張 園， 鐘志通， 劉淑波， 初俊博

(海軍大連艦艇學(xué)院 導(dǎo)彈系， 遼寧 大連 116018)

“自動控制原理”課程CDIO翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

張 園， 鐘志通， 劉淑波， 初俊博

(海軍大連艦艇學(xué)院 導(dǎo)彈系， 遼寧 大連 116018)

本文提出一種適合工程教育的“慕課”式教學(xué)新模式——CDIO翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，以解決提高學(xué)員創(chuàng)新實踐能力的要求與工程技術(shù)基礎(chǔ)課程學(xué)時有限之間的矛盾并對該教學(xué)模式的構(gòu)成和方案設(shè)計進(jìn)行了研究。本文對同類課程的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革具有一定的參考價值。

CDIO；翻轉(zhuǎn)課堂；教學(xué)模式；創(chuàng)新實踐能力

0 引言

CDIO(Conceive，Design，Implement，Operate)工程教育理念是近年來國際工程教育改革發(fā)展的最新成果，它是以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學(xué)員以主動的、實踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程，是一種將實踐教育與理論教育相結(jié)合的教育理念[1-3]。自2000年在全世界以MIT為首的幾十所大學(xué)操作實施以來，已取得了顯著成效。

“慕課”MOOC (Massive Open Online Course)是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下在線學(xué)習(xí)發(fā)展的產(chǎn)物?！澳秸n”與實體課堂的結(jié)合是未來教育改革的方向，這就是翻轉(zhuǎn)課堂[4-6]。即在信息化環(huán)境中，教員提供以教學(xué)視頻為主要形式的學(xué)習(xí)資源，學(xué)員在上課前完成對教學(xué)視頻等學(xué)習(xí)資源的觀看和學(xué)習(xí)，師生在課堂上一起完成作業(yè)答疑、協(xié)作探究和互動交流等活動的一種新型的教學(xué)模式。

目前對翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的研究與應(yīng)用主要集中在中小學(xué)教育，在高校尤其是自動控制類課程的研究與應(yīng)用成果較少。該模式研究的滯后不利于翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在高校教學(xué)中的應(yīng)用實踐，本文的研究目標(biāo)就是結(jié)合CDIO工程教育理念在理論與實踐層面上對翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式進(jìn)行探索，為該教學(xué)模式的應(yīng)用實踐提供參考和借鑒。

1 CDIO翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式構(gòu)成

從面向教學(xué)實踐的視角看，通常一個完整的教學(xué)模式包括理論基礎(chǔ)、目標(biāo)傾向、實現(xiàn)條件、操作程序以及效果評價五個構(gòu)成部分。

1.1 理論基礎(chǔ)

CDIO教學(xué)理念是在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)下的教學(xué)理念，是“做中學(xué)”原則和“基于項目的教育和學(xué)習(xí)”的集中體現(xiàn)。CDIO共有12項標(biāo)準(zhǔn)，涉及“背景”、“課程發(fā)展”、“設(shè)計-實施經(jīng)驗和工作平臺”、“教學(xué)和學(xué)習(xí)方法”、“評估”等內(nèi)容，是CDIO的理論基礎(chǔ)。

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的理論基礎(chǔ)主要是“掌握學(xué)習(xí)”理論。該理論是 20 世紀(jì) 60 年代末期產(chǎn)生于美國的一種教學(xué)理論，它的代表人物是美國心理學(xué)家、教育家本杰明·布盧姆(B.S. Bloom)?！罢莆諏W(xué)習(xí)”理論的基本思想是大多數(shù)學(xué)員(也許是 90%以上)最終都能夠掌握所傳授的知識，教學(xué)的任務(wù)就是要找到使學(xué)員掌握所學(xué)知識的手段。許多學(xué)員之所以沒有取得良好的學(xué)習(xí)成績，其原因不在于智力方面，而在于未能得到適合于他們不同特點所需要的教學(xué)幫助和學(xué)習(xí)時間。

