朱 濤,顧海艷,夏玲玲

(江蘇警官學院,江蘇 南京 210031)

一、引言

近年來,緊跟國家引導部分地方普通本科院校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的戰(zhàn)略步伐,各地在教育“十四五”規(guī)劃中積極探索應(yīng)用型本科高校建設(shè)路徑,其關(guān)鍵之一是建設(shè)一批高質(zhì)量應(yīng)用型課程。教育部要求新工科建設(shè)要貫徹“探索理科在技術(shù)前沿的應(yīng)用,推動應(yīng)用理科向工科延伸”[1]的課程發(fā)展要求,指明了課程建設(shè)強調(diào)工程應(yīng)用是必然趨向。當前大數(shù)據(jù)條件下,新理論、新思想和新技術(shù)大量涌現(xiàn)并高速發(fā)展,與傳統(tǒng)課程內(nèi)容加速融合形成了海量教學資源,同時也帶來了學生工程應(yīng)用能力構(gòu)建效率較低、傳統(tǒng)課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)難以應(yīng)對高速知識更新過程等問題,迫使傳統(tǒng)工科課程積極探索工程應(yīng)用導向的重構(gòu)型建設(shè)途徑。

課程重構(gòu)通常表現(xiàn)為多個角度的課程建設(shè)改革?？蓮捻椖渴綄W習視角,強調(diào)學生在實踐中基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計學習模式,通過確定項目、制定計劃、活動探究等真實項目步驟和問題情境進行探索式學習[2]。師范專業(yè)認證辦法的制定運用了成果導向教育理念(Outcome-Based Education,OBE),可用于學前教育專業(yè)建設(shè)中重構(gòu)其實踐課程[3]?；贠BE理念,清華大學取得了軟件工程課程的良好教學效果,其原因就是重構(gòu)了課程的教學目標和內(nèi)容體系,優(yōu)化了實踐辦法、實驗環(huán)境等[4]。上海交通大學針對工學類專業(yè)課程融入前沿性的問題,通過課程重構(gòu)的方式有機融合了人工智能理論及應(yīng)用課程的課程體系和前沿性[5]。數(shù)學建模是一門典型的應(yīng)用數(shù)學理論解決實際問題的交叉性課程,具備新工科課程要求的“學科前沿課程、綜合性課程、問題導向課程、交叉學科研討課程”[1]的特點,在我國已經(jīng)發(fā)展了40年左右[6],亟需應(yīng)對大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展,并面向工程應(yīng)用場景探索課程改革的新發(fā)展點。

二、面向工程應(yīng)用的課程重構(gòu)內(nèi)涵

課程重構(gòu)來源于20世紀70年代以來針對課程權(quán)力觀的研究和實踐。最初,教師在課堂上實際講授的課程直接體現(xiàn)了對課程實施的控制權(quán),被認為是“運作的課程”[7];而且,教師針對課程實施具體場景,會發(fā)出自己對課程的權(quán)威聲音,充分發(fā)揮對課程變革的發(fā)言權(quán)[8];“運作的課程”也被認為是多層級轉(zhuǎn)換的結(jié)果,在復(fù)雜的轉(zhuǎn)換互動過程中,課程實施在數(shù)量和內(nèi)涵上產(chǎn)生了變革[9];實施課程的過程中教師蘊含了意圖和設(shè)計,形成了體現(xiàn)主體性、表達個性化、具有實踐性的“教師構(gòu)想的課程”[10]。課程重構(gòu)不僅反映課程本身,而且是教師職業(yè)存在的一種重要形式,指出了教師教學相長的重要路徑[11]。可見,課程重構(gòu)是教師對課程實施控制權(quán)力的一種表現(xiàn),在教師層面,實施過程中的教學實踐體現(xiàn)了審定認可的課程教學過程,反映了教師主體的課程認知、知識結(jié)構(gòu)、個性特征和價值取向,能夠助力教師職業(yè)能力發(fā)展。

