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建構主義視角下的本科工程教育教學設計研究

 論文欄目:教育管理    更新時間:2018-11-21 11:02   

 [摘 要]本科工程教育聚焦培養學生解決復雜工程問題的能力,這給教學設計帶來了新的挑戰。基于建構主義理論視角對本科工程教育教學設計進行研究,提出本科工程教育教學設計應以學生為中心,以能力為重點、關注學生的學習過程,運用系統的方法,對參與教學/學習活動的諸多要素進行一種行之有效的分析,并以交通運輸工程本科學科基礎課程運籌學為例,就其教學/學習的資源、活動、媒體傳輸、評價反饋四大要素及系統有效運作進行了設計,驗證了建構主義理論在本科工程教育教學設計中的有效性。 
  [關鍵詞]本科工程教育;教學設計;建構主義 
  [中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437(2018)10-0004-04 
  當今世界范圍內新一輪的科技和產業革命正在驅動著新經濟的形成與發展,與此相應的是,本科工程教育改革受到空前重視。無論是新經濟發展還是新一輪的科技和產業革命,都對本科工程教育的變革發展提出了新的挑戰[1][2]。2016年6月2日,我國正式加入《華盛頓協議》(以下簡稱《協議》),這被認為是中國高等教育取得的具有里程碑意義的歷史性突破,這標志著我國本科工程教育實現《協議》意義上的“國際等效”。與世界工程教育圖景相契合,中國工程教育專業認證協會于2015年3月修訂了《工程教育認證標準》(以下簡稱《標準》)。《協議》和《標準》都倡導以學生為中心(Student-centered)、產出導向(Outcome Base Education, OBE)、持續改進(Continue Quality Improvement, CQI)三大教育理念,要求從培養目標到畢業要求,從畢業要求到課程體系,再到教學活動落實、評價與反饋,都要進行系統的設計與實施[3][4]。從操作層面來說,就是要將畢業要求分解落實到具體的教學活動中去。本科工程教育的教學活動有很大部分是以課程為單元、以課程知識為基礎開展的。然而,開展教學活動絕不是基于教材的“照本宣科”,它需要教師以先進的教學理念,針對教學對象、課程性質與內容,結合本科工程教育產出要求進行全盤的教學設計,包括教學活動要求達成的目標的設定、與教學內容相匹配的教學資源植入、活動內容及形式、活動效果(活動達成目標的程度)如何評價等。教學設計成為整個教學過程中必不可少且十分重要的環節。為此,本文基于本科工程教育的基本定位與培養目標,從建構主義理論的視角對本科工程教育課程教學設計進行深入探討。 
  一、本科工程教育的基本定位及培養目標 
  按照《協議》,兩年制專科培養學生解決狹義工程問題(Well-defined Problems)的能力,三年制的大專培養學生解決廣義工程問題(Broadly-defined Problems)的能力,本科培養學生解決復雜工程問題(Complex Problems)的能力。 
  針對“復雜工程問題”,《協議》用如下7個特征進行刻畫。其中第一條是必備的,它指出了復雜工程問題的本質;第二到第七條是可選的,它們可以看成是復雜工程問題的表象。 
  1.必須運用深入的工程原理經過分析才能解決。 
  2.需要涉及多方面的技術、工程和其他因素,并可能相互有一定沖突。 
  3.需要通過建立合適的抽象模型才能解決,在建模過程中需要體現出創造性。 
  4.不是僅靠常用的方法就可以完全解決的。 
  5.問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業標準和規范中。 
  6.問題相關各方利益不完全一致。 
  7.具有較高的綜合性,包含多個相互關聯的子問題。 
