基于工程認證OBE理念“檢測技術與自動控制工程”教學改革

席國強

(重慶理工大學 材料科學與工程學院,重慶 400054)

學習產出導向(OBE)是以成果為導向的教學模式,由美國學者Spady提出。OBE 理念強調以學生學習成果為起點反向設計人才培養方案和培養過程[1,2],強調如下4個問題[3,4]:學生學什么?為什么學?如何學?學得怎么樣?OBE是工程教育專業認證和新工科建設的核心理念,要求將面向工科學生的教學理念從內容為本轉變為學生為本,以學生的學習成果為導向,最終達成的核心目標是培養掌握知識和具備能力的新工科學生[5]。與傳統填鴨式教學理念相比,OBE理念關注學生能夠做什么,而不是簡單的學生知道什么,可以有效提升教學效果[6]。

“檢測技術與自動控制工程”是我校材料學院材料加工專業的一門專業核心課程。該課程不僅涉及化學、數學、物理、力學、電子學等專業知識,還涉及傳感器材料工藝學及企業現場的一些實際情況。因而課程包含內容極為廣泛。此外,隨著人工智能的發展,自動化與檢測技術及其相關的理論已經成為當代科技人員的必備知識。因此,學好該課程,對其他相關專業課程的學習具有較大的幫助,在材料加工專業的人才培養體系中占有重要地位。工程教育專業認證是以培養目標和畢業要求為導向的合格性評價,其核心為確認畢業生達到行業認可的既定質量標準要求。根據OBE理念,為達成“檢測技術與自動控制工程”的培養目標,該課程急需全面深化教學改革。作者對如何在工程教育專業背景下,實現“檢測技術與自動控制工程”課堂教學的轉變,以提高學生綜合能力為目標,實現從重視知識向重視能力,從灌輸知識向互動學習、自主學習轉變,培養學生的創新精神、責任意識、辯證思維等,進行了相關探索。

1 “檢測技術與自動控制工程”教學現狀分析

1.1 師資問題

將知識轉化為學生的技術能力和應用能力是工程認證的任務之一。然而,近年來各個高校引進的高層次人才基本以剛畢業的博士為主。教師隊伍中具有工程背景的老師比例較低。這樣雖能提升學校的科研能力及科研水平,但也使學校缺乏具有工程實踐背景的人才。材料學院承擔該門課程的老師以年輕博士為主,教師沒有在生產一線從事過實際生產,缺乏工程實踐背景。

1.2 課程內容設置問題

“檢測技術與自動控制工程”是材料、機械、電氣等專業的交叉學科,學科范圍廣且內容非常多,具體表現在概念多、公式多、邏輯性強、理論性強、實踐性強。因此,在有限的學時條件下,很難全面講授課程涉及的所有內容,這就容易導致學生對知識點掌握不牢固、對課程體系邏輯認識不清。此外,該門課程主要由檢測部分和控制部分組成(包括PLC編程),檢測部分涉及信息獲取必須用的傳感器,傳感器的分類及原理是這部分的重點內容,但這部分內容與很多基礎學科一樣存在課程內容枯燥、創新性較弱、學生缺乏積極性的問題;控制部分包括控制基本理論及PLC編程,編程部分對于材料加工專業學生知識跨越較大、學習動力不足,很難做到理論與實踐相結合。

1.3 教學模式與教學方法問題

在教學模式上,和許多基礎學科一樣,主要通過填鴨式的授課方式,任課教師將課程知識一股腦地傳授給學生。學生在聽課的時候將大部分時間用在記筆記,并以最終成績為目標,與教師交流討論的機會幾乎為零,這對學生的自主學習能力培養非常不利。教師是主體,教師講什么,學生學什么,學生總是被動地接受知識。因為檢測部分和控制部分存在大量的原理及分類,枯燥乏味,因而和學生課堂互動感差,學生課堂參與度低,教師的思路和學生不能完全一致,甚至很多時候學生被其他事物吸引,與教師的思路脫節。這非常不利于學生自主創新能力、自主學習能力的提升。這種教學模式無法體現OBE理念的教學指導思想。另外,教學模式“一刀切”,忽視學生的差距。傳統教學模式中對所有學生講授知識的深度和范圍相同,學習目標也是一樣的。但各大高校擴招,學生生源參差不齊,基礎差異較大,導致學習目標對于大部分同學可能難易適中,但有一小部分同學覺得目標不符。這里有兩種情況,有些學習能力強的同學認為學習目標太過簡單,而一些基礎差的學生認為晦澀難懂,完成目標困難較大,難以跟上教學節奏。

