一、层次化教学方法的提出
1.探究导向教学原理。
“如果要学生学习科学的方法，有什么学习比通过积极地投入到探究的过程中去更好呢?”教育家施瓦布的这句话对科学教育中的探究性学习产生了深远的影响。探究性学习是一种积极的学习过程，是指学生在学习概念和原理时，自己通过阅读、观察、实验、思考、讨论、听讲等途径去独立探究，自行发现并掌握相应的原理和结论。毋庸置疑，学生对通过自主探究获得的知识会理解得更透彻，掌握得更牢固。正因为此，面向探究式学习的教学模式一经提出即引起工程教育界的极大重视。探究式教学提倡将学习主动权交给学生，教师在探究式教学中扮演着学生发展的促进者、激励者的角色，如Murray Gell-Mann所讲的，“从讲台上的圣贤向在学生旁边指导的方向转变”。探究式教学给教师的教学创新留下了较大的空间，也对教师提出了更高的要求，要求教师要学习做一个优秀的导演，创设好教学情景，要善于互动沟通，合理构建师生关系。
2．探究式教学与CDIO。
从实施的层面看，工程教育中存在着丰富的探究资源，探究式教学适用于培养创新型工程技术人才。CDIO教育方法通过12条标准指出怎样培养能力，为开展探究式教学提供了全方位的支撑。首先，“一体化”是CDIO工程教育模式的核心思想，它直接体现在CDIO标准3(一体化课程计划)和标准7(一体化学习经验)。其次，CDIO工程教育模式标准8指向主动学习，要求实施基于主动经验学习方法的教与学，与探究式教学模式主动性教与学方法倡导学生主动参与、探究发现、交流合作的学习方式本质同源。再者，探究式教学模式以能力形式内在性地嵌入到了“CDIO大纲”之中，明确地提出这样的要求:能够自主地进行探究式学习。
3．基于“学习产出”探究式教学。
OBE是以学生学习结果或是教育产出为中心来组织、实施和评价教育结构和活动的理念。阿查亚(Acharya)指出实施OBE教育模式主要有四个步骤:定义学习结果，实现学习结果，评估学习结果，使用学习评估结果。从本质上讲，CDIO就是一种以预期毕业生能力(表现为“CDIO大纲”)驱动整个教育系统(课程计划、师资、教学方法、实践场所)的OBE教育方式。该教育架构已在汕头大学探究式教学模式中获得了应用与发展。该培养模式具有以下特点:①将工科课程内容凝炼成为1个或若干个“探究项目”，这些“探究项目”由于涉及知识点多寡或难易程度不同而形成不同层级；②明确该探究项目对于实现“CDIO大纲”的贡献，即实现什么预期学习成果；③精心设计学习情境，使学生经历探究式教学各步骤的训练；④依托细化到四级的“CDIO大纲”评测学生学习结果；⑤根据学习结果反馈以持续改进教学。由此可见，该培养模式在实现教育闭环的过程中也符合OBE教育模式的基本流程。
4.探究式教学实践中的常见问题。
如上所述，探究式教学围绕达成度指标进行，强调学与教的主动性，事实上成为了OBE与CDIO联系的纽带，并充分贯彻到整个工程教育教学系统中。结合汕头大学多年工程教育实践以及教学体验，我们发现在探究式教学实践中存在如下现实问题，并由此促发了层次化教学方法的提出。
(1)课程冲突。经过多年积累，探究项目已经全面深入地覆盖了主干课程，几乎所有课程都开发有相应的课程级、课程群级、专业级探究项目。这些项目强调知识的整合运用，随着课程的开展，到了学期的中后期，第12～16周，许多学生都会面临3个以上的项目报告，再加上学校组织的大创、挑战杯、创新创业项目等，学习压力骤增。
(2)一体化教学的要求。基于OBE的CDIO教育模式要求将探究式教学贯彻到学生培养的方方面面，包括教学本身，实现教学过程向学习过程的转变，将教学过程转变为知识学习、能力态度、人际关系、产品、过程和系统设计能力的综合培养，对传统课堂教育模式和方法提出了挑战。