  我國《工程教育認證標準》在《協議》的基礎上,從工程知識、問題分析、設計/開發解決方案、研究、使用現代工具、工程與社會、環境和可持續發展、職業規范、個人和團隊、溝通、項目管理、終身學習等12個方面,更明確、更具體地圍繞培養學生解決復雜工程問題能力,闡述了本科工程教育的培養目標和畢業條件,而且要求全部覆蓋。如:“能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原理,識別、表達、并通過文獻研究分析復雜工程問題”的能力,“能夠設計針對復雜工程問題的解決方案,并能夠在設計環節中體現創新意識,考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環境等因素”的能力,“能夠基于科學原理并采用科學方法對復雜工程問題進行研究”的能力,“能夠針對復雜工程問題,開發、選擇與使用恰當的技術、資源、現代工程工具和信息技術工具”的能力,“能夠基于工程相關背景知識進行合理分析,評價專業工程實踐和復雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響”的能力,“具有自主學習和終身學習的意識,有不斷學習和適用發展的能力”等[5]。 
  從《協議》的7點和《標準》的12條不難看出,解決復雜工程問題需要學生能夠靈活地、綜合地、創造性地運用所學知識,對其包括創新意識、創新能力的培養必須分解落實到教學活動中去,并且要以學習者為中心、強化思想方法的滲透、加強學法指導、促進學習者主動構建知識意義,這就對本科工程教育的教學設計提出了更新、更高的要求。 
  二、建構主義學習理論與教學設計 
  建構主義也稱為結構主義[6], 它是由瑞士學者皮亞杰等西方心理學家, 在認知學習理論的基礎上建立起來的。其基本觀點是:人是在與周圍環境相互作用的過程中, 逐步建構起關于外部世界的知識, 從而使自身認知結構得到發展。建構主義理論的內容很豐富, 其不僅形成了全新的學習理論, 也正在形成全新的教學理論。建構主義學習理論強調以學習者為中心, 其不僅要求學習者由外部刺激的被動接受者和知識的灌輸對象轉變為信息加工的主體和知識意義的主動建構者, 而且要求教師要由知識的傳授者、灌輸者轉變為學習者主動建構知識的幫助者、促進者。在建構主義學習環境下, 教師和學生的地位、作用和傳統教學相比發生了很大的變化。這就意味著教師應當在教學過程中采用新的教學模式, 摒棄以教師為中心、單純強調知識傳授、把學生當作知識灌輸對象的傳統教學模式, 采用新的教學方法和新的教學設計思想。當代最新信息技術成果給予了建構主義所要求的學習環境強有力的支持,使得建構主義理論可以與廣大教師的教學實踐普遍結合起來,成為國內外學校深化教學改革的指導思想。
 關于教學設計,不同學者有不同的觀點。20世紀70年代,認知性教學設計理論的代表人物加涅和布里格斯(1969年)[7]認為,教學設計是一個系統化(systematic) 規劃教學系統的過程。教學系統本身是對資源和程序做出有利于學習的安排。帕頓 (Patten.J.V.)在《什么是教學設計》一文中指出:教學設計是設計科學大家庭的一員,設計科學各成員的共同特征是用科學原理及應用來滿足人的需要。因此,教學設計是對學業業績問題(performance problems)的解決措施進行策劃的過程。賴格盧特(Charles M.Reigeluth)[8]認為,教學設計是一門涉及理解與改進教學過程的學科。任何設計活動的宗旨都是提出達到預期目的最優途徑(means),因此,教學設計主要是關于提出最優教學方法的處方的一門學科,這些最優的教學方法能使學生的知識和技能發生預期的變化。梅里爾(Merrill) 等人在新近發表的《教學設計新宣言》一文中對教學設計所作的新界定值得重視。他認為:教學是一門科學,而教學設計是建立在這一科學基礎上的技術,因而教學設計也可以被認為是科學型的技術(science-based technology)。美國學者肯普給教學設計下的定義是:教學設計是運用系統方法分析研究教學過程中相互聯系的各部分的問題和需求。在連續模式中確立解決它們的方法步驟,然后評價教學成果的系統計劃過程。教育技術學認為[9],教學設計是應用系統科學方法分析和研究教學內容,確定教學實施方法和步驟,并對教學效果做出評價的計劃過程和操作程序。 
  總之,教學設計就是在正確的教育理念指導下,關于“教什么”和“怎么教”的一種方案設計,它是教師根據學科教學的原理和教學目標的要求,運用系統的方法,對參與教學活動的諸多要素所進行的一種行之有效的分析和策劃[10][11][12][13]。 
  三、本科工程教育課程教學設計 
  基于建構主義學習理論和本科工程教育的基本定位和培養目標,本科工程教育的教學設計應面向培養學生解決復雜工程問題能力(產出)的教學系統,將教學/學習資源、教學/學習環境、現代教育信息技術等要素有機融合,以達到過程最優化而編制的教與學的實施方案。重點體現以學生為中心,以能力為重點,關注學生的學習過程,教師在學生學習的整個過程中發揮好服務、支持、指導和幫助的作用。設計的具體對象為教學/學習資源、教學/學習活動、媒體傳輸和評價反饋四大關鍵要素及系統有效運作。下面以筆者所承擔的交通運輸工程類本科專業基礎課程運籌學為例,闡述本科工程教育課程教學設計。 