1.4 教學評價體系問題

考核方式單一,只包括平時表現和期末試卷。在傳統教學模式中,“檢測技術與自動控制工程”課程考核方式多為“期末考試+平時表現”,總分為100分,其中平時表現占30%,卷面成績占70%。平時表現來源于學生的考勤和課堂提問等,這種評價方式更側重于評價學生有沒有曠課、遲到等,而無法實現對學生當時學習情況的掌握。此外,課堂提問由于時間有限,提問次數受限,導致無法掌握學生的學習狀態和教學效果,更無法滿足工程認證所要求的達成度分析和科學評價的需要。

2 “檢測技術與自動控制工程”教學改革

隨著我國工程認證工作的全面開展,面向新一輪的專業課程改革也在加強和探究。本文從確定課程教學能力、整合課程內容、改進授課方式、優化教學評價體系等方面入手,闡明如何基于OBE理念,以學生為本,構建針對“檢測技術與自動控制工程”教學方式,以改革現有的工程人才培養方式。

2.1 改善教師工程背景

改善教師工程背景打出一套組合拳:(1)加大對具有企業經歷的高級人才的引進和培養,確實提高“雙師型”教師比例。(2)聘請有企業背景的工程師為學校導師。與相關企業聯合組建一支具有雄厚工程實力的師資隊伍。一方面,將青年教師送到企業實踐鍛煉,另一方面,聘請企業工程師或技術專家來校教學,走進課堂。(3)鼓勵教師積極參加企業主辦的培訓,與行業工程師保持密切聯系和交流,促進理論和實踐的深度融合,以加強工程實踐能力。(4)鼓勵校內沒有工程背景的青年老師去企業掛職鍛煉和培訓。近年來,材料學院派出多名年輕博士去企業掛職,同時聘請具有企業背景的專家和知名工程師來校交流指導,分享相關行業的動態及成果經驗,使教師不斷提高工程實踐能力。

2.2 教學大綱修訂

在明確課程培養能力的前期下,解決傳統教學過程中只注重專業知識的問題。把分組討論、專題報告、觀點辯論等加入課程教學中,培養學生的溝通和協調能力。教師備課時應充分調研和思考,該課程可以培養學生的何種能力,培養學生的哪些綜合素質。課堂的教學內容要緊跟社會的需求,不能與社會脫節,以培養學生的能力為引導,以工程認證的培養目標為導向,以社會和企業需求為目標。

課程組教師在教研室通過大量討論,依據我校材料加工專業最新的培養方案,緊密結合工程教育認證的基本要求對教學大綱進行修訂,確定滿足畢業要求的畢業目標。學生通過學習該門課程應掌握如下技能:(1)掌握材料成型中常用的檢測技術及自動化控制的原理和方法,并用其對材料成型產品質量進行分析判斷,能夠用于人工神經網絡、模糊控制、專家控制等方法的分析;(2)基于PLC基本工作原理、PLC的基本指令和典型程序的設計方法,能夠完成成形過程的PLC程序設計、PLC控制系統設計開發。

可以將傳感器技術、控制理論、人工神經網絡、模糊控制等融入教學大綱中,從而實現課程目標對于畢業要求指標點的支撐。

2.3 教學內容改革

依照教學大綱分解出課程目標,重新整合“檢測技術及自動控制工程”的課程內容。(1)構建模塊化分類?！皺z測技術與自動控制工程”是一門交叉學科,集材料、機械、電氣三位一體。這也決定了該門課程的邏輯是網狀,其教學內容的設置應該注重知識模塊間的科學聯系,促進知識的系統化。采取模塊式編排,將整個課程內容分為檢測原理、控制理論、PLC編程三大板塊,并采用思維導圖挖掘各個板塊之間的內在聯系,使知識像網絡一樣形成一個有機的整體。這樣就會使看似瑣碎的知識變得條理化,更有利于學生掌握檢測技術及自動控制工程的結構,從而達到舉一反三,以點帶面的效果。(2)精簡教學內容?；诠こ陶J證下OBE理念的指導,“檢測技術與自動控制工程”注重綜合能力的培養和提升。因此根據培養方案并結合實際情況修訂大綱并精簡教學內容是必要的。在模塊化編排的基礎上,對每個模塊的內容進行精簡,適當刪減檢測原理部分傳感器的種類,PLC部分只保留PLC編程的基礎部分,使重點突出。

