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面向工程教育的STEP教学模式
2017-12-31 16:38  

北京航空航天大学 于靖军 郭卫东 陈殿生 

工程教育的目标是能够为学生成为一名成功的工程师提供所需要的各种养分—专门知识、社会意识和创新精神。为了达到这个目标,工程教育者的任务就是要不断地改进本科工程教育的质量和内涵。教育者越来越清楚地认识到:除了讲授传统知识外,工作坊教学、团队项目、开放式问题、基于经验的学习、体验式及研究型教学等也应该成为完整的工程教育的重要组成环节。

过去的30年间,工程教育改革在世界各地如火如荼地开展,提出了多种教育教学模式,取得了显著成效。其中比较成功的教育模式有:MIT与瑞典几所大学共同创立的CDIO模式、OBE工程教育模式、丹麦奥尔堡大学提出的PBL课程教育模式(基于问题或项目的学习模式,已成为欧洲国家常用的综合化课程模式)以及英国帝国理工学院提出的ELED模式(基于经验导向的工程教育)等。

工程教育改革是全面提升中国大学创新人才培养能力、实现建设创新型社会目标的重要基础。相比欧美一流大学的工程教育,中国工程教育中的问题已经十分突出(应试型、被动式学习等),工程教育改革势在必行。同时我们也看到,任何先进的教学理念和人才培养模式都必须同自身的国情、校情相适应,否则难以实现预期的成效。当前,虽然少数有实力(包括教学经费充足、师资力量雄厚等)的高校实现了小班化授课,可以实施CDIO等模式的教学,但大多数的高校还面临学生人数多、师资力量和教学资源匾乏的局面。这种情况下,寻找一种行之有效的工程教育模式并坚定地实施,可能更具建设性。北京航空航天大学机械学院在过去的10年间,结合本校本院的特点,在机械原理、机电一体化系统设计等课程中开始尝试一种新的STEP教学模式,并收到了良好的教学效果。

本文将对STEP的内涵、STEP与工程认证、STEPCDIO之间的关系进行阐述;考虑STEP教学模式在课程群以及本研一体化等方面的可扩展性,提出了STEP BY STEP思想;最后通过实例来验证STEP教学模式对工程教育的有效性。

一、STEP的内涵与扩展

STEP是软件(Software)、理论(Theory)、实验(Experiment)和项目(Project)的简称。STEP教学模式是指在课程学习过程中,软件工具、理论教学、实验和项目实践紧密结合、缺一不可。从狭义上讲,STEP可以是针对单一课程所实施的一种过程式教学模式。STEP教学实施得当,可以做到知行合一、学以致用。以机械工程学科的专业基础课程“机械原理”为例,除了传统意义上的理论教学和实验环节(这是目前大多数国内高校所采用的模式)之外,还可引人运动学仿真软件(ADAMS)作为辅助教学和工程实践的工具,再通过设置一个或多个工程实施项目将机械原理系统理论知识有机地牵连在一起。

理论传授与实验作为大多数工程类课程中不可或缺并全面实施的教学环节毋庸置疑,但引入软件工具和项目式教学在当前中国大学本科的工程类课程教学中还远未普及。我们知道,随着工程软件工具的种类越来越多,功能越来越强大,其仿真效果也越来越逼真。当前,无论科学研究还是产品开发也越来越离不开软件工具的支撑。软件环境下的虚拟设计与仿真已然成为整个产品周期内一个不可缺少的环节,学习和掌握各种相关虚拟设计与仿真软件已经成为工程领域内从业人员的必要能力。我们惊喜地发现,几乎每门基础课、技术基础课或专业课程都能找到与之配套的专业软件与课程教学。如表1就给出了与机械工程专业部分核心课程相配套的软件工具。这是工程教育实施STEP教学的物质基础。如何学习这些专业软件的使用,传统思路是采用专家培训等方式;不过可以换一种思路,即将软件的学习融入到课程教学环中,效果可能更佳。

不过,STEP教学的四个环节中,项目设置是核心,同时也是该门课程真正让学生获得知识理解、应用甚至创新的关键。但是,如何设置项目,特别是公认为好的项目,并非易事。①要求项目的整体性,一个理想的项目希望能够将理论知识的主体有机地牵连在一起;②项目的真实性,源于实际工程的项目更能吸引学生自主学习的兴趣;③项目与理论知识紧密联系,真正好的项目设置可以深入融入到理论教学中,而不是两者之间相互脱节。

