晏 涌， 劉學(xué)君， 藍 波 ， 周義明， 亢 勇

(1. 北京石油化工學(xué)院 信息工程學(xué)院， 北京 102617；2. 北京石油化工學(xué)院 安全工程學(xué)院， 北京 102617)

教育部2016年4月8日發(fā)布的《中國工程教育質(zhì)量報告》顯示，2014年，我國工程教育在校生規(guī)模占全國普通高校本、專科在校生總數(shù)的38.2%，規(guī)模位居世界第一[1]。同時《報告》表明，工科畢業(yè)生在專業(yè)知識、邏輯思維、工具使用、研究能力、職業(yè)道德等方面的表現(xiàn)得到企業(yè)充分肯定，但在前沿知識、創(chuàng)新能力、外語交流能力、分析解決工程問題能力、行業(yè)法律法規(guī)意識等方面評價相對較低。工程教育如何適應(yīng)工程科技飛速發(fā)展是當(dāng)前迫切需要解決的問題，也依然是近幾年我國工程教育的改革和發(fā)展方向[2-5]。

2010年，我校成為全國首批61所“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”試點高校，也是北京地區(qū)10所獲批高校中唯一的一所地方本科院校，其自動化專業(yè)進入首批試點專業(yè)[5]。在這個背景下，為了進一步加強我校本科學(xué)生在創(chuàng)新能力、分析解決工程問題能力等方面的能力培養(yǎng)，“電子工程設(shè)計”課程遵循“成果導(dǎo)向教育”(outcome-based education， OBE)的工程教育模式、依托自動化專業(yè)人才培養(yǎng)模式進行了持續(xù)改革。本課程設(shè)計小型溫度測量與控制系統(tǒng)項目，重新設(shè)計目標(biāo)、內(nèi)容和考核體系，并采用多種方式反饋修正教學(xué)內(nèi)容和方式，近5年的實施結(jié)果表明，該課程可以有效地提高學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

1 OBE工程教育模式

OBE是以預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出為中心來組織、實施和評價教育的結(jié)構(gòu)模式。在OBE教育模式中，教育者必須對學(xué)生畢業(yè)時應(yīng)達到的能力及其水平有清楚的構(gòu)想，然后尋求設(shè)計適宜的教育結(jié)構(gòu)來保證學(xué)生達到這些預(yù)期目標(biāo)[6-8]。OBE模式的教育理論基礎(chǔ)是:

(1) 泰勒原理，確定教育目標(biāo)—選擇教育內(nèi)容—組織教育經(jīng)驗—評價教育計劃。

(2) 布魯姆的掌握學(xué)習(xí)理論，學(xué)生具備必要的認知結(jié)構(gòu)是掌握學(xué)習(xí)的前提，學(xué)生積極的情感特征是“掌握學(xué)習(xí)”的內(nèi)在因素，反饋—矯正性系統(tǒng)是“掌握學(xué)習(xí)”的核心[9]。

由此，總結(jié)出“控制學(xué)習(xí)”和“合作學(xué)習(xí)”2大教學(xué)法?！翱刂茖W(xué)習(xí)”是一種因材施教的課堂應(yīng)用[10]。OBE教育模式就是圍繞“定義預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出—實現(xiàn)預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出—評估學(xué)習(xí)產(chǎn)出”這條主線而展開，學(xué)生產(chǎn)出評估構(gòu)成了教育質(zhì)量持續(xù)改進的閉環(huán)。

2 OBE教育模式在本課程中的實施

2015年底，我校自動化專業(yè)中國工程教育專業(yè)認證驗收工作的申請得到教育部批準(zhǔn)，并于2017年6月順利通過了中國工程教育專業(yè)認證。該專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是“面向生產(chǎn)一線的自動化系統(tǒng)工程師”，本課程是電子技術(shù)理論課程之后的一門核心實踐類課程，總學(xué)時6周加12學(xué)時實驗，分2個階段來實施，有力地支撐了專業(yè)認證建設(shè)與驗收，顯著提高了學(xué)生的畢業(yè)要求的達成度。