1.2 目標(biāo)傾向

CDIO有三個目標(biāo)：一是讓學(xué)員掌握深厚的知識和技術(shù)基礎(chǔ)；二是培養(yǎng)學(xué)員個人的職業(yè)技能；三是讓學(xué)員懂得未來研究工作的重要性和戰(zhàn)略價值，以及自身肩負(fù)的社會責(zé)任。

傳統(tǒng)的班級授課制的教學(xué)有兩個最大的問題：一個是很難激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)的主動性，另一個就是很難按照每一個學(xué)員的學(xué)習(xí)進(jìn)度開展教學(xué)。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式就是為解決這兩大問題發(fā)展起來的。該模式的目標(biāo)就是在不改變班級授課制的前提下盡量適應(yīng)學(xué)員的實際學(xué)習(xí)情況，從而把學(xué)員的學(xué)習(xí)主動性充分地發(fā)揮出來。

CDIO翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式將CDIO理念和“慕課”翻轉(zhuǎn)課堂模式有機(jī)結(jié)合，旨在解決新的合訓(xùn)專業(yè)培養(yǎng)方案下，提高學(xué)員創(chuàng)新實踐能力的迫切要求與工程技術(shù)基礎(chǔ)課程學(xué)時壓縮之間的突出矛盾。

1.3 實現(xiàn)條件

CDIO翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的實施對教員、學(xué)員都提出了新要求，有技術(shù)層面的也有觀念層面的。教員要進(jìn)行“慕課”教學(xué)視頻、教學(xué)項目庫、遠(yuǎn)程實驗教學(xué)系統(tǒng)、理論實踐一體化教材等教學(xué)資源的建設(shè)，并通過適當(dāng)?shù)姆绞浇o班級里的每一位學(xué)員共享。技術(shù)層面要求學(xué)員具備一定的信息素養(yǎng)，要求教員具備較好的工程素養(yǎng)，一定的信息化教學(xué)能力。在觀念層面要求學(xué)員有一定的元認(rèn)知監(jiān)控能力，要求教員能及時轉(zhuǎn)變自身角色，從課堂教學(xué)活動的主導(dǎo)者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)員學(xué)習(xí)的合作者。

1.4 操作程序

CDIO翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的操作程序有四個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：課前知識自主獲取，課堂知識能力內(nèi)化，課后知識能力固化，課余知識能力升華。各部分雖然獨立設(shè)置，但相對于某一門課程，又相輔相成，有機(jī)聯(lián)系，互相促進(jìn)。

1.5 效果評價

只有針對預(yù)設(shè)目標(biāo)的評價才是最有效的，因此檢驗翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)效果的依據(jù)有三個方面：第一要看是否維持了班級授課制的教學(xué)組織形式和原有課堂教學(xué)時數(shù)；第二要看學(xué)員的學(xué)習(xí)主動性是否得到了有效的發(fā)揮；第三要看學(xué)員的創(chuàng)新實踐能力是否得到提高。

2 CDIO翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式方案設(shè)計

以“自動控制原理”課程為例進(jìn)行CDIO翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革方案設(shè)計。

2.1 課前網(wǎng)上自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)設(shè)計

教員主要進(jìn)行微課程的設(shè)計和錄制、課前針對性練習(xí)測評(微練習(xí))設(shè)計、網(wǎng)上答疑交流以及根據(jù)反饋信息調(diào)整課堂教學(xué)設(shè)計。

由于“自動控制原理”課程理論性較強(qiáng)，相應(yīng)的微課程應(yīng)盡可能避開嚴(yán)密但艱澀的理論推導(dǎo)，轉(zhuǎn)而以實例、Matlab仿真結(jié)果等更直觀的替代方式引出重要的知識點，要盡可能深入淺出、簡潔精練地搭建主體知識框架。

為了照顧不同層次學(xué)員的要求，將知識的講解按難度分為基礎(chǔ)層、提高層及拓展層制作成三類視頻，學(xué)員可根據(jù)自己的實際知識水平及能力選擇觀看。