  1.教學/學習資源設計 
  建構主義理論強調學習者的自主學習,本科工程教育要求培養學生解決復雜問題的能力。教學/學習資源的設計任務就是依據教學大綱規定的教學內容和培養目標,通過選擇與優化教學/學習資源,以支持和幫助學生學會和掌握學科知識,促進學生利用教學/學習資源進行協作式探索和完成學科知識的意義構建。因此,本科工程教育教學/學習資源設計要求教師按照“基于教材、高于教材、突出特色”的指導思想,將學科知識融會貫通,把自己數年乃至數十年科學研究所獲得的感悟、對學科的認識過程和體驗、對生活或身邊相關的現象或問題的思考、學科發展前沿等,精心凝練到教學/學習資源中去。同時突出“激發興趣”、“培養能力”、“獲取便捷”與“持續更新”等特征。 
  運籌學[14]課程是交通運輸工程類本科必修的學科基礎課程,它涵蓋了解決交通運輸領域復雜工程問題的原理、方法,且內容抽象,邏輯性強,對于交通運輸工程類專業(偏管理)的學生來說學習難度很大。筆者在該課程的教學/學習資源設計實踐中,依據運籌學課程知識點的關聯性和邏輯性,將教學大綱規定的13章教學內容整合成為8大教學模塊。針對每一模塊的具體內容,設計編寫了包括教學/學習目標及要求、學習思路與方法建議、學習要點提示、重點難點解決方案、主動思考與課前準備、延伸閱讀等內容的學習指導材料(或稱導學材料);根據內容細節精選相應的輔助教材、訓練習題,設計對應的自主構建知識意義的研討專題。特別是在重點難點的解決方案設計中,注重通過情景的創設、探究性問題的設置、引導性案例的編制等方式激發學生的學習興趣,幫助學生形成學習動機,即“興趣設計”;采用由淺入深、由簡單到復雜、梯度遞進、層層發散的研討專題(基礎型、綜合型和應用實踐型),提示新舊知識之間聯系的線索,幫助學生建構所學課程知識的意義,突出“能力培養”設計;通過運籌學在線開放課程(MOOC)和“微課”建設,引入優質MOOCs資源,充分利用現代互聯網技術和教育信息共享平臺,提升資源的時效性和獲取的便捷性。與此同時,將教師的科研成果和學生作業、研討、競賽、獲獎等優秀作品深度融入系統中,實現運籌學課程教學/學習資源的持續更新。 
  2.教學/學習活動設計 
  教學/學習活動的設計是教學設計的核心組成部分,是實現知識內化、達成本科工程教育培養目標與畢業要求的有效途徑和根本保證。教學/學習活動的形式靈活多樣,不僅僅取決于教學內容,還與教學對象、教師對學科知識的把握程度等有關,而且沒有固定的模式可以復制。因此,本科工程教育教學/學習活動的設計應該以突出學生的主體地位,從學生的問題出發營造教學情境、植入教學資源、設計教學問題,引導學生探究、解決問題,設計師生的互動方式,增加學生的自主探究,以實現學生知識意義的主動建構;創造機會,使學生得到諸如學習協作、溝通、表達、組織,如何在工程實踐中考慮社會、環境、法律、倫理、道德等問題的更全面的鍛煉。 
  如筆者在對運籌學課程“線性規劃單純形法”知識點的教學/學習活動設計中,綜合開展的“探究型”和“協作型”教學活動。首先,基于建構主義理論的支架式設計理念,對線性規劃單純形算法理論進行梳理、構建單純形算法流程;然后對應流程按照“最近發展區”的要求層層設問,教師在對問題的探究中教,學生在對未知的探索中學,啟發引導學生積極探索和思考,促使學生掌握分析問題的基本思想和方法,使他們逐漸養成分析、探索的習慣,學會分析和探索,并能得到有效的結論。接下來布置學生在課后以學習小組(5~6名學生為宜)為單位協作(開展討論與交流)完成教學/學習資源系統中的“生產計劃問題”的研討專題。要求從原始數據收集、數據整理、提出假設、數學建模、算法(單純形法)應用、編程實現、組織分析(系統分析、結果分析)、驗證、PPT制作、匯報演示到可能產生的問題分析與討論等,全過程由學生個人自主學習和小組協作學習完成。教師對學生在探究過程中遇到的問題及時給予幫助,并在課堂討論中設法把問題一步步引向深入,以加深學生對所學內容的理解;倡導學生積極動手、動腦,啟發引導學生自己去發現規律、自己糾正和補充錯誤的或片面的認識。讓學生在探究問題、解決問題的過程中學會綜合利用知識、內化和自主構建學科知識。
 3.教學/學習媒體傳輸設計 
