工程专业混合式教学设计与实践研究

张冲 吴冠豪

[摘   要] 工程专业的混合式教学有其自身的特点。文章首先阐述了工程专业混合式教学“混合”的内涵;其次基于工程人才培养目标特点，围绕学习活动、教学资源、教学评价三个方面对混合式教学进行了设计;最后，结合清华大学“光电仪器设计”课程教学改革案例，在教学实践中实施并验证了混合式教学效果。

[关键词] 工程专业; 混合式教学; 工程人才; 教学设计; 教学实践

[中图分类号] G434            [文献标志码] A

[作者简介] 张冲（1984—），男，吉林农安人。博士研究生，主要从事工程教育、创新创业教育研究。E-mail：zhangchong @tsinghua.edu.cn。

一、问题的提出

信息网络技术的发展极大的便捷了知识、理论的传播，也给高层次工程人才的培养带来了挑战。就高等工程教育的目的来看，工程教育、教学已无法停留在知识和信息的简单传递层面，更重要的是，要在此基础上，促进学生对知识的理解，培养其有效运用知识、技能解决复杂工程问题的能力和创新创造力[1]。当前，我国高等工程教育领域正在大力推进新工科专业建设，新工科专业建设的核心任务是人才培养，而培养和造就一批具有创新创业能力、跨界整合能力、高素质的各类交叉复合型卓越工程科技人才是新工科建设的主要目标[2]。为了实现上述目标：一方面，要系统性地改革工程教育教学内容，以满足新技术、新产业和新经济快速发展的需要;另一方面，要创新工程教育教学方法，充分认识到数字技术、信息化对知识获取方式和传授方式，以及教和学关系带来的革命性影响，利用好信息化的手段辅助工科教学，切实提高工科教学效果和工程人才培养的质量。

混合式教学作为一种融入信息技术手段的创新型教学方法，近年来得到了教育界广泛关注。然而，工程专业混合式教学改革还处于探索阶段，尚缺乏策略性、方法性研究，教学效果也有待实践检验。混合式教学中“混合”的内涵是什么，如何结合工程专业特点，进行混合式教学设计，工程专业混合式教学效果如何？本研究基于清华大学“光电仪器设计”课程的混合式教学改革实践案例，尝试通过对上述问题的回答，为工程专业混合式教学的有效开展提供参考方案，为信息技术与工程教育的深度融合以及培养具有全面能力素养、高层次、创新型工程科技人才提出合理的意见和建议。

二、混合的内涵

工程专业推进混合式教学改革的前提，是要准确理解“混合”的内涵。国外有学者认为：只有当课程内容通过网络的方式进行传授达到一定的比例时，才能算作混合式。如Allen认为，课程在线交付的内容应在30%～79%之间[3];而Watson设定课程内容在线传授的比例是不低于30%[4]。本研究认为，这样一种对“混合”内涵的理解是表面的，是无法指导教学实践的。正如Graham所指出的，即使可以准确地确定一个百分比，29%的课程内容在线传授与30%的课程内容在线传授又有什么实际的差别呢[5]？可见，混合式教学中“混合”的本质并不在于多少内容、多少比例的混合。之所以“混合”，是因为有多个不同质的对象要综合利用，有不同质的目标要实现。如果是同一对象、同一目标，或者相同性质的对象、目标在一起，就不能称为“混”，也没有必要“混”[6]。从教学实践的角度来讲，目标是任何教学设计的起点，没有目标就不会有内容，也不会有形式，更不会有相匹配的资源。因此，不管对混合式教学中的“混合”有多少种形式上的理解，本研究中的“混合”主要指基于工程教学、工程人才培养目标的混合。只有明确了目标，明确了这一内涵，混合式教学设计才能更好地付诸实践。