新工科背景下,面向工程應(yīng)用的課程重構(gòu)內(nèi)涵是指教師基于學科專業(yè)教育體系,根據(jù)工程應(yīng)用對學生能力構(gòu)建的現(xiàn)實需求,發(fā)揮主體性改進和創(chuàng)新課程實施的內(nèi)容和過程。顯然,課程重構(gòu)這一課程權(quán)力的運行,在面向工程應(yīng)用要求下,必然受到來自學生工程應(yīng)用能力構(gòu)建過程的客觀約束。這種約束主要體現(xiàn)在目標指引、學科立場和內(nèi)容范疇等三個方面。新工科課程建設(shè)要求具體到面向工程應(yīng)用的課程重構(gòu)上,就是以“先行構(gòu)建工程應(yīng)用能力,逐步形成專業(yè)知識體系”為目標導向,完成課程教學的重新組織和體系化。同時,課程重構(gòu)受到學科立場約束,意味著必須依賴于課程所在學科專業(yè),針對工程應(yīng)用在思想理念、知識體系、能力形成等方面的堅實基礎(chǔ),緊密圍繞學科專業(yè)的某一工程應(yīng)用主題主線展開,創(chuàng)新課程教學組織方式。同時,確定了學科立場,課程重構(gòu)才能依托課程內(nèi)容反映價值取向,形成具有工程應(yīng)用特色的觀念體系,為融入課程思政奠定思想基礎(chǔ)。最后,在內(nèi)容范疇維度上,先要基于面向工程應(yīng)用這一目標指引,綜合來自國家、社會、行業(yè)、學校、家庭和學生自身等方面對學生工程應(yīng)用能力的需求,反向驅(qū)動地構(gòu)建課程目標,使得能力需求反饋到具體課程教學目標上;然后基于學科專業(yè)工程應(yīng)用的主體內(nèi)容方向和思想價值要求,根據(jù)所謂法定課程的體系框架和教學目標,重新組織教學體系和內(nèi)容展現(xiàn);同時,開展基于教師主體能力的教學模式改革,并根據(jù)課程特點和學生認知過程創(chuàng)新課程評價方法。總之,課程教學適配工程應(yīng)用的現(xiàn)實需求,使得課程重構(gòu)成為必然會進行的客觀實踐過程。

三、面向工程應(yīng)用的課程重構(gòu)策略

(一)增強OBE理念在課程重構(gòu)中的導引作用

來自工程教育領(lǐng)域的OBE理念是天然適合引導工科課程重構(gòu)過程的教育理念,可以確保課程重構(gòu)始終面向工程應(yīng)用。OBE理念直接來自工程應(yīng)用對高等教育提出的需求,強調(diào)樹立能力本位教育目標[12],提倡以學生為中心實施教育,要求持續(xù)改進教育質(zhì)量。對課程重構(gòu)來說,就是要充分研究專業(yè)工程應(yīng)用對課程建設(shè)的需求,主動匹配工程教育認證的畢業(yè)能力要求設(shè)計課程目標和教學內(nèi)容,在創(chuàng)設(shè)的學習條件環(huán)境中更新教學方式和模式,同時,在過程性評價中持續(xù)地改進課程教學效果。針對數(shù)學建模課程進行重構(gòu),可結(jié)合大數(shù)據(jù)應(yīng)用需求,抽取工科專業(yè)畢業(yè)通用型基礎(chǔ)能力要求指標點[13]作為課程目標。然后,以學生期望形成與專業(yè)相關(guān)的大數(shù)據(jù)工程應(yīng)用能力這一學習需求,結(jié)合當前大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用的實際,通過鼓勵學生完成具有挑戰(zhàn)性的學習任務(wù),構(gòu)建創(chuàng)造性思維、信息分析綜合、組織策劃等通用型高階能力。最后,在課程評價中持續(xù)匹配工程應(yīng)用對數(shù)學建模課程目標要求的變化,改進教學活動,在知識傳承基礎(chǔ)上培養(yǎng)學生專業(yè)工程應(yīng)用能力和綜合素質(zhì)。

(二)夯實系統(tǒng)觀對課程內(nèi)容重組的指導地位

建構(gòu)工程應(yīng)用專業(yè)畢業(yè)能力,是工科課程對標專業(yè)畢業(yè)要求所形成的目標。要實現(xiàn)這一目標,需要重構(gòu)后的課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)能夠?qū)ζ涮峁┲С?。這需要遵循OBE理念反向教學設(shè)計原則[14],將系統(tǒng)觀實實在在地運用于指導重新架構(gòu)課程內(nèi)容體系當中,將課程教學模塊的重組作為著力點和突破口。要實現(xiàn)課程有效重構(gòu),可以把課程教學放入相應(yīng)專業(yè)的工程應(yīng)用場景中,以工程應(yīng)用具體實踐過程為主線,堅持“高內(nèi)聚,低耦合”的教學模塊構(gòu)建原則,尋找對這一主線有效支撐的教學內(nèi)容模塊,教學內(nèi)容模塊之間則依賴這一主線建立更強的邏輯聯(lián)系,并在此基礎(chǔ)上突出內(nèi)容模塊的功能性綜合應(yīng)用,注重方法的實踐性運用,最終形成“高效系統(tǒng)集成”的課程內(nèi)容體系架構(gòu)。對于數(shù)學建模課程來說,可以將大數(shù)據(jù)應(yīng)用決策過程作為核心主線,強調(diào)與大數(shù)據(jù)技術(shù)有天然聯(lián)系的數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化決策等內(nèi)容模塊,同時,將其他模塊串聯(lián)到這一主線上;在具體教學內(nèi)容上,每個模塊形成一個有效的教學實體,遵循認知規(guī)律,向?qū)W生展示技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用的邏輯背景及模型方法的自然產(chǎn)生過程,讓學生感受到自己探索后也能創(chuàng)造和創(chuàng)新,消除對數(shù)學應(yīng)用的畏懼感。

