基于项目的自主探究式教学模式研究与实践

石 昊 王 栋 余 剑 古卫芳 刘 琼

(1.山西工程技术学院 电气与控制工程系,阳泉 045000)(2.山西工程技术学院 教务部,阳泉 045000)

2016年6月,我国成为“华盛顿协议”第18个成员国,我国的工程教育正式与世界工程教育接轨,对于促进我国高等工程教育按照国际标准培养工程技术人才,提升人才培养质量具有重要意义[1-3]。

工程教育专业认证的核心理念是以学生为中心、成果导向和持续改进。以往我国工科专业教学体系设计通常以“课程导向”为原则,更加注重经费投入、师资队伍和办学条件的建设,强调教学管理机制和教学实施过程[4]。“电气控制与PLC”是电气工程及其自动化专业的核心课程,是专业理论与实践相衔接的关键性课程,涉及的知识和技术更新迭代快,且与工程应用结合紧密,对学生的动手能力要求较高。以往的教学体系存在以下弊端。

(1)教学过程以教师为中心,缺乏互动,学生处于被动接受的地位,较难激发学生主动学习的积极性。

(2)以理论知识的传授为教学重点,实验项目往往单纯地验证知识点,缺乏与生产实践的衔接,导致课程结束后,学生虽然顺利通过了考试,却不能熟练地应用技术解决问题。

(3)传统教学方式先在教室讲授理论知识,后在实验室进行实验,且实验学时较少,无法体验工程项目从设计到实施的整个过程,很难建立起工程的概念,不利于形成基本的工程师素养。

(4)考核体系对学生学习过程的考核不够,主要考核对知识的掌握程度,不利于学生工程技术应用能力的培养,难以保障教学效果。

(5)教学计划的针对性不强,难易程度和进度都是统一的,学习过程缺乏挑战度。

要实现培养合格工程技术应用型人才的目标,必须针对上述问题开展教学改革。

1 教学改革总体思路

关于工程教育背景下实践性课程的教学方式,多位学者或从不同视角提出自己的观点,或通过实证研究得出了可信的结论。韩婷等通过实证研究证实基于项目的教学形式在培养学生的工程实践能力方面具有有效性,而且发现教学过程中的自主探究、生师互动、合作学习等因素对学生工程实践能力的发展有显著的促进作用[5]。文学舟等的研究表明,学生主动学习的意识和自主学习的能力是对教学效果影响显著的因素,是实现教学质量提升的最主要动因[6]。黄莹通过研究美国密西根州立大学的探究式工程入门实验课程,得出了基于项目的探究式工程实验课是提升工程专业创新创造能力及增强其专业兴趣爱好的理想平台这一结论[7]。李瑾等提出了“自主学习力”是工科生最重要的能力,能够帮助学生更好地应对未来的挑战[8]。

如图1所示,“电气控制与PLC”课程实施“成果导向、项目驱动、自主探究”的教学模式,以课程思政建设为教学改革创新根基,引入了OBE理念,从人才培养目标出发,把思政、知识、技能、能力的培养与来源于工业现场的工程项目相融合,构建应用型知识体系,以小组为组织形式在实验室实施体验式教学,建设能力导向的过程化考核体系,因材施教开展个性化教学,学生在教师的组织和引导下自主探究完成项目任务,在完成任务的过程中实现思政目标、知识目标、技能目标和能力目标的达成,为培养工程技术应用型人才奠定基础[9-11]。

图1 教学模式支撑关系图

2 教学改革内容

2.1 课程思政建设

当今时代科技高速发展,各种新兴技术与行业的结合越来越紧密,这就导致行业对从业人员的需求多样性越来越高、变化速度越来越快,学校培养的人才将要应用现在还不成熟甚至还未出现的技术,去解决将来才会出现的问题,这意味着对学生的能力和素养的培养远比传授知识更重要[8]。而我们现在的学生从小生长在信息爆炸的时代,获取信息的渠道更多了,难度更低了,也导致学生上课的注意力更难集中了。在这样的背景下,传统以教师为主的被动教学难以实现培养目标,学生强烈的主动学习意识和良好的自主学习能力,才是实现培养工程技术应用型人才目标的基本保障。而学生具备正确的人生观和价值观,具备强烈的家国情怀和历史责任感,是能够激发学生主动学习的强烈愿望、培养学生形成良好的自学能力的基础,课程思政建设的重要性日益凸显。

