段曉燕 緱新科 林 潔

(1. 蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院， 蘭州 730050)(2. 甘肅省工業(yè)過程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730050)(3. 蘭州理工大學(xué) 電氣與控制工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 蘭州 730050)

2014年7月美國麻省理工學(xué)院(MIT)發(fā)布《面向未來的MIT教育專項(xiàng)工作組全校調(diào)查報(bào)告》，主張“基于項(xiàng)目進(jìn)行課程、教學(xué)、評價(jià)一體化設(shè)計(jì)”[1]；并于2017年8月啟動實(shí)施新工程教育轉(zhuǎn)型(New Engineering Education Transformation, NEET)計(jì)劃，明確本科教育改革的重心向以項(xiàng)目為中心的課程轉(zhuǎn)移，全面構(gòu)建“項(xiàng)目中心課程(Project-Centric Curricular Construct, PCCC)”的新工程教育人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)引領(lǐng)未來發(fā)展的卓越領(lǐng)導(dǎo)型工程人才，以應(yīng)對未來產(chǎn)業(yè)界和社會發(fā)展。而我國也于2017年相繼出臺“‘新工科’建設(shè)復(fù)旦共識”[2]“‘新工科’行動路線(天大行動)”[3]“北京指南”[4]等指導(dǎo)性文件,為我國工程教育的改革創(chuàng)新提供了指導(dǎo)思路。這就要求教師要從學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)與發(fā)展的角度出發(fā)完善教學(xué)體系、創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容、變革教學(xué)方法，以期達(dá)到改善實(shí)際教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)習(xí)者的專業(yè)能力、學(xué)科素養(yǎng)、創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力的目標(biāo)；從“知識傳授者”轉(zhuǎn)變成“項(xiàng)目設(shè)計(jì)者+項(xiàng)目導(dǎo)師”，同時更加注重培養(yǎng)學(xué)生知識應(yīng)用能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及復(fù)雜工程問題解決能力[5]。

將這種基于“項(xiàng)目中心課程”的人才培養(yǎng)模式的教學(xué)方法應(yīng)用于非電類專業(yè)電氣工程學(xué)即“電工學(xué)”課程的教學(xué)，有效地實(shí)現(xiàn)了電氣工程學(xué)教學(xué)中教師學(xué)科理論教學(xué)與學(xué)生實(shí)踐能力訓(xùn)練的融合，同時基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)(Project-based learning, PBL)也使學(xué)生較之未采用項(xiàng)目式教學(xué)班級的學(xué)生，獲得更多的如何在真實(shí)情境下應(yīng)用已有知識解決工程問題、如何實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)內(nèi)及團(tuán)隊(duì)間溝通協(xié)同、如何管理時間優(yōu)化學(xué)習(xí)資源的能力。通過反饋可以看到相較于單一理論教學(xué)，學(xué)生能夠更多參與到更加完整和具體的經(jīng)驗(yàn)和方法的獲取、更加深入學(xué)科理論知識的理解以及更多源于專業(yè)的心理內(nèi)涵建設(shè)等方面，獲得不同于單一被動式接收知識、方法、技能的沉浸式體驗(yàn)。

1 實(shí)踐路徑及主體思路

蘭州理工大學(xué)面向材料學(xué)院、能源與動力學(xué)院、機(jī)電工程學(xué)院以及石油化工學(xué)院等非電類專業(yè)學(xué)生開設(shè)的“電工學(xué)”課程是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在非電類專業(yè)學(xué)生電氣工程學(xué)課程教學(xué)中的具體應(yīng)用。天津大學(xué)王萍基于新工科建設(shè)需求構(gòu)建了“需求型、開放型”[6]的創(chuàng)新型“電工學(xué)”課程體系。本課程設(shè)計(jì)的項(xiàng)目也是依托這樣的體系架構(gòu)設(shè)置。

