“挑战性学习”视域下工科课程高阶思维教学模式初探

摘要：“挑战性学习”是一把针对强且能破解工科学生高阶思维发展难题的“钥匙”，在激发学生学习兴趣、培养学生能力、对专业知识的敏感度、拓展学生知识视野、科学研究等方面具有推进的作用。以贺州学院开设的“微机原理与接口技术”课程为例，初步探讨“挑战性学习”如何破解工科学生高阶思维发展，构建“挑战性学习”高阶思维教学模式。以课程为切入点探讨这一新兴教学法在实践中的能效，采用Proteus软件、设计缜密的挑战性问题、重构课堂教学内容、实施多维评价等多方面进行教学过程的实施，从而对“挑战性学习”在专业课程教学中的应用进行有益探索。

关键词：挑战性学习；高阶思维；微机原理与接口技术；工科课程

2018年8月，教育部发布《关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》，提出各高校要“合理提升学业挑战度、增加课程难度、拓展课程深度，切实提高课程教学质量”[1]。教育科技作为教育工具，最明显的功用是提高效率，让人人、时时、处处都可以学习[2]，但这些工作具体落实到某一门课程中，就在课程的学习方法、学科的科学研究、实际项目的实践探索等方面依旧欠缺，需要探索新的方法进行改进或者补充。

单片机是一种集成电路芯片，是嵌入式技术和物联网技术发展的基础，主要应用在航空航天、机械电子和日用设备等领域。贺州学院人工智能学院的通信工程、电子信息工程、物联网工程专业皆把“微机原理与接口技术”课程设成专业基础课。课程以单片机的硬件组成、工作原理、程序设计方法等为教学内容，旨在通过实验探索，掌握单片机技术及其在工业控制、经济建设和日常生活中的应用，发展学生的高阶思维，培养学生工程能力、创新能力、实践能力和新产品设计开发能力，为将来从事电子新产品设计开发、电子产品检测和维护等工作奠定坚实的基础。然而经过多年教学实践，发现学生创新能力不够明显，学生工程能力较弱，思维低阶重复，学生无法实现知识的迁移。主要可能是因为：①传统课堂教学抽象乏味，学生普遍反映单片机难懂难学；②受到规定的实验室和规定的时间内完成的“双规”限制，实验效果不尽人意；③部分教材脱离实际，脱离工程应用，导致部分学生学归学，用归用，学了不会用；④少数学生学习目的不明确，学习缺少兴趣和原动力，成了学好“微机原理与接口技术”的绊脚石[3-4]。

“挑战性学习”是一种新兴的教学法，是一种以挑战性任务为驱动，促进学生自主参与学习过程，注重概念内化、技能运用以及高阶思维发展的有效课程教学模式[5]。李辉等[6]以挑战性的问题为牵引，深入研讨为基础，实验验证为手段，着力进行“一门数字类挑战性学习课程的设计与实践”。挑战性学习的核心是挑战性问题，如何设计和实施相关“问题”，让学生既要积极主动挑战“未知”，又要在自己找方法、找解决方案的同时“跳一跳”就能解决相关“问题”，达到发展高阶思维的目的是值得探索的。

一、“挑战性学习”课程设计

从学习要素的角度，“挑战性学习”围绕“目标、内容、过程、结果”四个方面的特征展开：以学生分析、综合、评价等高阶思维发展为目标；以“核心概念”为逻辑起点，挑战的真实性与复杂性为具体内容，贯穿于学习活动的始终，使学习时刻保持一致性和持续性；过程挑战历程的持续性；结果指向可视化，最终必须拥有可视化的成果，如元认知反思性学习报告、作品、方案、产品等[7]。“挑战性学习”的挑战性问题的研究嵌入课程知识内容分布框架内，以“微机原理与接口技术”课程的理论和实践技术为主体，并寻求相关解决问题的方法，在挑战过程中以挑战的真实性和复杂性为具体内容增设持续研究与反思方面的内容，并进行可视化衡量。