(3)主动学习的要求。CDIO工程教育模式标准8指向主动学习，要求实施基于主动经验学习方法的教与学，倡导学生主动参与、探究发现、交流合作的学习方式。如何在教学中激发学生的学习兴趣，调动学生学习积极性和主动性，迫切需要切实可行的方法指引。
(4)教师教学能力的持续改善。探究式教学给教师的教学创新留下了较大的空间，也对教师提出了更高的要求。首先，在教学手段和方法上，Mooc、翻转课堂等新教学方法对传统的教学模式带来较大的冲击。其次，随着95后、00后的学生进入大学，他们的需求模式、学习特点本身就具有很强的时代特色。出生在60～80年代的教师如何适应这种变化，新时代背景下的师生关系如何构建，如何针对新时代学生的学习特点实现教学自我发展对现有教学模式和方法提出了挑战。
针对这些问题，本文提出了一种层次化教学与评价策略，通过大小班的教学设置实现类多级存储结构的知识探究与传播，将课程级的探究分布落实到具体的教学环节缓解冲突，加强教与学的互助沟通，促进教师和学生的主动学习，互相提高。文章通过建立教学模型对方法和原理进行了详细论述，通过专业引导性较强的“工程设计导论”、理论性较强的“电工学”、应用性较强的“微机原理”等课程的教学实践数据对该教学策略的有效性进行了评估。
二、层次化教学与评价策略
为了解决探究式教学实践中的矛盾问题，本节提出一种类多级存储访问的教学策略，以提高知识探究效率。在计算机系统结构里面，多级存储指的是CACHE－MEMORY－PERIPHERAL MEMORY的策略。其中，CACHE容量最小，为KB级，速度最快，但是成本最高。MEMORY也称主存，速度与总线基本持平，容量MB级。PERIPHERALMEMORY容量最大，GB或TB级，但是速度最慢。多级存储结构利用数据访问的局部性原理实现TB数据CACHE级或者MEMORY级的访问性能，只有在极少数调度失策情况下需要直接访问外存。同样，大学课堂教学模型如图1所示，我们作如下假设:
图1 层次化教学模型
(1)所有学生的学习定义为PERIPHERAL MEMORY，把课堂知识的传播视作为一次对外存的写操作；
(2)合格定义为PERIPHERAL级；
(3)良好定义为MEMORY级；
(4)优秀定义为CACHE级；
(5)所有学生学习效果都可以达到良好标准。
在这种模式下，我们将学生分为多个小组，将小组的教与学称为小班，而全班的教与学称为大班。小班同学当中的优秀者视作CACHE，小班视作MEMORY，大班同学视作PERIPHERAL MEMORY。同理，将每个小组中学习效果较优秀的学生看作为CACHE，将整体学习效果较好的部分同学看作为MEMORY，将所有参与学习的同学看作为PERIPHERAL MEMORY。
如此，教学目标将转为设法实现所有学生(PERIPHERAL MEMORY)的学习都达到优秀CACHE级或者良好MEMORY级的效果。
教学实践中，设计教学策略如下:
(1)教学目标:预授知识点的掌握程度；一体化教学能力培养要求；学生主动学习能力培养；师生关系构建与提升；教师教学能力提升。
(2)教学策略:将课程规划为两部分，即上课和备课。与传统备课由教师单独完成不同，备课指定学生小组参与。假定课程任务中需要学习的知识点(N1)中适合由学生自行探索解决的知识点为N2，结合N2知识点创设情景问题，要求学生自己预习、查找资料，寻求解答，结合学习过程进行课程准备，并预约老师进行试讲(trail lecture)；之后，在教师引导下开展课堂交互式情境教学(public class)。即N2知识点由学生通过小班团队探究进行学习，N1知识点通过大班交互式探究进行学习。