在具體實(shí)施中，基于“項(xiàng)目中心課程”的“電工學(xué)”自2019年立項(xiàng)校級示范性項(xiàng)目式教學(xué)課程起，按照培養(yǎng)目標(biāo)及畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的不同開設(shè)于每個學(xué)年的春季或秋季學(xué)期，歷時16學(xué)周，每周4學(xué)時，共64學(xué)時；授課對象為本科二年級或三年級學(xué)生。要求學(xué)生以小組為單位，面向“電工學(xué)”課程總體架構(gòu)中的三個模塊，完成課題的選擇、文獻(xiàn)的查閱、硬件的裝配、軟件的調(diào)試、撰寫項(xiàng)目報(bào)告、總結(jié)匯總展示、拓展以及未來展望。教師通過展示工業(yè)現(xiàn)場視頻、請企業(yè)導(dǎo)師開設(shè)講座、組織學(xué)生開展線上線下共同研討以及一對一個別輔導(dǎo)對研究小組進(jìn)行必要指導(dǎo)，并以任課教師評價(jià)、企業(yè)導(dǎo)師評價(jià)、組內(nèi)生生自評、組間生生互評的方式對各小組的項(xiàng)目展示及項(xiàng)目效果進(jìn)行綜合評價(jià)，最后引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合項(xiàng)目產(chǎn)品完成過程反思自身專業(yè)學(xué)習(xí)及協(xié)作交流方面存在的不足，以期找到未來改進(jìn)及發(fā)展的方向，完成項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)施的閉環(huán)反饋。

在課程學(xué)習(xí)過程中，項(xiàng)目課題由教師根據(jù)具體知識模塊的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)給出范圍，由學(xué)生在給定范圍內(nèi)自主選擇，這里不同于語言類課程允許學(xué)生自主完成項(xiàng)目課題的選擇[7]。由于項(xiàng)目設(shè)置源于學(xué)生的生活實(shí)際以及工業(yè)場景應(yīng)用，因此學(xué)生在完成項(xiàng)目的過程中需要發(fā)現(xiàn)真實(shí)問題，由問題作為牽引、具體項(xiàng)目任務(wù)為驅(qū)動，通過小組協(xié)同的方式在項(xiàng)目完成過程中實(shí)現(xiàn)知識探究、過程設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制作，增強(qiáng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識和方法尋求解決實(shí)際問題的策略的能力，體現(xiàn)杜威提出人的四種基本本能“制造、交際、表現(xiàn)和探索”中最突出的本能——制作本能，實(shí)現(xiàn)從“做”中得來的知識——“真知識”[8]的獲取。

下文將以“電工學(xué)”課程體系中“電能及電能的有效利用”架構(gòu)下“機(jī)電能量轉(zhuǎn)換”為具體教學(xué)案例，采用“學(xué)期內(nèi)輪動、學(xué)期間復(fù)刻、學(xué)科間交叉”的模式探討“項(xiàng)目中心課程”教學(xué)法應(yīng)用于非電類專業(yè)電氣工程學(xué)課程的實(shí)踐探索。

2 “項(xiàng)目中心課程”實(shí)施教學(xué)實(shí)例

2.1 情境創(chuàng)設(shè)

在教學(xué)實(shí)施過程中創(chuàng)設(shè)問題情境“無人駕駛技術(shù)中多車隊(duì)列運(yùn)行如何實(shí)現(xiàn)車間距策略？”引入“超聲波避障小車”項(xiàng)目，由于很多學(xué)生第一次接觸這種軟硬結(jié)合的、跨學(xué)科交叉融合的項(xiàng)目，對其中涉及到的理論知識尚留于表面，應(yīng)用和建構(gòu)新知識體系的能力還很缺乏[9]，因此在學(xué)期內(nèi)首輪輪動中參與的學(xué)生僅實(shí)現(xiàn)了小車的“紅外遙控”“超聲波避障”以及“超聲跟隨”等基本功能，提出了“同一時間單車只能實(shí)現(xiàn)其中一種功能，無法通過控制器實(shí)現(xiàn)不同功能間切換”的問題，同時通過查閱文獻(xiàn)[10]給出“加入基于視覺的高精度可靠定位技術(shù)可拓展小車的應(yīng)用場景”建議，為參與第二輪小車制作與運(yùn)行控制的小組提供情境創(chuàng)設(shè)、技術(shù)支持及改進(jìn)方向。

這使得教學(xué)從傳統(tǒng)的主題型教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)樘骄啃徒虒W(xué)[11]，把創(chuàng)新教育的理念由教師主體轉(zhuǎn)換為學(xué)生主體，通過構(gòu)建真實(shí)的情境,引導(dǎo)學(xué)生在情境中去主動體驗(yàn)和探究，喚起其深度思考，在解決問題的過程中，使學(xué)生獲得與應(yīng)用新的知識，以達(dá)到有意義和有效學(xué)習(xí)的目的[12]，這也是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的基本原則。同時通過本輪項(xiàng)目實(shí)踐，從學(xué)生中發(fā)現(xiàn)能夠快速高效完成項(xiàng)目目標(biāo)任務(wù)的小組，在之后的項(xiàng)目中提出更高的項(xiàng)目要求，使得這部分學(xué)生發(fā)散思維和創(chuàng)新能力得到更多更大的發(fā)展空間，也為他們獲得更加適合自己的學(xué)習(xí)體驗(yàn)搭建橋梁和紐帶，為學(xué)生未來參與整合性課程或綜合性活動打造“頂峰體驗(yàn)”[13]。

