丁 然 王 平 陳桂友

(山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院， 濟南 250001)

習(xí)總書記在中國科學(xué)院第十九次院士大會、中國工程院第十四次院士大會開幕式上，明確指出“中國要強盛、要復(fù)興，就一定要大力發(fā)展科學(xué)技術(shù)，努力成為世界主要科學(xué)中心和創(chuàng)新高地”，再次把科技創(chuàng)新擺在至關(guān)重要的戰(zhàn)略位置。而在感受著科技進步為工作生活帶來便利的同時，瞬息萬變的國際形式也時刻提醒著自主研發(fā)創(chuàng)新技術(shù)的重要性，這為高等院校人才的培養(yǎng)方式和課程的設(shè)置提出了新的要求。

新工科的概念在2016年提出之后，教育部經(jīng)過研究在2017年推出了新工科計劃，并先后展開工作，形成了被稱為新工科建設(shè)“三部曲”的“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”指導(dǎo)性工作文件，為我國高等工程教育的發(fā)展、高等工程人才的培養(yǎng)，開拓了新的路徑[1-2]。在教育部的組織倡導(dǎo)下，全國范圍內(nèi)與工科相關(guān)的各類高校和教育工作者們都積極展開探索，為實施新工科教育做出了各自的貢獻，也從不同的角度提出了自己的觀點與做法。張璧教授等綜合分析了國內(nèi)外新型人才的培養(yǎng)模式，指出國外主要以項目為載體，進行跨學(xué)科專業(yè)的協(xié)作培養(yǎng)模式。同時，以國內(nèi)五所代表性高校為例，分析其工程人才的培養(yǎng)模式，指出國內(nèi)高校開展新工科建設(shè)的主要目標是貼合產(chǎn)業(yè)需求，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力、專業(yè)素養(yǎng)和國際視野的工程人才[3]。張彥軍等提出了基于科研成果驅(qū)動式的電子綜合實踐教改方法，提升學(xué)生自主處理工程問題的能力[4]。郇正良等通過對大學(xué)生行為方式、思維方式和學(xué)習(xí)目標等多方面特點的分析，提出了一套軟件工業(yè)的個性化人才培養(yǎng)模式，并指出而個性化培養(yǎng)是發(fā)掘潛能、培養(yǎng)成才的有效途徑[5]。楊長生等運用“高階思維”的概念，以“數(shù)字信號處理”課程為例，提出了基于啟發(fā)式教學(xué)，提高學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)改革方案[6]。我國“國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要”中也多次提到一定要因材施教，一定要把全面的發(fā)展與個性發(fā)展相互聯(lián)系并統(tǒng)一起來[7]。

教育學(xué)中認為，“個性”是人的獨特性、主體性、創(chuàng)造性與和諧性的集中體現(xiàn)[8]。關(guān)于個性化人才培養(yǎng)模式，文獻[9]給出了一個比較完整的定義，是指培養(yǎng)主體為了實現(xiàn)特定的人才培養(yǎng)目標，在一定的教育理念指導(dǎo)和一定的培養(yǎng)制度保障下設(shè)計的，由若干要素構(gòu)成的注重提升培養(yǎng)對象獨特性、主體性、創(chuàng)造性與和諧性培養(yǎng)過程的理論模型與操作式樣。就具體教學(xué)過程而言，其中教學(xué)組織形式、教學(xué)管理模式、以及教學(xué)評價模式是大學(xué)個性化人才培養(yǎng)模式的重要構(gòu)成要素。

要實現(xiàn)個性化的人才培養(yǎng)，必然對課程內(nèi)容、規(guī)劃和實施提出新的要求，一成不變的、統(tǒng)一的課程模式不再適合，但內(nèi)容過于寬泛則難以把握，也很難取得良好的教學(xué)效果。因此，新工科背景下，結(jié)合不同的發(fā)展和研究方向以及學(xué)生的個人興趣，研究和設(shè)置柔性的、開放性的、模塊化、層次化的課程內(nèi)容，以學(xué)生為主體的教學(xué)模式，更為合理的評價方式，值得在理論研究與實際操作中反復(fù)打磨與嘗試。

“新工科”背景下，優(yōu)秀的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才，需要具有堅實的專業(yè)理論和實踐基礎(chǔ)，廣泛交叉的知識背景，對前沿科技信息的敏感性，以及濃厚的創(chuàng)新興趣，并兼具解決復(fù)雜問題的能力。以山東大學(xué)自動化專業(yè)計算機課程模塊綜合性實踐環(huán)節(jié)的改革為例，闡述新工科背景下實現(xiàn)個性化教學(xué)的設(shè)計與探索，努力在課程細節(jié)中體現(xiàn)這一培養(yǎng)目標。

