基于OBE理念光電開發及應用專業實驗課程思政教學改革與實踐*

張志峰 翟玉生 楊 坤 耿利杰 馮學超 張瑞亮 翟鳳瀟 楊紅軍

(鄭州輕工業大學物理與電子工程學院 河南 鄭州 450002)

隨著我國高等教育理念的深化革新,強化教育產出面向國家經濟社會發展及行業需求,“新工科”建設以及工程教育認證在全國高校廣泛開展并持續推進.2018年第十一屆“中國大學教學論壇”提出了“金課”建設標準——兩性一度.該標準同OBE理念相結合,為實驗課程教學設計和改革提供了思路[1-2].

相對于“新工科”及工程教育認證理念的要求,原有專業實驗課程所開設的實驗項目經常存在以下不足:

(1)現有實驗教學設備以及目前市場上的相關教學儀器大多屬于原理驗證性,缺少與專業方向銜接緊密的技術應用類實驗項目,不利于引導學生了解本專業相關行業的發展現狀及前景;

(2)大多購置的實驗教學設備采用封閉結構及傻瓜式操作,學生實踐操作的參與度不夠,無法深入了解相關原理技術轉化為實際應用的工程實踐過程,不利于培養學生的實踐和創新能力;

(3)現有實驗項目側重專業某一項或幾項知識點,多學科融合和復雜工程問題涉及較少.

光電開發及應用實驗作為一門電子科學與技術專業雙創類實踐課程,以學生為中心,相關實驗項目來源于專業教師科研成果轉化,采用開放角色扮演模式,既包括分析問題和解決問題等技術能力培養,也隱含著團隊溝通、工程實踐可持續發展思考等非技術能力培養.本文基于OBE理念,結合傳統教學特點,采用BOPPPS教學模式[3-4],引導學生進行專業技術應用開發實踐,培養解決復雜工程問題的能力,各個環節引入課程思政,做到潤物細無聲,通過課程學習培養學生愛國主義情懷、精雕細琢與精益求精的工匠精神、勇于突破成規的創新精神和互相學習的團隊協作精神.

1 課程教學目標和設計內容

1.1 課程教學目標

按照OBE教育理念和課程教學大綱,光電開發及應用實驗課程設置了5個課程目標:

(1)通過課程中的設計性實驗訓練,能夠針對復雜工程問題的特定需求進行系統或工藝流程的設計,并在設計中體現創新意識;

(2)通過課程中的設計性實驗訓練,在設計中能夠考慮安全、健康、法律、文化及環境等制約因素;

(3)通過實驗項目訓練,能對實驗結果進行數據整理,并對實驗結果進行分析和解釋,通過信息綜合得到合理有效的結論;

(4)通過課程中設計性實驗項目全過程的訓練,能夠對其解決方案進行模擬和預測,并能夠分析其局限性;

(5)通過課程訓練,能夠思考專業相關工程實踐的可持續性,評價產品周期中可能對人類和環境造成的損害和隱患,詳細對應關系如表1所示.因此課程實驗項目在設計的時候集成了本專業激光原理、激光技術、工程光學、模擬/數字電子技術、光電檢測技術及信號與系統等核心課程的專業知識,同時也涉及計算機軟件開發、機械制造等不同學科知識,高度體現了以產業需求為導向、多學科交叉融合的“新工科”內涵.

表1 課程目標對畢業要求內涵觀測點的支撐關系

將教學過程與學生參與項目產品研發改進融合到一起,強化以學生為中心,教學設計中通過在不同階段設置問題提醒引導學生對技術應用開發關鍵環節的思考,強化學生作為主體在整個技術應用開發過程的參與度,讓學生參與體驗解決復雜工程問題的全過程,充分調動激發學生的主觀能動性,逐步培養其分析解決復雜工程問題的實踐和創新能力.整個案例教學過程高度契合了以學生為中心、以產出為導向的工程教育認證理念.

1.2 基于BOPPPS教學模式課程設計

BOPPPS教學模式的內涵是將傳統的教學過程進行模塊化分解,包含引入(bridge-in)、目標(objective)、前測(pre-assessment)、參與式學習(participatory learning)、后測(post-assessment)和總結(summary)6個環節[5-7].首先通過超星智慧教學平臺或者微信等平臺發布課前預習,教師發布學習任務(bridge-in,B),提供指導性音視頻資料,結合專業培養目標和課程目標,將大國工匠精神、社會熱點問題等思政元素有機融合,學生可利用課前碎片化時間,自主完成網上教學資源并按照要求查找相應的資料,了解實驗的學習產出目標(objective,O),培養學生以工程理念思考問題,以嚴謹的態度解決問題,同時培養學生弘揚正能量,積極面對人生中遇到的各種挫折和問題.根據以往知識,完成課前測試題等(pre-assessment,P),尤其引導學生自發學習教學內容,比如我國激光器的發展歷程,培養民族自豪感,現代精密測量的問題以及卡脖子的相關技術難題,了解到精密測量的重要性,培養學生科學探索精神.在具體實驗操作環節,指導教師結合實際工程應用背景,引導學生角色互換,以工程師或技術經歷的角度浸入式學習思考相應的問題并分組進行討論和辯論,豐富教學模式,提高學生參與教學環節(participatory learning,P).實驗后學生針對復雜工程問題進行討論分析并撰寫報告,完成課后測試(post-assessment,P).課程最后還要分組做PPT答辯匯報,總結本次課程相應的知識點和能力(summary,S).