三、工程专业混合式教学设计

关于混合式教学中哪些（任务）最好在线完成，哪些（任务）最适宜线下面对面完成，或者什么时候完全的在线学习是比课堂教学更好的选择，对这些问题尚没有确切的能够指导教学实践的佐证或理论[7]。但工程专业教学具有特殊性，它不同于文理科专业，在教学目标方面不仅强调学生对科学知识、原理的理解和掌握，更强调知识、技能的综合与实际运用，从而培养学生通过设计等手段创造性地解决复杂工程问题的能力。有学者指出，在知识经济、科技革命和全球经济一体化的背景下，未来工程科技人才不仅需要掌握关于什么的知识（即事实方面的知识）、关于为什么的知识（即原理和规律方面的知识），更需要掌握怎么做的知识（即操作、实践能力）以及关于谁的知识（即怎么合作、如何管理的知识与能力）。培养既有理论创新能力，又有工程实践能力及其他高阶能力素养的创新型工程科技人才已成为未来工程教育核心的目标。已有研究表明：混合式教学中线上与线下教学模式，在不同类型知识学习方面各具优势。当学习陈述性、事实性知识时，线上多媒体技术的优势明显，线上学习对提高学生自主学习能力也更有利;当学习程序性知识，培养学生的高阶能力素养时，线下的实践、参与式学习、研究性教学更具优势[8]。

因此，工程专业混合式教学设计应遵从工程人才培养目标的上述特点，从教学目标的合理分解出发，发挥线上与线下教学各自的优势，对整个教学过程进行系统性设计。线上，教学目标应側重于学生对科学知识、原理的记忆、理解和掌握;线下，教学目标则侧重于学生综合运用知识解决复杂工程问题的能力、团队合作能力的培养，以及设计思维、创新思维、创造力的开发。工程专业混合式教学设计要基于以上教学目标，设计相应的学习活动，匹配合适的教学资源，并采取适当的方式评价教学效果。

（一）学习活动设计

学习活动是指学习者以及与之相关的学习群体，为了达到特定的学习目标需要完成的训练内容，是教学设计的核心[9]。对学习活动的分类有多种方式，本文根据工程专业学习的知识属性以及混合式教学目标，将学习活动分为理论概念、思维开发、综合实践三种类型。

理论概念类学习活动以静态的陈述性知识学习为主，主要目的是让学生掌握本学科专业的基本概念、相关知识原理以及了解知识、原理运用的实践场景。混合式教学模式下，其实现途径是：学生通过网络课程、远程实验平台线上自学，教师主要起辅助作用。

思维开发类学习活动主要目的是开发学生的发散思维、逆向思维、批判思维，培养其创新思维能力。思维能力的培养离不开问题的创设，人的思维活动与具体问题的解决过程密不可分。因此，思维类、开发类学习活动主要是基于问题的学习，其具体实现途径：一是针对学生网络课程的学习反馈，总结提炼共性问题、难点问题，由教师组织学生在网络以及课堂上进行讨论，鼓励学生发散思维，提出一些解决问题的新思路;二是教师在课堂教学的基础上，结合工程实践中的开放性任务、企业的需求与案例，以完成专题研究的方式（具体形式可以是调研报告、课程设计、工程部件设计等）引导学生尝试提出新颖的问题解决思路或设计方案。从教学实践看，线下教学对学生思维开发的效果更明显，但线上的交流互动、研讨也有利于思维能力培养，对线下教学目标能起到加持作用。

综合实践类的学习活动主要目的是为了检验学生对所学知识、原理、技能的理解与掌握程度，通过创设基于真实问题情境的学习任务，培养学生综合运用知识解决复杂工程问题的能力、表达沟通能力、团队合作能力、创新创造力等高阶能力素养。综合实践类学习活动主要依靠线下的研究性教学、实践教学完成，具体实现路径是：教师将工程科研中的具体任务或企业的现实需求凝练成研究课题或项目选题，科学制定研究目标，并结合学生的学习兴趣对其进行分组，指导学生合作学习，通过完成源自工程实践的综合项目，培养其高阶能力素养。

