新工科背景下实践类课程混合教学模式研究

阎 群，李 擎，崔家瑞，李希胜，杨 旭

（1.北京科技大学 自动化学院，北京 100083；2.北京科技大学 北京市工业波谱成像工程技术研究中心，北京 100083）

进入21世纪，互联网、大数据、虚拟现实、人工智能、区块链等信息技术蓬勃发展，对高等教育教学的变革产生了颠覆性影响。《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》中明确提出要通过互联网推动教育资源共享、推广网络学习模式、加快高等教育服务模式变革[1]。高校实验教学是学生实现理论知识升华的关键环节，是培养学生创新意识和能力、合作精神和团队意识的关键环节，是实现立德树人、三全育人的重要方式和途径[2-3]。基于新工科建设，面向中国制造2025，要将培养学生的工程思维、批判性思维、自主终身学习能力、团队协作能力、跨学科交叉融合能力贯穿于实验教学的全过程[4]。

北京科技大学自动化专业作为CDIO（conceive，design，implement，operation）国家级特色专业、卓越工程师培养计划专业和“双一流建设”的学科，于2015年和2018年顺利通过两轮工程教育专业认证，在实验实践类课程教学方面取得了比较丰硕的成果[5-6]。“自动化生产线实训”是我校面向自动化专业高年级学生开设的一门综合性的专业实验课程，在培养学生解决复杂工程问题能力方面发挥了重要作用。但由于实验室资源有限等原因，目前仍存在实验学时有限、实验项目拓展不够、学生自主学习的监控性不强、师生之间缺少交流平台、现有教学模式无法满足学生差异化诉求等问题。为此，以交叉跨界问题、综合复杂问题和行业产业最新成果为导向，设计创新实验教学项目，以学生为中心，结合CDIO-OODA工程教育理念与项目驱动教学方法，搭建基于 Moodle（modular object-oriented dynamic learning environment，模块化面向对象的动态学习环境）的混合实验教学平台，强化实验教学过程的管理与评价，探索线上、线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化的混合实验教学新模式，进而形成开放共享、教学效果良好的信息化实验教学新体系。

1 混合实验教学理念

混合教学的理论基础包括建构主义、结构主义和人本主义等学习理论，主张教师根据课程以及学生的特点，综合多种教学理论，在多种教学环境下，融合线上网络教学与线下传统教学资源，采用多种教学方式，引导学生学习；学生采用多种方式进行学习，采取多种学习评价评估学习效果，实现学生高效学习[7]。混合式教学充分发挥了“线上”和“线下”、“课内”和“课外”两种教学的优势，形成具有针对性、可操作性，循序渐进的能力培养路径。

Moodle是一个基于构建主义学习理论的开源课程管理系统，集学习、活动、交流为一体，为教师和学生提供基于互联网的在线学习环境，便于教师进行教学活动设计、教学资源管理、答疑、作业批改、学生实验情况追踪、学生能力提升指导等[7]。

在“以学生为中心”的框架下，我校自动化学院在“自动化生产线实训”课程中引入CDIO-OODA工程教育理念[4,6]和项目驱动[5]的实验教学方法。CDIO从宏观上将产品从研发到运行的生命周期分解为构思、设计、实施、运行四个过程，OODA（observer，orient，decide，act）又称博依德循环，在微观层面针对CDIO的每个过程采用观察—确认—决策—执行迭代循环执行。CDIO-OODA工程教育理念重在培养学生解决工程问题的思维方式和能力。项目驱动采用基于问题的教学模式，在项目中教师不断地给学生“挖坑”，引导学生分析问题、学习解决问题所需的知识、一步一步地解决问题，激发学生积极思考、探索，感受创新的艰辛与乐趣，重视团队协作能力。将CDIO-OODA工程教育理念与基于问题的项目驱动教学模式相融合，取长补短，充分发挥“教师引导、启发下的学生主体”作用，使学生学习更加有的放矢，有效提升学生获取知识及掌握知识应用的能力。

“自动化生产线实训”实践课程综合性比较强，动手环节多、挑战性强、知识系统庞杂、教学过程中涉及的实训设备种类也比较多，学生难免有畏难心理。将 Moodle平台有效融入“自动化生产线实训”实验教学中，充分利用 Moodle的网站管理、课程管理、学习管理功能，把传统教学中的优势与网络教学中的优势相结合，建立网络在线互动实验教学平台。便于教师及时提供更多的课内及课外拓展学习资源，及时追踪学生的实验情况，及时指导学生在实验过程中遇到的各种问题，及时评阅学生CDIO-OODA各阶段提交的方案及报告。便于学生实时在线学习、留言、讨论，开展学生小组间攻防学习模式。这种自主、探究、协作性的混合实验教学模式，充分体现了教师引导、启发下的以学生为中心，有利于大幅提高实验教学效果。

2 混合实验教学资源建设

实验教学设备是培养学生工程实践能力的重要场所，是实现混合实验教学的重要载体。近五年，根据国家重大发展战略需要和社会行业企业的人才需求，结合我校自动化专业在冶金行业的应用特色和新工科建设特点，自主研制实验教学设备6大类，涵盖过程控制、运动控制、逻辑控制等，很好地支撑了学生实践能力的培养。下面以基于物联网技术的智能信号处理一体化创新实训平台为例介绍混合实验教学资源建设。