2.1 構(gòu)建課程的預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出

根據(jù)OBE教育模式，學(xué)生預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出先于教學(xué)內(nèi)容而存在，課程資源開發(fā)、學(xué)生管理和輔導(dǎo)等活動都要圍繞預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出而展開，明確學(xué)生的預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出，反推教學(xué)過程再進行評估，形成閉環(huán)的內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)。結(jié)合工程教育專業(yè)認證標(biāo)準(zhǔn)的12條畢業(yè)要求，構(gòu)建了本課程支撐自動化專業(yè)畢業(yè)要求的9項指標(biāo)點，見表1。

表1 電子工程設(shè)計課程支撐自動化專業(yè)畢業(yè)要求課程教學(xué)目標(biāo)

緊密圍繞自動化專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，以電子類軟硬件小項目設(shè)計為載體，將該課程的預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出分為知識、能力、素質(zhì)3個層面，旨在融合學(xué)生的“電路原理”“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”“C語言程序設(shè)計”“單片機原理與應(yīng)用”等電子產(chǎn)品設(shè)計相關(guān)理論和技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題能力、實際動手能力、信息資料查詢獲取能力、自主學(xué)習(xí)能力、文本撰寫能力，以及良好溝通交流能力、團隊合作意識和小型電子系統(tǒng)設(shè)計的工程理論素質(zhì)。

2.2 實現(xiàn)預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出

為了實現(xiàn)預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出，在教學(xué)過程設(shè)計中充分考慮該專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和專業(yè)特點，遵循3個原則(涵蓋電子技術(shù)課程的相應(yīng)知識點；突出控制和系統(tǒng)的思想；具有應(yīng)用性、綜合性和設(shè)計性)設(shè)計了小型溫度測量與控制系統(tǒng)作為教學(xué)載體，貫穿課程始終[11-13]。該系統(tǒng)的控制流程為一個閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)(見圖1)。系統(tǒng)分為變送器、A/D模塊、控制模塊、D/A模塊、顯示、直流電源6大模塊(見圖2)。

圖1 小型溫度測量與控制系統(tǒng)的控制流程圖

圖2 小型溫度測量與控制系統(tǒng)的組成框圖

系統(tǒng)由硬件和軟件組成，需要學(xué)生同時完成硬件模塊的設(shè)計和焊接，同時還要依托軟件的程序設(shè)計進行調(diào)試，最后完成溫度采集與控制。在學(xué)習(xí)過程中教師講授和學(xué)生自主學(xué)習(xí)相結(jié)合，任務(wù)量飽滿，也存在較大的學(xué)習(xí)難度。為了讓學(xué)生達到預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出、順利完成所有學(xué)習(xí)任務(wù)，對這門課程進行了精心設(shè)計，注重軟件仿真與硬件實驗相結(jié)合，以典型案例來教授軟件(Multisim、Altium Designer、Keil)的使用。

(1) 項目教學(xué)法。系統(tǒng)每個模塊的實現(xiàn)均采用項目教學(xué)法，以變送器模塊為例。首先給出學(xué)生具體設(shè)計目標(biāo)與指標(biāo)，如測量溫度范圍、輸出電壓范圍、測量誤差等，其中輸出電壓的選擇要考慮后面控制模塊的選型，這也體現(xiàn)系統(tǒng)思想。然后要求學(xué)生利用一定的時間查閱相關(guān)文獻資料，用Multisim仿真軟件設(shè)計至少2個電路方案，進行參數(shù)計算、仿真、元器件選擇并對方案做成本和技術(shù)分析，確定實施方案，焊接、調(diào)試、答辯驗收。項目的實施體現(xiàn)了以學(xué)生為中心、教師為主導(dǎo)，學(xué)生自主學(xué)習(xí)、教師答疑解惑這樣的學(xué)習(xí)過程。

(2) 漸近式、遞進式的教學(xué)策略。在教學(xué)過程中還采用學(xué)習(xí)、應(yīng)用、總結(jié)、再學(xué)習(xí)、再應(yīng)用、再總結(jié)的漸近式、遞進式的教學(xué)策略。對被控對象的特征參數(shù)進行采集和數(shù)據(jù)分析是自動控制的第一個環(huán)節(jié)，因此安排學(xué)生完成的第一階段任務(wù)為溫度的測量與顯示。實現(xiàn)測溫之后進入下一個環(huán)節(jié)，要完成升溫、降溫控制，即開環(huán)控溫。在現(xiàn)實生活中，有很多控制系統(tǒng)需要根據(jù)設(shè)定數(shù)據(jù)對被控對象進行控制，因此要求學(xué)生用最簡單的乒乓算法來實現(xiàn)閉環(huán)控溫。學(xué)有余力的學(xué)生，要求用自動控制原理的經(jīng)典算法PID算法來實現(xiàn)。在這個過程中引導(dǎo)學(xué)生從淺入深、從易到難地學(xué)習(xí)。

