“电工学”项目中心课程教学实践研究与探索

段晓燕 缑新科 林 洁

(1. 兰州理工大学 电气工程与信息工程学院， 兰州 730050)(2. 甘肃省工业过程先进控制重点实验室， 兰州 730050)(3. 兰州理工大学 电气与控制工程国家级实验教学示范中心， 兰州 730050)

2014年7月美国麻省理工学院(MIT)发布《面向未来的MIT教育专项工作组全校调查报告》，主张“基于项目进行课程、教学、评价一体化设计”[1]；并于2017年8月启动实施新工程教育转型(New Engineering Education Transformation, NEET)计划，明确本科教育改革的重心向以项目为中心的课程转移，全面构建“项目中心课程(Project-Centric Curricular Construct, PCCC)”的新工程教育人才培养模式，培养引领未来发展的卓越领导型工程人才，以应对未来产业界和社会发展。而我国也于2017年相继出台“‘新工科’建设复旦共识”[2]“‘新工科’行动路线(天大行动)”[3]“北京指南”[4]等指导性文件,为我国工程教育的改革创新提供了指导思路。这就要求教师要从学习者学习与发展的角度出发完善教学体系、创新教学内容、变革教学方法，以期达到改善实际教学质量，提高学习者的专业能力、学科素养、创新意识、创新能力的目标；从“知识传授者”转变成“项目设计者+项目导师”，同时更加注重培养学生知识应用能力、团队协作能力以及复杂工程问题解决能力[5]。

将这种基于“项目中心课程”的人才培养模式的教学方法应用于非电类专业电气工程学即“电工学”课程的教学，有效地实现了电气工程学教学中教师学科理论教学与学生实践能力训练的融合，同时基于项目的学习(Project-based learning, PBL)也使学生较之未采用项目式教学班级的学生，获得更多的如何在真实情境下应用已有知识解决工程问题、如何实现团队内及团队间沟通协同、如何管理时间优化学习资源的能力。通过反馈可以看到相较于单一理论教学，学生能够更多参与到更加完整和具体的经验和方法的获取、更加深入学科理论知识的理解以及更多源于专业的心理内涵建设等方面，获得不同于单一被动式接收知识、方法、技能的沉浸式体验。

1 实践路径及主体思路

兰州理工大学面向材料学院、能源与动力学院、机电工程学院以及石油化工学院等非电类专业学生开设的“电工学”课程是项目式学习在非电类专业学生电气工程学课程教学中的具体应用。天津大学王萍基于新工科建设需求构建了“需求型、开放型”[6]的创新型“电工学”课程体系。本课程设计的项目也是依托这样的体系架构设置。

在具体实施中，基于“项目中心课程”的“电工学”自2019年立项校级示范性项目式教学课程起，按照培养目标及毕业要求指标点的不同开设于每个学年的春季或秋季学期，历时16学周，每周4学时，共64学时；授课对象为本科二年级或三年级学生。要求学生以小组为单位，面向“电工学”课程总体架构中的三个模块，完成课题的选择、文献的查阅、硬件的装配、软件的调试、撰写项目报告、总结汇总展示、拓展以及未来展望。教师通过展示工业现场视频、请企业导师开设讲座、组织学生开展线上线下共同研讨以及一对一个别辅导对研究小组进行必要指导，并以任课教师评价、企业导师评价、组内生生自评、组间生生互评的方式对各小组的项目展示及项目效果进行综合评价，最后引导学生结合项目产品完成过程反思自身专业学习及协作交流方面存在的不足，以期找到未来改进及发展的方向，完成项目式教学实施的闭环反馈。

在课程学习过程中，项目课题由教师根据具体知识模块的毕业要求指标点给出范围，由学生在给定范围内自主选择，这里不同于语言类课程允许学生自主完成项目课题的选择[7]。由于项目设置源于学生的生活实际以及工业场景应用，因此学生在完成项目的过程中需要发现真实问题，由问题作为牵引、具体项目任务为驱动，通过小组协同的方式在项目完成过程中实现知识探究、过程设计、产品制作，增强学生综合运用所学知识和方法寻求解决实际问题的策略的能力，体现杜威提出人的四种基本本能“制造、交际、表现和探索”中最突出的本能——制作本能，实现从“做”中得来的知识——“真知识”[8]的获取。

下文将以“电工学”课程体系中“电能及电能的有效利用”架构下“机电能量转换”为具体教学案例，采用“学期内轮动、学期间复刻、学科间交叉”的模式探讨“项目中心课程”教学法应用于非电类专业电气工程学课程的实践探索。