  教學/學習媒體是指在教育教學情境中所使用的承載教學信息和傳遞教學信息的所有工具、中介。它是創設豐富生動的學習情境、減少學生對知識意義建構困難的有效工具,也是教學/學習系統的重要組成部分。它的選擇與設計取決于教學/學習目標、教學/學習資源等,選擇不同的教學媒體其教學效果是不一樣的。教學/學習媒體無先進和落后之分,貴在恰當運用。在資源與學習者之間恰當運用媒體傳遞教學信息,是提高教學效果、實現由控制人的學習轉向幫助人的學習的最佳途徑。媒體傳輸方式主要有“線下”教學(課堂教學)和“線上”學習(網絡學習)。本科工程教育教學/學習媒體傳輸設計就是要根據教學內容與教學/學習資源,選擇最合適的媒體或多媒體和最有效的傳輸方式,將抽象的工程概念、復雜的工程原理更加形象地表征,使教學/學習過程更加豐富生動,幫助學生降低認知負荷,促進學習者對知識的理解;同時注重與教學/學習資源的匹配,以及各媒體傳輸的協同關系。 
  在運籌學課程的教學/學習媒體傳輸設計中,根據教學內容及其相匹配的教學/學習資源,筆者進行了集多媒體、板書和移動學習協同一體的教學/學習媒體傳輸設計。將理論性強的知識內容及其專題研討采用多媒體與板書相結合的方式“線下”教學/學習為主;對于適合學生隨機進入學習的教學/學習資源,如慕課(MOOC)、微課、教學案例、閱讀資料,以及教師預先上傳系統、要求學生預習的多媒體課件等,設計為“線上”學習,注重“線上”與“線下”學習的關聯與互補作用。同時,借助移動設備使得學生在學習的過程中能隨時與教師深度互動,不斷提高學習者的認知水平。 
  4.教學/學習評價設計 
  教學/學習評價設計要根據課程所承擔的畢業要求達成任務來定,以保證評價能夠有效反映其對承擔的畢業要求達成的實際貢獻度。本科工程教育的產出導向要求最終聚焦學生解決復雜工程問題的能力,其教學/學習評價設計應從注重知識性內容的考核轉變為注重學習者能力和素質的培養,評價不僅要關注學生的學習結果,還應關注學生的學習方法、學習態度和學習過程。同時,評價還應設計為多元型,即評價者既有教師,又有學生,師生共同參與;評價對象不僅是學生個人、學習小組,還要定期或不定期組織學習者對教師的教學效果進行評價。 
  運籌學課程的教學/學習評價設計采取形成性評價和總結性評價相結合的評價方式來評價學習者的學習效果,兩種方式的占比分別為40%和60%。其中,形成性評價主要是通過課后作業完成的數量和質量、課堂互動表現、小組作業以及在合作完成各類研討專題過程中對任務完成的貢獻情況、成果展示、講演、交流與討論等,成績評定采用學生自評、小組互評和教師總評相結合的方式來確定;總結性評價按照課程教學大綱規定的教學目標采用開卷考試,試卷以綜合應用題型為主,重點考核學生是否完成對所學知識的意義建構。就教學評價設計而言,除了學校組織的期末學生評教活動以外,本課程將其與學生的作業相整合,在學生的自主學習作業中,提出學生可以隨手完成的“給教師教學的一句話評論與建議”要求,并及時收集整理、反饋到教師接下來的課程教學設計和實施活動之中。 
  通過以上面向本科工程教育教學系統的四大要素的設計,并在這四大要素的水平上與學生互動,將外部能量、物質和信息供給學生自身系統,并轉化為他們內在的動力,不斷豐富與發展他們的學習經驗,促進他們的全面成長。當系統有效運作時,就構成了以學生為中心,以教學/學習活動為基礎,以教學/學習資源和媒體為支撐,以激發學生探究動機為動力,以評價反饋為教師教學改革的導向,并貫穿師生深度互動的運行結構。該運行結構朝著推進學生的學習與發展的方向形成上升螺旋,即隨著學生學習與發展水平的提高,設計和互動也相應地發生于更高的水平。 
  四、結語 
  本科工程教育作為高校人才培養的重要組成部分,應該強化在教學方面的研究。本文利用建構主義理論深度挖掘學生認知的普遍規律及其與本科工程教育的基本定位和培養目標的內在聯系,從面向培養解決復雜工程問題能力的教學/學習系統的關鍵要素和運作過程出發,有目的、有計劃地對本科工程教育課程進行教學設計。整個教學設計自始至終體現以學習者為中心和主體,以能力培養為導向,鼓勵學習者進行批判性思維,培養其創造性。隨著建構主義理論在本科工程教育中的運用和發展,學習者的自主學習能力、終身學習能力、創新能力和適用變化的能力將不斷提高,這也是當代“新工科”建設與發展的著力點和培養目標要求[15]。 
  [ 參 考 文 獻 ] 
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  [責任編輯:陳 明]

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