古语有云“为学须先立志。志既立,则学问可次第着力。立志不定,终不济事。”课程思政建设是教学改革创新的根基,课程以培养学生具备 “坚定自信、团结奋进、自立自强、求精创新”的素养为思政目标,寓价值观引导于知识传授和能力培养之中,帮助学生塑造正确的世界观、人生观、价值观,激励学生自觉把个人的理想追求融入国家和民族的事业中。思政建设内容主要包括:

1)师德师风建设

经师易求,人师难得,授课教师首先应坚持政治理论学习和专业知识学习,努力成为先进思想文化的传播者、党执政的坚定支持者,做到以德立身、以德立学、以德施教,为学生点亮理想的灯、照亮前行的路。

2)历史与现实相结合

新中国是逐步在艰难困苦中历练、成长起来的,在这一过程中,一代代科学家和工程师用他们的无私奉献精神和艰苦奋斗精神,不断地谱写着一段段动人的篇章,挖掘贴近行业的相关案例,用事实激发学生的家国情怀和历史责任感。

3)专业与国情相结合

随着我们国家工业生产自动化水平的不断提升,作为主流工业控制器的PLC的应用越来越广,但是现在占据我国PLC市场较大份额的还是以国外品牌为主,如果遇到类似现在中美贸易摩擦的情况,可能会被人卡脖子,帮助学生认清实现理想的长期性、艰巨性和曲折性,培养学生持之以恒、艰苦奋斗的精神。

4)典型案例与教学过程相结合

例如以国产大型数控铣床“十米数控龙门铣”为典型案例,帮助学生了解我国数控机床的先进技术,培养学生的民族自豪感,引导学生坚定“四个自信”,同时让学生感受技术进步背后一代代工程师的辛苦付出,培养学生持续奋斗,勇于创新、精益求精的工匠精神。

2.2 重构教学内容

如图2所示,课程内容不再以基于学科的知识体系为序,而是围绕人才培养目标,采用反向设计法,重新构建基于工作过程的应用型知识体系,以电气工程师岗位所需的知识和能力为教学内容核心,以来源于实际应用的项目为教学载体,将思政元素、PLC控制技术、继电—接触器控制技术、触摸屏技术、变频器技术、工业通信技术、电工技术等融入到源于工业现场的具体项目中去,学生通过完成这些项目,成长为具备社会主义核心价值观、终身主动学习意识、自主学习能力、发现分析解决复杂工程问题的能力、团结精神和团队协作能力、创新创造的意识和能力、职业道德和工匠精神的工程技术应用型人才。

图2 教学内容示意图

课程内容划分成各自相对独立,整体由基础到复杂的四个学习情境,后续的情境是对前面情境的延伸和拓展,每个学习情境又包含若干个由易到难的项目,各个项目按照对知识和技能的要求循序渐进编排,每个项目按照教学目标的需要设计了若干个任务,具体课程项目见表1。

表1 课程项目表

2.3 创新教学空间和教学组织形式

教学空间在以往的教学改革中是容易被忽视的一个教学要素,随着教学改革范围和深度的拓展,更多教育研究者和实践者认识到教学空间在教学改革过程中的重要性。张涛等就指出教学空间既是教学活动的承载者,也是教学活动的构成要素,对于教学活动其他要素作用的发挥是有影响的,教学组织形式和教学空间是互为条件性的存在[12]。陈飞和李晓文等多位学者认为合理的教学空间变革,对于推进教学方式的演变、实现教学理念、改善教学效果是有利的[13-14]。