2 “项目中心课程”实施教学实例

2.1 情境创设

在教学实施过程中创设问题情境“无人驾驶技术中多车队列运行如何实现车间距策略？”引入“超声波避障小车”项目，由于很多学生第一次接触这种软硬结合的、跨学科交叉融合的项目，对其中涉及到的理论知识尚留于表面，应用和建构新知识体系的能力还很缺乏[9]，因此在学期内首轮轮动中参与的学生仅实现了小车的“红外遥控”“超声波避障”以及“超声跟随”等基本功能，提出了“同一时间单车只能实现其中一种功能，无法通过控制器实现不同功能间切换”的问题，同时通过查阅文献[10]给出“加入基于视觉的高精度可靠定位技术可拓展小车的应用场景”建议，为参与第二轮小车制作与运行控制的小组提供情境创设、技术支持及改进方向。

这使得教学从传统的主题型教学转变为探究型教学[11]，把创新教育的理念由教师主体转换为学生主体，通过构建真实的情境,引导学生在情境中去主动体验和探究，唤起其深度思考，在解决问题的过程中，使学生获得与应用新的知识，以达到有意义和有效学习的目的[12]，这也是项目式学习的基本原则。同时通过本轮项目实践，从学生中发现能够快速高效完成项目目标任务的小组，在之后的项目中提出更高的项目要求，使得这部分学生发散思维和创新能力得到更多更大的发展空间，也为他们获得更加适合自己的学习体验搭建桥梁和纽带，为学生未来参与整合性课程或综合性活动打造“顶峰体验”[13]。

2.2 问题中心

正是基于第一轮项目实现过程中由学生自己所提供的技术支持以及提出的拟改进方向，在学期内的第二轮轮动中，学生不仅完成了小车三大基本功能的实现，同时结合“电能及电能的有效利用”架构下的“电器及物理量的自动控制及智能控制”，还基于“无人驾驶控制场景中的多车跟随控制”情境，实现“首车红外遥控运行”“后车超声波跟随运行控制”，解决了首轮项目实现中“无法通过控制器改变单车运行模式，需重新下载程序”的问题，同时也进一步提出问题“跟随车辆只能实现九十度转向而导致有可能出现遇到障碍物后单车避障成功但是跟随失败”的问题，进一步为学期内轮动的第三轮提出了亟待解决的问题。

这种“从问题入手”或“从主题入手”进行学习的方式迫使学习者打破“从学科知识点入手”的学习方式和习惯[14]，不仅要求学生能够打破某一特定学科带来的思维局限，更进一步地要求学科知识的重新整合，提升诸如问题发现、设计、决策、调查、解决等方面的能力，有效培养学生的跨学科意识。在布卢姆(Benjamin S. Bloom)的教育目标分类学中将认知过程分为不同层次，而项目式学习不仅要求学生能够接收教师所讲授的“记忆”“理解”层次的知识，而且要消化并积极利用这些知识去解决项目中遇到的诸如“评价”和“创造”层次的问题，而这里的“创造”也是认知发展的最高层次，需要学习者发现知识的本质并建构新的意义[15]。因此项目式学习通过创造性学习，以问题为中心，增强学习者跨学科意识，帮助学习者实现高阶学习的目标。

2.3 目标导向

随着学期内轮动的进一步推进，在第三轮项目进行中，参与制作的学生针对第二轮遇到的“跟随车辆只能实现九十度转向导致的有可能跟随失败的问题”，提出“跟随车辆遇障碍物——绕行——原地实现360°扫描寻找——再次实现跟随运行”的策略，通过修改程序实现了功能的拓展“转弯而不是转向”，为多车列队运行奠定基础。

通过查阅文献，学生发现现有应对策略中“固定车间距”会受到通信约束，有可能无法保证队列稳定性；而“固定车头时距策略”又会因为速度快时车间距太大而导致运行效率降低的问题。学生还提出可以针对不同的应用场景在超声波避障小车基础上引入“环境感知模块[16]”“路径规划机制[17]”等有待拓展的功能，使学生在项目完成过程中体验最佳学习和获得自主学习能力，包括积极参与课堂学习、项目学习、创造和利用数字化学习[18]、朋辈交流协作等。

可以看到在这种项目中心课程模式下，学生既可以成为问题的“发现者”又可以成为问题的“解决者”，凸显了贯穿于新工科建设各个层次的“发现问题、分析问题、解决问题、检验问题和反思问题”的工程设计思维逻辑闭环[19]；同时在与教师、企业导师、学习伙伴的讨论、交流、合作过程中，学生利用必要的学习资料，对接收到的信息进行主动积极地探究之后也对工程科学的理论、模型和方法有了更加深入的理解和掌握。在这种社会性互动过程中提升了学生思考能力以及自主学习意识。

2.4 价值引领

在项目中心课程进行过程中，收集了所有参与课程学习的学生的反馈，以下是部分学生的反思与感受。

学生A：两组同学都对项目进行了精彩的展示，在展示过后给我也带来了许多启发——知识不应仅局限于课本，可以从一个点切入展开全面的学习，多思考、勤动手，才可能有更多创新的点。

