混合式工程實踐的教學重構
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摘 要：本文通過對整個教學周期22個教學班級581名學生的工程背景、教學效果的問卷調查，以目標遞進分層教育理論為基礎，構建了“課內引導、線上學習，線上答疑與課內實踐、特需預約”相融合的混合工程實踐模式，不僅極大地削弱了實踐過程中知識和能力的積重效應的影響，提高了課堂效率，改善了教學效果;還有效地解決了以CDIO模式為主線的項目教學久懸不決的課外實踐指導與教師工作時間相沖突的矛盾。
關鍵詞：工程教育改革;工程實踐;“互聯網+教育”
近年來，隨著網絡技術、大數據、人工智能（AI）、虛擬現實（VR/AR）等技術發展，基礎實踐教學在高校創新人才培養過程中所發揮的作用有不斷被弱化的趨勢。主要表現在學時不斷被縮減、學生的重視度日趨降低等，導致教與學的矛盾不斷升級。譬如，工程理論基礎講多了，勢必減少學生動手操作環節，難以達到相應的實踐教學目標;反之，缺乏基礎的學生認為講解不透徹，進入動手實踐環節又感覺束手無措，同樣無法實現相應的實踐教學目標。這既不利于貫徹工程教育回歸工程實踐的教學理念，也很難使學生通過工程實踐系統地掌握工程技術知識，領悟工程實踐教學的真諦。同時，自主、開放、多元的創新人才平臺培養模式不僅實踐學時少、工程實踐要求高、實踐任務涉及技術基礎寬泛，而且存在多學科交叉、教學對象多元化以及不同程度的積重效應，若不借助于現代化教學手段或方法，很難達到應有的實踐教學效果和培養目的。
為此，我們在上海交通大學教學發展基金項目資助下，經過一年多努力研究，逐步探索出“互聯網+教育”環境下線上學習與課內實踐相融合，促進學生工程能力輸出為導向的混合式實踐教學模式，以及結果與過程考核并重的綜合評價體系。
一、當前工程實踐教學過程中存在的實際問題
董仲舒《春秋繁露·度制》：“孔子曰：‘不患貧而患不均’，故有所積重則有所空虛矣。”此言在教學中亦然。對于大多數教師而言，一般不會過于擔心學生的基礎強弱，反而可能更擔心學生基礎的參差不齊。學生基礎的差異增加了組織課堂教學的難度，影響教學效果和教學目標的實現。而學生在學習過程中也會有意識無意識地不斷發揮自己的長處，回避自己的弱點，長久積聚就會造成強項恒強，弱項恒弱。這種現象可稱之為教學中的“積重效應”。
1.多學科交叉平臺培養模式下產生的能力“積重”效應
“工程實踐”是我校學生創新中心依據學校多學科交叉、復合型創新人才培養計劃和培養方案的要求，為工科創新人才培養平臺、生命與環境交叉平臺等平臺類學生量身打造的綜合性實踐課程。該課程集實踐性、工程性、技術性、綜合性為一體，涵蓋了機與電的十幾個實踐環節，且融合了前沿技術及開源硬件創客實踐支撐平臺，實踐過程是以CDIO模式的項目教學為主線組織實施教學，旨在鍛煉和培養學生的動手實踐能力。
不分專業的平臺式培養理應使學生有著相同的理論基礎和相似的工程背景，理論上應該有利于“工程實踐”課程教學。但在實際教學中卻發現，學生工程基礎存在不同程度的積重。一方面，中學階段的教育培養環境奠定了不同的原始基礎;另一方面，基于平臺的創新思維培養理念在傳授知識、培養能力、拓寬思維的同時，也會進一步拉大學生之間的工程基礎差距。譬如“工程學導論”課程由來自不同專業院系的數十位教師共同承擔且并行授課，每個教學班上限人數33人。表面上學生選修同一門課程，但是由于所在教學班級的牽制，自主多元的研究項目、開放型的研究結果、授課教師的專業導向以及學生學習風格差異等諸多因素影響，導致學生雖處同一個人才培養平臺，卻產生了能力不同、層次各異的工程基礎。再者，許多大學課程在教學改革中常需要學生進行團隊合作，對學生而言，其學習目標除了獲取知識，更為獲取好成績盡可能發揮團隊成員的優勢。傾向性的知識學習，也會進一步加劇學生能力方面的積重現象，強項恒強，弱項恒弱。