STEP教学在一定程度上甚至可以演变成科研活动的缩影。一个源于真实的科研项目通过合理转化,完全可以演化为若干个可以与教学内容密切相关的子项目(每个子项目应设置明确的节点目标及指标),这些子项目或者作为教学内容的主体,或者作为学生课外训练的题目,或者二者兼而有之。所有项目融合到各个教学环节中,与教学过程逐一、同步实施,学生相当于走完了一个完整的科研过程。

事实上,STEP教学模式已将欧美一流高校广泛采用的项目化教学融人其中。项目化教学是由美国凯兹教授和加拿大查德教授共同创建的一种以学生为中心的教学方法,强调在教学过程中将教学任务与工程实践主题相结合,形成有节点限定、目标明确的项目,进而通过实施项目来完成教学任务。据统计,目前就读美国名校(MIT,Stanford)的本科生几乎每周都要花上至少30小时写作业或者做课程项目(每门课程的作业量都需要5 -10个小时)。在这种高强度的作业要求下,学生对知识的掌握非常扎实。很多课程的作业都和实际紧密联系,都是教授们将其曾经遇到过的实际工程问题转化为作业题目,因此更能体验到理论知识在解决实际问题中的价值。

项目化教学的优点在于可有效提高学生知识重组及应用能力,而过程性的学习方式又可提升学生系统实践能力;缺点在于容易破坏理论知识体系的整体性和前后顺序,导致学生知识存留的碎片化。不过,尽管STEP教学模式中融入了项目化教学环节,但其本身并不等同于项目化教学。

STEP教学仍然强调知识体系在课程教学中的重要性;项目不能成为知识的主体,而是作为学生掌握知识的有效案例。相比研究生课程,大学本科阶段的大多数课程都已建立起相对成熟的知识体系,而知识体系无疑对学生掌握系统知识以及进一步深造都有着重要意义。

二、STEP教学模式对工程认证的重要支撑作用

工程认证中,特别强调以学生为中心的教育,以及结果为导向的评价。STEP教学模式中,无论软件工具还是项目都是以学生为主体的教学环节,通过设置合理的评价方式,有效考核学生对所学知识能够应用的程度。

2015年版《工程教育认证标准》特别强调本科工程教育中教学过程应面对“复杂工程问题”。

何谓“复杂工程问题”?按照华盛顿协议(WA)的解释,要求工程教育的培养过程中要具备深厚的工程知识,能够解决复杂工程问题的某一或某些方面;会创造性地分析建模,会解决涉及工程与其他方面及不同利益相关者的多样化需求。STEP教学模式中涵盖着多种不同类型的教学活动及教学环节,很容易实现对某门具体课程考核的多元化,从而改变传统教学模式中以期末卷面考试为主(或单一报告)的评价方式。更为重要的是,通过有效设置源于工程实践的项目(实质上很容易转化为复杂的工程问题),辅之以强大的软件仿真工具,学生可以完成期末试卷难以企及的项目实施过程。

同时,工程认证要求全体学生共同达标。这是与卓越工程师计划、学科及科技竞赛最大的不同。如果保障全体学生都能具备解决复杂工程问题的能力,最好通过某一专业中通用课程所设置的教学环节来实现。

三、STEPCDIO之间的关系

CDIOMIT上世纪90年代提出、最近20年在欧美兴起并引发全球关注的一种工程教育模式。通过培养学生在现代团队环境下,构思—设计—实施—运行具有复杂、高附加值的工程产品、过程和系统,使之成为具备产品或系统全生命周期设计及实现能力的现代工程师。

CDIO教学模式最早在欧美若干所研究型大学得到实施,并收到了很好的成效。CDIO2005年引人到中国之后,也取得了不错的效果。总结其成功的经验,除了先进成熟的教学理念之外,以下几点也是非常重要的:①强有力的师资与团队支撑;②充足的教学资源和经费投人;③小班化教学。

