混合式工程实践的教学重构
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摘 要：本文通过对整个教学周期22个教学班级581名学生的工程背景、教学效果的问卷调查，以目标递进分层教育理论为基础，构建了“课内引导、线上学习，线上答疑与课内实践、特需预约”相融合的混合工程实践模式，不仅极大地削弱了实践过程中知识和能力的积重效应的影响，提高了课堂效率，改善了教学效果;还有效地解决了以CDIO模式为主线的项目教学久悬不决的课外实践指导与教师工作时间相冲突的矛盾。
关键词：工程教育改革;工程实践;“互联网+教育”
近年来，随着网络技术、大数据、人工智能（AI）、虚拟现实（VR/AR）等技术发展，基础实践教学在高校创新人才培养过程中所发挥的作用有不断被弱化的趋势。主要表现在学时不断被缩减、学生的重视度日趋降低等，导致教与学的矛盾不断升级。譬如，工程理论基础讲多了，势必减少学生动手操作环节，难以达到相应的实践教学目标;反之，缺乏基础的学生认为讲解不透彻，进入动手实践环节又感觉束手无措，同样无法实现相应的实践教学目标。这既不利于贯彻工程教育回归工程实践的教学理念，也很难使学生通过工程实践系统地掌握工程技术知识，领悟工程实践教学的真谛。同时，自主、开放、多元的创新人才平台培养模式不仅实践学时少、工程实践要求高、实践任务涉及技术基础宽泛，而且存在多学科交叉、教学对象多元化以及不同程度的积重效应，若不借助于现代化教学手段或方法，很难达到应有的实践教学效果和培养目的。
为此，我们在上海交通大学教学发展基金项目资助下，经过一年多努力研究，逐步探索出“互联网+教育”环境下线上学习与课内实践相融合，促进学生工程能力输出为导向的混合式实践教学模式，以及结果与过程考核并重的综合评价体系。
一、当前工程实践教学过程中存在的实际问题
董仲舒《春秋繁露·度制》：“孔子曰：‘不患贫而患不均’，故有所积重则有所空虚矣。”此言在教学中亦然。对于大多数教师而言，一般不会过于担心学生的基础强弱，反而可能更担心学生基础的参差不齐。学生基础的差异增加了组织课堂教学的难度，影响教学效果和教学目标的实现。而学生在学习过程中也会有意识无意识地不断发挥自己的长处，回避自己的弱点，长久积聚就会造成强项恒强，弱项恒弱。这种现象可称之为教学中的“积重效应”。
1.多学科交叉平台培养模式下产生的能力“积重”效应
“工程实践”是我校学生创新中心依据学校多学科交叉、复合型创新人才培养计划和培养方案的要求，为工科创新人才培养平台、生命与环境交叉平台等平台类学生量身打造的综合性实践课程。该课程集实践性、工程性、技术性、综合性为一体，涵盖了机与电的十几个实践环节，且融合了前沿技术及开源硬件创客实践支撑平台，实践过程是以CDIO模式的项目教学为主线组织实施教学，旨在锻炼和培养学生的动手实践能力。
不分专业的平台式培养理应使学生有着相同的理论基础和相似的工程背景，理论上应该有利于“工程实践”课程教学。但在实际教学中却发现，学生工程基础存在不同程度的积重。一方面，中学阶段的教育培养环境奠定了不同的原始基础;另一方面，基于平台的创新思维培养理念在传授知识、培养能力、拓宽思维的同时，也会进一步拉大学生之间的工程基础差距。譬如“工程学导论”课程由来自不同专业院系的数十位教师共同承担且并行授课，每个教学班上限人数33人。表面上学生选修同一门课程，但是由于所在教学班级的牵制，自主多元的研究项目、开放型的研究结果、授课教师的专业导向以及学生学习风格差异等诸多因素影响，导致学生虽处同一个人才培养平台，却产生了能力不同、层次各异的工程基础。再者，许多大学课程在教学改革中常需要学生进行团队合作，对学生而言，其学习目标除了获取知识，更为获取好成绩尽可能发挥团队成员的优势。倾向性的知识学习，也会进一步加剧学生能力方面的积重现象，强项恒强，弱项恒弱。