（二）教学资源设计

工程专业混合式教学资源，包括线上教学资源与线下教学资源两部分。其中线上教学资源主要呈现形式是网络课程资源与远程实验资源;线下教学资源主要呈现形式是工程项目资源、工程实践教学资源与企业学习资源。

1. 网络课程资源

网络课程是在线学习最主要的资源载体，是线上教学设计的核心。网络课程的设计不是简单地将原有的线下课程资源照搬到网络上，而要兼顾学习内容的有效性与趣味性，前者保证课堂的效率，后者助力于学生的深度参与[10]。为此，教师一方面要注重教学内容与现实生活、工程实践中真实问题的联系，促进学生感知课程的效用价值;另一方面，要适度增加学习任务的挑战性并采取模块化课程设计方法，将学习任务分解为不同的教学内容和相应的知识点，针对每一部分的模块设置相应的引导性问题，并提供辅助学习资料、文献，以及与课程学习相关的工程数据库资源、案例资源等，引起学生参与学习的兴趣，调动学生自学的积极性。

2. 远程实验资源

远程实验室是远程实验资源的载体，它主要由一些智能设备、仿真设备、计算机、数据库、工程软件等资源通过网络有机联结而形成，是工程专业特有的在线学习资源。远程实验在一定程度上能够解决工程专业对线下实验环境强依赖性的问题，使得一些理论验证性实验可以通过网络学习的方式完成，加深学生对所学知识的理解。教师应根据相关课程模块的具体教学内容、知识点的需求，设置远程实验。可将实验要求、操作规程录制成视频，让学生结合在线课程共同学习，并通过远程实验室自主完成对相关理论、原理的验证，深化对所学知识的理解。

3. 工程项目资源

工程项目是综合实践类学习活动项目选题最主要的来源。典型的工程项目包括：工程企业委托的横向项目、国家重大科技专项等项目课题，这类项目既有很强的科技创新要求，同时也具有强烈的实践应用导向，是培养工科学生解决实际问题能力以及其他高阶能力素养的重要抓手。教师要把参与、完成这些工程实践类研究课题的心得体会、科技攻关取得的成果，含有关键技术突破的子任务，凝练成工程案例和适合综合实践类学习活动的项目选题，在线下开展研究性教学。一方面，引导和帮助学生选择有价值的工程问题;另一方面，要能够指导学生科学制定项目总体目标，并合理分解目标，确定研究成果的呈现形式及任务分工，指导项目实施。

4. 工程实践教学资源

工程专业除了仿真类、验证性实验可通过在线方式完成，大部分实验仍需要学生现场操作，动手实践，特别是综合实践类学习活动更需要工程实践教学资源的支撑。工程实践教学资源由各专业类实验室、工程综合训练中心等承载，为工科学生参与工程实验、实践提供相关的场地、仪器设备等条件。教师应充分利用本学科专业实验室、学校开放性实验资源，为学生提供相关实践教学资源。

5. 企业学习资源

为了更好地完成工程专业综合实践类项目学习，学生需要了解企业的运作、产品开发的流程以及市场的需求。为此，线下教学要尽可能为学生提供企业学习资源。企业学习资源具体表现形式有如下几种：一是有助于工科学生总体了解学科、行业发展历史和发展现状的案例、报告等;二是大学没有而企业具备的工程实验条件，包括仪器设备、数据库资源、软件环境等;三是与企业研发、销售、管理人员沟通交流的条件或渠道。这里最重要的是与学生项目学习直接相关的企业资源，教师可以基于所承担企业委托横向课题设置学生项目学习选题，这样可帮助学生直接建立起与企业界的联系，充分利用企业的研发条件，更好地与企业一线研发、销售、管理人员交流互动，了解工程产品设计开发的流程与市场需求。