CDIO工程教育模式的核心思想是“一体化”,特征是按照产品实现过程即从纵向层面来构建课程体系,而STEP则通过方法手段即在横向层面上构建而成。两者有着若干类似之处:首先两者既可宏观到贯穿整个专业工程教育理念,也可微观到某门课程的具体实施过程。比如,完全可以按照CDIO教学大纲及12条标准设置某种专业完备的课程体系(含导论课程、学科课程、专业课程及综合性实践项目等),进而实现所要求的培养目标。STEP也是如此,如果和工程教育认证的毕业要求有机结合,也能够有效构建起专业层面的课程体系,特别能支撑解决复杂工程问题能力的培养。微观上,CDIOSTEP都可以落实到某一具体课程的实施过程中。比如“机电一体化系统设计”课程中,完全可以按照CDIO模式纵向设计教学过程,或按照STEP模式横向设置环节,或者两者有机结合,达到培养学生系统能力的目标。两者之间细微的差别可能在于:CDIO偏于宏观,而STEP更重于微观。需要说明的是,CDIO大纲与教学目标均与工程认证的要求相一致。其次,CDIOSTEP都重视过程管理和依托内部质量保证体系的支撑。教学环节、教学方法的多样化、多元化必然需要重视过程管理,狠抓内部质量保证体系建设。否则,浅尝辄止、流于形式的教学活动将使好的理念付之东流。两种教学模式都需要师生在时间、精力甚至资源方面更多的投人。这种情况下,资源管理、考评机制的创新就变得非常重要。再次,CDIOSTEP都重视学生的“出口”特性,即通过软件工具、动手实践等“做中学”,提升学生利用所学知识解决实际工程项目的能力。学生工程实践能力的有效提升势必得到用人单位的认可和青睐。

四、STEP BY STEP

前面提到,STEP可以作为针对单一课程所实施的教学模式。实际上,完全可以将STEP教学模式做进一步扩展,将其贯通至多门课程所组成的课程群或整个专业课程体系中,或者延伸至本研一体化教学中,即所谓的“STEP BY STEP"

工程专业或学科中,课程间的知识结构紧密衔接,很多课程之间存在关联性、进阶性、扩展性等特质。譬如,从专业角度,机械工程中的“工程制图”、“机械原理”、“机械设计”等课程可以组成设计类课程群,前后之间的知识体系形成紧密的衔接关系;从学科角度,机械工程中的“机械原理”与“高等机械原理”又可以形成机构学学科的阶梯型知识体系。

从项目设置角度来看,一个有深度的科研型项目很难完全通过单一的本科生课程来实现,即便是“985”高校的学生也很难完成,这是由该阶段的知识和能力水平等因素来决定的。但可以将一个中等难度的科研项目进行分解,将任务或指标分解到多门课程中,这样一对多或多对一形式的项目设置可以有效地提升学生对知识的整体把握和应用能力。还可以将同一科研项目按知识难度分成本科、研究生两个不同的层次,各自有所侧重,如本科阶段偏重仿真,研究生阶段偏重实验;指标形成级差,难度逐渐增大。以“机电一体化系统设计”课程为例,本科阶段主要通过软件仿真及简单动手搭建,培养学生掌握机电一体化系统的组成与设计原理:机械本体外购,重点在于单片机编程和电机控制。研究生阶段则主要通过动手实践,注重创新设计能力的培养和高级控制算法的应用:机械本体自行设计、外协加工,DSP编程和系统闭环控制。通过对“机电一体化系统设计”的STEP BY STEP教学,可以使学生掌握机电一体化方向的系统知识与能力。

五、案例

1.“机械原理”课程的STEP教学实践。

机械原理是机械及机电类专业的一门主干技术基础课,同时也是对学生进行工程思维训练和工程训练理想的课程之一。

北航机械原理教学团队经过多年的摸索实践,近年来在教学过程中全面采用了STEP教学模式。具体举措如下:

1)制定新的课程教学大纲,明确STEP教学模式及其相应的考核占比。

教学方法:课内教学与课外学习相结合。全面采用STEP教学模式,提高学生利用现代工具解决工程实践问题的能力。

教学环节及基本要求:课堂授课+实验教学+项目实践。

考核方式:平时成绩(10)+实验成绩(20)+项目实践(20)+期末成绩(50)

