面向工程應用的課程重構內涵、策略和實踐
——以“數學建?！闭n程為例

朱 濤,顧海艷,夏玲玲

(江蘇警官學院,江蘇 南京 210031)

一、引言

近年來,緊跟國家引導部分地方普通本科院校向應用型轉變的戰略步伐,各地在教育“十四五”規劃中積極探索應用型本科高校建設路徑,其關鍵之一是建設一批高質量應用型課程。教育部要求新工科建設要貫徹“探索理科在技術前沿的應用,推動應用理科向工科延伸”[1]的課程發展要求,指明了課程建設強調工程應用是必然趨向。當前大數據條件下,新理論、新思想和新技術大量涌現并高速發展,與傳統課程內容加速融合形成了海量教學資源,同時也帶來了學生工程應用能力構建效率較低、傳統課程內容結構難以應對高速知識更新過程等問題,迫使傳統工科課程積極探索工程應用導向的重構型建設途徑。

課程重構通常表現為多個角度的課程建設改革?？蓮捻椖渴綄W習視角,強調學生在實踐中基于網絡環境設計學習模式,通過確定項目、制定計劃、活動探究等真實項目步驟和問題情境進行探索式學習[2]。師范專業認證辦法的制定運用了成果導向教育理念(Outcome-Based Education,OBE),可用于學前教育專業建設中重構其實踐課程[3]?；贠BE理念,清華大學取得了軟件工程課程的良好教學效果,其原因就是重構了課程的教學目標和內容體系,優化了實踐辦法、實驗環境等[4]。上海交通大學針對工學類專業課程融入前沿性的問題,通過課程重構的方式有機融合了人工智能理論及應用課程的課程體系和前沿性[5]。數學建模是一門典型的應用數學理論解決實際問題的交叉性課程,具備新工科課程要求的“學科前沿課程、綜合性課程、問題導向課程、交叉學科研討課程”[1]的特點,在我國已經發展了40年左右[6],亟需應對大數據技術發展,并面向工程應用場景探索課程改革的新發展點。

二、面向工程應用的課程重構內涵

課程重構來源于20世紀70年代以來針對課程權力觀的研究和實踐。最初,教師在課堂上實際講授的課程直接體現了對課程實施的控制權,被認為是“運作的課程”[7];而且,教師針對課程實施具體場景,會發出自己對課程的權威聲音,充分發揮對課程變革的發言權[8];“運作的課程”也被認為是多層級轉換的結果,在復雜的轉換互動過程中,課程實施在數量和內涵上產生了變革[9];實施課程的過程中教師蘊含了意圖和設計,形成了體現主體性、表達個性化、具有實踐性的“教師構想的課程”[10]。課程重構不僅反映課程本身,而且是教師職業存在的一種重要形式,指出了教師教學相長的重要路徑[11]?？梢?課程重構是教師對課程實施控制權力的一種表現,在教師層面,實施過程中的教學實踐體現了審定認可的課程教學過程,反映了教師主體的課程認知、知識結構、個性特征和價值取向,能夠助力教師職業能力發展。

新工科背景下,面向工程應用的課程重構內涵是指教師基于學科專業教育體系,根據工程應用對學生能力構建的現實需求,發揮主體性改進和創新課程實施的內容和過程。顯然,課程重構這一課程權力的運行,在面向工程應用要求下,必然受到來自學生工程應用能力構建過程的客觀約束。這種約束主要體現在目標指引、學科立場和內容范疇等三個方面。新工科課程建設要求具體到面向工程應用的課程重構上,就是以“先行構建工程應用能力,逐步形成專業知識體系”為目標導向,完成課程教學的重新組織和體系化。同時,課程重構受到學科立場約束,意味著必須依賴于課程所在學科專業,針對工程應用在思想理念、知識體系、能力形成等方面的堅實基礎,緊密圍繞學科專業的某一工程應用主題主線展開,創新課程教學組織方式。同時,確定了學科立場,課程重構才能依托課程內容反映價值取向,形成具有工程應用特色的觀念體系,為融入課程思政奠定思想基礎。最后,在內容范疇維度上,先要基于面向工程應用這一目標指引,綜合來自國家、社會、行業、學校、家庭和學生自身等方面對學生工程應用能力的需求,反向驅動地構建課程目標,使得能力需求反饋到具體課程教學目標上;然后基于學科專業工程應用的主體內容方向和思想價值要求,根據所謂法定課程的體系框架和教學目標,重新組織教學體系和內容展現;同時,開展基于教師主體能力的教學模式改革,并根據課程特點和學生認知過程創新課程評價方法?？傊?課程教學適配工程應用的現實需求,使得課程重構成為必然會進行的客觀實踐過程。