1 課程設(shè)置概況

計算機技術(shù)在當前科技發(fā)展的過程中的發(fā)揮著不可替代的作用，是工科人才乃至理工結(jié)合型人才必備的知識和技能之一，并且不能單純只強調(diào)理論或者應(yīng)用一個方面。全面理解當前計算機系統(tǒng)的基本工作原理、設(shè)計思路和發(fā)展方向，掌握基本的軟硬件知識，能夠在所學(xué)專業(yè)中靈活運用是計算機類相關(guān)課程設(shè)置的主要目的。

就控制科學(xué)與工程學(xué)院來說，計算機類相關(guān)課程內(nèi)容豐富，主要包括“面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計”“單片機/ARM應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)”，“微機原理與接口技術(shù)”和“計算機控制系統(tǒng)”等。將其稱之為計算機課程教學(xué)模塊。每門課都有自己的實驗課時，與教學(xué)內(nèi)容互相配合，每個實驗有相對獨立的內(nèi)容，但缺乏綜合性的實踐環(huán)節(jié)。比如“微機原理與接口技術(shù)”包括40個理論課時和12個實驗課時，包括程序調(diào)試和接口實驗，以系統(tǒng)仿真為主。另外在“微機原理與接口技術(shù)”課程結(jié)束后，有一周的課程設(shè)計，但限于時間，無法展開更寬更廣的內(nèi)容，一般的設(shè)計內(nèi)容是利用單片機或者ARM系統(tǒng)實現(xiàn)一個簡單的控制功能，比如紅綠燈設(shè)計或者溫度檢測裝置等等，屬于簡單應(yīng)用，不能完整的體現(xiàn)課程的教學(xué)目的，難以與專業(yè)深度融合，并且與學(xué)生的興趣方向關(guān)系不大，教學(xué)效果也非常一般。故，在學(xué)生已經(jīng)掌握的專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，設(shè)計一個綜合性的實踐環(huán)節(jié)，內(nèi)容有趣,有一定難度但通過引導(dǎo)可以入手,便于擴展，又與相關(guān)專業(yè)方向和后期的課程密切相關(guān)的實踐環(huán)節(jié)，同時改進教學(xué)方法，提高實踐性教學(xué)的效果，是非常必要的。

智能車系統(tǒng)設(shè)計高度集成軟硬件應(yīng)用，同時又包含檢測、信號處理、控制、車體機械結(jié)構(gòu)以及傳動制動機構(gòu)等多學(xué)科知識，學(xué)生在設(shè)計的過程中可以根據(jù)其專業(yè)背景以及興趣方向，在滿足課程基本要求的基礎(chǔ)上，充分利用網(wǎng)絡(luò)等各種途徑，發(fā)揮其最大的創(chuàng)造性，從不同角度制作屬于自己的創(chuàng)新產(chǎn)品，比如檢測系統(tǒng)，控制算法，機械改進設(shè)計等等，也就是說，其本身的完整性、與專業(yè)的相關(guān)性、交叉性和可擴展性,以及趣味性等特點，非常適合作為提高學(xué)生理論和實踐水平，融合專業(yè)知識，并培養(yǎng)創(chuàng)新意識創(chuàng)新能力的研究對象，完全適應(yīng)新工科對課程的要求。

2 柔性的課程內(nèi)容和實施方法

課程所依托的智能車系統(tǒng)包含檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機械系統(tǒng)等幾大模塊，軟硬件結(jié)合，完整并相對復(fù)雜，所以課程內(nèi)容的設(shè)置需要要求明確、模塊清晰、循序漸進、層次分明，以引導(dǎo)學(xué)生順利進入創(chuàng)新學(xué)習(xí)的狀態(tài)。在教學(xué)過程中也需要改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法，開發(fā)學(xué)生潛能，翻轉(zhuǎn)課堂，適應(yīng)其不同的知識背景和興趣方向。采用柔性的課程內(nèi)容和實施方法，是實現(xiàn)個性化教學(xué)的基礎(chǔ)，并可以引領(lǐng)其一步步走進科研的殿堂。

