基于工程认证OBE理念“检测技术与自动控制工程”教学改革

席国强

(重庆理工大学 材料科学与工程学院,重庆 400054)

学习产出导向(OBE)是以成果为导向的教学模式,由美国学者Spady提出。OBE 理念强调以学生学习成果为起点反向设计人才培养方案和培养过程[1,2],强调如下4个问题[3,4]:学生学什么?为什么学?如何学?学得怎么样?OBE是工程教育专业认证和新工科建设的核心理念,要求将面向工科学生的教学理念从内容为本转变为学生为本,以学生的学习成果为导向,最终达成的核心目标是培养掌握知识和具备能力的新工科学生[5]。与传统填鸭式教学理念相比,OBE理念关注学生能够做什么,而不是简单的学生知道什么,可以有效提升教学效果[6]。

“检测技术与自动控制工程”是我校材料学院材料加工专业的一门专业核心课程。该课程不仅涉及化学、数学、物理、力学、电子学等专业知识,还涉及传感器材料工艺学及企业现场的一些实际情况。因而课程包含内容极为广泛。此外,随着人工智能的发展,自动化与检测技术及其相关的理论已经成为当代科技人员的必备知识。因此,学好该课程,对其他相关专业课程的学习具有较大的帮助,在材料加工专业的人才培养体系中占有重要地位。工程教育专业认证是以培养目标和毕业要求为导向的合格性评价,其核心为确认毕业生达到行业认可的既定质量标准要求。根据OBE理念,为达成“检测技术与自动控制工程”的培养目标,该课程急需全面深化教学改革。作者对如何在工程教育专业背景下,实现“检测技术与自动控制工程”课堂教学的转变,以提高学生综合能力为目标,实现从重视知识向重视能力,从灌输知识向互动学习、自主学习转变,培养学生的创新精神、责任意识、辩证思维等,进行了相关探索。

1 “检测技术与自动控制工程”教学现状分析

1.1 师资问题

将知识转化为学生的技术能力和应用能力是工程认证的任务之一。然而,近年来各个高校引进的高层次人才基本以刚毕业的博士为主。教师队伍中具有工程背景的老师比例较低。这样虽能提升学校的科研能力及科研水平,但也使学校缺乏具有工程实践背景的人才。材料学院承担该门课程的老师以年轻博士为主,教师没有在生产一线从事过实际生产,缺乏工程实践背景。

1.2 课程内容设置问题

“检测技术与自动控制工程”是材料、机械、电气等专业的交叉学科,学科范围广且内容非常多,具体表现在概念多、公式多、逻辑性强、理论性强、实践性强。因此,在有限的学时条件下,很难全面讲授课程涉及的所有内容,这就容易导致学生对知识点掌握不牢固、对课程体系逻辑认识不清。此外,该门课程主要由检测部分和控制部分组成(包括PLC编程),检测部分涉及信息获取必须用的传感器,传感器的分类及原理是这部分的重点内容,但这部分内容与很多基础学科一样存在课程内容枯燥、创新性较弱、学生缺乏积极性的问题;控制部分包括控制基本理论及PLC编程,编程部分对于材料加工专业学生知识跨越较大、学习动力不足,很难做到理论与实践相结合。

1.3 教学模式与教学方法问题

在教学模式上,和许多基础学科一样,主要通过填鸭式的授课方式,任课教师将课程知识一股脑地传授给学生。学生在听课的时候将大部分时间用在记笔记,并以最终成绩为目标,与教师交流讨论的机会几乎为零,这对学生的自主学习能力培养非常不利。教师是主体,教师讲什么,学生学什么,学生总是被动地接受知识。因为检测部分和控制部分存在大量的原理及分类,枯燥乏味,因而和学生课堂互动感差,学生课堂参与度低,教师的思路和学生不能完全一致,甚至很多时候学生被其他事物吸引,与教师的思路脱节。这非常不利于学生自主创新能力、自主学习能力的提升。这种教学模式无法体现OBE理念的教学指导思想。另外,教学模式“一刀切”,忽视学生的差距。传统教学模式中对所有学生讲授知识的深度和范围相同,学习目标也是一样的。但各大高校扩招,学生生源参差不齐,基础差异较大,导致学习目标对于大部分同学可能难易适中,但有一小部分同学觉得目标不符。这里有两种情况,有些学习能力强的同学认为学习目标太过简单,而一些基础差的学生认为晦涩难懂,完成目标困难较大,难以跟上教学节奏。