2.2 問題中心

正是基于第一輪項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)過程中由學(xué)生自己所提供的技術(shù)支持以及提出的擬改進(jìn)方向，在學(xué)期內(nèi)的第二輪輪動中，學(xué)生不僅完成了小車三大基本功能的實(shí)現(xiàn)，同時結(jié)合“電能及電能的有效利用”架構(gòu)下的“電器及物理量的自動控制及智能控制”，還基于“無人駕駛控制場景中的多車跟隨控制”情境，實(shí)現(xiàn)“首車紅外遙控運(yùn)行”“后車超聲波跟隨運(yùn)行控制”，解決了首輪項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)中“無法通過控制器改變單車運(yùn)行模式，需重新下載程序”的問題，同時也進(jìn)一步提出問題“跟隨車輛只能實(shí)現(xiàn)九十度轉(zhuǎn)向而導(dǎo)致有可能出現(xiàn)遇到障礙物后單車避障成功但是跟隨失敗”的問題，進(jìn)一步為學(xué)期內(nèi)輪動的第三輪提出了亟待解決的問題。

這種“從問題入手”或“從主題入手”進(jìn)行學(xué)習(xí)的方式迫使學(xué)習(xí)者打破“從學(xué)科知識點(diǎn)入手”的學(xué)習(xí)方式和習(xí)慣[14]，不僅要求學(xué)生能夠打破某一特定學(xué)科帶來的思維局限，更進(jìn)一步地要求學(xué)科知識的重新整合，提升諸如問題發(fā)現(xiàn)、設(shè)計(jì)、決策、調(diào)查、解決等方面的能力，有效培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科意識。在布盧姆(Benjamin S. Bloom)的教育目標(biāo)分類學(xué)中將認(rèn)知過程分為不同層次，而項(xiàng)目式學(xué)習(xí)不僅要求學(xué)生能夠接收教師所講授的“記憶”“理解”層次的知識，而且要消化并積極利用這些知識去解決項(xiàng)目中遇到的諸如“評價(jià)”和“創(chuàng)造”層次的問題，而這里的“創(chuàng)造”也是認(rèn)知發(fā)展的最高層次，需要學(xué)習(xí)者發(fā)現(xiàn)知識的本質(zhì)并建構(gòu)新的意義[15]。因此項(xiàng)目式學(xué)習(xí)通過創(chuàng)造性學(xué)習(xí)，以問題為中心，增強(qiáng)學(xué)習(xí)者跨學(xué)科意識，幫助學(xué)習(xí)者實(shí)現(xiàn)高階學(xué)習(xí)的目標(biāo)。

2.3 目標(biāo)導(dǎo)向

隨著學(xué)期內(nèi)輪動的進(jìn)一步推進(jìn)，在第三輪項(xiàng)目進(jìn)行中，參與制作的學(xué)生針對第二輪遇到的“跟隨車輛只能實(shí)現(xiàn)九十度轉(zhuǎn)向?qū)е碌挠锌赡芨S失敗的問題”，提出“跟隨車輛遇障礙物——繞行——原地實(shí)現(xiàn)360°掃描尋找——再次實(shí)現(xiàn)跟隨運(yùn)行”的策略，通過修改程序?qū)崿F(xiàn)了功能的拓展“轉(zhuǎn)彎而不是轉(zhuǎn)向”，為多車列隊(duì)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

通過查閱文獻(xiàn)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有應(yīng)對策略中“固定車間距”會受到通信約束，有可能無法保證隊(duì)列穩(wěn)定性；而“固定車頭時距策略”又會因?yàn)樗俣瓤鞎r車間距太大而導(dǎo)致運(yùn)行效率降低的問題。學(xué)生還提出可以針對不同的應(yīng)用場景在超聲波避障小車基礎(chǔ)上引入“環(huán)境感知模塊[16]”“路徑規(guī)劃機(jī)制[17]”等有待拓展的功能，使學(xué)生在項(xiàng)目完成過程中體驗(yàn)最佳學(xué)習(xí)和獲得自主學(xué)習(xí)能力，包括積極參與課堂學(xué)習(xí)、項(xiàng)目學(xué)習(xí)、創(chuàng)造和利用數(shù)字化學(xué)習(xí)[18]、朋輩交流協(xié)作等。

