动、任务和问题，使得教育实践者能够设计有质量、促进学生深度学习的教学任务、活动和问题。从DOK 理论和活动看，教师在教学活动或任务设计时，需要从教学内容和学生特点出发，设计具有不同认知水平要求的活动。这既是对学科内容本身梯度性的积极回应，也是深度学习、培养学生用知识解决问题的能力的内在需求。教学任务的最终目标指向是高阶思维和综合能力的培养。

知识深度等级体系从思维深度的角度对教学活动进行了分层，非常适用于综合能力培养的素质教育分析。面向社会对创新性工科人才的要求，工科毕业设计的核心思想是，学生在解决问题的背景下获取和应用新知识时，通过现实世界的问题吸引学生的兴趣并引发认真思考。同时由于实际问题很少只使用一门学科解决，毕业设计培养通常是跨学科的，学生需要综合学习和使用来自多个学科领域的知识。毕业设计有助于从三个方面提升学生的素养：个人提升、智力提升和职业素养提升，包括处理及分析问题的能力、批判性思维、主动性及沟通能力、克服苦难的能力、写作及表达能力等。

针对于“新工科”人才培养的需求，工科毕业设计对学生的四个核心能力要求可以总结为：根据相关领域发展现状，通过分析对比研究，发现并提出问题的能力，是在专业领域创造和扩充现有知识体系的重要环节，是创新能力的集中体现;针对已知问题，提出解决方案，将科学原理转化为工程设计或规划决策的能力;依据具体方案具体实施的能力;以及在具体方案实施中所学知识再现的能力。以上四个核心能力要求分别对应于DOK 理论中的延展性思维、策略性思维、应用型思维和知识获取与再现的四个思维层次，充分涵盖了工科人才综合素质培养的核心要素，因此在人才培养方案中应充分体现对工科学生的四种核心思维方式的培养。而本科课程以教学、课后训练及实验为主的环节主要集中在知识的回忆与再现，以及技能与知识的应用这两个较低层次的思维方式的训练。对于反映综合创新能力的后两个策略性思维和拓展性思维方面的培养严重不足。

毕业设计属于项目型教学(Project Based Learning，PBL)，学生独立收集资源和信息，创建项目和产品。由于毕业设计以个人完成为主，避免了传统项目型教学中个体参与度不确定的弊端。在探索中增进与老师和同学交流的过程。PBL 的基础在于研究的真实性或现实应用，被认为是纸质、死记硬背、教师主导的教室的替代方案。研究表明，学生在基于项目的学习教室获得比学生在传统教室更高的分数[9]。项目学习好处，包括更深入地理解概念、更广泛的知识基础、改进沟通和人际/社交技能、提高领导技能、增加创造力和提高写作技能。

由此可见，毕业设计教学的核心是从以教师为中心的模式转变为以学生为中心鼓励学生“通过做来学习”(约翰·杜威)。学生的问题和创造力往往主导教学过程。当学生使用技术作为与他人沟通的工具时，他们扮演主动的角色，而不是老师、书籍或媒体传播知识的被动接收者。具体体现在学生在项目过程中不断主动选择如何获取、显示或运用信息。因此以学生为中心或者学生在全过程中的自由决定权是培养学生高级思维能力的核心要素。

相反教师是这种以学生为中心的方法的辅助者和促进者，在必要时提供帮助和指导。教师的作用在于与学生合作，制定有价值的问题，对学生进行方向引导。同时通过过渡性目标来规范学生的探索，以确保学生项目保持专注，并且引导学生对正在研究的概念有深刻的理解。他们不是放弃对合作课堂或学生学习的控制，而是营造一种共同承担责任的气氛。

二、毕业设计中存在的典型问题分析

由于毕业设计的学生自主性要求和内容的灵活性和不确定性，给教学实践中的具体实施提出了更高的挑战，无法充分发挥其在综合素质培养中的作用，教学过程和培养目标严重脱节。在实际教学实践中常见的问题包括以下三个方面。

(一)毕业设计退化为教师主导的被动教学过程

具体表现在学生在选题、方案选择甚至具体实施细节中缺乏自主性，按照导师安排按部就班的完成相关任务，毕业设计工作缺乏创造性。毕业设计中创新性和学生的自主性是严格相关的，学生需要通过自己的分析、判断、归纳和总结做出选择从而实现高阶思维能力的锻炼。最典型的问题表现为，学生尽管高质量完成了相关任务，却回答不了诸如“为什么要研究这个问题”“研究这个问题的意义是什么”“为什么采取这样的方案”“采取这样的方案的好处及不足是什么”之类的问题。因此，针对培养学生策略性和拓展性高阶思维过程设计的毕业设计沦为对学生又一轮低阶重复性思维过程的强化。“虚假繁荣”的高分成绩下是与素质教育培养目标的严重脱节。

(二)毕业设计时间较短及与学生升学和就业求职的时间冲突

毕业设计时间通常为大四最后一个学期，为期16 周，期间学生同时可能面临研究生复试、找工作和实习等一系列现实问题。再加上学生对所选题目兴趣不足、熟悉度不够，知识储备不充分等问题，往往导致学生精力不集中、毕业设计完成质量参差不齐。其核心原因在于毕业设计内容与个人兴趣、研究生复试、实习和就业等需求不一致。而本科毕业人才培养的就是为实现学生的个人追求、满足社会发展对人才的需求以及为进一步深造奠定基础，实现从学校到社会或者专业研究的顺利过渡。因此核心在于毕业设计内容与学生发展的需求的对立，是培养过程与培养目标的另一严重错配。事实上，在大部分的科技竞赛中需要学生用数日时间完成一个比较完整的高质量论文。因此毕业设计是对以往知识的综合应用，在选题合理和充分激发学生兴趣的前提下，时间短的问题并不突出。