(3)教学评价:充分利用学生团队和教师互评。
层次化的具体教学流程如下:
(1)小班试讲。教师根据授课内容凝炼3～5个核心问题，安排给其中一个小组Teami，要求他们在规定时间内通过集体努力做出解答，并制作课件，预约教师进行小班试讲。对教学而言，小班学习过程是一个由CACHE到mainmemory的过程。小组当中学习能力较强的同学将成为系统中的CACHE，他们将最先掌握需要学习的知识。学习小组在系统中相当于main memory。小班试讲很重要，一方面，教师可以和学生近距离接触，增进交流与了解，扩展人际；另一方面，学生试讲过程中，可以将教学问题向教师做更好的呈现，教师由此可以更好的掌握学生学习程度与难点，从而更有效地开展大班教学；此外，教师可以发动表达能力较强的同学在大班翻转授课，并让操作能力较强的同学负责协助，从而提高正式授课效率。对学生而言，一方面，由于有trail lecture以及inverted class的要求，面临师生互评压力，学生不得不精心准备，有利于增强主动学习动力；另一方面，学生需要被认可，从需求心理学的角度，与教师近距离接触会增强他们的学习动机；除此以外，最重要的是来自教师面对面教学，当前问题的理解会更高效。
(2)正式授课环节中的翻转课堂(图2所示)。正式授课要完成知识由main memory到peripheralmemory的迁移。部分内容(N2知识点)由学习小组以分享的形式讲授，在这种情况下，小组合作授课，教师与其他学生一起听课，从知识模型来看是一种write back。对教师而言，一方面监控小组授课进程，另一方面，观察其他同学的听课感受，对授课效果进行记录、评估。对授课小组而言，一部分同学负责授课，如讲解以及实验演示，另一部分负责协作，比如现场问题以及答卷发放，解答。
图2 翻转课堂 图3 接受式教学
(3)正式课程中的教师授课(图3所示)。教师授课以teach through的形式进行，主要针对N1中N2以外的部分，适合以先行、总结或者先行与总结相结合的形式进行。所谓先行是指在正式课程开始之初，教师对全课程进行结构规划，就部分概念或者重要原理知识进行讲解，为整堂课的开展奠定基础。总结是指课程结束阶段，教师对全课程进行梳理和概括，对于讲解不甚清晰或者需要重点强调的其他知识点进行强化。
(4)课程结束后的知识传递(图4所示)。与传统授课不同，层次化教学不仅仅包括课前与课中，还包括课后。在课程完成后，教师应针对学习目标的达成情况进行评价；还应及时对小组和全班授课情况进行评价。这种评价可从三个方面进行:课堂及时评测，面向全班的小测验或者组别之间互评；课后作业完成情况；实验和学期末测评。对于充当main memory的小组，也需要进行自评和反思，一方面对知识的掌握进行强化，另一方面，根据大家的评价，对自己的综合能力进行再认识。除此以外，不受控或者难以评估的是知识在课后的迁移，定义为teach back。由于翻转授课小组的存在，意味着有一批真正较好地掌握了相关知识的同学，同学之间的交流将在课后起到辅助知识迁移的效果。
图4 课后强化
总体而言，在这种层次化教学体系下，备课不仅仅是教师在备课，而是教师与学生一起备课。同样，教学与学习也是相互的。教师可以通过学生的试讲分析、了解学生的知识和学习状态，重点讲解的知识难点，合理分配授课时间。学生通过预习和试讲，对课程内容也会有更好的把握。其特点在于:①学生以团队探究形式开展备课和讲课，不仅仅是掌握知识，也是对态度和能力的锻炼，因此与传统授课相比较，可在学习目标当中嵌入有关Learning to learn的内容，加强团队和思维训练。②通过大小班和试讲，教师有机会近距离了解学生，学生也有机会与教师近距离接触与沟通，加强了师生间的互相了解，拉近了彼此关系。③鼓励学生站上讲台，对学生本身是一种驱动和锻炼。在教师与同学互评的刺激下，学生会加强主动学习，因此，与传统授课相比较，激发了学生的学习动机。④通过与学生之间的互动，教师对课程内容以及讲授过程的把握会更精准，同时教师对学生更了解，师生关系更和谐，因此，与传统OBE授课相比较，教师能力也相应得到持续提升。