(三)關(guān)注建構(gòu)理論對知識形成的關(guān)鍵性影響

工科課程的重構(gòu)還應(yīng)當考慮認知過程特點,也就是說重構(gòu)的課程內(nèi)容體系要符合知識建構(gòu)過程中認識循環(huán)性提升的特點。建構(gòu)主義理論[15]指出,學習者必須以先前的學習成果和生活經(jīng)驗構(gòu)成的認知圖式為基礎(chǔ),才能在與新知識的相互作用過程中建構(gòu)新的創(chuàng)造性的認識圖式。這就是建構(gòu)理論對知識形成過程的重要說明,指出了在工科課程重構(gòu)當中,要從基本概念和實操入手,讓學生先能夠把工程知識用起來,形成較低層的能力組成閉環(huán);然后,再逐步深入應(yīng)用的原理和概念本質(zhì),增加方法上的變化,形成較高層的理論認知閉環(huán)。通過這種循環(huán)提升的方式,讓學生能夠首先感受到能力增長,再體會知識體系的逐漸形成。這就要求工科課程重構(gòu)要在傳統(tǒng)模塊建構(gòu)的基礎(chǔ)上,增加模塊間的橫向聯(lián)系,為循環(huán)式認識提升創(chuàng)造條件。數(shù)學建模課程的重構(gòu)當中,首先可以引入大量的現(xiàn)有數(shù)學軟件工具,使得學生能夠在使用這些軟件的過程中盡快地獲得成功感,形成下一步深入學習的興趣和動力,然后再深入探究模型的原理和方法的本質(zhì),并依賴教學內(nèi)容體系主線增強模塊之間的黏性,使得學生知識體系的構(gòu)建更加牢固。

四、面向工程應(yīng)用的課程重構(gòu)實踐過程

(一)對標工程教育認證標準,構(gòu)建匹配畢業(yè)能力要求的課程目標

根據(jù)中國工程教育專業(yè)認證協(xié)會發(fā)布的工程教育認證標準[16],工程應(yīng)用專業(yè)的通用畢業(yè)要求涵蓋工程知識、問題分析、設(shè)計或開發(fā)解決方案等12個維度。面向工程應(yīng)用的課程重構(gòu)可以瞄準這12個維度,根據(jù)課程自身特點設(shè)計出相應(yīng)的課程目標。數(shù)學建模課程主要面向理工科專業(yè),是培養(yǎng)數(shù)學應(yīng)用和計算機技術(shù)綜合運用能力的課程,可以設(shè)計出7個課程教學目標,在多個維度上支撐通用畢業(yè)要求,如表1所示。

表1 數(shù)學建模課程重構(gòu)形成的7項課程目標

將工程教育認證標準12個維度的畢業(yè)要求與表1課程目標進行對應(yīng)性分析,可以得到數(shù)學建模課程目標對專業(yè)畢業(yè)要求的支撐程度,如表2所示?？梢钥吹秸n程目標對前5點涉及理工科數(shù)學應(yīng)用、問題解決、開發(fā)設(shè)計以及持續(xù)學習這些方面都有很好的支撐,能夠為學生形成職業(yè)核心能力打下堅實基礎(chǔ)。

表2 數(shù)學建模課程目標對工程教育認證標準畢業(yè)要求的支撐(H、M、L對應(yīng)高、中、低支撐)

(二)基于學科專業(yè)的工程應(yīng)用主題主線,重組課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)