(三)毕业设计教师负担重

毕业设计教育中的另一常见问题是老师带学生“带不动”，在毕业设计中，导师需要为学生安排题目、提供数据及资料、设计方案，甚至帮学生修改程序，提供保姆式服务。然而，这种情况结果却往往不尽如人意，学生在毕业设计中会出现各种各样“出乎意料”的结果，导师扮演救火队员。而与之相反，另一些同学却几乎可以“甩手不管”。究其原因在于学生由于缺乏背景知识或者对研究内容的兴趣，机械执行老师教给的每条指令。在毕业设计过程中导师扮演项目的主体，学生只是导师思路的执行者，因此导师是毕业设计过程中每个细节的第一责任人。学生的参与感不强，而导师的感觉是“与其让学生做，还不如自己做”。最终的结果往往是结果比导师预期差，学生抱怨导师指导得不好，陷入恶性循环。因此主要问题在于在毕业设计过程中导师和学生身份的错配。

总结以上问题，不难发现社会对人才的需求及学生自身发展都要求充分体现学生在毕业设计培养全过程中的自主性，以学生为中心，让学生作为毕业设计的完全责任人。学生根据自身未来发展需求，在导师的辅助下自主决定项目选题、方案、实施和评价的各个环节，充分锻炼，以适应社会和进一步深造的能力要求。学校和导师在毕业设计过程中，提供好保障和辅助工作，包括条件保障及各项必须的技能培训，为学生提供完成毕业设计所需要的必要资源的访问权限。

三、布鲁姆学习分类模型与本科毕业设计教学实施

充分训练学生的深层思维，以学生为中心的毕业设计培养为学生提供了充分的权限和自由度，同时也需要配套的评价机制保证该设想的可行性。需要将以学生为中心的培养思路落实到每个可实施、可衡量的学习过程中。DOK对毕业设计所需要培养的核心能力进行了分析。

布鲁姆学习目标模型(Bloom's Taxonomy)提供了根据不同认知严谨性和复杂性对学习进行分类的框架，常用于具体教学实践的设计策略[10]。学习活动通常既包括低阶也包括高级思维，同时是具象知识和抽象知识的混合。通过将教学过程中的各个环节进行递进层次分类，安德森和克拉斯沃尔在修订的布鲁姆学习模型将识别、回忆、阐释、示例、归类、总结、推理、比较、解释、区分、组织、归因、检查、批判、生成、规划和构建等16 个认知过程分为从低到高的六个认知级别，分别为：记忆、理解、应用、分析、评估和创造，分别对应于该培养过程中所要达到的培养目标[11]。

DOK 对毕业设计的能力培养提出了总的要求，而Bloom's Taxonomy 将毕业设计中的具体教学环节进行了认知层次的分类，为具体实施提供具体指导。因此导师可以依据学生具体需要达到的指标点，进行反向设计，通过确定预期目标、梳理考核点、安排教学设计，完成工科毕业设计的培养过程设计。

结合DOK 四个思维层次(能力培养要求)和布鲁姆六个认知级别(具体实施指标点)可将毕业设计中的不同学习行为进行归类，从而使之对应于每一个培养目标指标点。使用Hess Cognitive 赫斯认知严谨矩阵(Hess Cognitive Rigor Matrix，CRM)将工科毕业设计中的可能培养环节分布在以DOK 四个思维层次和Bloom 六个认知级别[12]。毕业设计者可以根据自身专业特色不断丰富工科毕业设计CRM 表格，并选用其中的培养环节，进行毕业设计培养方案设计。通过选取不同认知级别的学习行为实现各个思维能力培养。对照此表，量化学生在毕业设计期间包含了哪些认知层次的学习行为，覆盖了哪些层次的思维能力培养目标。见表1。

表1 工科毕业设计认知严谨矩阵CRM

需要特殊强调的是学生的自主性水平是教学实践中的一个隐变量，同一个教学行为，学生的自主性水平不同，将直接改变其对应的认知层级和所属思维水平。以学生选题为例，如果学生选题过程中主导题目拟定过程，通过自身对相关行业发展现状进行详细分析，发现目前相关领域中存在的问题，这样的选题过程，包含了深层次的拓展性思维，是对现有学科发展的创新性探索过程，其中包含分析、评估和创造等高级认知层次行为;而如果学生不具有经过探索发现问题的灵活性，而是结合自身特征和职业发展需要进行评估，从众多题目中选择适合自身发展需求的毕业设计题目，其中包含了评估、分析等认知层次行为，更多属于策略性思维范畴;相反，如果学生对拟定题目不具有自主性，被动接受导师安排的题目，则可能只需要与导师的简单沟通，对题目进行理解，则此过程基本属于较低层次的应用已有知识对题目类型进行确认的思维过程。

由此可见，同样的毕业设计培养环节，学生的自主性水平直接影响毕业设计的培养效果，因此以学生为中心，转变导师职能是提升毕业设计综合能力培养效果的核心。

四、结束语

工科本科毕业设计作为工科人才培养中的必修环节，承载着本科培养质量评估和创新人才综合能力培养的重要作用，是学生完成从学校到社会身份转变的重要桥梁。要解决当前工科毕业设计存在的深层矛盾，适应新时期创新人才培养和“两性一度”的基本要求，需要充分运用认知和教育规律，突破传统教学思维桎梏，进行深层次探索。其中以学生为中心，充分释放学生的活力和主动性，是提升人才培养质量，解决资源紧张，化解培养过程和培养目标错配的关键。