（三）教学评价设计

教学评价的目的是为了保障教学目标的实现，目标導向是教学评价应遵从的基本原则。从工程专业混合式教学目标的特点来看，线上的教学目标相对是显性的，较容易评价，教师可以通过网络随堂测验、考试等方式实现对上述目标的教学评价;但线下的教学目标相对是隐性的，解决复杂工程问题的能力、团队合作能力，设计思维、创新思维以及创造力等教学目标很难通过量化的指标对教学效果作出客观、准确的评价。因此，针对这部分教学目标，要结合研究性教学的特点，引入过程性评价，通过个人的心得体会，以及在项目学习中的行为表现等作为评估准则，评估教学效果。工程专业混合式教学评价要素见表1。工程专业混合式教学最终效果，还应在目标要素评价的基础上，通过与传统教学的比较，进行验证，检验其有效性。

“光电仪器设计”课程线下研究性教学是混合式教学实施的重点，为满足工程人才高阶能力素养培养需要，线下教学主要呈现如下特点：

（1）突出教师主导作用

工程实际问题往往都是多学科交叉的，具有很强的综合性。基于合理分工，以跨學科团队合作组成项目小组的综合项目学习模式，不仅能训练学生的工程专业能力，同时也有利于培养学生跨学科思维能力、团队合作能力和创新创造力。但以往在教学实践过程中，由于过于强调学生的自主性，往往造成学习任务分工不明确、研究性选题不合理等问题，线下小组学习中也会产生“抱大腿，搭便车”的现象。为此，本课程在线下教学设计中，注重强化教师的主导作用，即由教师精心设计研究任务，同伴分组完成后，明确每个组员的分工与考核，避免搭便车现象。各组的任务选题不同，但有衔接和交叉，这样可以增进组内和组间的交流，促进学生发散思维，提高其合作能力。

（2）注重与工程科研结合

具体策略是：以科研带动教学，增加课程的前沿性与挑战性。在教学过程中，教师结合自己承担的国家重大专项任务，将光栅科研案例融入混合式教学之中。一方面，通过生动的案例、先进的科研成果激发学生的学习兴趣和动机;另一方面，将科研任务中的一些重点难点问题、关键技术凝练成综合性实验的研究选题，鼓励学生发散思维、逆向思维，尝试提出、采用一些创新的方法去完成学习任务，培养其创新思维能力以及解决工程问题的能力。在本课程的混合式教学实践中，学生综合性实验研究成果成功应用到了教师的科研项目之中，提高了光栅周期测量的效率，证明这种方法能够取得良好效果。

（3）注重与企业合作，共同开展混合式教学

具体方式是：一是为学生与企业研发、销售人员的交流互动建立起畅通的渠道，要求学生在正式进入在线学习、综合性实验学习前，对企业一线的研发与销售人员进行访谈，熟悉相关仪器的发展历程、研发设计经验、现实存在的问题及市场的新需求，确保研究选题的意义和价值。二是与企业建立互利共赢的合作机制。企业为课程实验教学提供相关仪器设备，教师与学生运用仪器设备开展各类实验，录制仪器设备操作视频，为企业提供产品使用经验与心得，反馈产品使用过程中存在的问题与不足，促进企业改进、提升产品性能。

（三）“光电仪器设计”课程混合式教学效果

“光电仪器设计”课程混合式教学效果，主要基于课程目标的实现情况，并通过与教改前传统教学模式的比较，来进行考查评价。具体评价方法：一是对该课程混合式教学改革前、后两学年，学生的课业成绩进行比较分析，相对客观评价混合式教学中知识传授、技能训练的效果;二是比较两种教学模式对学生表达沟通能力、团队合作能力、创新思维等高阶能力素质提升情况的影响，验证混合式教学效果。

基于选课人数，遵照整体抽样，严格控制组间差异的原则，从混合式教学改革前、后两学年各抽取30名学生作为调查分析对象，即混合教学组30人（简称混合组），传统教学组30人（简称传统组），样本情况见表3。