工科課程重構(gòu)后,通過課程教學目標達成畢業(yè)能力要求的目的,是為了能夠滿足職業(yè)崗位工程應(yīng)用需要。要實現(xiàn)課程目標,必須要求重構(gòu)的課程內(nèi)容能夠支撐工程應(yīng)用需要的知識、素質(zhì)和意志的綜合培養(yǎng),在時間維度上則要能夠覆蓋多個學期,以利于課程目標的融合性形成。因此,可以圍繞職業(yè)崗位工作內(nèi)容構(gòu)建課程教學主題,并以工作流程作為系統(tǒng)重組課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)的主線。如果重構(gòu)后的課程內(nèi)容體系能夠較好地支持這一流程的完成,那么就意味著能夠?qū)崿F(xiàn)對課程教學目標的有效支撐。大數(shù)據(jù)條件下,工科專業(yè)的職業(yè)崗位工作流程與基于大數(shù)據(jù)的決策支持過程密切相關(guān),數(shù)學建模課程內(nèi)容重構(gòu)可以考慮圍繞這一過程尋找相關(guān)的課程內(nèi)容模塊,使得職業(yè)崗位需求與課程內(nèi)容直接對應(yīng),實現(xiàn)課程內(nèi)容體系的結(jié)構(gòu)更新。

如圖1所示,基于大數(shù)據(jù)的決策支持過程通常包括狀態(tài)描述、情況評估、關(guān)系探索、態(tài)勢判斷、運籌優(yōu)化等5大步驟。在職業(yè)崗位確定的問題背景和實戰(zhàn)需求下,面對具備海量、高速、多樣、價值密度低等4V特性的行業(yè)大數(shù)據(jù),課程內(nèi)容必須提供一套體現(xiàn)專業(yè)核心原理模型和成熟工程應(yīng)用方式的課程模塊體系,有力支持5大步驟所需的能力培養(yǎng)。對于數(shù)學建模課程來說,可以利用自身具備數(shù)據(jù)分析教學內(nèi)容的優(yōu)勢,通過針對每個步驟重組數(shù)學建模課程內(nèi)容模塊的方式,實現(xiàn)課程內(nèi)容重構(gòu)的目的。同時,可以將每個模塊分為基本原理方法講解和軟件工具使用、深入原理的模型和方法開發(fā)、典型問題的研究解決以及解決問題的策略和創(chuàng)新等四個層次,層層深入,引導學生最終達成能力的生成和增長。

圖1 圍繞大數(shù)據(jù)決策支持過程的課程內(nèi)容體系重構(gòu)

(三)創(chuàng)設(shè)工程應(yīng)用成功環(huán)境,漸進構(gòu)建以學生為中心的教學模式

課程教學內(nèi)容的重構(gòu)與教學模式的設(shè)計,是必須相互匹配的。根據(jù)OBE理念,學生要達到滿足畢業(yè)要求的能力指標的“頂峰成果”,重要條件之一是創(chuàng)設(shè)成功環(huán)境。通過充分考慮學生個體差異的教學方式,設(shè)置具有挑戰(zhàn)性的高水平學習任務(wù),充分保障時間和資源,使學生從成功走向成功。顯然,這是一個時間上的漸近過程。所以,工科課程重構(gòu)當中,需要在階段性教學內(nèi)容上,針對不同的工程應(yīng)用教學內(nèi)容引入不同的教學方式,形成“教師主持指導,學生研學并重”的教學場景,逐步提高學生參與工程實踐的感受度,讓學生真切感受到教學是以他為中心的,階梯性地讓學生獲得成就感。依據(jù)這一思路,數(shù)學建模課程可構(gòu)建階梯形教學模式,如圖2所示。

圖2 數(shù)學建模課程重構(gòu)中形成的階梯形教學模式

數(shù)學建模課程重構(gòu)后,在第一學習階段,教師要“唱主角”,運用BOPPPS模型設(shè)計課堂教學,理論講授數(shù)學模型方法的基本概念原理,同時演示相關(guān)軟件實際操作步驟,運用相關(guān)程序庫編程解決一個具體工程應(yīng)用小問題,但要通過翻轉(zhuǎn)式課堂讓學生體會主宰自己學習的感覺,并通過編程作業(yè)讓學生感受數(shù)學理論的高可用性。第二階段中,教師要多以專題研討形式拋出工程應(yīng)用問題,通過討論和思辨深入闡釋模型原理,使學生獲得辨析性批判性思維,同時通過案例式作業(yè)使學生針對實際工程問題開發(fā)模型方法,形成自己解決問題的“小套路”,讓學生感覺“自己的工具箱滿了”。第三階段中,教師更多地進行策略性指導,主要是組織數(shù)學建模競賽的備賽訓練,引導學生形成分工側(cè)重、協(xié)調(diào)合作的競賽團隊,同時思辨?zhèn)€人和集體之間的關(guān)系,讓學生在訓練及比賽中獲得榮譽和成就。第四階段通常處于學生實習實踐階段,要讓學生帶著問題去實習,尋找運用數(shù)學模型構(gòu)建能力來融合專業(yè)知識與工程實際的關(guān)鍵點,再帶著研究方向和任務(wù)回來,向指導教師咨詢解決問題的方向和路徑,形成貼合工程應(yīng)用實際的畢業(yè)設(shè)計題目,并鍛煉學生單打獨斗完成畢業(yè)課題項目的綜合能力。