为了建设适合本课程教学活动的空间,对PLC实验室进行了重新布局,把课堂直接放在了实验室,PLC实验室具体布局见图3。实验室采取了中间圆桌四周实验台的组合式布局,中间的圆桌从空间上消除了师生之间的对立感,营造了自由平等的学习氛围,圆桌上放置了投影仪和计算机,教师布置任务、讲解演示,师生集体讨论,学生绘图、答辩等教学环节都可以使用圆桌。四周实验台是相对独立的空间,适合小组交流讨论,学生可在该平台上自由配置电气元件,将电气图纸转换为现实的控制电路。在上课的过程中,学生可以随时观察了解相关设备,在项目解决方案确定后,可以在实验台实施方案,实现了理论知识由学习到应用的无缝衔接。在实验室现场教学,师生双方边教、边学、边做、边讨论,学生动手实践穿插于整个课堂教学过程中,在实践中理解知识、应用知识,在完成任务的过程中发现问题、解决问题。

图3 PLC实验室布局图

为了便于开展基于项目的教学活动,学生在上课初期就组建固定的项目小组,学生以小组为单位领取项目任务,完成项目的整体设计和实施。在完成项目过程中,小组成员有各自的岗位和职责,而且成员之间会定期轮换岗位,让学生有机会感受真实的工作氛围,有利于培养学生全面的专业素质。

2.4 线上线下混合式教学

本课程在超星学习通平台建设了线上课程,把项目任务书、知识点讲解视频、章节测验、拓展资料等课程相关资料放在了线上,学生可以在线上完成预习任务,开展问题讨论和进行意见反馈。知识点视频放在线上后,学生可以反复观看学习,既节约了线下课堂讲授的时间,也避免了课堂讲授时可能出现的遗漏,可以保证学生对知识点的学习质量。

2.5 考核评价体系

课程不再采用以理论知识考核为核心,更注重期末考试的考核方式,构建了以工程技术应用能力考核为核心,全过程考核的考核评价体系,其构成如表2所示,由日常考核、期中考核和期末考核三部分构成。针对每节课的学习任务细化考核环节,把学习压力分散到每一个学习环节,避免出现平时学习懒散,考前集中突击的不合理现象,通过考核的导向作用,引导学生注重工程技术应用能力和实践创新能力的培养,引导培育学生的团队协作意识,切实起到保障教学效果的作用。

表2 考核评价体系构成

(1)日常考核部分占到了总成绩的50%,是过程考核理念的集中体现,实现了对整个教学过程的量化考核,引导学生认真完成每个教学环节。

(2)期中考核是对学生综合素质的评价环节,要求每位学生完成一份学习报告,通过这份学习报告对已掌握的知识和技能进行梳理和总结,对所学课程和专业进行重新认识,对后期课程和专业的学习进行规划,然后要求学生制作PPT完成对学习报告的演示和答辩。

(3)期末考核采用在实验台实操完成考核项目的考核方式,实现对学生专业知识和专业技能应用能力的考核。制定若干个题目,根据题目的难易程度分成三个档次,学生可以根据个人情况选择不同的档次,并在2个小时内独立完成考题,学院还设置了加分项,学生在已选择题目的基础上可以适当发挥,满足加分项要求可以获得加分。

2.6 因材施教分层教学

学生学习习惯的养成和专业技能的培养需要持续的激励和引导,教师在教学改革的过程中,要有为学生提供弹性学习空间的意识,考虑学生的个性化培养,为学生营造一个持续深入、不断拓展的学习环境。传统教学计划只考虑大部分学生的情况,针对所有学生制定教学内容,教学的难易程度和教学进度都是统一的,但在实际教学过程中,随着教学活动的开展,会有部分学生对PLC和自动控制产生强烈的兴趣,萌发了强烈的动手实践的欲望,却因受到教学条件和环境的限制,不能得到良好的引导。

针对上述情况,本课程采取了因材施教的分层教学法,允许学生不再统一学习进度,学习兴趣强烈的学生采取自学为主的方式,在教师的引导下加快学习进度,给这部分学生较大的拓展空间,完成课堂必修项目后可以进一步完成自选项目,实现学习效率最大化。这部分学生积极努力学习的行为也会在班级中起到示范和引领作用,可以改善整体学习氛围。同时,鼓励学生参加各级各类学科竞赛和创新创业比赛,引导学生持续成长,最终成为合格的工程技术应用型人才。