三、面向工程應用的課程重構策略

(一)增強OBE理念在課程重構中的導引作用

來自工程教育領域的OBE理念是天然適合引導工科課程重構過程的教育理念,可以確保課程重構始終面向工程應用。OBE理念直接來自工程應用對高等教育提出的需求,強調樹立能力本位教育目標[12],提倡以學生為中心實施教育,要求持續改進教育質量。對課程重構來說,就是要充分研究專業工程應用對課程建設的需求,主動匹配工程教育認證的畢業能力要求設計課程目標和教學內容,在創設的學習條件環境中更新教學方式和模式,同時,在過程性評價中持續地改進課程教學效果。針對數學建模課程進行重構,可結合大數據應用需求,抽取工科專業畢業通用型基礎能力要求指標點[13]作為課程目標。然后,以學生期望形成與專業相關的大數據工程應用能力這一學習需求,結合當前大數據技術應用的實際,通過鼓勵學生完成具有挑戰性的學習任務,構建創造性思維、信息分析綜合、組織策劃等通用型高階能力。最后,在課程評價中持續匹配工程應用對數學建模課程目標要求的變化,改進教學活動,在知識傳承基礎上培養學生專業工程應用能力和綜合素質。

(二)夯實系統觀對課程內容重組的指導地位

建構工程應用專業畢業能力,是工科課程對標專業畢業要求所形成的目標。要實現這一目標,需要重構后的課程內容體系結構能夠對其提供支持。這需要遵循OBE理念反向教學設計原則[14],將系統觀實實在在地運用于指導重新架構課程內容體系當中,將課程教學模塊的重組作為著力點和突破口。要實現課程有效重構,可以把課程教學放入相應專業的工程應用場景中,以工程應用具體實踐過程為主線,堅持“高內聚,低耦合”的教學模塊構建原則,尋找對這一主線有效支撐的教學內容模塊,教學內容模塊之間則依賴這一主線建立更強的邏輯聯系,并在此基礎上突出內容模塊的功能性綜合應用,注重方法的實踐性運用,最終形成“高效系統集成”的課程內容體系架構。對于數學建模課程來說,可以將大數據應用決策過程作為核心主線,強調與大數據技術有天然聯系的數據分析、優化決策等內容模塊,同時,將其他模塊串聯到這一主線上;在具體教學內容上,每個模塊形成一個有效的教學實體,遵循認知規律,向學生展示技術開發和應用的邏輯背景及模型方法的自然產生過程,讓學生感受到自己探索后也能創造和創新,消除對數學應用的畏懼感。

(三)關注建構理論對知識形成的關鍵性影響

工科課程的重構還應當考慮認知過程特點,也就是說重構的課程內容體系要符合知識建構過程中認識循環性提升的特點。建構主義理論[15]指出,學習者必須以先前的學習成果和生活經驗構成的認知圖式為基礎,才能在與新知識的相互作用過程中建構新的創造性的認識圖式。這就是建構理論對知識形成過程的重要說明,指出了在工科課程重構當中,要從基本概念和實操入手,讓學生先能夠把工程知識用起來,形成較低層的能力組成閉環;然后,再逐步深入應用的原理和概念本質,增加方法上的變化,形成較高層的理論認知閉環。通過這種循環提升的方式,讓學生能夠首先感受到能力增長,再體會知識體系的逐漸形成。這就要求工科課程重構要在傳統模塊建構的基礎上,增加模塊間的橫向聯系,為循環式認識提升創造條件。數學建模課程的重構當中,首先可以引入大量的現有數學軟件工具,使得學生能夠在使用這些軟件的過程中盡快地獲得成功感,形成下一步深入學習的興趣和動力,然后再深入探究模型的原理和方法的本質,并依賴教學內容體系主線增強模塊之間的黏性,使得學生知識體系的構建更加牢固。