(四)遵循認知建構(gòu)過程特點,形成多層循環(huán)持續(xù)改進的課程評價

OBE理念的目標是促成學生實現(xiàn)頂峰學習成果,這一過程顯然不是線性正增長的,課程評價需要對此充分考慮。因為學生知識能力素質(zhì)增長過程遵循認知建構(gòu)循環(huán)提升規(guī)律,循環(huán)內(nèi)部是知識體系的填充和能力結(jié)構(gòu)的完善,循環(huán)之間逐層提升。在前面設(shè)計課程目標、重組課程內(nèi)容體系以及構(gòu)建教學模式時,均考慮了這一特點,建立了適于面向工程應(yīng)用的課程教學系統(tǒng)。在實施課程評價時,除了要在課程內(nèi)容模塊中采用多元評價,還要遵循認知建構(gòu)循環(huán)上升的特點,建立適合多階段的多層評價機制,同時利用循環(huán)上升的特點實施持續(xù)改進的評價過程。對于數(shù)學建模課程來說,可形成如圖3所示的課程評價過程。

圖3 多層循環(huán)式持續(xù)改進的數(shù)學建模課程評價

學生最后的頂峰學習成果的達成依賴于各個階段的教學目標。每個階段被評價達到教學目標時,其實正是下一階段評價的開始,只是已經(jīng)在更高層面來進行這一工作了。在每層評價機制中,畢業(yè)要求反向引導了課程教學階段性目標,這一目標確立了多元的評價標準。圍繞數(shù)學建模課程教學內(nèi)容的實施,在獲得多個教學模塊的學習成果輸出物后,就可對照評價標準進行評價,完成目標達成度計算。本層目標達成情況作為更上一層評價的基礎(chǔ),在多層間持續(xù)地進行評價,同時也可作為對本層教學目標、內(nèi)容和模式進行持續(xù)改進的重要參考。

五、結(jié)語

工科課程是高等院校構(gòu)建工程應(yīng)用型教育體系的核心,將課程建設(shè)為一門具備一定挑戰(zhàn)性的面向工程應(yīng)用的有難度的高階課程,能夠培養(yǎng)學生解決專業(yè)方向上實際工程問題的創(chuàng)新能力。在本文提出的面向工程應(yīng)用的課程重構(gòu)內(nèi)涵和策略的指導下,教學團隊自2021年起對數(shù)學建模課程進行了逐步重構(gòu),并在課程教學和競賽培訓中進行了實踐應(yīng)用,迅速提高了學生運用數(shù)學模型方法的綜合能力素質(zhì)。在2022年和2023年全國大學生數(shù)學建模競賽中獲得了1項國家一等獎、1項國家二等獎、15項省級獎的優(yōu)異成績。在當前大數(shù)據(jù)技術(shù)廣泛應(yīng)用的情況下,各個學科專業(yè)都面臨數(shù)據(jù)分析處理的工程應(yīng)用問題,對相應(yīng)的課程進行適應(yīng)性重構(gòu)對專業(yè)和課程發(fā)展都是有利的。在實施課程重構(gòu)的過程中,首先,應(yīng)當選擇與構(gòu)建專業(yè)畢業(yè)能力較為接近的專業(yè)基礎(chǔ)課或?qū)I(yè)課,這樣有利于對標工程教育認證標準和專業(yè)現(xiàn)實需求尋找課程重構(gòu)的驅(qū)動力;其次,應(yīng)當注意創(chuàng)建新的課程內(nèi)容主線,并依據(jù)主線選擇或者新建相關(guān)的內(nèi)容模塊,部分老舊內(nèi)容雖然也很寶貴,但可以適當合并刪減,這樣更能突出創(chuàng)新性;最后,重構(gòu)課程更要注重創(chuàng)新教學實踐,特別是要多嘗試新工具、新手段,讓學生能夠迅速、容易地進入學習狀態(tài),把課程重構(gòu)的效果迅速地反映到教學評估當中,有利于形成教學閉環(huán),獲得重構(gòu)的成就感,加速課程建設(shè)進度。當前大數(shù)據(jù)時代,信息大量涌現(xiàn),知識迭代更新加快,進行工科課程重構(gòu)能夠幫助學生更好更快地掌握工程應(yīng)用思維方法和知識技能,相信本文內(nèi)容能夠?qū)φn程建設(shè)和發(fā)展起到有益的推動作用。