可以看到在這種項(xiàng)目中心課程模式下，學(xué)生既可以成為問題的“發(fā)現(xiàn)者”又可以成為問題的“解決者”，凸顯了貫穿于新工科建設(shè)各個層次的“發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題、檢驗(yàn)問題和反思問題”的工程設(shè)計(jì)思維邏輯閉環(huán)[19]；同時在與教師、企業(yè)導(dǎo)師、學(xué)習(xí)伙伴的討論、交流、合作過程中，學(xué)生利用必要的學(xué)習(xí)資料，對接收到的信息進(jìn)行主動積極地探究之后也對工程科學(xué)的理論、模型和方法有了更加深入的理解和掌握。在這種社會性互動過程中提升了學(xué)生思考能力以及自主學(xué)習(xí)意識。

2.4 價(jià)值引領(lǐng)

在項(xiàng)目中心課程進(jìn)行過程中，收集了所有參與課程學(xué)習(xí)的學(xué)生的反饋，以下是部分學(xué)生的反思與感受。

學(xué)生A：兩組同學(xué)都對項(xiàng)目進(jìn)行了精彩的展示，在展示過后給我也帶來了許多啟發(fā)——知識不應(yīng)僅局限于課本，可以從一個點(diǎn)切入展開全面的學(xué)習(xí)，多思考、勤動手，才可能有更多創(chuàng)新的點(diǎn)。

學(xué)生B：通過這次展示課，打開了我對“電工學(xué)”的興趣，讓課堂變得更加有趣，也讓我看到了“電工學(xué)”的魅力，真正體會到老師所說的這是一門多領(lǐng)域交叉融合的課程。

學(xué)生C：在課堂上，我見證了同學(xué)們在項(xiàng)目完成過程中的努力，也看到了他們面對問題、解決問題時的鉆研精神，在他們進(jìn)行項(xiàng)目展示的過程中，我也學(xué)習(xí)到一些比如要不懼問題、迎難而上，同時保持好奇心，去探索、去嘗試，感受科技的魅力！

學(xué)生D：作為一名大學(xué)生，我們應(yīng)當(dāng)有探索未知事物的好奇心，要學(xué)習(xí)更多的知識，不斷提升自己，多了解我們這個時代當(dāng)下先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，很多事情要敢于去想去做，當(dāng)你上手這件事的時候會發(fā)現(xiàn)，其實(shí)沒你想得那么難。

通過反饋可以看到：①學(xué)生通過主動學(xué)習(xí)攝取完成項(xiàng)目所需要的知識/技能，構(gòu)思、設(shè)計(jì)項(xiàng)目方案，通過迭代優(yōu)化使得項(xiàng)目作品更加貼合工程實(shí)際，在此過程中提升了應(yīng)用知識/技能解決復(fù)雜工程問題的能力；②項(xiàng)目在實(shí)施過程中要求學(xué)生具備諸如在解決復(fù)雜工程問題時兼顧設(shè)計(jì)方案對社會、環(huán)境、健康、安全以及文化產(chǎn)生的影響，客觀、寬容、自信地與他人進(jìn)行交流合作等非認(rèn)知因素的能力；③項(xiàng)目目標(biāo)達(dá)成有效激發(fā)了“學(xué)生自我監(jiān)控”意識，具體體現(xiàn)在學(xué)生的自我覺察、自我反思、自我調(diào)節(jié)、自我管理和自我評價(jià)等諸多方面；④學(xué)生還需要解決時間管理、任務(wù)管理、討論與決策、溝通交互、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、演講答辯等非專業(yè)問題，非專業(yè)能力和素質(zhì)也得到了同步提升。

通過項(xiàng)目完成過程多層次引導(dǎo)學(xué)生將職業(yè)精神與職業(yè)技能相融合、學(xué)科素養(yǎng)與思想品德修養(yǎng)相融合，培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷、社會責(zé)任、誠信道德、工匠精神、法制底線等要素，樹立科學(xué)的人生觀、世界觀、價(jià)值觀，完成專業(yè)課程教學(xué)向?qū)I(yè)課程教育的升華，化有形的教學(xué)為無形的教育。更好地發(fā)揮青年學(xué)生的主體作用，而不是一味地被動灌輸、消極接受[20]。