2.開放多元的創新人才培養模式與計劃性實踐安排造成知識重疊
創新驅動引領人才培養。我校針對不同創新人才培養平臺、實踐學時以及教學要求，將“工程實踐”課程分為A類、B類及體驗與創新三個層次，分別組織實施教學。在開放多元的創新人才培養模式下，學生在學習公共基礎課之余，可以依據興趣或學習動機自主選擇參加一些課程、創新研究項目或者各類科技競賽等。學生在不同環境下汲取知識，難免會造成一定程度上的知識重疊。
另外，教育部已將人工智能（AI）納入中學課程，部分大學新生已對風靡國內外的Arduino開源硬件創客實踐平臺有所了解。而大一開設的新生機械創意大賽、平臺型課程“工程學導論”“企業選修課”“開源硬件創客實踐”等，均或多或少涉及到Arduino開源硬件方面的知識。由此可見，不管學生入學前是否有機會接觸Arduino開源硬件，一年級涉及到的概率都很大。二年級接踵而來的工程實踐環節仍有50%概率被安排了“Arduino的系統應用與拓展”實踐項目。因此，如果在組織實施教學時不考慮學生的知識背景和能力背景，必然會造成不同程度的知識重疊，從而使學生產生厭倦或知識積重效應。
3.CDIO工程教育模式下團隊合作產生的積重效應
以MIT、KTH等國際一流大學倡導的構思—設計—實現—運作（CDIO）工程教育理念引發的高校工程教育改革[1，2]，在很大程度上顛覆了師傅帶徒弟的傳統實踐教學觀念，其從構思到運作的項目導引教學模式也充分體現了工程實踐的系統性、技術性、實踐性的特點，對培養和鍛煉學生團隊合作和實踐動手能力具有重要作用。但是以項目為主線的CDIO模式需要學生以團隊合作的形式進行，而分工時團隊成員會有意無意地各自承擔自己擅長的或感興趣的工作內容，必然使隊員的強項進一步加強，而弱項得不到鍛煉，加劇了能力的積重效應。
綜上可知，造成積重效應的原因是多方面的，既有主觀因素，也有客觀因素;既有教的因素，也有學的因素。但是不管何種原因，積重效應的存在都會對實踐教學效果產生諸多不良影響。為了消除或削弱積重效應的影響，促使低年級本科生各項技能均衡發展，實現以培養學生工程能力輸出為目的的教學目標，我們探索構建了新的混合式工程實踐模式。 二、“互聯網+教育”環境下混合式工程實踐的教學重構
在“互聯網+教育”環境下的開放與多元化學習時代，不僅學生獲取與掌握知識的途徑與速度發生了空前的變化[2]，以MOOC、SPOC等為代表的在線教育更是顛覆了傳統的教學理念和人才培養模式[3，4]，主導著理論課堂教學模式的變革，推動著教學信息化快速發展[5]。
同時，也引發了翻轉課堂在教學環節的地位與發展趨勢的思考，甚至提出虛擬實驗（VR/AR）替代實際課堂之構想。但是，對于“工程實踐”這門極具實踐性、工程性特點的課程，其教學目標是以鍛煉和培養學生實際動手操作能力和工程能力，一貫秉承“能實不虛”的教學宗旨，那么，應該如何利用現代教學手段，既消除或削弱積重效應對實踐教學過程的影響、提高課內實踐效率和教學效果，又能有效地解決項目教學課外實踐的瓶頸問題呢？
所謂尺有所長，寸有所短。既然傳統的實踐模式和單純的“翻轉課堂”均無法很好地解決當前因多種因素導致的工程實踐教學面臨的實際問題，那么將兩種教學模式進行有機結合，構建一種新的實踐模式或許是一條可行的途徑。針對課堂實際，并結合多年教學經驗，我們以“Arduino系統應用與拓展實踐”教學模塊為研究支撐，將MOOC、SPOC（或微平臺、雨課堂、云平臺）等現代化在線學習方法和教學手段引入傳統工程實踐教學，將線上學習與線下課內動手實踐、線上答疑與課外項目實踐有機結合，重新構建了互聯網背景下工程實踐的教學新思路。