(3) 同伴互教法。圖3所示為學(xué)習(xí)金字塔，可以看出，主動學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)效果優(yōu)于被動學(xué)習(xí)?！耙詫W(xué)生為中心”的理論也指出:當(dāng)懂得的學(xué)生知道困難點在哪里時，采用同伴互教的方法是最好的。在本課程的學(xué)習(xí)中，學(xué)生是2人一組來完成電路的設(shè)計、焊接、調(diào)試等全部過程。學(xué)生采用自由組隊的形式。建議理論知識強和動手能力強的學(xué)生搭配組隊，鼓勵優(yōu)秀學(xué)生去帶領(lǐng)能力相對較弱的學(xué)生，讓具有不同學(xué)習(xí)能力的學(xué)生都能完成學(xué)習(xí)任務(wù)。學(xué)習(xí)過程中通過同伴討論、同伴互教、在做中學(xué)，強化學(xué)生主動學(xué)習(xí)意識，提高了自主學(xué)習(xí)能力，鍛煉了團隊合作能力。

圖3 學(xué)習(xí)金字塔

2.3 評估學(xué)習(xí)產(chǎn)出

為了了解本課程對該專業(yè)畢業(yè)要求的支撐度、評估學(xué)習(xí)產(chǎn)出并進行有效的持續(xù)改進，設(shè)計了調(diào)查問卷及達成度評價表等多種評價和反饋機制。

(1) 學(xué)生調(diào)查問卷設(shè)計。學(xué)生的調(diào)查問卷分為2份，均采用匿名形式，一份是“電子工程設(shè)計”能力指標(biāo)達成度調(diào)查問卷，另一份是“電子工程設(shè)計”學(xué)習(xí)效果及教學(xué)狀況調(diào)查問卷。第一份問卷對應(yīng)9個指標(biāo)點，滿意度從高到低為10～0分。第二份問卷設(shè)計了14道客觀題、2道主觀題，分別從學(xué)習(xí)效果、學(xué)習(xí)狀況、教師授課情況等方面要求學(xué)生做出評價，并指出課程實施過程中存在的問題并提出合理化建議和改進措施。

(2) 達成度評價表設(shè)計。達成度計算是更科學(xué)的評價方法。課程為百分制，考核方式共4種，分別是儀器儀表使用(10分)、軟硬件驗收(60分)、報告撰寫(10分)、過程評價(20分)。考核環(huán)節(jié)與指標(biāo)體系的關(guān)聯(lián)關(guān)系如表2所示，包含課程對指標(biāo)點的權(quán)重系數(shù)、4種考核環(huán)節(jié)的權(quán)重，以及考核環(huán)節(jié)對指標(biāo)點的權(quán)重系數(shù)，根據(jù)此表可計算分項達成度和個人、班級、年級的達成度。

3 實施效果及持續(xù)改進

迄今為止，本課程已經(jīng)連續(xù)在5屆自動化專業(yè)的學(xué)生中實施，課程實施結(jié)束后，要求學(xué)生填寫2份問卷調(diào)查表并對學(xué)生進行課程達成度的計算，方便教師了解課程的實施效果，以進行改進。

3.1 學(xué)生調(diào)查問卷分析

以自動化專業(yè)2011級為例，發(fā)放調(diào)查問卷166份，收回有效問卷166份，有效回收率100%。能力指標(biāo)達成度調(diào)查問卷，經(jīng)統(tǒng)計可知學(xué)生在書面和圖表交流、口頭表達，報告撰寫等方面比較薄弱。學(xué)習(xí)效果及教學(xué)狀況調(diào)查問卷選出代表性問題6項見表3。