以“微机原理与接口技术”为“挑战性学习”课程设计的对象，设定课程“目标、内容、过程、结果”的主线，结合“挑战性学习”的问题研究视角，对教材（《微机原理与接口技术》，王晓萍主编，浙江大学出版社，2015.01）进行教材内容整合、重构知识、重组框架、重建项目，相关课程架构与教学环节教学内容设计见图1。“微机原理与接口技术”共分成五大模块，其课程内容围绕“硬件结构”、“编程语言”、“编程环境”、“基础-拓展-通讯模块编程”、“综合模块编程”等项目任务展开。在“基础-拓展-通讯模块编程”环节中，结合OBE理念，分派12个任务，逐个突破“单片机系统结构、单片机存储器体系结构、C51语言编程技术、中断系统及应用、定时器及应用、外围设备与单片机的接口技术、单片机应用系统设计、单片机系统仿真与调试等”教学重点和教学难点。

二、预为先，合理安排

（一）实验内容的选取与推荐

在“微机原理与接口技术”开课之初，授课教师选取“单片机内部系统”、“单片机引脚”、“矩阵式键盘数码管显示实验”、“12864液晶显示实验”、“DS18B20温度采集实验”、“步进电机控制实验”、“AD/DA转换实验”、“串行通信”、“IIC总线通信”、“PCB制版硬件设计”等作为授课与实践的主要项目内容。

（二）建立实验小组，开展合作性学习

“挑战性学习”的前提条件是良好的协作学习习惯和合作关系。“挑战性学习”是以小组为单位的学习活动，组员之间具有无法替代的互补功能，组内成员个体优势汇集成良好的合作关系，形成强大的群体优势。

“微机原理与接口技术”教学内容中，与工程活动相关的内容占据很大比例，主要由“多点温度采集系统设计”、“语音播报电子万年历”、“烟雾探测报警器”、“红外防盗系统”、“指纹识别”、“智能寻迹小车设计”、“帆板控制系统设计”、“全自动洗衣机”、“出租车计价器”、“智能电子秤”等方面组成。

为了保障课程讨论与实践的顺利进行，结合挑战性学习的条件，教师采用随机分配和自愿调整的原则，将课堂中40名学生平均分成10大组、20小组。

三、“挑战性学习”高阶思维教学模式的构建

鼓励学生动手，是挑战性学习开展的必要条件。对于工科学生，动手能力在实践过程中显得尤为重要。学习是学生从客观环境中获取知识和能力的过程，一般步骤是先从环境中获得“可观察变量”；再通过感觉器官，输入大脑；大脑再依据社会人类信息库反馈给感觉器官。通过与环境进行交互作用，使人获得学习的能力。因此，在构建高阶思维模型时，先从“情境主题”出发，围绕学生的“关键能力”进行问题设计与培养，以“作品展示”作为桥梁，通过“动态反馈”这个渠道，呈现“问题脉络”。以“学科认识-学科素养-学科研究-学科方法”为循环主线，将“预习拓展、实践依据、研究实践、调整优化、目标对照、作品评价”分成“六维”。

四、“挑战性学习”的课程实施策略

（一）过程参与度，聚焦过程发展

查阅文献资料——优化系统方案设计——采用Keil软件编程并调试通过——Proteus建立仿真电路——Keil与Proteus的联调，验证系统的正确性——硬件的在线调试。以作品“蓝牙音频播放器的设计”为例，建立原理图文件、PCB制版文件（包括布线、敷铜）的详细过程、“蓝牙音频播放器的设计”实物图。

学生参与PCB制版完整过程，在课程学习过程中发展高阶思维。

（二）知识掌握度，拓展思维阈值

“理论+实践”、“线上+线下”、“虚拟+现实”、“分工+合作”的知识层次训练方式，浅进深出，在情感、态度、价值观上对学生进行激励、鼓舞。通过“挑战性学习”，以技术前沿的创新思维为已任，培养学生工程应用能力。学生的“学”不是将老师所教的知识复盘，而是注重掌握解决问题的方法。通过“挑战性学习”的挑战性问题，引导学生提出问题，并指导学生在实验过程中收集、整理、分析并总结数据，在实践过程中提高探索知识的愉悦感。通过知识的掌握指导学生自己“做”的行为，用实践检验创新思维的结果并加以验证，提高高阶思维阈值。