3 教学活动实施流程

3.1 整体实施流程

课程教学活动实施流程如图4所示,整个教学过程以学生为主线,分成了课前、课中、课后三部分。

(1)课前:由于上课主要内容是学生完成项目任务,教师讲解时间有限,因此课前需要学生预习上课时需要用到的知识和技能,由教师提前发布预习任务,学生可以按自己的时间规律自行在网络教学平台完成预习任务。

(2)课中:教师组织引导学生在实验室完成项目任务,在此过程中,教师的更多时间是在陪伴和观察,只在学生出现安全隐患时会主动干预。

(3)课后。教师对学生提交的疑问及时给出反馈,适宜在网络平台答疑的问题直接在网络平台回复,重难点问题在上课时现场演示讲解。

同时教师要负责课程教学方案的持续改进,对教学过程中出现的问题进行整理分析,结合学生反馈对教学内容和手段重新进行归纳和策划,然后调整修正教学方案,应用在后续教学活动中。

3.2 课中教学活动实施流程

课中教学活动实施流程如图5所示,可以分为“布置任务、制定方案、实施方案、调试修正、结果演示”五个阶段。布置任务阶段,教师针对项目内容和任务进行解释,对项目所涉及知识和技能的重难点进行必要的梳理、讲解和演示;制定方案阶段,学生分组讨论,通过回顾以往知识、查阅文献资料、分析论证等方式探究项目的解决方案,确定解决方案后绘制电气原理图,教师负责审核图纸安全性;实施方案阶段,学生依据电气原理图,在实验台的网孔板上配置所需设备,并进行接线,然后进行软件设计,包括制定I/O分配表、绘制程序流程图和编写梯形图程序;调试修正阶段,学生通过运行系统确定是否能够实现项目控制要求,如有错误,就需要学生重新对解决方案进行分析讨论,并修正硬件和软件,直到能够满足项目控制要求为止;结果演示阶段,学生讲解系统功能并现场演示,结果正确则项目任务结束。完成项目任务的过程中,会指定小组成员记录各自担任的角色和负责的工作,以及遇到的困难和解决的方法,在项目任务完成后,会总结本小组在完成项目过程中收获的经验和存在的疑问,以及对课程的建议。

图5 学生上课完成项目任务流程图

在学生完成项目任务期间,教师需要时刻巡视观察整个课堂,在学生出现违规操作或者设计方案存在安全隐患时及时指出,在学生有问题和困难时提供帮助和引导,保障教学活动的正常进行。对于学生主动提出的问题,教师会给出必要的指导,但不会直接给出解决方案,即使发现学生的方向有误,只要不涉及安全问题,就会让学生自主试错,分析出错原因,修正解决方案,这种分析问题、解决问题的过程正是学生获取工程师基本素质的良好途径。

4 教学效果分析

为了更客观地了解学生对课程教学模式的认可程度,课程组在网络问卷平台制作了调查问卷,学生通过匿名填写方式完成了问卷调查,下面分析过程中的数据来源于2021年11月的问卷调查结果,有效调查问卷共51份。

如图6所示,64.71%的学生对课程整体教学效果非常满意,33.33%的学生比较满意,反映出课程总体教学效果良好。

图6 课程整体教学效果调查结果

表3为“教学要素影响度调查结果”,其中课程加强实验室教学比例是学生认为对学习效果最主要的促进因素,在实验室学生自己动手把理论知识用实际的设备去实现,使得理论知识不再枯燥和抽象,确实能够帮助学生更好地理解和应用理论知识。表4为“对学生的促进调查结果”,88.24%的学生认为课程对其“主动学习意识和自主学习能力”有明显的促进作用,这一结果正体现了本课程以学生为中心的教学理念。

表3 教学要素影响度调查结果

表4 对学生的促进调查结果

5 结语

通过实践证实,“成果导向、项目驱动、自主探究”的教学模式能够促进学生主动学习的积极性和自主学习能力的提升,培养学生获得工程师基本素质,能够为培养工程技术应用型人才提供有力的支撑。但是课程建设依然存在着硬件设施建设滞后、配套教学资源不足、评价考核体系缺乏多元性、现代教育手段有待开发利用、专业整体教学环境亟待改善等诸多问题。教学改革是教育工作者的终身事业,不断灵活调整,紧跟时代步伐,才能保证高等工程教育的良性、健康、持续地发展。