四、面向工程應用的課程重構實踐過程

(一)對標工程教育認證標準,構建匹配畢業能力要求的課程目標

根據中國工程教育專業認證協會發布的工程教育認證標準[16],工程應用專業的通用畢業要求涵蓋工程知識、問題分析、設計或開發解決方案等12個維度。面向工程應用的課程重構可以瞄準這12個維度,根據課程自身特點設計出相應的課程目標。數學建模課程主要面向理工科專業,是培養數學應用和計算機技術綜合運用能力的課程,可以設計出7個課程教學目標,在多個維度上支撐通用畢業要求,如表1所示。

表1 數學建模課程重構形成的7項課程目標

將工程教育認證標準12個維度的畢業要求與表1課程目標進行對應性分析,可以得到數學建模課程目標對專業畢業要求的支撐程度,如表2所示?？梢钥吹秸n程目標對前5點涉及理工科數學應用、問題解決、開發設計以及持續學習這些方面都有很好的支撐,能夠為學生形成職業核心能力打下堅實基礎。

表2 數學建模課程目標對工程教育認證標準畢業要求的支撐(H、M、L對應高、中、低支撐)

(二)基于學科專業的工程應用主題主線,重組課程內容體系結構

工科課程重構后,通過課程教學目標達成畢業能力要求的目的,是為了能夠滿足職業崗位工程應用需要。要實現課程目標,必須要求重構的課程內容能夠支撐工程應用需要的知識、素質和意志的綜合培養,在時間維度上則要能夠覆蓋多個學期,以利于課程目標的融合性形成。因此,可以圍繞職業崗位工作內容構建課程教學主題,并以工作流程作為系統重組課程內容體系結構的主線。如果重構后的課程內容體系能夠較好地支持這一流程的完成,那么就意味著能夠實現對課程教學目標的有效支撐。大數據條件下,工科專業的職業崗位工作流程與基于大數據的決策支持過程密切相關,數學建模課程內容重構可以考慮圍繞這一過程尋找相關的課程內容模塊,使得職業崗位需求與課程內容直接對應,實現課程內容體系的結構更新。

如圖1所示,基于大數據的決策支持過程通常包括狀態描述、情況評估、關系探索、態勢判斷、運籌優化等5大步驟。在職業崗位確定的問題背景和實戰需求下,面對具備海量、高速、多樣、價值密度低等4V特性的行業大數據,課程內容必須提供一套體現專業核心原理模型和成熟工程應用方式的課程模塊體系,有力支持5大步驟所需的能力培養。對于數學建模課程來說,可以利用自身具備數據分析教學內容的優勢,通過針對每個步驟重組數學建模課程內容模塊的方式,實現課程內容重構的目的。同時,可以將每個模塊分為基本原理方法講解和軟件工具使用、深入原理的模型和方法開發、典型問題的研究解決以及解決問題的策略和創新等四個層次,層層深入,引導學生最終達成能力的生成和增長。

圖1 圍繞大數據決策支持過程的課程內容體系重構

(三)創設工程應用成功環境,漸進構建以學生為中心的教學模式

課程教學內容的重構與教學模式的設計,是必須相互匹配的。根據OBE理念,學生要達到滿足畢業要求的能力指標的“頂峰成果”,重要條件之一是創設成功環境。通過充分考慮學生個體差異的教學方式,設置具有挑戰性的高水平學習任務,充分保障時間和資源,使學生從成功走向成功。顯然,這是一個時間上的漸近過程。所以,工科課程重構當中,需要在階段性教學內容上,針對不同的工程應用教學內容引入不同的教學方式,形成“教師主持指導,學生研學并重”的教學場景,逐步提高學生參與工程實踐的感受度,讓學生真切感受到教學是以他為中心的,階梯性地讓學生獲得成就感。依據這一思路,數學建模課程可構建階梯形教學模式,如圖2所示。