1.以學生工程能力輸出為培養導向的實踐教學目標
葉圣陶先生曾說過：“教，是為了不教。”
教，并非簡單地傳授知識和技能，而是希望通過“教”讓學生學會自我學習的方法和能力，達成教之目的。在實踐教學中要想通過“教”達成真正的“不教”，就不能簡單地教學生如何動手去做，而是讓學生在實踐中掌握做的能力，懂得做是為了創造?？梢姡瑧鞔_并建立以培養學生工程能力輸出導向的教與學相融的教學目標，設計與之匹配的實踐任務，以實現“授之以漁”的目的。
知之方能達之。充分了解創新人才培養平臺對實踐教學要求以及學生學習期望，設計與之匹配的教學目標和實踐項目，細化實踐方案是新實踐教學模式實施的關鍵。首先，通過問卷調查獲取學生先修課程情況、對Arduino及相關知識的涉獵程度、學習期望等基本信息，對照實踐教學大綱和分析結果，迅速判斷出課堂知識和能力的積重程度。然后，針對各平臺培養體系對實踐教學的要求、計劃學時數以及調查結果，設計與之相應的教學目標、教學大綱。最后，按照基礎實踐、綜合實踐和自主實踐三個遞進階段組織教學實施。
2.課內引導、線上自學與課內實踐相融合
忽視學生知識背景和能力背景的課堂組織，可能對實踐教學帶來災難性后果。一方面，可能會因教學內容和實踐環節設置不合理，影響學生的學習熱情，甚至導致教學目標與學習目標的脫節。另一方面，因為每個教學班的積重程度有所不同，預設情況可能會隨著教學進程發生變化，很難用相同教學方法解決不可預測的突發狀況。我們在研究嘗試引用MOOC、SPOC等在線教育以期消除積重效應的過程中，發現翻轉課堂需要學生投入太多課外時間和精力，這對一向不被重視的工程實踐而言，學生的積極性遠低于預期。若將翻轉課堂嵌入課內，因積重效應存在和所采用分層逐級遞進的實踐方法[2]，每組學生的實踐進度不一致，所需知識各異。在有限空間內，小組討論或視頻播放可能會相互干擾，勢必影響教學秩序和教學環境。
為此，我們通過課內引導教學，將線上學習和課內實踐融會貫通進行教學重構，教學成效顯著。實踐過程分為基礎實踐、綜合實踐與自主實踐三個基本層次。每個層次都精心設計N（N>5）個難度相當、接近工程實際、網上又無法查閱到直接答案的實踐主題項目或自主設計主題，謂之“細胞項目”。其中，基礎實踐再分為“學”與“用”兩個梯度，“學”是模仿做，“用”是自主做。細胞實踐項目或實踐主題與實踐要求、教學PPT、技術資料、設計示例等相關信息發布在學校云盤、微平臺，或嵌入雨課堂等互聯網學習平臺。學生完成基本實踐后，可以依據所處培養平臺的實踐要求、個人興趣以及實踐進度選擇相應實踐任務進入下一階段，使集中授課、集中實踐轉為分散與集中相結合的授課方式。
教學組織及教學進度設計以教學班級的多數同學情況為參考，學生完成當前任務經考核后方能進入下一實踐階段。對零基礎或基礎薄弱者，老師或助教重點輔導;對于基礎能力強者，可以申請跳過基礎層次直接進入綜合層次或進入自主實踐，獲準進入自主實踐的組別需提交主題設計思路。貫穿實踐過程的課內引導、線上學習與課內實踐融合的實踐模式，既解決課內積重效應，又實現了課內實踐的無隙延伸。
3.角色互換，揚長補短，促使學生工程能力均衡發展
實踐教學對象多為低年級本科學生（甚至是剛踏入大學校門的新生），多數同學還沒有完全適應大學自主學習、主動實踐的學習方式。在實踐教學過程中，若以單兵作戰完成實踐項目，學生或深感無所適從，或忙中出錯。若簡單地以小組為單位進行實踐活動，因積重效應導致某些小組恰好是強弱組合，則會出現能力強的學生自始至終都在主導實踐，能力弱的學生一直作壁上觀，完全沒有動手參與的機會。結果是強者恒強，弱者恒弱，不僅達不到能力培養的實踐目的，反而進一步加重積重效應。