除了課前針對性練習(xí)測評設(shè)計外，教員還需要根據(jù)選擇的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計成課前學(xué)習(xí)單，以學(xué)習(xí)單上列出的問題來引導(dǎo)學(xué)員自主學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)單一般包括五方面問題的設(shè)計，即讓學(xué)員主動回答“我知道什么？”“我想學(xué)什么？”“我發(fā)現(xiàn)了什么問題？”“我已經(jīng)學(xué)會了什么？”以及“我如何學(xué)會的？”。

教員通過交流平臺中學(xué)員所提出的疑問、學(xué)員課前測評結(jié)果和學(xué)員填寫的學(xué)習(xí)單，總結(jié)出一些有針對性的探究題目，以課內(nèi)學(xué)習(xí)單的形式準(zhǔn)備，課內(nèi)學(xué)習(xí)單的設(shè)計與課前學(xué)習(xí)單的設(shè)計類似。即針對課內(nèi)學(xué)員的活動(獨立探究、協(xié)作學(xué)習(xí)、成果交流和匯報、評價等)進(jìn)行設(shè)計。

學(xué)員以“慕課式”網(wǎng)絡(luò)課程為支持，了解學(xué)習(xí)任務(wù)，觀看微課程或其它學(xué)習(xí)材料，進(jìn)行課前練習(xí)與測評，填寫課前學(xué)習(xí)單。為了達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果，上述四個環(huán)節(jié)每個環(huán)節(jié)結(jié)束后均可以返回上一環(huán)節(jié)重新學(xué)習(xí)。

2.2 課上項目探究實踐環(huán)節(jié)設(shè)計

由于課程理論性強(qiáng)，難度大，教員必須利用足夠的課堂教學(xué)時間對偏難、偏深的內(nèi)容進(jìn)行講解，并順便將學(xué)員在課前學(xué)習(xí)出現(xiàn)的共性問題進(jìn)行集中講解，由于學(xué)員在課前已經(jīng)進(jìn)行了自主學(xué)習(xí)，因此，與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，課堂講解時間可適當(dāng)縮減。比如，“線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析”一節(jié)，課前的微課程可利用Matlab仿真工具，畫出各種典型系統(tǒng)的零極點分布與單位脈沖響應(yīng)曲線，用直觀的方式引導(dǎo)學(xué)員猜想得出系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件，而在課堂教學(xué)中只需為學(xué)員進(jìn)行理論分析。其余各節(jié)的設(shè)計與此類似。

在接下來的項目探究過程中，教員首先根據(jù)項目的難易程度以及學(xué)員的探究意愿對學(xué)員進(jìn)行分組，一般小組規(guī)模不能太大，控制在5人以內(nèi)，并對小組中成員進(jìn)行任務(wù)分工。如果涉及的問題比較簡單，可以設(shè)計學(xué)員獨立探究的形式，然后讓學(xué)員組成小組相互交流成果。

接著，教員在理論實踐一體化教學(xué)場所組織學(xué)員對項目進(jìn)行獨立探究或協(xié)作探究，對學(xué)員的理論探究和協(xié)作探究進(jìn)行指導(dǎo)。在課堂中當(dāng)學(xué)員出現(xiàn)一些新問題時，如果課堂時間充足，可以針對新問題組織、指導(dǎo)學(xué)員進(jìn)行探究，否則把其作為課外探究的主題融合到后續(xù)的教學(xué)內(nèi)容中。

最后，教員組織學(xué)員進(jìn)行成果交流與匯報，對探究過程和結(jié)果進(jìn)行集中講評，重點鼓勵學(xué)員的積極探索和交流協(xié)作精神；并對整節(jié)課的知識、方法進(jìn)行系統(tǒng)梳理；對學(xué)員的課堂表現(xiàn)進(jìn)行評價。

在項目探究過程中，對于一些小的問題或任務(wù)，學(xué)員在教員的指導(dǎo)下自主獨立進(jìn)行理論探究和實踐探究，實現(xiàn)對知識內(nèi)容的內(nèi)化，對于較為完整的項目，在教員指導(dǎo)下進(jìn)行協(xié)作探究，明確小組任務(wù)和成員分工，相互支持和配合。探究完成后，進(jìn)行成果交流與匯報，并對自己的學(xué)習(xí)效果和小組的學(xué)習(xí)成效進(jìn)行自評和他評。