2.开放多元的创新人才培养模式与计划性实践安排造成知识重叠
创新驱动引领人才培养。我校针对不同创新人才培养平台、实践学时以及教学要求，将“工程实践”课程分为A类、B类及体验与创新三个层次，分别组织实施教学。在开放多元的创新人才培养模式下，学生在学习公共基础课之余，可以依据兴趣或学习动机自主选择参加一些课程、创新研究项目或者各类科技竞赛等。学生在不同环境下汲取知识，难免会造成一定程度上的知识重叠。
另外，教育部已将人工智能（AI）纳入中学课程，部分大学新生已对风靡国内外的Arduino开源硬件创客实践平台有所了解。而大一开设的新生机械创意大赛、平台型课程“工程学导论”“企业选修课”“开源硬件创客实践”等，均或多或少涉及到Arduino开源硬件方面的知识。由此可见，不管学生入学前是否有机会接触Arduino开源硬件，一年级涉及到的概率都很大。二年级接踵而来的工程实践环节仍有50%概率被安排了“Arduino的系统应用与拓展”实践项目。因此，如果在组织实施教学时不考虑学生的知识背景和能力背景，必然会造成不同程度的知识重疊，从而使学生产生厌倦或知识积重效应。
3.CDIO工程教育模式下团队合作产生的积重效应
以MIT、KTH等国际一流大学倡导的构思—设计—实现—运作（CDIO）工程教育理念引发的高校工程教育改革[1，2]，在很大程度上颠覆了师傅带徒弟的传统实践教学观念，其从构思到运作的项目导引教学模式也充分体现了工程实践的系统性、技术性、实践性的特点，对培养和锻炼学生团队合作和实践动手能力具有重要作用。但是以项目为主线的CDIO模式需要学生以团队合作的形式进行，而分工时团队成员会有意无意地各自承担自己擅长的或感兴趣的工作内容，必然使队员的强项进一步加强，而弱项得不到锻炼，加剧了能力的积重效应。
综上可知，造成积重效应的原因是多方面的，既有主观因素，也有客观因素;既有教的因素，也有学的因素。但是不管何种原因，积重效应的存在都会对实践教学效果产生诸多不良影响。为了消除或削弱积重效应的影响，促使低年级本科生各项技能均衡发展，实现以培养学生工程能力输出为目的的教学目标，我们探索构建了新的混合式工程实践模式。 二、“互联网+教育”环境下混合式工程实践的教学重构
在“互联网+教育”环境下的开放与多元化学习时代，不仅学生获取与掌握知识的途径与速度发生了空前的变化[2]，以MOOC、SPOC等为代表的在线教育更是颠覆了传统的教学理念和人才培养模式[3，4]，主导着理论课堂教学模式的变革，推动着教学信息化快速发展[5]。
同时，也引发了翻转课堂在教学环节的地位与发展趋势的思考，甚至提出虚拟实验（VR/AR）替代实际课堂之构想。但是，对于“工程实践”这门极具实践性、工程性特点的课程，其教学目标是以锻炼和培养学生实际动手操作能力和工程能力，一贯秉承“能实不虚”的教学宗旨，那么，应该如何利用现代教学手段，既消除或削弱积重效应对实践教学过程的影响、提高课内实践效率和教学效果，又能有效地解决项目教学课外实践的瓶颈问题呢？
所谓尺有所长，寸有所短。既然传统的实践模式和单纯的“翻转课堂”均无法很好地解决当前因多种因素导致的工程实践教学面临的实际问题，那么将两种教学模式进行有机结合，构建一种新的实践模式或许是一条可行的途径。针对课堂实际，并结合多年教学经验，我们以“Arduino系统应用与拓展实践”教学模块为研究支撑，将MOOC、SPOC（或微平台、雨课堂、云平台）等现代化在线学习方法和教学手段引入传统工程实践教学，将线上学习与线下课内动手实践、线上答疑与课外项目实践有机结合，重新构建了互联网背景下工程实践的教学新思路。