2.1 柔性的課程內(nèi)容設(shè)置

柔性的、模塊化的課程內(nèi)容設(shè)置是實現(xiàn)個性化教學(xué)的基礎(chǔ)，可分為如下三個層次。

第一層:基礎(chǔ)部分功能介紹和模塊劃分，并帶領(lǐng)學(xué)生逐步實現(xiàn)。將系統(tǒng)設(shè)計按照功能和結(jié)構(gòu)分成幾個必要的模塊，包含軟硬件模塊，每個模塊的基本功能和基本設(shè)計要求,以及合成系統(tǒng)后對系統(tǒng)的基本要求。并詳細介紹設(shè)計每個功能模塊需要的技術(shù)、方法、以及相關(guān)資料。明確這些內(nèi)容是基本要求，必須實現(xiàn)，并指導(dǎo)學(xué)生，使其能夠相對順利的完成任務(wù)。

第二層:各模塊的擴展和興趣方向的引導(dǎo)。智能車系統(tǒng)高度集成且復(fù)雜，并隨著時代和技術(shù)的發(fā)展，不斷涌現(xiàn)新的功能和表現(xiàn)，這也是智能車吸引人的地方。這部分可以跟隨技術(shù)的發(fā)展，不斷擴展新的內(nèi)容，對各個模塊提出新的要求，介紹各種處理方法和控制算法，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)，并提出有趣的想法。而且在各個模塊涌現(xiàn)的新功能都可以作為一個創(chuàng)新的產(chǎn)品雛形，學(xué)生們在日后的學(xué)習(xí)生活中可以不斷進行改進和完善。

第三層:柔性擴展功能的選擇和實現(xiàn)。對基本系統(tǒng)各個方面的改進或者創(chuàng)新在實踐環(huán)節(jié)內(nèi)都被允許和鼓勵，但不需要面面俱到，因為時間和精力都有限，學(xué)生可以根據(jù)自己的專業(yè)方向自主選擇。教師運用所學(xué)知識幫助其實現(xiàn)。因此，課程的內(nèi)容是柔性的，是可以擴展的，適用面廣泛，可以滿足個性化教學(xué)的需求。

2.2 柔性的實施方法

因為智能車系統(tǒng)設(shè)計包含的內(nèi)容多又復(fù)雜，學(xué)生需要利用課余時間自主學(xué)習(xí)，并且根據(jù)自己的興趣和專業(yè)，選擇不同的擴展方向和方法，以學(xué)生為主的翻轉(zhuǎn)課堂式教學(xué)方法非常適合本課程。從基礎(chǔ)部分到擴展部分的教學(xué)過程中，教師需要設(shè)置問題，引導(dǎo)學(xué)生尋找方法。學(xué)生在自主的創(chuàng)新實現(xiàn)新功能時，問題不可避免的擺在他們面前，需要自己提出問題。

無論是采用翻轉(zhuǎn)課堂還是PBL(Problem Based Learning)教學(xué)模式，都以學(xué)生為主，但在不同的環(huán)節(jié)內(nèi)容以及面對不同認知階段和知識方向的學(xué)生時，教師的參與度與參與形式是不同的，因此如何以采用一種柔性的工作方式參與到課程中，既可以夯實基礎(chǔ)知識基本概念，又可以引導(dǎo)應(yīng)用和創(chuàng)新，提高課程效果。鑒于上述考慮，設(shè)計了四個實施環(huán)節(jié)：①基礎(chǔ)內(nèi)容講解，以教師授課為主要形式；②擴展功能設(shè)計，采用翻轉(zhuǎn)課堂以及PBL的方式，啟發(fā)學(xué)生擴展新的功能，通過討論、答疑、和查找資料，逐步引導(dǎo)，完成方案設(shè)計，并購買器件，鋪設(shè)賽道，為調(diào)試做準備，同時請有參賽經(jīng)歷的同學(xué)介紹經(jīng)驗；③鋪設(shè)賽道進行軟硬件調(diào)試，采用以學(xué)生為主、教師為輔的答疑形式；④各組進行智能車競速展示和答辯。

課程所涉及的每一個層次模塊內(nèi)容，都通過上述幾個環(huán)節(jié)有序進行。具體實施過程與課程內(nèi)容之間的關(guān)系可見圖1：

圖1 課程結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 綜合的評價方式

由于課程內(nèi)容豐富、層次分明，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)、實踐、和創(chuàng)新為主，需要一種能夠綜合反映學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)效果的更為公平的評價方式。所以我們按照如下方法計算總評成績：