1.4 教学评价体系问题

考核方式单一,只包括平时表现和期末试卷。在传统教学模式中,“检测技术与自动控制工程”课程考核方式多为“期末考试+平时表现”,总分为100分,其中平时表现占30%,卷面成绩占70%。平时表现来源于学生的考勤和课堂提问等,这种评价方式更侧重于评价学生有没有旷课、迟到等,而无法实现对学生当时学习情况的掌握。此外,课堂提问由于时间有限,提问次数受限,导致无法掌握学生的学习状态和教学效果,更无法满足工程认证所要求的达成度分析和科学评价的需要。

2 “检测技术与自动控制工程”教学改革

随着我国工程认证工作的全面开展,面向新一轮的专业课程改革也在加强和探究。本文从确定课程教学能力、整合课程内容、改进授课方式、优化教学评价体系等方面入手,阐明如何基于OBE理念,以学生为本,构建针对“检测技术与自动控制工程”教学方式,以改革现有的工程人才培养方式。

2.1 改善教师工程背景

改善教师工程背景打出一套组合拳:(1)加大对具有企业经历的高级人才的引进和培养,确实提高“双师型”教师比例。(2)聘请有企业背景的工程师为学校导师。与相关企业联合组建一支具有雄厚工程实力的师资队伍。一方面,将青年教师送到企业实践锻炼,另一方面,聘请企业工程师或技术专家来校教学,走进课堂。(3)鼓励教师积极参加企业主办的培训,与行业工程师保持密切联系和交流,促进理论和实践的深度融合,以加强工程实践能力。(4)鼓励校内没有工程背景的青年老师去企业挂职锻炼和培训。近年来,材料学院派出多名年轻博士去企业挂职,同时聘请具有企业背景的专家和知名工程师来校交流指导,分享相关行业的动态及成果经验,使教师不断提高工程实践能力。

2.2 教学大纲修订

在明确课程培养能力的前期下,解决传统教学过程中只注重专业知识的问题。把分组讨论、专题报告、观点辩论等加入课程教学中,培养学生的沟通和协调能力。教师备课时应充分调研和思考,该课程可以培养学生的何种能力,培养学生的哪些综合素质。课堂的教学内容要紧跟社会的需求,不能与社会脱节,以培养学生的能力为引导,以工程认证的培养目标为导向,以社会和企业需求为目标。

课程组教师在教研室通过大量讨论,依据我校材料加工专业最新的培养方案,紧密结合工程教育认证的基本要求对教学大纲进行修订,确定满足毕业要求的毕业目标。学生通过学习该门课程应掌握如下技能:(1)掌握材料成型中常用的检测技术及自动化控制的原理和方法,并用其对材料成型产品质量进行分析判断,能够用于人工神经网络、模糊控制、专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设计方法,能够完成成形过程的PLC程序设计、PLC控制系统设计开发。

可以将传感器技术、控制理论、人工神经网络、模糊控制等融入教学大纲中,从而实现课程目标对于毕业要求指标点的支撑。

2.3 教学内容改革

依照教学大纲分解出课程目标,重新整合“检测技术及自动控制工程”的课程内容。(1)构建模块化分类。“检测技术与自动控制工程”是一门交叉学科,集材料、机械、电气三位一体。这也决定了该门课程的逻辑是网状,其教学内容的设置应该注重知识模块间的科学联系,促进知识的系统化。采取模块式编排,将整个课程内容分为检测原理、控制理论、PLC编程三大板块,并采用思维导图挖掘各个板块之间的内在联系,使知识像网络一样形成一个有机的整体。这样就会使看似琐碎的知识变得条理化,更有利于学生掌握检测技术及自动控制工程的结构,从而达到举一反三,以点带面的效果。(2)精简教学内容。基于工程认证下OBE理念的指导,“检测技术与自动控制工程”注重综合能力的培养和提升。因此根据培养方案并结合实际情况修订大纲并精简教学内容是必要的。在模块化编排的基础上,对每个模块的内容进行精简,适当删减检测原理部分传感器的种类,PLC部分只保留PLC编程的基础部分,使重点突出。

