综合课程设计模式在实践类课程的应用和探索

2023-01-27冯学玲邓春花

实验室研究与探索 2022年10期

冯学玲，吴葛，邓春花，尹仕

（华中科技大学电气与电子工程学院，武汉 430074）

0 引言

工程教育的目标是“以学生为中心”，培养能够满足现代工程需要、解决实际工程问题的工程科技人才［1］。赵炬明［2］提出“以学生为中心（Student-Centeredness，SC）”的教学模式具有3 个基本特征：以学生发展为中心、以学生学习为中心、以学生学习效果为中心。而非传统的以“教材为中心、教师为中心、教室为中心”的教师满堂灌模式。他指出，教学过程中学生是学习的主体，教师的角色是根据学生特点和学习要求设计教学过程、提供教学平台、营造学习环境，在学生学习过程中成为设计者、引导者、支持者、辅导者和合作者。

实验教学是高等院校教学中不可或缺的重要组成部分，是工程科技人才培养的重要环节，引导学生参与工程实践、培养工程思维、获得工程经验，旨在培养学生综合素质和创新能力［3］。目前各高校开设实验教学主要有如下两种模式：①实验附属于理论课，该模式下实验学时占比少，一般仅占总课时的10%左右，且实验大都为验证性实验，实验与实际脱节，无法激发学生学习热情和实践思考［3］；②实验与课程设计相结合，该模式虽加强了理论和实际的结合，但更偏向于理论设计，且只针对某门课程，很难系统培养学生实践思维和工程思维［3］。针对上述问题，我校电气学科专业开设了24 学时的信号与控制综合实验课程，由信号与系统、自动控制理论的基本实验和彼此间的综合实验构成，解决了“重理论、轻实践”的问题，但在课程建设初期还是基于各学科的基础实验展开教学，亟需进一步以学生发展、学习和效果为中心开展教学变革和实践探索，真正解决教学中的顽疾。

本文依据美国学者L·迪芬克《创造有意义的学习经历——综合性大学课程设计原则》一书中综合课程设计模式，来探索以学生为中心的信号与控制综合实验信号部分的教学变革和实践。

1 综合课程设计模式

1.1 有意义学习的分类法

美国学者L·迪芬克创造了一个关注学习特定变化、基于6 种有意义学习的分类法［4］，如图1 所示。该分类法超越了布鲁姆认知领域分类模型［5］的理解-记忆-应用型学习。

有意义学习对学习者有各自的价值却又相互关联。包括如下学习种类：

（1）事实和观点类基础知识。

（2）能解决复杂问题的技巧、思维等应用能力。

（3）能将不同事物、观点或领域以及思想、人或生活等进行联系和融合的综合素质。

（4）对自我形象、自我理想有新的理解，能发现对个人和社会的人文意义。

（5）能改变学生对事物的关注程度，能产生新的情感、兴趣和价值，并激发学习动力。

（6）能了解学习过程，知道如何自主学习。

结合工程教育“知识、技能和素质三位一体”的人才培养目标的阐述，可于图1中将两者对应，并回答“该不该做、可不可做、值不值做以及会不会做”［6］的问题。

图1 有意义学习分类法与“知识、能力、素质”

1.2 综合课程设计模型

综合课程设计模型如图2 所示，含情境因素、教学目标、反馈与评估以及教学活动4 个组分，与课程设计三角形模型［7-8］一致。不同的是该模型突出了各组分的检验标准（图中用虚线框表示）以及各组分之间的项目综合（图中用双向箭头连接表示）。

图2 综合课程设计模型及初始阶段步骤

综合课程设计模式含3 个阶段。初始阶段构建坚实的基本组分：深层分析情境因素，采用反向设计（先考虑反馈和评估，然后明确教学活动）［7-8］程式来制定有意义的学习目标、教育性评估手段和主动积极的教学活动，并进行综合和调整。中间阶段：设计课程结构和教学策略，并落实到教学活动的整个框架中。完成阶段：设置课程评分、排除问题、编写课程大纲并评估教学。

1.3 反向课程设计矩阵与综合课程设计工作簿

将课程设计矩阵［7-8］（含总体目标、具体目标、教法、学法和评价）与综合课程设计模型进行整合，形成如表1 所示的综合课程设计工作簿，用来检验学习目标、反馈与评估和教学活动间的一致性。