總評成績=10%平時成績+60%競速成績+20%程序原創(chuàng)性+10%報告答辯成績

評價過程除了考慮平時課堂表現(xiàn)之外，速度是最主要的考核指標，這反應(yīng)整個實踐課程的客觀效果；另一個考慮的較為重要的指標是軟件編寫的原創(chuàng)性，因為基本功能的軟件框架已定型，原創(chuàng)性最能夠體現(xiàn)其工作和理解的深入程度以及其擴展功能實現(xiàn)，另外還有對技術(shù)報告的評價。在驗收的過程中，學(xué)生會根據(jù)車輛調(diào)試中的具體問題，比如彎道、十字交叉路況等，提出復(fù)雜的傳感器配置方法和細節(jié)的控制算法，部分同學(xué)還通過查閱資料選擇如自適應(yīng)PID、模糊PID等略微復(fù)雜的控制算法，表現(xiàn)得饒有興趣并略顯自豪。這些在程序的原創(chuàng)性，以及答辯過程中的體現(xiàn)非常明顯。這種評價方法基本上能夠反應(yīng)學(xué)生在整個實踐課程中的表現(xiàn)和學(xué)習(xí)效果，并鼓勵其自由地選擇和創(chuàng)新實現(xiàn)的方式。

3 結(jié)語

李培根院士在文章“工科何以而新”中指出，當前工科之新要體現(xiàn)在工程教育的內(nèi)涵上，包括工科人才的新素養(yǎng)、專業(yè)課程體系的新結(jié)構(gòu)、以及教育教學(xué)的新方法[10]。落實到具體的教學(xué)模塊，如何設(shè)計教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，能夠培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，在引導(dǎo)掌握必備知識的同時，引發(fā)研究興趣，因人而異，孕育基于現(xiàn)實并超越現(xiàn)實需求的創(chuàng)新能力，是課程教學(xué)研究的出發(fā)點。

以上提出的實踐課程采用個性化的教學(xué)方法，柔性的內(nèi)容設(shè)置分層次、分模塊，一方面兼顧不同層次、不同方向、不同興趣的學(xué)生進行選擇，另一方面設(shè)計內(nèi)容難度可不斷延伸，如何把握，需要教師根據(jù)學(xué)生情況不斷調(diào)整。

在整個教學(xué)活動中，教師充分尊重學(xué)生的個體差異，鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生利用自己的智力和學(xué)識優(yōu)勢，發(fā)揮各自的專業(yè)特長。設(shè)計目標的綜合性，使得學(xué)生可以更為深刻地體會什么是不同學(xué)科之間的融合，并對已經(jīng)學(xué)過的或者即將要學(xué)習(xí)的專業(yè)課加深認識，學(xué)生會不斷發(fā)現(xiàn)問題，自發(fā)地尋找新的解決方法，在實踐的過程中激發(fā)創(chuàng)新意識和能力。同時學(xué)生的團隊精神得到了培養(yǎng)，互相合作，互相補充，為培養(yǎng)創(chuàng)業(yè)能力和良好的科研素養(yǎng)提供了訓(xùn)練途徑。

在以學(xué)生為核心的教學(xué)過程中，教師的參與方式更加彈性。在不同的教學(xué)環(huán)節(jié)階段，教師的角色不同，基礎(chǔ)階段詳細講解，創(chuàng)新階段鼓勵并開闊其視野，輔助學(xué)生尋找解決方法，并輔助學(xué)生將各類知識融會貫通，教師的科研水平和教學(xué)水平都可以得到一定程度的提高。

實踐環(huán)節(jié)經(jīng)過近幾年的運行和改進，取得了良好的教學(xué)效果。針對2018級所有參加實踐課程的學(xué)生共329人設(shè)計了調(diào)查問卷并進行了數(shù)據(jù)分析，有效問卷320份，部分統(tǒng)計結(jié)果見表1所示：

表1 課程問卷調(diào)查結(jié)果

可見，學(xué)生對該實踐課程的總體的滿意程度較高，每個人都有在軟硬件方面實踐創(chuàng)新的機會，對專業(yè)的認識，對一個軟硬件結(jié)合的計算機控制系統(tǒng)的認識有所加深，對發(fā)現(xiàn)問題解決的能力的有所提升。更為重要的是，該課程寬泛先進的教學(xué)內(nèi)容，靈活寬松的教學(xué)氛圍，去中心化的教學(xué)方法和全面鼓勵式的評價方式，給了學(xué)生自由的學(xué)習(xí)和發(fā)揮的空間，為幫助學(xué)生建立學(xué)科空間感，建立專業(yè)節(jié)點和知識點的關(guān)聯(lián)等，為滿足新工科背景下工程人才的科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)要求，提供了新的思路。同時這種柔性的教學(xué)設(shè)計方法，通過選擇不同的設(shè)計對象，也可推廣到工科的各類專業(yè)中，為“新工科”計劃的實施提供新的嘗試。