表2 考核環(huán)節(jié)與指標(biāo)體系的關(guān)聯(lián)關(guān)系

表3 “電子工程設(shè)計”學(xué)習(xí)效果及教學(xué)狀況調(diào)查問卷關(guān)鍵問題統(tǒng)計結(jié)果

由統(tǒng)計結(jié)果可知，學(xué)生對知識的融合、能力培養(yǎng)和提高認同度超過90%；其次，學(xué)生認為學(xué)習(xí)任務(wù)飽滿、學(xué)生在該課程上的投入時間較多、能夠積極面對困難的認同度也超過90%，80%的學(xué)生認為課程有較大難度；第三，對于教師授課水平高、責(zé)任心強、投入時間多的評價比例超過90%。整體來看學(xué)生認為該課程能有效地提高工程實踐能力。

3.2 達成度評價

表4是自動化專業(yè)2011級達成度統(tǒng)計表，通過分析和統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)，該課程總達成度為0.81，達到了預(yù)期教學(xué)目標(biāo)。其中，電子系統(tǒng)工程知識及認知能力、電子系統(tǒng)工程設(shè)計開發(fā)能力、團隊合作能力等6項指標(biāo)超過0.8，超出0.75的預(yù)期目標(biāo)。但是電子類產(chǎn)品系統(tǒng)分析能力、電子類產(chǎn)品制作、調(diào)試與測試能力，以及書面和圖表交流、口頭表達和人際交流能力等指標(biāo)點的達成度相對較低，需要進行有針對性的改進。

表4 自2011“電子工程設(shè)計”指標(biāo)點達成度計算統(tǒng)計表

3.3 持續(xù)改進

基于上述的統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，尤其是達成度較低的指標(biāo)點，對該課程進行了改進。表4中有3個相對薄弱的指標(biāo)點，前2個指標(biāo)點屬于工程能力。通過分析發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生知識基礎(chǔ)薄弱、系統(tǒng)性思維不足以及理論知識轉(zhuǎn)化為應(yīng)用能力不足，需要進一步提高。因此加強教學(xué)資源建設(shè)，編寫了《電子工程設(shè)計講義》和《電子工程設(shè)計試題庫》，通過加大電路設(shè)計和仿真軟件使用的比重、增加考試環(huán)節(jié)等措施來強化訓(xùn)練和改善教學(xué)過程。針對學(xué)生溝通交流、表達能力弱，在單元模塊答辯的基礎(chǔ)上增加結(jié)題答辯，均要求以圖、表、公式的形式進行說明。同時，為了使教學(xué)過程管理更規(guī)范，從2013級開始設(shè)計并使用了《電子工程設(shè)計實訓(xùn)手冊》，該手冊里給出了所有考核方式的評分標(biāo)準(zhǔn)，使給學(xué)生的打分比以前更準(zhǔn)確，也更客觀。該手冊還包括答辯記錄、學(xué)習(xí)日志等。手冊的使用使學(xué)生學(xué)習(xí)過程管理更規(guī)范。通過這些教學(xué)過程的改進，使得2013級、2014級所有9項指標(biāo)點的達成度均超過0.8。

3.4 效益分析

近年來，基于該課程的改革和持續(xù)改進，自動化專業(yè)受益學(xué)生達450人，學(xué)生對電子工程設(shè)計相關(guān)知識的學(xué)習(xí)興趣、參與學(xué)科競賽和科研的積極性、學(xué)生綜合素質(zhì)逐步提高。學(xué)生參加全國、北京市大學(xué)生電子設(shè)計競賽，以及“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外科技作品競賽、中國機器人大賽、中國機器人錦標(biāo)賽的參賽人次、獲獎比例大幅提高。2012年以來，該專業(yè)學(xué)生獲得全國競賽一等獎6項、二等獎20項、三等獎17項，北京市競賽一等獎6項、二等獎15項、三等獎21項等多項學(xué)科競賽獎勵。5年來，發(fā)表核心期刊論文7篇、授權(quán)發(fā)明專利1項、授權(quán)實用新型專利4項，校級“十佳學(xué)生”2名、北京市優(yōu)秀示范班級2個，研究生錄取率逐年遞增。

4 結(jié)語

5年來，采用OBE教育模式進行了電子工程設(shè)計課程教學(xué)改革，基于閉環(huán)反饋機制，不斷進行改進，取得了良好的改革教學(xué)效果。該課程有力地支撐了自動化專業(yè)工程認證，2017年6月，該專業(yè)順利通過了中國工程教育專業(yè)認證。

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