1.以学生工程能力输出为培养导向的实践教学目标
叶圣陶先生曾说过：“教，是为了不教。”
教，并非简单地传授知识和技能，而是希望通过“教”让学生学会自我学习的方法和能力，达成教之目的。在实践教学中要想通过“教”达成真正的“不教”，就不能简单地教学生如何动手去做，而是让学生在实践中掌握做的能力，懂得做是为了创造。可见，应明确并建立以培养学生工程能力输出导向的教与学相融的教学目标，设计与之匹配的实践任务，以实现“授之以渔”的目的。
知之方能达之。充分了解创新人才培养平台对实践教学要求以及学生学习期望，设计与之匹配的教学目标和实践项目，细化实践方案是新实践教学模式实施的关键。首先，通过问卷调查获取学生先修课程情况、对Arduino及相关知识的涉猎程度、学习期望等基本信息，对照实践教学大纲和分析结果，迅速判断出课堂知识和能力的积重程度。然后，针对各平台培养体系对实践教学的要求、计划学时数以及调查结果，设计与之相应的教学目标、教学大纲。最后，按照基础实践、综合实践和自主实践三个递进阶段组织教学实施。
2.课内引导、线上自学与课内实践相融合
忽视学生知识背景和能力背景的课堂组织，可能对实践教学带来灾难性后果。一方面，可能会因教学内容和实践环节设置不合理，影响学生的学习热情，甚至导致教学目标与学习目标的脱节。另一方面，因为每个教学班的积重程度有所不同，预设情况可能会随着教学进程发生变化，很难用相同教学方法解决不可预测的突发状况。我们在研究尝试引用MOOC、SPOC等在线教育以期消除积重效应的过程中，发现翻转课堂需要学生投入太多课外时间和精力，这对一向不被重视的工程实践而言，学生的积极性远低于预期。若将翻转课堂嵌入课内，因积重效应存在和所采用分层逐级递进的实践方法[2]，每组学生的实践进度不一致，所需知识各异。在有限空间内，小组讨论或视频播放可能会相互干扰，势必影响教学秩序和教学环境。
为此，我们通过课内引导教学，将线上学习和课内实践融会贯通进行教学重构，教学成效显著。实践过程分为基础实践、综合实践与自主实践三个基本层次。每个层次都精心设计N（N>5）个难度相当、接近工程实际、网上又无法查阅到直接答案的实践主题项目或自主设计主题，谓之“细胞项目”。其中，基础实践再分为“学”与“用”两个梯度，“学”是模仿做，“用”是自主做。细胞实践项目或实践主题与实践要求、教学PPT、技術资料、设计示例等相关信息发布在学校云盘、微平台，或嵌入雨课堂等互联网学习平台。学生完成基本实践后，可以依据所处培养平台的实践要求、个人兴趣以及实践进度选择相应实践任务进入下一阶段，使集中授课、集中实践转为分散与集中相结合的授课方式。
教学组织及教学进度设计以教学班级的多数同学情况为参考，学生完成当前任务经考核后方能进入下一实践阶段。对零基础或基础薄弱者，老师或助教重点辅导;对于基础能力强者，可以申请跳过基础层次直接进入综合层次或进入自主实践，获准进入自主实践的组别需提交主题设计思路。贯穿实践过程的课内引导、线上学习与课内实践融合的实践模式，既解决课内积重效应，又实现了课内实践的无隙延伸。
3.角色互换，扬长补短，促使学生工程能力均衡发展
实践教学对象多为低年级本科学生（甚至是刚踏入大学校门的新生），多数同学还没有完全适应大学自主学习、主动实践的学习方式。在实践教学过程中，若以单兵作战完成实践项目，学生或深感无所适从，或忙中出错。若简单地以小组为单位进行实践活动，因积重效应导致某些小组恰好是强弱组合，则会出现能力强的学生自始至终都在主导实践，能力弱的学生一直作壁上观，完全没有动手参与的机会。结果是强者恒强，弱者恒弱，不仅达不到能力培养的实践目的，反而进一步加重积重效应。