控制组间差异的方法是：两组选课学生男女比例基本相同;所有学生均来自同一院系（精仪系），同一年级;学生基础以及以往所学课程内容基本相当。对两组学生课业成绩、高阶能力素养提升情况具体分析如下：

1. 课业成绩

从两组学生的课业成绩来看，混合组与传统组在成绩均值、方差、优秀率方面均有明显差异。混合组相对于传统组学生成绩平均分提升了近10分。混合组学生成绩方差为5.1，传统组为11.3，混合组方差约为传统组的二分之一，说明混合组学生成绩个体差异明显降低。从优秀率来看（课业成绩90分以上所占比率），混合教学组学生获得优秀的比率较传统教学组显著提高，整体提升了13.3%。具体分析结果见表4。

混合组与传统组学生课业成绩单因素方差分析结果亦表明：混合组与传统组差异性显著。即在a=0.05的水平上，p值为0.00012，远远小于0.01。表5为具体的方差分析结果。

上述结果证明：混合式教学注重线上与线下相结合，强调研究性教学、合作学习这样一种新的教学模式，有利于总体上提升学生对知识、技能的理解与掌握程度，降低学生间的个体差异，有效促进每一个学生个体课业成绩的提高。相比于传统教学，混合式教学在知识传授、技能训练方面，能够取得更好的教学效果。

2. 高阶能力素养

根据本课程的教育目标，学生高阶能力素养主要包括7部分：学生对所学知识的理解力及有效运用能力、工程设计能力、分析与解决问题的能力、创新思维能力、表达沟通能力、团队合作能力以及自学能力。通过李克特五分量表，对混合组与传统组学生问卷调查发现，混合教学组学生上述能力要素提升明显好于传统教学组，具体情况见表6。

方差分析结果表明，混合式教学在学生对所学知识的理解力、有效运用能力，工程设计能力，分析问题与解决问题能力，创新思维能力，表达沟通能力，团队合作能力以及自学能力等高阶能力素养培养方面，均能取得比传统教学更显著的教学效果（显著性p<0.01）。方差分析结果见表7。

五、结论与建议

工程专业教学不仅强调知识的学习，更重视知识的应用、创新，以及各种能力的培养和素质的养成[11]。在工程专业开展混合式教学，是数字时代网络信息技术与工程教育深度融合的具体体现，也是培养具有全面能力素养、高层次、创新型工程人才的必然要求。本文结合清华大学“光电仪器设计”课程混合式教学改

革实例，系统阐释了工程专业混合式教学设计的思路和方法，并对混合式教学效果进行了评价和验证。

主要结论与建议如下：

（1）工程专业混合式教学本质是基于人才培养目标的混合，要牢牢把握工程专业教学既重理论创新也重实践应用的特点，围绕培养具有全面能力素养的工程科技人才这一目标进行混合式教学设计。

（2）工程专业混合式教学线上部分，要注重网络课程学习与远程实验的结合，遵从教学内容设计前沿性、有效性与趣味性原则，调动学生自主學习的兴趣。在教学实践中，教师应充分利用信息技术手段，促进生生、师生之间基于问题的交流互动。

（3）线下教学部分应强化研究性教学，注重教学与工程科研的结合、与企业的合作。教师要帮助学生凝练有价值，适合思维开发、综合实践类学习活动的研究选题，鼓励学生积极参与研究，并引导学生与企业人员交流互动，在实践中促进学科间的交叉与融合，开发学生的创新思维，培养学生的实践能力及其他高阶能力素养。

（4）“光电仪器设计”课程混合式教学实践结果表明：相较于传统教学，混合式教学不仅能够在知识学习层面，同时在知识运用、高阶能力素养培养方面也取得了更好的效果。混合式教学更有利于培养具有全面能力素养的工程科技人才，值得在工程专业推广。

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