三、教学过程的实践——案例分析
1.工程设计导论中的层次化教学。
按照CDIO的要求，汕头大学工学院面向大一新生开设“工程设计导论”课程，目标是探讨工程师的责任与义务，以一个设计、制作与展示过程为载体学习设计过程管理，团队和会议组织、项目实施方法、因果分析、决策方法、总结报告书写和口头表达能力。课程共80学时，其中课内16学时，课外64学时。实际教师授课约16学时，其他时间基本以分享和探讨交流为主。课程之初，所有同学按照专业打乱，分成若干小组，每个小组按照项目规划、指标建立、需求设计、概念设计、原型制造与演示的程序完成一个项目产品。其中，项目立项和项目总结汇报全体同学集体参与并互评。这是一门典型的大小班式课程，所有的项目立项和报告在正式上课之前均经过了教师的小班审核。课程内容，包括工程师职责的探讨，项目规划，需求分析，指标建立，概念生成与选择，原型制作与分享，几乎全部由学生团队分享式完成。
教师在先行阶段简要介绍基本概念，然后由学生团队进行示例演示，在课后总结阶段对相关概念和问题进行阐述和讲解。课程完成以后，我们对22个抽样小组，共161名同学进行了问卷调查，20个小组基本能够完成任务，2个小组经过教学助理(研究生)指导之后才完成项目。与本文讨论相关的问题如下:
3.本课程三级项目中小组组合合理么? ( )
A.不同专业在一起，互相熟悉与配合，很合理(39.3%)
B.不同专业在一起，彼此不熟，无法沟通，不合理(7.4%)
C.应该让大家花至少一周的时间，互相了解，自由组合(22.1%)
D.队友是谁并不重要，关键是目标一致，共同努力(31.3%)
11.你认为教师应该如何参与大家的项目? ( )
A.老师只提要求，完全放手，让大家自行决策(8.6%)
B.老师应该作为成员参与到每个项目，对选题，项目开展，团队规划做指导(32.5%)
C．老师不需要参与项目，但是应该监督项目进展(14.1%)
D．老师不需要实际参与，但应该协助项目组解决项目问题和困难(44.8%)
13．你认为组间的交流重要么? ( )
A．很重要，邻组工作进展对本组刺激很大，他们的进展迫使我们更加努力(29.4%)
B．很重要，邻组工作对我们启发很大，他们的建议和经验值得我们借鉴(44. 8%)
C．不重要，邻组工作对我们完全无影响(9.8%)
D．不重要，但是给我们提提建议还是很欢迎的(16%)
17.经过这段学习，你认为一个校园产品项目要成功实施最关键的是什么(单选)? ( )
A.项目规划(8.6%) B.需求分析(14. 1%)
C.技术团队能力(25. 2%) D.资金支持(13.5)
E.团队的激情与努力(38.7%)通过分析可以发现:①95后的学生动手能力很强，不怯场，善于表现。在讨论，展示的环节中很自信。②大学新生解决问题能力偏弱，需要导。③学生相互之间的影响很大。比如，“多功能自拍神器”项目组向大家展示了他们如何利用简易纸板切割方法克服物料供应不足的问题，其他小组马上反应，似乎物料问题一夜之间就全解决了。④教师对学习进展有细致的了解，对于授课内容和目标达成理解更精准。
2.“电工学”课程的层次化教学。
“电工学”是为机电专业学生开设的一门专业课。这是一门理论知识和概念很多的专业基础。我们尝试把同学分成5～6人组成的小组，按照大小班的形式开展课程。具体如下:
在有关电路原理的教学中，在教师讲授完基本概念和定律以后，戴维南定理、诺顿定理、受控源等由小组翻转完成。在最初有关集总电路特性的试讲过程中，通过问题，教师对学习小组提出了很多的要求，包括电阻特性、功率特性、关联特性等，并引导他们利用仿真学习软件workbench进行验证，引导他们去发现和展示。同时，引导他们进行分工，2～3位同学负责讲课，包括课程PPT和讲稿制作，解题过程演示，以及仿真演示，另一部分同学负责查阅资料，寻找经典例题和讲解。我们发现:①由于小组人数较少，小班试讲和授课效率很高；②学生思路与教师思路有差异，听取学生试讲对教师帮助很大，可以及时调整，把宝贵的授课时间放在知识难点上。
到正式授课环节，翻转课堂上，学生结合讲解、仿真、例题展示，将平面式教学演变为立体式教学。每一个原理讲完，马上结合例题进行练习并通过仿真进行验证。在习题和讲解环节，多位小组成员成了多个小老师参与解答，问题解决很快。最后，由教师进行总结和补充，并开展教学互评。互评内容包括:
1)本堂课程关键知识点掌握情况( )；布鲁姆评价规则L1～L6。
2)小组知识呈现水平( ):演讲人是否注意形象，言语是否清晰，观点是否明确，重点是否突出，PPT是否表达清楚。
3)小组团队能力( ):是否有效组织，是否有明确目标，是否有效分工，是否形成合力。
4)关于小组讲课情况( ):组长和组员一起对课程开展情况，组员参与情况进行评价。
在课程考察中，平时成绩30%，其中20～30%由互评决定。对几个班级的实践表现进行总结，我们发现近30次小组评价中，小组自评优秀的占到80%，呈现水平评价优秀的约占到72.3%，团队组织评价优秀的约占到65.7%。课程关键知识点掌握情况平均值约L3.82，与课程达成度要求L3有一定偏差。综合教学达成度评价值为75.8%，说明学生自评超过了实际统计值。课外统计数字显示，与之前的教学方法相比较，课后主动通过MYSTU、邮件以及预约讨论的次数平均值达到3次以上。对这些数据进行分析可尝试作如下推理:
(1)层次化教学方式将教师面向全体同学的授课方式演变为教学小组面向多个小组的形式，传统平面式教学演变为立体式教学，是单个教师教学难以做到的。
(2)通过小班和试讲，教师与学生的熟悉程度明显提升，课后交流次数平均达到3次。相比之下，在传统授课情况下，课后交流次数超过3次的不多。它反映学生的学习积极性得到提高，与教师之间的互动水平得以提升。
(3)学生的自评显示，越是表现好，掌握程度高的小组对自身的要求也越高。
3．微机原理课程中的层次化教学。
“微机原理与接口”是机械设计制造及其自动化专业的必修专业基础课。要求学生掌握微机系统结构，工作原理，利用微机测量并实现系统控制的研发技术和基本方法，达成度为L3级。这是一门应用性非常强的课程，传统教学模式主要采用课堂教学与实验教学相结合的方式。经过仔细分析与研究，我们也采用层次化教学方法进行了尝试。
表1 电工学课程教学效果分析数据
教师首先对微机整体结构，片内片外资源，扩展方法，指令特点进行讲解，帮助学生进行知识的整体建构。涉及到具体单元知识，包括汇编编程、I/O口特性，片内外扩展，A/D，D/A等，则采用层次化方法开展教学。与之前相同，我们先对同学进行分组。与传统课堂教学方法不同的是，在小班教学当中，我们鼓励团队将实验与教学相结合，在课堂教学中营造实践背景。这样，课堂教学尽可能实现所见即所得。比如汇编编程，在完成“基本的指令”教学后，通过ICE，笔记本，以及投影切换设备，立刻现场向同学们展示汇编代码每一步执行完成的执行效果，寄存器资源和数据。再比如A/D变换，结合实验仪器，以及示波器，I /O接口板，面包板跳线，同学们在课堂上立刻就可以看到弱信号控制强信号实现继电器跳变控制马达运转的效果，或者利用传感、光隔实现对强电开关信号的检测与控制。这些在传统教学模式下难以实现的环境演变可以通过团队协作在课堂上进行展示，从而将平面式教学演变为立体式教学。