為了鍛煉每個學生的工程能力，我們在基礎實踐教學階段實行角色互換、揚長補短。實踐仍以小組為單位，每組2人可以自愿結合，設A、B角色，并結合實踐任務及設計要求明確分工，根據進度互換角色、交替進行。譬如在第一個實踐項目A同學負責電路設計，B同學編寫控制程序;之后B同學要負責檢查A同學的電路連接是否正確，A同學則檢驗B同學的程序設計是否合理或最優。發現了問題，還需要提出相應解決措施，遇到實在解決不了的難題，可以提請助教或老師指導。進入下一實踐任務時，A、B互換角色，直至相互配合完成給定實踐任務。角色互換，不僅揚長補短，全方位鍛煉每個學生的實踐動手能力，還能培養學生責任心與分析解決問題的能力，使低年級學生的工程素養和工程能力得到均衡發展。 4.在線答疑與預約指導，有效解決課外實踐的瓶頸問題
我校實踐教學與理論教學一樣，屬于分散實踐，即按照每周實踐1天的教學安排嵌入到日常教學中。因此，大多數學生的項目實踐只能利用晚上或周末進行設計與調試，這與教師的工作時間完全相悖，課外指導及實時答疑問題一直是項目教學懸而不決的瓶頸。
“互聯網+教育”時代，知識傳遞于無聲處，手機也從單純的通訊工具漸漸地成為互聯網環境下教與學的載體。我們依托學校課程網站、云平臺或清華大學雨課堂等多種形式提供在線學習或技術支撐。還借助QQ或微信，以教學周期和教學班級為標準，建立網絡化實時答疑環境。學生在課外實踐中遇到了困難或問題，可以隨時發布并@老師，老師則依據實際情況實時解答或定期答疑;或者通過信息平臺與其他在線同學交流討論。需要面授解答或硬件平臺支撐的同學，也可以通過微平臺聯系預約。在線實時答疑微平臺的建立，有效地解決了項目教學課外指導的瓶頸問題。
5.過程與結果并重的評價體系，激發學生創造力，培育工匠精神
工程實踐的宗旨是培養學生工程能力和創新意識，不僅僅看學生是否學會了做，更重要的是能否運用知識去創造。探索性創造必然伴隨著艱辛、挫折或失敗，而僅僅強調結果忽略過程的考核方式會挫傷學生敢于設想、勇于創新的積極性，甚至產生消極怠工的負面情緒。反之，片面強調過程而忽視結果的考核方式，雖有助于激發學生潛在的創造力，但盲目追求過程考核，會使一些學生好高騖遠，脫離實際。
我們的過程與結果并重的綜合評價，將實踐過程的每一個環節和階段性實踐結果都納入考核。從基礎實踐規定項目到自主創意實踐，每個階段的項目設計構思、編程控制、工程規范、語言表達、獨立性、報告撰寫、創新性、精力投入程度，甚至實驗設備的使用與管理，以及項目完成情況都列入考核范圍。再按照每個培養平臺的計劃學時、實踐大綱、教學任務，分別制訂包含A+、A、A-、B+、B、B-…D、F等級的評價標準，并隨著教學深入實時跟進考核，最后進行歸算，得出每個學生的實踐成績。
過程與結果并重的綜合評價體系既有助于激發學生敢于設想、勇于創新的精神，也能更好地培育腳踏實地、精益求精的工匠精神。
參考文獻：
[1] 王世斌，等.高等工程教育改革的理念與實踐——以麻省、伯克利、普渡、天大為例[J].工程教育研究，2011（1）.
[2] 王留芳.面向多元化學生的實踐教學策略研究[J].中國大學教學，2016（8）.
[3] 黃震.基于慕課和混合式教學的工程教育探索與實踐[J].高等工程教育研究，2016（4）.
[4] 江志斌，等.基于MOOCs的教育教學改革[J].高等理科教育，2014（4）.
[5] 戴鷺堅.借鑒“翻轉課堂”教學模式，推動教學信息化快速發展[J].吉林省教育學院學報，2014（4）.
[項目資助：本課題獲得上海交通大學教學發展基金項目“基于混合式教學的工程實踐模式探索性研究（CTLD16B3004）的資助]
[責任編輯：夏魯惠]
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