为了锻炼每个学生的工程能力，我们在基础实践教学阶段实行角色互换、扬长补短。实践仍以小组为单位，每组2人可以自愿结合，设A、B角色，并结合实践任务及设计要求明确分工，根据进度互换角色、交替进行。譬如在第一个实践项目A同学负责电路设计，B同学编写控制程序;之后B同学要负责检查A同学的电路连接是否正确，A同学则检验B同学的程序设计是否合理或最优。发现了问题，还需要提出相应解决措施，遇到实在解决不了的难题，可以提请助教或老师指导。进入下一实践任务时，A、B互换角色，直至相互配合完成给定实践任务。角色互换，不仅扬长补短，全方位锻炼每个学生的实践动手能力，还能培养学生责任心与分析解决问题的能力，使低年级学生的工程素养和工程能力得到均衡发展。 4.在线答疑与预约指导，有效解决课外实践的瓶颈问题
我校实践教学与理论教学一样，属于分散实践，即按照每周实践1天的教学安排嵌入到日常教学中。因此，大多数学生的项目实践只能利用晚上或周末进行设计与调试，这与教师的工作时间完全相悖，课外指导及实时答疑问题一直是项目教学悬而不决的瓶颈。
“互联网+教育”时代，知识传递于无声处，手机也从单纯的通讯工具渐渐地成为互联网环境下教与学的载体。我们依托学校课程网站、云平台或清华大学雨课堂等多种形式提供在线学习或技术支撑。还借助QQ或微信，以教学周期和教学班级为标准，建立网络化实时答疑环境。学生在课外实践中遇到了困难或问题，可以随时发布并@老师，老师则依据实际情况实时解答或定期答疑;或者通过信息平台与其他在线同学交流讨论。需要面授解答或硬件平台支撑的同学，也可以通过微平台联系预约。在线实时答疑微平台的建立，有效地解决了项目教学课外指导的瓶颈问题。
5.过程与结果并重的评价体系，激发学生创造力，培育工匠精神
工程实践的宗旨是培养学生工程能力和创新意识，不仅仅看学生是否学会了做，更重要的是能否运用知识去创造。探索性创造必然伴随着艰辛、挫折或失败，而仅仅强调结果忽略过程的考核方式会挫伤学生敢于设想、勇于创新的积极性，甚至产生消极怠工的负面情绪。反之，片面强调过程而忽视结果的考核方式，虽有助于激发学生潜在的创造力，但盲目追求过程考核，会使一些学生好高骛远，脱离实际。
我们的过程与结果并重的综合评价，将实践过程的每一个环节和阶段性实践结果都纳入考核。从基础实践规定项目到自主创意实践，每个阶段的项目设计构思、编程控制、工程规范、语言表达、独立性、报告撰写、创新性、精力投入程度，甚至实验设备的使用与管理，以及项目完成情况都列入考核范围。再按照每个培养平台的计划学时、实践大纲、教学任务，分别制订包含A+、A、A-、B+、B、B-…D、F等级的评价标准，并随着教学深入实时跟进考核，最后进行归算，得出每个学生的实践成绩。
過程与结果并重的综合评价体系既有助于激发学生敢于设想、勇于创新的精神，也能更好地培育脚踏实地、精益求精的工匠精神。
参考文献：
[1] 王世斌，等.高等工程教育改革的理念与实践——以麻省、伯克利、普渡、天大为例[J].工程教育研究，2011（1）.
[2] 王留芳.面向多元化学生的实践教学策略研究[J].中国大学教学，2016（8）.
[3] 黄震.基于慕课和混合式教学的工程教育探索与实践[J].高等工程教育研究，2016（4）.
[4] 江志斌，等.基于MOOCs的教育教学改革[J].高等理科教育，2014（4）.
[5] 戴鹭坚.借鉴“翻转课堂”教学模式，推动教学信息化快速发展[J].吉林省教育学院学报，2014（4）.
[项目资助：本课题获得上海交通大学教学发展基金项目“基于混合式教学的工程实践模式探索性研究（CTLD16B3004）的资助]
[责任编辑：夏鲁惠]
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