学生B：通过这次展示课，打开了我对“电工学”的兴趣，让课堂变得更加有趣，也让我看到了“电工学”的魅力，真正体会到老师所说的这是一门多领域交叉融合的课程。

学生C：在课堂上，我见证了同学们在项目完成过程中的努力，也看到了他们面对问题、解决问题时的钻研精神，在他们进行项目展示的过程中，我也学习到一些比如要不惧问题、迎难而上，同时保持好奇心，去探索、去尝试，感受科技的魅力！

学生D：作为一名大学生，我们应当有探索未知事物的好奇心，要学习更多的知识，不断提升自己，多了解我们这个时代当下先进的科学技术，很多事情要敢于去想去做，当你上手这件事的时候会发现，其实没你想得那么难。

通过反馈可以看到：①学生通过主动学习摄取完成项目所需要的知识/技能，构思、设计项目方案，通过迭代优化使得项目作品更加贴合工程实际，在此过程中提升了应用知识/技能解决复杂工程问题的能力；②项目在实施过程中要求学生具备诸如在解决复杂工程问题时兼顾设计方案对社会、环境、健康、安全以及文化产生的影响，客观、宽容、自信地与他人进行交流合作等非认知因素的能力；③项目目标达成有效激发了“学生自我监控”意识，具体体现在学生的自我觉察、自我反思、自我调节、自我管理和自我评价等诸多方面；④学生还需要解决时间管理、任务管理、讨论与决策、沟通交互、团队协作、演讲答辩等非专业问题，非专业能力和素质也得到了同步提升。

通过项目完成过程多层次引导学生将职业精神与职业技能相融合、学科素养与思想品德修养相融合，培养学生的家国情怀、社会责任、诚信道德、工匠精神、法制底线等要素，树立科学的人生观、世界观、价值观，完成专业课程教学向专业课程教育的升华，化有形的教学为无形的教育。更好地发挥青年学生的主体作用，而不是一味地被动灌输、消极接受[20]。

3 应用现状及挑战

经过教学迭代，基于“项目中心课程”教学模式的面向非电类专业的“电工学”课程凝练了一批特色鲜明、贴近工程实际、能够调动学生学习积极性的跨学科项目，逐步形成了一个项目库，比如智能收音机、超声波避障小车、车辆运行控制系统、智能交通控制系统、多人抢答器等，这些项目有效支撑了课程的实施。

“项目中心课程”是MIT对传统工程教育理念和人才培养模式的反思，强调新工程教育回归工程实践和面向未来、面向工程界，帮助学生通过真实环境中的学习，提高认知思维、培养专业能力，以适应未来产业界和社会发展[18]。在新工科建设背景下，将这种模式应用于“电工学”课程改革探索与实践中，使得课程、教学、教师面临新的挑战，正所谓“教学改革改到深处是课程，改到痛处是教师”，课程改革和建设是最艰难的一公里[21-22]。

3.1 课程层面

面向非电类专业本科生开设“电工学”，具备培养学生跨学科交叉融合能力、形成系统性思维的特点；“项目中心课程”教学模式有效搭建学生参与和专业学习共同体，促进朋辈沟通协作；在项目完成过程中充分发挥学生想象力、创造力、主动性、积极性，助力学生提高在未来职业中所需的发现问题、分析问题、解决问题的能力，养成终身学习的习惯。

3.2 教学层面

“项目中心课程”将传统教学的“以知识为本”转移到“以学生的发展为本”，体现“知识与技能”“过程与方法”“情感态度与价值观”三维课程目标融为一体的教学价值观[23]。

3.3 教师层面

教师需要打破现有课程体系，以项目为中心，有效实现课程体系的“解构-重构”，在这个过程中努力提升自身基于项目的课程设计和开发能力；教师的角色从“主讲”变为“主导”，成为学生学习活动的引导者、陪伴者和评价者，而教学效果的评价重心也由传统的终结性评价扩展到表现性评价、形成性评价与共同核心标准相一致；教师关注的重心从“学生的知道”转为“学生的做到”，学生主动参与整个教学活动，完成知识的自主建构。

4 结语

从2019年秋季学期开始“项目中心课程”模式应用于兰州理工大学非电类专业“电工学”课程，至今已完成九轮完整的学期内轮动、三轮完整的学期间复刻，目前拟开始第四轮学期间复刻，同时由于班级设定，来自不同专业的学生自然组队实现“学科间交叉”。通过学生的反馈可以看出，该模式极大地调动了学生自主学习的积极性，提升了学生学习电工学课程的兴趣，同时也使学生初步了解到跨学科交叉融合不仅是课程本身特点，也是未来产业、科技进步、社会发展的必然趋势。