2)利用研教融合更新部分课程内容。 

北航机构学研究特色鲜明,在国内处于优势地位,因此科研与教学的融合水到渠成。适当补充有关机构史、直线机构、并联机构、柔性机构等方面的知识和最新研究进展。前沿知识是实施高质量STEP教学的物质基础。

3)教学环节中全面引入虚拟仿真技术。

在课堂教学过程中,将ADAMS软件作为虚拟仿真与分析的一个重要工具,几乎贯穿了机械原理课程的所有教学内容。更为重要的是,学生在课余时间通过自学,结合项目实践题目,熟悉和初步掌握了虚拟样机创建和仿真的基本方法,后续课程乃至毕业设计都受益良多。

(4)创建多层次实验教学体系。 

为适应新的课程大纲要求,培养学生自主学习能力,创建了多层次实验教学体系与开放式教学环境。一方面将认知性、验证性、综合性与自主创新设计&制作性实验相结合;另一方面将分析性、研究性实验与创新设计相结合,给学生提供开放的空间和充分的实验资源。

5)编制了与教学内容配套的项目资源库。

为了更好配合STEP教学,达到预期的教学效果,系统编制了与教学内容相配套的项目资源库并反映在新版教材中。所编制的项目与常规的课外作业及期末卷面考试正好形成知识与能力的互补。

2.“精密机械设计”课程的STEP教学实践。

前面已谈及STEP教学模式在“机械原理”中的应用。严格意义上讲,该模式在教学过程中还处于浅尝辄止的阶段,就深度和广度而言,尚有很大的发展空间。不过,笔者在所承担的研究生课程“精密机械设计”中,充分反映了STEP BY STEP思想。

简述一下整体思路:以某一具体精密机械的实现过程(源于真实的科研项目—两自由度大转角空间并联转台)为目标设置教案和大作业。绪论课之后给出某一精密机械的设计过程案例,并引出两自由度空间并联转台的设计指标。学期间按项目实施过程共安排67个大作业,所有作业成绩均作为课程的考核依据。整个教学过程一也紧紧围绕大作业涉及到的理论知识进行讲解。所列的大作业题目如下:①提交有关两自由度转台的调研报告;②自由度分析与综合;③完成运动学建模与Matlab仿真;④给出转台各零部件的2D图,利用Solidwork等软件完成3D建模与装配、ADAMS运动学仿真并与理论结果进行比较;⑤静刚度分析与ANSYS仿真;⑥误差分析与精度设计;⑦ADAMSMatlab联合仿真对两自由度空间并联转台的轨迹规划进行实现轨迹规划,并在实验平台上进行验证。

整个课程中,学生不仅熟悉掌握了多种软件工具的使用,更为重要的是,这种虚实结合的教学模式带给了学生近于真实的科研训练。

六、总结与展望

工程教育要永远面向工程实践。在新时代的工程教育改革和工程认证大环境下,从中国国情、校情出发,借鉴CDIO等先进的教学思想,提出了对工程教育具有普适性的STEP教学模式。单一课程中的STEP教学模式强调项目训练、软件使用、理论教学与实验教学等教学环节之间的有机融合;课程群或本研一体化系列课中更强调知识体系的关联性、项目设置的层次性与不同软件工具的无缝连接,做到真正意义上的STEP BY STEP。近5年,两种层次的STEP教学模式在北航机械工程专业的少数课程中进行了尝试,取得了良好的教学效果。

需要注意的是,STEP教学模式对教师及教学团队提出了更高的要求。除了教师自身的业务素质和专业能力以外,还主要体现在:①所设置的项目能够体现完整性、前沿性、可扩展性,这就需要有大比例的教学科研型教师,特别是教授参与项目的设置、组织与实施;②需要有助教参与(最好是有一定科研经验的研究生),如辅助软件工具的培训指导,项目大作业的指导与评价、辅助实验教学等;③教师特别是教学团队负责人的责任心与组织能力是STEP教学成功的重要保障。STEP教学无疑会给任课教师带来成倍的工作量,只有责任心强才能保证教学环节协调有序、教学评价公平公正、教学效果达到预期。

 

(来源:2017年第4期《高等工程教育研究》)

 

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