2.3 課后網(wǎng)上復(fù)習(xí)實踐環(huán)節(jié)設(shè)計

教員需要設(shè)計復(fù)習(xí)思考題、書面作業(yè)和網(wǎng)上作業(yè)，并進(jìn)行網(wǎng)上答疑。作業(yè)的設(shè)計原則是兼顧基本要求和學(xué)員個性需求，形式多樣化。從形式上，作業(yè)分為思考題、書面作業(yè)和網(wǎng)上作業(yè)三種；從要求上，作業(yè)分為必做題和選做題兩部分。

學(xué)員需要完成書面作業(yè)和網(wǎng)上作業(yè)，以作業(yè)和復(fù)習(xí)思考題等為牽引進(jìn)行知識能力的固化。需要更多練習(xí)的學(xué)員可利用網(wǎng)絡(luò)課程中的“題海導(dǎo)航”模塊。遇到問題可考慮下述解決途徑：①參考網(wǎng)絡(luò)課程中“講授教材”(本校教員的講授視頻+PPT)、“電子教案”(本校教員的PPT)、“他山之玉”(外校教員的講授視頻)、“精品課件”(外校教員的PPT)以及“資源集錦”、“網(wǎng)絡(luò)教材”等模塊；②依據(jù)“每講學(xué)習(xí)提示”查閱本講的參考資料；③求助于教員、同學(xué)或在虛擬教室的論壇上留言待答，還可利用項目庫或遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)繼續(xù)實踐探究。

2.4 課余創(chuàng)新實踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)設(shè)計

教員要為學(xué)員的知識能力升華提供支持，依托學(xué)校創(chuàng)新實踐活動，或組織課外研究小組，為少數(shù)學(xué)有余力且興趣濃厚的學(xué)員提供課余創(chuàng)新實踐訓(xùn)練的組織指導(dǎo)。

學(xué)員可利用網(wǎng)絡(luò)課程中相應(yīng)模塊，依據(jù)自己的興趣和能力將知識擴(kuò)展延伸。對學(xué)科前沿感興趣的學(xué)員可推薦“文本資源”模塊；對英語感興趣的學(xué)員建議利用“雙語教學(xué)”模塊；對仿真實踐感興趣的學(xué)員建議利用“輔助教學(xué)”模塊；對綜合實踐感興趣的學(xué)員建議利用“案例精選”和“畢設(shè)作品”模塊，或直接利用遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)進(jìn)行實踐。

學(xué)有余力且興趣濃厚的學(xué)員可按以下步驟參與課外研究小組活動：①填報意愿。學(xué)期開始，學(xué)員依據(jù)自己的興趣愛好填報參加研究小組的意愿；②組成團(tuán)隊。按照自愿組合和教員建議相結(jié)合的方式按每個方向3至5人組成研究團(tuán)隊；③制定計劃。研究團(tuán)隊根據(jù)研究方向在教員的指導(dǎo)下制定具體的研究目標(biāo)和實施計劃；④定期交流。除了平時的討論交流外，研究小組每周至少進(jìn)行一次教員指導(dǎo)下的討論交流。匯報研究成果，交流研究體會，解決困難和問題，明確下一步的工作；⑤成果匯報。學(xué)期末每人寫出研究報告，并以研究團(tuán)隊為單位匯報展示整個學(xué)期的研究成果、總結(jié)經(jīng)驗；⑥研究延續(xù)。成果突出的學(xué)員可在教員的指導(dǎo)下撰寫科技論文，并作為團(tuán)隊領(lǐng)隊培養(yǎng)，并提前進(jìn)入課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計階段。

2.5 考評方法設(shè)計

學(xué)員考評成績由形成性考評與終結(jié)性考評兩部分構(gòu)成。其中終結(jié)性考評(結(jié)束時考試)占60%，形成性考評占40%。形成性考評包括課前、課上、課后、課余考評四項，分別占總成績的10%、16%、10%和4%。課前主要評價網(wǎng)上測試的完成情況；課后主要評價書面作業(yè)和網(wǎng)絡(luò)作業(yè)的完成情況；課上成績由學(xué)員自評、小組評價、小組互評、教員評價共同構(gòu)成，其中小組評價和教員評價分別占總成績的5%，學(xué)員自評和小組互評分別占總成績的3%。