基于物联网技术的智能信号处理一体化创新实训平台以“基于电力线载波的绿色建筑能耗监测与优化控制”等产学研项目的研究成果和“基于低压电力线载波的自组网抄表方法”[8]等发明专利为基础，优化组合相关系统模块，强调信息化与工业化的深度融合，与智能制造的核心问题相对应，由楼宇检测与控制节点群（传感器）、集中器（工控系统）和上位机（互联网+智能决策）三部分组成，整体架构如图1所示。

图1 智能信号处理一体化创新实训平台整体架构

节点群主要完成楼宇不同物理量的采集功能，并通过电力线载波与数据集中器通信，主要包括开关灯控制器、风扇控制器、空调控制器、人居环境采集器（温度、湿度、PM2.5、CO2、甲醛、TVOC、光照度）和能耗采集器等。集中器主要完成多种不同采集节点群数据的存储管理、与上位机通过GPRS通信，并通过内置的控制策略控制相关节点群。上位机主要应用虚拟仪器、BIM（building information modeling，建筑信息化模型）技术、大数据、虚拟现实、云平台等网络化、数字化、智能化技术手段，完成楼宇能耗监测与智能优化控制，具体功能包括控制策略的仿真验证、数据的可视化展示、互联网与工控网络数据交互、分布式工控系统参数配置与查询、通信协议的编解码等。

智能信号处理一体化实训平台涉及了自动化、检测与仪表、物联网、计算机和机械等相关专业的知识点，涵盖了MCU、ARM、DSP、FPGA等常用嵌入式处理器，融入了电力线载波、CAN总线、RS485、Zigbee、4G/GPRS和Wi-Fi等常用物联网通信方式，具体对应关系如表1所示。基于该实训平台，可以从信号检测、传输、处理和显示的全过程有效培养学生快速获取相关知识的能力，全方位提升学生解决跨学科复杂工程问题的能力。该平台荣获第二届自动化类专业青年教师实验设备设计“创客大赛”银奖。

表1 智能信号处理一体化创新实训平台涉及的知识点及对应学科

3 基于Web的PjBL混合实验教学方法

将基于问题的教学方法（problem-based learning，PBL）与网络技术、信息技术有机融合，实现信息聚合、自主学习、分享交互，形成具有我校特色的基于Web的PjBL（project-based learning）混合实验教学方法，该方法的整体框图如图2所示。

CDIO-OODA教学模式中各个阶段的内容不同，具体要求也不同，各阶段不能机械地采用同一种教学方法。基于Web的PjBL混合实验教学方法针对各阶段不同特点，具体实施过程中采用了与之相匹配的多种教学方法，具体描述如下：

（1）在整个课程的执行过程中，以项目全寿命周期管理的形式管理实验教学过程，即基于项目的教学方法，并将每个过程转化为单独的小项目，这些小项目环环相扣，最终形成一个完整的大项目。

（2）以 Moodle平台作为“自动化生产线实训”课程的过程管理平台，实现课程项目资源共享及优化，包括教师和学生在实践教学过程中形成的成果，监控学生的实践过程，实时在线评价学生的学习效果，有效提升教师与学生之间沟通协调效率。

（3）在需求分析和方案设计阶段，采用基于问题的教学方法。将学生置于复杂、有意义的问题情境中，通过学生自主、协作学习解决问题，掌握隐含在问题背后的科学知识，形成解决问题的技能和自主学习的能力，达到建构经验的目的。

（4）在方案设计和产品研发阶段，主要采用自主探究和小组协作的学习方法。学生根据教师提出的项目问题自主探究，通过小组成员之间的分工与协作，完成问题解答，实现学习资源共享，提升整体学习效率。

图2 基于Web的PjBL混合实验教学方法

（5）在方案设计和产品上线阶段，采用不同小组间互攻的学习模式，即其他小组可对展示组的方案设计和产品上线进行提问，可攻击，也可提改进意见，充分调动全体学生的积极性，提升学生提出问题和分析问题的能力。

4 混合实验教学实施及应用成果

以Moodle平台为载体，构建了基于Web的“自动化生产线实训”实践课程PjBL混合实践教学平台。

学习资源是学生进行自主学习的重要组成部分，利用 Moodle平台的添加资源工具，将项目需求与背景知识、试题、案例、CDIO-OODA工程教学理念、项目驱动教学方法等以文本、图片、视频、音频等媒体方式上传到 Moodle平台。在课前学生借助平台了解项目任务及具体实施流程；在课中学生总结自主学习的知识，形成WIKI或者文档上传到Moodle平台，接受同学及老师的评议，同时，学生还可以利用讨论区、聊天室等，与组内成员、同学和教师进行在线的技术交流与答疑；在课后教师通过平台在线对学生提交的作品开展自评、互评，进行个性化、自适应学习与答疑。

该平台的应用大幅提升了学生解决复杂工程问题的能力，同时提升了我校自动化专业建设水平。近几年学生省部级以上竞赛获奖率达到专业人数的40%以上，稳居全校前两名。2018年度全国高校学科竞赛排行榜中，北京科技大学排名第36位，其中自动化专业学生参加竞赛获奖贡献率接近15%。

5 结语

在新工科建设背景下，以 Moodle平台为依托，构建了“自动化生产线实训”实践课程混合实验教学模式，充分发挥了传统教学和网络学习的优势，发挥教师主导作用的同时突出学生的主体地位。我校自动化专业2014—2016级学生应用表明，该混合实验教学模式充分调动了学生参与实践教学的积极性和主动性，激发了学生的批判性思维，增强了学生自主学习能力，有效提升了学生快速获取与智能制造核心问题相关知识的能力，特别是提升了解决信息化与工业化深度融合的跨学科复杂工程问题的能力。