这种教学方式实现学用结合，得到同学们的普遍欢迎。结合作业完成情况，后续二级和三级项目效果，综合考核结果如表2显示课程达成度达到78. 9%。
表2 微机原理课程教学达成度
四、层次化教学与CDIO能力培养的对照分析
CDIO大纲认为高等工程教育应该实现知识、能力与态度并举，强调在学习过程中获取个人、人际交往能力以及产品、过程和系统的构建能力，围绕这一核心采用了12条标准。
仔细分析12条标准可发现，知识以及知识的整合构成了CDIO的主线，即基于构思—设计—应用—操作的rethink。如表2所示，层次化教学方法强调团队探究，不仅仅要求write through式的灌输，更强调write back式的再整合，对CDIO教育模式几乎实现全方位的覆盖。除了标准6、9、12依赖于课外实践，对于其他标准的达成，层次化教学方法能够提供较多操作可能。尤其在促进学生主动学习，团队合作进行知识整合与表达，建立良好师生关系方面有明显的优势。
汕头大学开展CDIO实践已经有12年，从确立EIP-CDIO到设计导向，探究导向，OBE导向，思维整合导向，已逐渐形成一整套较为完整的基于OBE教学达成度的CDIO大纲系统。机电工程系某专业的达成度要求以及与达成度进行的对比分析如表3。分析显示，层次化教学方法具有如下特色:
（1）强调构建和谐的师生关系。首先通过大小班，几乎所有同学都有机会与教师彼此间近距离接触和了解；通过对小班同学试讲的聆听，教师有机会了解学生基础，提高教学精准性。
表3 专业达成度对比分析
(2)强调团队探究式学习和教学，促进学生主动学习。首先，迫于授课和互评的压力，学生们需要主动学习；其次，团队合作式教学具有很强的张力。大学生群体的创新能力是不可估量的，一旦学生积极性被调动，他们的能力让人难以置信。
(3)层次化教学将课堂进行放大。它不仅仅是通过平面向立体空间的转变(write through)，而且是时间被拉长，在课后互相学习(writeback)，将课堂教学时间级数级扩张。
(4)目前，大学生逐渐由90后变成00后。教学对象变了，学习需求和动机也在改变。大小班的教学方式为教师提供了一种较好的认识和学习途径，帮助教师精准握学习需求和动机。
五、结论
以上研究和实践表明，层次化教学方法是对OBE教学与CDIO教学的进一步丰富。无论是理论性较强的授课，还是应用性较强的授课，层次化教学方法均具有适用性:
(1)层次化教学利用学生的团队合作将平面式授课演变为立体式授课，丰富了课堂内容，拓展了课堂空间;
(2)将课程级项目融入到具体章节，避免冲突。
(3)加强了教与学的互动联系，提升了学生学习的观能动性;
(4)对于营造和谐师生关系起到促进作用，帮助教师提升自身教学能力。
当然，我们仍然发现还有很多不足。在实施之初，这种教学方法得不到学生的理解，我们也因此收到很多投诉。大家认为，将教学工作凌驾到学生头上是不合适的，而且会增加很多教师的教学工作量。实际上，随着教学的逐渐展开，我们根据学生的诉求对课程内容进行调整，重点是将教学内容进行分类，对与知识建构相关的关键概念、原理要求教师采用write through的形式进行讲解，而应用性较强的关联整合知识则可以采取writeback的形式，让学生自己领悟，当同学们适应这种方法以后，学习效率明显提升。关于教师工作量的问题，由于在很大程度上提高正式授课效率，越是有经验的老师，小班授课带来的附加工作量越少。