圖2 數學建模課程重構中形成的階梯形教學模式

數學建模課程重構后,在第一學習階段,教師要“唱主角”,運用BOPPPS模型設計課堂教學,理論講授數學模型方法的基本概念原理,同時演示相關軟件實際操作步驟,運用相關程序庫編程解決一個具體工程應用小問題,但要通過翻轉式課堂讓學生體會主宰自己學習的感覺,并通過編程作業讓學生感受數學理論的高可用性。第二階段中,教師要多以專題研討形式拋出工程應用問題,通過討論和思辨深入闡釋模型原理,使學生獲得辨析性批判性思維,同時通過案例式作業使學生針對實際工程問題開發模型方法,形成自己解決問題的“小套路”,讓學生感覺“自己的工具箱滿了”。第三階段中,教師更多地進行策略性指導,主要是組織數學建模競賽的備賽訓練,引導學生形成分工側重、協調合作的競賽團隊,同時思辨個人和集體之間的關系,讓學生在訓練及比賽中獲得榮譽和成就。第四階段通常處于學生實習實踐階段,要讓學生帶著問題去實習,尋找運用數學模型構建能力來融合專業知識與工程實際的關鍵點,再帶著研究方向和任務回來,向指導教師咨詢解決問題的方向和路徑,形成貼合工程應用實際的畢業設計題目,并鍛煉學生單打獨斗完成畢業課題項目的綜合能力。

(四)遵循認知建構過程特點,形成多層循環持續改進的課程評價

OBE理念的目標是促成學生實現頂峰學習成果,這一過程顯然不是線性正增長的,課程評價需要對此充分考慮。因為學生知識能力素質增長過程遵循認知建構循環提升規律,循環內部是知識體系的填充和能力結構的完善,循環之間逐層提升。在前面設計課程目標、重組課程內容體系以及構建教學模式時,均考慮了這一特點,建立了適于面向工程應用的課程教學系統。在實施課程評價時,除了要在課程內容模塊中采用多元評價,還要遵循認知建構循環上升的特點,建立適合多階段的多層評價機制,同時利用循環上升的特點實施持續改進的評價過程。對于數學建模課程來說,可形成如圖3所示的課程評價過程。

圖3 多層循環式持續改進的數學建模課程評價

學生最后的頂峰學習成果的達成依賴于各個階段的教學目標。每個階段被評價達到教學目標時,其實正是下一階段評價的開始,只是已經在更高層面來進行這一工作了。在每層評價機制中,畢業要求反向引導了課程教學階段性目標,這一目標確立了多元的評價標準。圍繞數學建模課程教學內容的實施,在獲得多個教學模塊的學習成果輸出物后,就可對照評價標準進行評價,完成目標達成度計算。本層目標達成情況作為更上一層評價的基礎,在多層間持續地進行評價,同時也可作為對本層教學目標、內容和模式進行持續改進的重要參考。

五、結語

工科課程是高等院校構建工程應用型教育體系的核心,將課程建設為一門具備一定挑戰性的面向工程應用的有難度的高階課程,能夠培養學生解決專業方向上實際工程問題的創新能力。在本文提出的面向工程應用的課程重構內涵和策略的指導下,教學團隊自2021年起對數學建模課程進行了逐步重構,并在課程教學和競賽培訓中進行了實踐應用,迅速提高了學生運用數學模型方法的綜合能力素質。在2022年和2023年全國大學生數學建模競賽中獲得了1項國家一等獎、1項國家二等獎、15項省級獎的優異成績。在當前大數據技術廣泛應用的情況下,各個學科專業都面臨數據分析處理的工程應用問題,對相應的課程進行適應性重構對專業和課程發展都是有利的。在實施課程重構的過程中,首先,應當選擇與構建專業畢業能力較為接近的專業基礎課或專業課,這樣有利于對標工程教育認證標準和專業現實需求尋找課程重構的驅動力;其次,應當注意創建新的課程內容主線,并依據主線選擇或者新建相關的內容模塊,部分老舊內容雖然也很寶貴,但可以適當合并刪減,這樣更能突出創新性;最后,重構課程更要注重創新教學實踐,特別是要多嘗試新工具、新手段,讓學生能夠迅速、容易地進入學習狀態,把課程重構的效果迅速地反映到教學評估當中,有利于形成教學閉環,獲得重構的成就感,加速課程建設進度。當前大數據時代,信息大量涌現,知識迭代更新加快,進行工科課程重構能夠幫助學生更好更快地掌握工程應用思維方法和知識技能,相信本文內容能夠對課程建設和發展起到有益的推動作用。