2 實驗項目設計及效果

2.1 實驗項目設計的目的

基于工程教育認證的理念以及“新工科”內涵,針對存在的問題,改進調整教學內容和方法,融合思政元素,真正做到以學生為中心、以產業需求的產出為導向,強化培養學生解決復雜工程問題所需具備的實踐及創新能力.

2.2 案例設計的內容

結合本專業相關技術發展及應用的現狀,通過自主開發,將與本專業研究方向密切相關的技術應用案例作為實驗教學項目.本實驗案例通過引入自制設備“多維幾何運動誤差激光測量儀”,開設了“直線導軌二維直線度誤差測量實驗”.以待解決的復雜工程問題為實驗測量目標,以自制設備為案例,引導學生進行專業技術應用開發實踐.

該自制設備是將激光在線精密測量應用于高端機械制造加工等行業的光電檢測實際應用案例,來源于電子科技專業教師的科研成果轉化,同時也是本專業學生創新創業參賽項目,其研發目標是取代進口產品填補國內空白.該自制設備作為教學案例可以使學生了解專業相關技術在當前的發展現狀和相關行業需求,同時也是很好的思政教育環節.案例中集成了本專業激光原理、激光技術、工程光學、模擬/數字電子技術、光電檢測技術及信號與系統等核心課程的專業知識,同時也涉及計算機軟件開發、機械制造等不同學科知識.整個案例高度體現了以產業需求為導向、多學科交叉融合的“新工科”內涵.

2.3 案例設計的目標及任務

通過引入自制設備“多維幾何運動誤差激光測量儀”作為光電技術應用開發教學案例,開設了“直線導軌二維直線度誤差測量實驗”.在案例教學中結合思政教育,明確行業需求和產出導向,按照專業技術應用開發的流程,以待解決的問題為導向,引導學生運用專業知識進行方案設計、分析論證,在實踐操作環節進行實驗現象、實驗數據分析討論,并據此提出完善原設計方案的思路.強化學生作為主體在整個技術應用開發過程的參與度,逐步培養其分析解決復雜工程問題的能力.

2.4 考核方式

實驗項目成績按總分10分制考核,分為課前預習(2分)、課內實踐操作(4分)和課后總結(4分)3個方面進行考核.

課前預習的考核標準是:通過充分調研預習理解掌握了直線運動導軌直線度誤差測量的背景及意義,明確案例待解決的復雜工程問題;理解掌握案例設計方案原理、系統構成及實施流程,并能夠以此進行分析預測;案例設計方案原理、系統構成及實施流程闡述清晰,圖示及數據記錄表格規范.

課內實踐操作的考核標準是:遵守實驗室規章制度,正確進行儀器設備的使用操作;完成全部實驗測試內容,正確記錄實驗數據;觀察各階段實驗現象并正確回答預設的問題,理解掌握案例開發實踐全過程.

課后總結的考核標準是:能夠科學處理數據、表征測量結果、給出科學結論,并通過自身的實踐體會給出合理的改進建議或思路.

針對以往課程思政教學過程中形式單一、目標松散、無法量化評價等問題,本次課程進行了改進.以2021-2022學年課程為例,課程結束后,對課程思政目標考核進行量化評價,量化評價結果如表2所示,柱狀圖如圖1所示.從課程目標的達成情況來看,課程目標達成情況普遍較好,表明學生工匠精神、家國情懷、創新精神和團隊協作都達到了期望值.

圖1 課程思政目標考核達成情況

表2 課程思政目標量化考核結果

3 教學實踐效果

本實驗案例通過引入自制設備“多維幾何運動誤差激光測量儀”,開設了“直線導軌二維直線度誤差測量實驗”.該設備是將激光在線精密測量應用于高端機械制造加工等行業的光電檢測實踐案例,來源于電子科技專業教師的科研成果轉化,同時也是本專業學生創新創業參賽項目,其研發目標是取代進口產品填補國內空白.該自制設備作為教學案例可以使學生了解專業相關技術在當前的發展現狀和相關行業需求,同時也是很好的思政教育環節.案例中集成了本專業激光原理、激光技術、工程光學、模擬/數字電子技術、光電檢測技術及信號與系統等核心課程的專業知識,同時也涉及計算機軟件開發、機械制造等不同學科知識.整個案例高度體現了以產業需求為導向、多學科交叉融合的“新工科”內涵.

目前該實驗項目已在課程內順利實施5年,通過該案例教學,在使學生深入了解光電檢測系統構成及相關概念、掌握相關檢測技術方法的同時,激發學生對專業和自我的認可以及創新創業熱情,提高了學生實踐和創新能力,并且在教學過程中進一步優化完善該項目.2017至2022年,該項目持續改進并多次獲得“全國光電設計大賽”“互聯網+”“挑戰杯”等創新創業賽事的全國一等獎、河南省一等獎等獎項.

4 結束語

綜上所述,光電開發及應用實驗作為一門電子科學與技術專業雙創類實踐課程,基于OBE理念,結合傳統教學特點,采用BOPPPS教學模式,引導學生進行專業技術應用開發實踐,培養解決復雜工程問題的能力,各個環節引入課程思政,通過課程學習培養學生愛國主義情懷、精益求精的工匠精神、勇于突破成規的創新精神和互相學習的團隊協作精神.通過多年教學實踐效果來看,將本專業教師科研成果轉化或學生創新創業項目作為案例開發為教學項目,具備可行性且教學效果良好.隨著國家到學校各個層面對于高校教師科研成果轉化以及學生創新創業能力培養支持引導政策和措施的推行,可開發引入的教學案例將持續出現,課程資源將不斷增加完善,有望實現全課程實驗項目案例式教學.