表1 综合课程设计工作簿

表1 中，表头行中的数字代表工作簿填写顺序，即①首先根据课程总体目标确定6 类有意义学习具体目标；②针对每个目标设计评价与考核方式，做到以学习效果为中心；③根据具体目标和评价方式设计学法，凡是能让学生自学的一律不教，做到以学生学习为中心；④根据目标、评价、学法来设计教法，如何帮助学生学习；⑤确定总体目标（知识、能力、素养）的最终措辞；⑥填写针对特定目标，课程组能提供以及学生能使用的有用资源。在设计具体目标时，还需考虑学生做什么活动才能确保他们能学到相应的知识和能力，并设想应该以什么方式来检验学生是否学到了相关知识和能力。

2 综合课程设计实践探索

将赵炬明［7-8］关于本科教育改革的聚焦设计所用的方法与L·迪芬克的综合课程设计模式相结合，应用于信号与控制综合实验课程：基于课程情境因素分析，分别从有意义学习目标、教育型评估与反馈、教学活动设计以及3 者的整合一致性重构课程，并对课程结构、教学策略及教学安排做初步探讨。

2.1 课程情境因素分析

课程情境因素，譬如：有多少学生参与该课程，他们有什么样的知识准备等，分为一般情景、具体情景、学科特点以及师生特征等，是课程设计的基石。信号与控制综合实验课程开课前课程组编制并发放了课前调查问卷，得到本课程的情境因素分析如表2 所示。

表2 课程情境因素分析

2.2 有意义学习目标确定

采用以学生学习为中心的做法，确保学生学有收获，基于有意义学习分类法本课程确定如下6 个维度的学习目标：

（1）基础知识。能描述信号的产生、检测、传输方式和采样定理；能描述滤波器的设计原则；能描述连续时间信号的离散时间处理与变换；能分析信号频谱；能描述系统模型和闭环控制器的设计思路。

（2）学以致用。能运用软件和工具实现信号采样与恢复、调制与解调、分析信号谐波；能运用多种方式改善系统的闭环性能；能设计合理的实验方案、实验步骤和测试目标，并能运用仿真工具证明其合理和有效性。

（3）触类旁通。能根据信号的特点将检测技术和信号的采集分析建立联系；能根据系统的特点将信号的采集、反馈控制建立联系；能综合运用信号、系统、检测技术和控制方面的知识解决实际生活工程问题。

（4）人性维度。能评估自己团队合作、管理和调动资源的能力，反思学习对自己和社会的意义。

（5）人文关爱。能对信号成分缺失或异常更感兴趣，关注更多前沿和先进的技术。

（6）学会学习。会总结方法和技巧来促进更好地学习，能构建个人的信号与控制认知框架。

根据工程教育认证能力结构和12 项毕业要求及其分解的指标点与课程体系的清晰映射关系，每门课程均要对能力结构有确定贡献，亦有可能支持多种能力结构［6］。而某一能力亦可通过不同的课程、不同的学习阶段来达成。

2.3 教育型评估与反馈

教育型评估的目的是帮助学生更好地学习。根据教育型评估的4 个基本要素，来进行设计。

（1）前瞻性评估。真实性的任务驱动—基于学生可能在将来要面对的、具有真实意义的情景来设计任务，使学生将学习聚焦到现实的、有意义的任务上来。本课程任务：基于学生当前生活，将熟悉的信号如声音信号［9］、生理（人体心电信号）［10］、电流电压等电信号从书本搬至实际工程应用，分别设计调音器、心电信号分析仪和电能质量分析仪等仪器仪表；引导学生通过实践甚至是自主开发来体验信号分析处理的趣味性，产生新的知识和链接，来激发学生的应用和创造能力。

如果学生能有机会使用新知识更有效地解决与自己有关的真实性任务，他们会产生更多智力上的兴奋与动机。

（2）目标和标准。基于评价量表的目标和标准，通过设计维度和因子来评价学生的学习投入［11］，亦便于学生更有针对性、更明确地进行自我评价。课程以有意义学习目标分类作为课程任务评价量表的维度，具体详见表3。答辩环节的评价量表由于篇幅的关系，不在此列出。