3 應(yīng)用現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

經(jīng)過教學(xué)迭代，基于“項(xiàng)目中心課程”教學(xué)模式的面向非電類專業(yè)的“電工學(xué)”課程凝練了一批特色鮮明、貼近工程實(shí)際、能夠調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的跨學(xué)科項(xiàng)目，逐步形成了一個項(xiàng)目庫，比如智能收音機(jī)、超聲波避障小車、車輛運(yùn)行控制系統(tǒng)、智能交通控制系統(tǒng)、多人搶答器等，這些項(xiàng)目有效支撐了課程的實(shí)施。

“項(xiàng)目中心課程”是MIT對傳統(tǒng)工程教育理念和人才培養(yǎng)模式的反思，強(qiáng)調(diào)新工程教育回歸工程實(shí)踐和面向未來、面向工程界，幫助學(xué)生通過真實(shí)環(huán)境中的學(xué)習(xí)，提高認(rèn)知思維、培養(yǎng)專業(yè)能力，以適應(yīng)未來產(chǎn)業(yè)界和社會發(fā)展[18]。在新工科建設(shè)背景下，將這種模式應(yīng)用于“電工學(xué)”課程改革探索與實(shí)踐中，使得課程、教學(xué)、教師面臨新的挑戰(zhàn)，正所謂“教學(xué)改革改到深處是課程，改到痛處是教師”，課程改革和建設(shè)是最艱難的一公里[21-22]。

3.1 課程層面

面向非電類專業(yè)本科生開設(shè)“電工學(xué)”，具備培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科交叉融合能力、形成系統(tǒng)性思維的特點(diǎn)；“項(xiàng)目中心課程”教學(xué)模式有效搭建學(xué)生參與和專業(yè)學(xué)習(xí)共同體，促進(jìn)朋輩溝通協(xié)作；在項(xiàng)目完成過程中充分發(fā)揮學(xué)生想象力、創(chuàng)造力、主動性、積極性，助力學(xué)生提高在未來職業(yè)中所需的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，養(yǎng)成終身學(xué)習(xí)的習(xí)慣。

3.2 教學(xué)層面

“項(xiàng)目中心課程”將傳統(tǒng)教學(xué)的“以知識為本”轉(zhuǎn)移到“以學(xué)生的發(fā)展為本”，體現(xiàn)“知識與技能”“過程與方法”“情感態(tài)度與價(jià)值觀”三維課程目標(biāo)融為一體的教學(xué)價(jià)值觀[23]。

3.3 教師層面

教師需要打破現(xiàn)有課程體系，以項(xiàng)目為中心，有效實(shí)現(xiàn)課程體系的“解構(gòu)-重構(gòu)”，在這個過程中努力提升自身基于項(xiàng)目的課程設(shè)計(jì)和開發(fā)能力；教師的角色從“主講”變?yōu)椤爸鲗?dǎo)”，成為學(xué)生學(xué)習(xí)活動的引導(dǎo)者、陪伴者和評價(jià)者，而教學(xué)效果的評價(jià)重心也由傳統(tǒng)的終結(jié)性評價(jià)擴(kuò)展到表現(xiàn)性評價(jià)、形成性評價(jià)與共同核心標(biāo)準(zhǔn)相一致；教師關(guān)注的重心從“學(xué)生的知道”轉(zhuǎn)為“學(xué)生的做到”，學(xué)生主動參與整個教學(xué)活動，完成知識的自主建構(gòu)。

4 結(jié)語

從2019年秋季學(xué)期開始“項(xiàng)目中心課程”模式應(yīng)用于蘭州理工大學(xué)非電類專業(yè)“電工學(xué)”課程，至今已完成九輪完整的學(xué)期內(nèi)輪動、三輪完整的學(xué)期間復(fù)刻，目前擬開始第四輪學(xué)期間復(fù)刻，同時由于班級設(shè)定，來自不同專業(yè)的學(xué)生自然組隊(duì)實(shí)現(xiàn)“學(xué)科間交叉”。通過學(xué)生的反饋可以看出，該模式極大地調(diào)動了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)電工學(xué)課程的興趣，同時也使學(xué)生初步了解到跨學(xué)科交叉融合不僅是課程本身特點(diǎn)，也是未來產(chǎn)業(yè)、科技進(jìn)步、社會發(fā)展的必然趨勢。