（三）素质达成度，直指思想提升

通过学习研究、文献调研、方案验证、系统设计、实现调试、虚拟仿真、设计总结等环节形成一个循环的“微机原理与接口技术”课程实践环节。学生在学习过程中从课题需求、方案设计、产品研发、项目管理等方面进行学习与实践，理性认识自己的专业领域及人生规划。

结合课程思政内涵，增加别具一格的思政考核：作品完成汇报（学习心得、成长体会），谈学习上的改变、谈思想上的改变、谈学业上的收获、谈未来的期望等。

（四）动态反馈，成绩多维评定

“挑战性学习”可以反映学生的知识结构、学习状况和创新能力的整体性，“挑战性学习”的过程价值在于贯穿整个学习活动。因此，动态反馈，成绩多维评定是“挑战性学习”一种较好的评价方式，对学生行为的评价将走向“过程导向”，促进学生在学习过程中各方面的成长。以“微机原理与接口技术”课程为例，其成绩构成如下：

课程成绩=期末考核成绩×50%+实践操作成绩×30%+平时成绩×20%

其中，期末考核成绩=PCB制版（20%）+软件编程和提交文档（30%）+系统调试（30%）+答辩（20%），其中，系统调试和答辩环节全程录像。期末考核成绩占总成绩的50%，由教师面批赋分。实践操作成绩占总成绩的30%，为在项目学习过程中需搭建一套实践装置，包括挑战性任务完成成果的团队考核与个人考核两个方面，采用教师（40%）与小组评审评分（60%）相结合的方式赋分。其中团体合作分数占这部分总成绩的60%，个人表现占40%。平时成绩则由教师依据学生的出席课堂情况（5%）、小组回答问题（10%）和个人课堂活跃度（5%）赋分。

在多维成绩评定机制的激励下，学生在课堂参与、作业完成、团队合作、线上仿真、结果展示等方面活跃度提升，工科学生的高阶思维得到发展。

五、推广应用，优化成果效能

每个学生都是独立的个体，且学生的发展是连续的动态过程，立足育人本质，通过“挑战性学习”，遵循学生认知发展规律的个人需求、学科发展的学科需求和社会发展规律的社会需求，学生后续选择性完成创意作品：穿衣指数播报器、量贩机投币系统、模拟电梯系统、酒店点菜系统、LED花样广告屏遥控控制系统、红外遥控多功能控制系统、智能家居窗帘控制系统、排队叫号系统等进行学习成果的巩固。通过多年的实践，“挑战性学习”的模块化教学元素和高阶思维渐进式教学环境，学生将所学的知识真正与工程应用接轨，真正引导学生从传统的被动接受教育转变到主动探索创新，激发学生学习兴趣，提升学生高阶思维。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.教育部关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知（教高函[2018]8号）[DB/OL].（2018-08-27）.

http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201809/t20180903_347079.html

[2]金青，何虹.应用型地方高校课程挑战性学习模式设计与实践[J].中国职业技术教育，2019（26）：33-40.

[3]邰清清.应用型工科院校单片机课程教学改革与实践[J].电子元器件与信息技术，2022，6（05）：224-227.

[4]邱刚.Protues仿真软件在单片机教学中的应用[J].电子元器件与信息技术，2021，5（04）：165-167.

[5]李艳茹.“挑战性学习”在古代小说鉴赏类通识课中的应用——以“唐宋传奇名篇赏读”课程为例[J].中国大学教学，2022，377（Z1）：69-74.

[6]李辉，王忆文，李平.一门数字类挑战性学习课程的设计与实践[J].实验科学与技术，2020，18（02）：62-67.

[7]孙莹.挑战性学习：破解高阶思维发展难题的一把“钥匙”——以小学语文综合性学习为例[J].人民教育，2020（12）：60-62.

基金项目：广西高等教育本科教学改革工程项目：基于6A学习构建多模态金课的探索与实践（2022JGZ169）；贺州学院教学改革工程项目：学习场域循环系统的构建与实践（hzxyzdjg202301）；广西职业教育教学改革研究项目：基于现代产业学院的实施双主体育人的探索与实践（GXGZJG2022B164）

作者简介：邓忠惠（1980—），男，广西横县人，高级实验师，学士，研究方向：嵌入式与智能控制。

*通讯作者：谢微（1984-），女，广西蒙山人，高级实验师，硕士，研究方向：分析检测与课程建设。