2.4 教学方法改革

课堂教学环节要体现以学生为中心,课堂教学改革应着眼于提升课堂的教学质量,应该从学生一味地被动接受知识,教师填鸭式讲解,逐步向师生都为课堂主体,以交流互动为主的课堂氛围进行转变。(1)启发讨论式教学。根据课程知识点,通过网络、图片、在线课程、视频等教学资源,进行 “课前问题引入+学生查找资料+课堂互动讨论+知识点讲解+分组讨论”的形式开展教学活动。比如,讲授传感器技术时,事先通过QQ班级群布置任务:搜寻常见的传感器实物图片及其结构,以考查学生文献查阅和自主学习的能力。授课开始,同学们就课前作业进行讨论,同时老师归纳总结,引出传感器的概念、作用、分类等授课内容。最后根据讲授知识,抛出问题,比如我们选用传感器该注意什么。激发学生的好奇心,分组展开讨论,互相打分,培养学生团队合作和批判性思维等能力。(2)分级分层教学。针对学生能力差异大的现实问题,我们采用多层次教学的办法。分级分层教学要求把学生能力做一个分类,比如按照高、中、低分类,从而因材施教提高教学质量。对于高和低这两类学生需要特殊管理,对学习能力强的学生额外安排难度较大的探讨性题目,引导其完成;对于能力较弱的学生,帮助其完成课程基本要求,鼓励逐步挑战中等级别问题。分级分层的教学方式可以有效地避免优秀学生 “吃不饱”、能力差的学生“吃不了”的现象,使不同层次的学生在知识和能力方面得到充分地拓展。

2.5 教学评价体系改革

将学生的培养作为课程考核的主要目标,将学生对专业知识的掌握及应用情况作为检查作业的方向。“检测技术与自动控制工程”教研室通过充分地交流研讨,得出开展多元化考核方式。具体如下:文献查找、阅读、解析、案例调查、最新热点实时追踪等。文献查找阅读要求2人一组查阅与该学科教学内容相关的文献,制作PPT或口头讲解,并撰写笔记。例如检测的概念,使学生能够更好地理解检测和测量的区别。案例调查主要针对现实生活中跟“检测技术及自动控制工程”教学内容密切相关的案例进行调查分析,在调查分析过程中巩固知识点。比如,自动收费系统等的原理和作用,用到了哪些自动控制理论和检测知识。最新热点追踪多为人工智能发展的最新科研成果,这部分要求学生以探讨的方式进行。多元化考核方式不仅保障学生对基础知识的熟练掌握和巩固,还培养创新思维和进一步提升工程实践的能力。

建立持续改进机制。传统的做法是期末成绩占70%,平时考勤等占30%。我们调整了平时成绩和期末成绩的占比,期末成绩最多占60%;二是改进考核内容,在平时成绩中增加文献查阅、课堂讨论、案例汇报等分值;期末考试也增加了15%左右的考核应用理论分析和解决实际问题的题目。课程目标是课堂教学活动的基本点,达成度计算是检测课堂教学质量的重要手段。因此,在最后计算总成绩后,根据该门课程的课程目标,分项计算各个目标的达成度,从而获得“检测技术及自动控制工程”的达成度分析报告。

分析近三年“检测技术与自动控制工程”课程目标达成度,组建持续改进课程工作小组,由课程组教研室负责人担任组长,督促组员的持续改进过程,提出持续改进方案。平时成绩的持续改进机制如下:参考近三年各届学生的学习情况,按周统计学生各项成绩中的考核指标。期末考试考核机制为划分期末试卷,按模块化统计各项得分,认真分析各个模块学生的掌握情况。最后通过目标达成和总达成度数据,研究分析学生对每个指标点的掌握情况,提出持续改进意见。

3 结论

随着人工智能的快速发展,材料加工正在向智能加工、智能制造转变,各大企业均需要大量自动控制方面的应用型人才。根据工程认证的OBE理念,为提高人才培养质量,针对“检测技术与自动控制工程”教学存在的问题,通过提升师资工程背景、精简教学内容、改革教学手段、完善考核制度,不断地激发学生的兴趣和学习积极性,提高教学效果,最终提高其在人工智能、智能制造领域解决实际问题及开发新产品的能力。但有效快速地提高该门课程的教学质量是一项长期而艰巨的任务,如提前安排题目,需要学生课前查阅大量文献;课中讨论,会占用大量的时间和精力,如何引入灵活的工作量考核制度是一个挑战。只有不断地进行教学改革和探索,才能不断地提高学生的培养质量。整个教学过程中,教学课程组要不断地总结经验教训,反思教育行为,不断改进,以学生为中心把学生学到了什么始终作为改革的主线,融合贯穿到日常教学过程中。