2.4 教學方法改革

課堂教學環節要體現以學生為中心,課堂教學改革應著眼于提升課堂的教學質量,應該從學生一味地被動接受知識,教師填鴨式講解,逐步向師生都為課堂主體,以交流互動為主的課堂氛圍進行轉變。(1)啟發討論式教學。根據課程知識點,通過網絡、圖片、在線課程、視頻等教學資源,進行 “課前問題引入+學生查找資料+課堂互動討論+知識點講解+分組討論”的形式開展教學活動。比如,講授傳感器技術時,事先通過QQ班級群布置任務:搜尋常見的傳感器實物圖片及其結構,以考查學生文獻查閱和自主學習的能力。授課開始,同學們就課前作業進行討論,同時老師歸納總結,引出傳感器的概念、作用、分類等授課內容。最后根據講授知識,拋出問題,比如我們選用傳感器該注意什么。激發學生的好奇心,分組展開討論,互相打分,培養學生團隊合作和批判性思維等能力。(2)分級分層教學。針對學生能力差異大的現實問題,我們采用多層次教學的辦法。分級分層教學要求把學生能力做一個分類,比如按照高、中、低分類,從而因材施教提高教學質量。對于高和低這兩類學生需要特殊管理,對學習能力強的學生額外安排難度較大的探討性題目,引導其完成;對于能力較弱的學生,幫助其完成課程基本要求,鼓勵逐步挑戰中等級別問題。分級分層的教學方式可以有效地避免優秀學生 “吃不飽”、能力差的學生“吃不了”的現象,使不同層次的學生在知識和能力方面得到充分地拓展。

2.5 教學評價體系改革

將學生的培養作為課程考核的主要目標,將學生對專業知識的掌握及應用情況作為檢查作業的方向?！皺z測技術與自動控制工程”教研室通過充分地交流研討,得出開展多元化考核方式。具體如下:文獻查找、閱讀、解析、案例調查、最新熱點實時追蹤等。文獻查找閱讀要求2人一組查閱與該學科教學內容相關的文獻,制作PPT或口頭講解,并撰寫筆記。例如檢測的概念,使學生能夠更好地理解檢測和測量的區別。案例調查主要針對現實生活中跟“檢測技術及自動控制工程”教學內容密切相關的案例進行調查分析,在調查分析過程中鞏固知識點。比如,自動收費系統等的原理和作用,用到了哪些自動控制理論和檢測知識。最新熱點追蹤多為人工智能發展的最新科研成果,這部分要求學生以探討的方式進行。多元化考核方式不僅保障學生對基礎知識的熟練掌握和鞏固,還培養創新思維和進一步提升工程實踐的能力。

建立持續改進機制。傳統的做法是期末成績占70%,平時考勤等占30%。我們調整了平時成績和期末成績的占比,期末成績最多占60%;二是改進考核內容,在平時成績中增加文獻查閱、課堂討論、案例匯報等分值;期末考試也增加了15%左右的考核應用理論分析和解決實際問題的題目。課程目標是課堂教學活動的基本點,達成度計算是檢測課堂教學質量的重要手段。因此,在最后計算總成績后,根據該門課程的課程目標,分項計算各個目標的達成度,從而獲得“檢測技術及自動控制工程”的達成度分析報告。

分析近三年“檢測技術與自動控制工程”課程目標達成度,組建持續改進課程工作小組,由課程組教研室負責人擔任組長,督促組員的持續改進過程,提出持續改進方案。平時成績的持續改進機制如下:參考近三年各屆學生的學習情況,按周統計學生各項成績中的考核指標。期末考試考核機制為劃分期末試卷,按模塊化統計各項得分,認真分析各個模塊學生的掌握情況。最后通過目標達成和總達成度數據,研究分析學生對每個指標點的掌握情況,提出持續改進意見。

3 結論

隨著人工智能的快速發展,材料加工正在向智能加工、智能制造轉變,各大企業均需要大量自動控制方面的應用型人才。根據工程認證的OBE理念,為提高人才培養質量,針對“檢測技術與自動控制工程”教學存在的問題,通過提升師資工程背景、精簡教學內容、改革教學手段、完善考核制度,不斷地激發學生的興趣和學習積極性,提高教學效果,最終提高其在人工智能、智能制造領域解決實際問題及開發新產品的能力。但有效快速地提高該門課程的教學質量是一項長期而艱巨的任務,如提前安排題目,需要學生課前查閱大量文獻;課中討論,會占用大量的時間和精力,如何引入靈活的工作量考核制度是一個挑戰。只有不斷地進行教學改革和探索,才能不斷地提高學生的培養質量。整個教學過程中,教學課程組要不斷地總結經驗教訓,反思教育行為,不斷改進,以學生為中心把學生學到了什么始終作為改革的主線,融合貫穿到日常教學過程中。