2.6 設(shè)計案例

以“控制系統(tǒng)的時域校正”一節(jié)為例，該節(jié)的主要教學(xué)內(nèi)容為：時域串聯(lián)校正、反饋校正及兩者的比較，該節(jié)的教學(xué)設(shè)計如圖1所示，分為課前、課上、課后和課余四個環(huán)節(jié)。

圖1 “控制系統(tǒng)的時域校正”教學(xué)設(shè)計

課前主要掌握基本概念，課上、課后和課余主要通過項目探究深入學(xué)習(xí)。課上以貫穿課程始終的課上探究項目(某火箭深彈發(fā)射炮隨動系統(tǒng))貫穿本次課，項目的探究隨教學(xué)內(nèi)容逐步深化，串聯(lián)校正的作用探究明確后，采用串聯(lián)校正進(jìn)行嘗試，發(fā)現(xiàn)問題后，再引導(dǎo)學(xué)員探究反饋校正的作用，待作用明確后，對項目繼續(xù)采用反饋校正進(jìn)行嘗試，直到問題基本解決。課堂教學(xué)完成后，通過對課后實踐項目(某艦炮隨動控制系統(tǒng))的探究進(jìn)行復(fù)習(xí)鞏固。學(xué)有余力者還可通過對課余創(chuàng)新實踐項目(直線一級倒立擺控制系統(tǒng))的探究擴(kuò)展延伸，完成由仿真項目探究到實際項目探究的飛躍。

探究校正作用時，采用對比的方法，理論分析與計算機(jī)仿真相結(jié)合，邊講邊算邊做邊比。先對比校正前后的理論計算結(jié)果，再對比校正前后的仿真結(jié)果，從而得出校正的作用。兩種校正方法最后也要對比。

教學(xué)實施依托自主開發(fā)的“自動控制原理”慕課式網(wǎng)絡(luò)課程、艦載武器隨動系統(tǒng)設(shè)計仿真實驗平臺以及實驗室的直線一級倒立擺等實驗設(shè)備。

3 結(jié)語

本文介紹的CDIO翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，創(chuàng)造性地將工程教育改革的最新理念CDIO和在線教育的最新模式——“慕課”翻轉(zhuǎn)課堂模式有機(jī)結(jié)合，既發(fā)揮了CDIO培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新精神的優(yōu)勢，又發(fā)揮了翻轉(zhuǎn)課堂提高課堂效率的優(yōu)勢，且克服了翻轉(zhuǎn)課堂不適合實踐教學(xué)的缺點，實現(xiàn)了取長補短和優(yōu)勢互補，探索了一種適合工程教育的“慕課”式教學(xué)新模式，能夠在有限的學(xué)時內(nèi)最大限度地培養(yǎng)學(xué)員的實踐能力和創(chuàng)新精神。

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CDIO Flipped Class Teaching Mode of Automatic Control Principle Course

ZHANG Yuan, ZONG Zhi-tong, LIU Shu-bo, CHU Jun-bo

(Dept.ofMissile,DalianNavalAcademy,Dalian116018,China)

In this paper, we explore a new kind of MOOCs teaching mode suitable for engineering education—CDIO flipped class teaching mode, and study the structure and scheme design of this mode, in order to solve the prominent contradictions between the urgent requirement of innovation and practice ability for students and the limited class hours of the engineering technology basis courses. This paper has some reference value for flip class teaching reform of similar courses.

CDIO; flipped class; teaching mode; innovative practical ability

2016-04-07;

2016-09- 10

張 園(1972-)，女，博士，副教授，主要從事機(jī)動目標(biāo)跟蹤，智能控制的教學(xué)和研究，E-mail：zhangyuanlitao@163.com

G642.0

A

1008-0686(2017)02-0107-04