（3）自我评估。通过明确评价标准评价他人进而进行诚实的自我评估。可依据如表3 所示的评价量表作为评估他人和自己的标准，引导自我改进。

表3 基于虚拟仪器的信号与控制实验评价量表

（4）忠实FIDelity反馈。对学生进行高质量的反馈，如经常（Frequent）、及时地（Immediate）、有区分度地（Discriminating）、积极关爱地（Delivered Lovingly）。包括预习作业课前反馈、随堂检查、实验结果验收以及答辩评价等，按照表3 所述标准给出有区分度的反馈，并做到“若表扬并告诉原因，若批评需商讨改变”。

2.4 教学活动（学法与教法）

教学活动指教师活动（教法）和学生活动（学法），需考虑活动设计才能使学生掌握所学知识和能力。学生处于主动学习状态（见图3），需让学生“动”起来，促使他们思考和学习：

图3 全面的主动学习观

（1）获取信息和观点。

（2）实践和观察的经历。

（3）反思自己的学习。

实践类课程要求学生更多地实践动手［13］：基于理论课程的信息和观点，助力更有偏向性的动手实践；而在动手完成真实性任务的过程中，可以进一步获取信息和观点；学生获得新的信息观点和经历后，要反思这些别样的学习对自己产生的意义。

为促进学生主动学习（见表4），教师需做到：凡是学生能自己学的一律不教；凡是学生自己学习有困难的要提供“脚手架”。

表4 促进主动学习的活动

2.5 综合课程设计工作簿

表5 所示的课程设计工作簿可用来检验教学目标、反馈和评估以及教学活动的整合一致性。

表5 中各个目标对应的有用资源，可帮助学生更好地实现学习目标、完成教学活动和评估。同时深度反思性对话能够给予学生时间，鼓励他们结合调音器、心电实时监测仪和单相电能质量分析仪3 个综合实验项目，去思考自己学习的意义。

表5 信号分析处理综合实验课程矩阵

2.6 课程结构、教学策略及教学安排

信号与控制综合实验最重要的概念包括采样、信号变换、分类识别、提取有用信号和噪声信号等，依据这5 个概念并结合前文的真实性任务，制定了3 个不同的主题［14-16］，各主题分别对应基础任务和拓展任务。

（1）基于声音信号。①调音器（基础任务）；②听音识曲（拓展任务）。

（2）基于人体生理信号（心电信号、脉搏）。①心电信号分析仪（基础任务）；②不同年龄段心电信号识别器（拓展任务）。

（3）基于电流电压等电信号。①电能质量分析仪（基础任务）；②电源波形提取／恢复演示仪（拓展任务）。

上述3 个主题可供学生根据自己兴趣进行选择，分别安排12 学时，4 次课。课前预习作业为仿真软件入门训练，第1 次课为仿真4 学时，第2 次课为基础任务4 学时，第3 次课为拓展任务2 学时，第4 次课为按主题分组答辩，2 学时，学生于答辩结束后1 周内提交实验总报告、反思性个人对话以及所有课程材料。可将活动计划和教学安排所涉及的学习活动按顺序表示成如图4 所示的教学策略，进一步促进学生全面主动地学习。

图4 信号分析处理课程教学策略

2.7 课程评分结构及教学评估

评分体系中，评分项目需多元化且能充分全面地反映学习目标和学习活动，表3 的评价量表已基本满足该要求，结合课程的答辩评价量表及答辩记录表，最终选择表3 的评价量表占课程总分的70%，答辩评价占课程总分的30%。同时为完成拓展任务的同学给予评分激励，即学习总分可达90 分及以上。至此，基于综合课程设计模式的信号与控制综合实验的信号实验课程设计已经基本完成。

3 教学效果

为了检验该模式的教学效果，在课程结束后，向学生发放问卷（见表6），内容涵盖：在解释信号与系统的相关原理方面是否有提高？在分析信号有用成分和处理手段方面是否有提高？在判断信号有无缺失以及识别信号方面是否有提高？

表6 问卷调查及结果

问卷调查结果显示，80%以上的同学在解释和分析问题方面都得到了很大提高，大概有30%的同学完成了拓展实验，破解了信号识别这个难点。以上调查结果反应本文的研究和探索在实验教学中取得了较好的效果，学生对教学内容设计、安排以及对课堂老师的评教满意度评分较高。他们还期待课程组能开发更多有趣的实验模块，供他们体验和实践。本课程将在不断应用和实践中进一步优化和迭代。