建构主义视角下的本科工程教育教学设计研究

[摘 要]本科工程教育聚焦培养学生解决复杂工程问题的能力，这给教学设计带来了新的挑战。基于建构主义理论视角对本科工程教育教学设计进行研究，提出本科工程教育教学设计应以学生为中心，以能力为重点、关注学生的学习过程，运用系统的方法，对参与教学/学习活动的诸多要素进行一种行之有效的分析，并以交通运输工程本科学科基础课程运筹学为例，就其教学/学习的资源、活动、媒体传输、评价反馈四大要素及系统有效运作进行了设计，验证了建构主义理论在本科工程教育教学设计中的有效性。

[关键词]本科工程教育；教学设计；建构主义

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）10-0004-04

当今世界范围内新一轮的科技和产业革命正在驱动着新经济的形成与发展，与此相应的是，本科工程教育改革受到空前重视。无论是新经济发展还是新一轮的科技和产业革命，都对本科工程教育的变革发展提出了新的挑战[1][2]。2016年6月2日，我国正式加入《华盛顿协议》（以下简称《协议》），这被认为是中国高等教育取得的具有里程碑意义的历史性突破，这标志着我国本科工程教育实现《协议》意义上的“国际等效”。与世界工程教育图景相契合，中国工程教育专业认证协会于2015年3月修订了《工程教育认证标准》（以下简称《标准》）。《协议》和《标准》都倡导以学生为中心（Student-centered）、产出导向（Outcome Base Education， OBE）、持续改进（Continue Quality Improvement， CQI）三大教育理念，要求从培养目标到毕业要求，从毕业要求到课程体系，再到教学活动落实、评价与反馈，都要进行系统的设计与实施[3][4]。从操作层面来说，就是要将毕业要求分解落实到具体的教学活动中去。本科工程教育的教学活动有很大部分是以课程为单元、以课程知识为基础开展的。然而，开展教学活动绝不是基于教材的“照本宣科”，它需要教师以先进的教学理念，针对教学对象、课程性质与内容，结合本科工程教育产出要求进行全盘的教学设计，包括教学活动要求达成的目标的设定、与教学内容相匹配的教学资源植入、活动内容及形式、活动效果（活动达成目标的程度）如何评价等。教学设计成为整个教学过程中必不可少且十分重要的环节。为此，本文基于本科工程教育的基本定位与培养目标，从建构主义理论的视角对本科工程教育课程教学设计进行深入探讨。

一、本科工程教育的基本定位及培养目标

按照《协议》，两年制专科培养学生解决狭义工程问题（Well-defined Problems）的能力，三年制的大专培养学生解决广义工程问题（Broadly-defined Problems）的能力，本科培养学生解决复杂工程问题（Complex Problems）的能力。

针对“复杂工程问题”，《协议》用如下7个特征进行刻画。其中第一条是必备的，它指出了复杂工程问题的本质；第二到第七条是可选的，它们可以看成是复雜工程问题的表象。

1.必须运用深入的工程原理经过分析才能解决。

2.需要涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有一定冲突。

3.需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性。

4.不是仅靠常用的方法就可以完全解决的。

5.问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业标准和规范中。

6.问题相关各方利益不完全一致。

7.具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题。

我国《工程教育认证标准》在《协议》的基础上，从工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、研究、使用现代工具、工程与社会、环境和可持续发展、职业规范、个人和团队、沟通、项目管理、终身学习等12个方面，更明确、更具体地围绕培养学生解决复杂工程问题能力，阐述了本科工程教育的培养目标和毕业条件，而且要求全部覆盖。如：“能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题”的能力，“能够设计针对复杂工程问题的解决方案，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素”的能力，“能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究”的能力，“能够针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具”的能力，“能够基于工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响”的能力，“具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适用发展的能力”等[5]。

从《协议》的7点和《标准》的12条不难看出，解决复杂工程问题需要学生能够灵活地、综合地、创造性地运用所学知识，对其包括创新意识、创新能力的培养必须分解落实到教学活动中去，并且要以学习者为中心、强化思想方法的渗透、加强学法指导、促进学习者主动构建知识意义，这就对本科工程教育的教学设计提出了更新、更高的要求。

二、建构主义学习理论与教学设计

建构主义也称为结构主义[6]， 它是由瑞士学者皮亚杰等西方心理学家， 在认知学习理论的基础上建立起来的。其基本观点是：人是在与周围环境相互作用的过程中， 逐步建构起关于外部世界的知识， 从而使自身认知结构得到发展。建构主义理论的内容很丰富， 其不仅形成了全新的学习理论， 也正在形成全新的教学理论。建构主义学习理论强调以学习者为中心， 其不仅要求学习者由外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主体和知识意义的主动建构者， 而且要求教师要由知识的传授者、灌输者转变为学习者主动建构知识的帮助者、促进者。在建构主义学习环境下， 教师和学生的地位、作用和传统教学相比发生了很大的变化。这就意味着教师应当在教学过程中采用新的教学模式， 摒弃以教师为中心、单纯强调知识传授、把学生当作知识灌输对象的传统教学模式， 采用新的教学方法和新的教学设计思想。当代最新信息技术成果给予了建构主义所要求的学习环境强有力的支持，使得建构主义理论可以与广大教师的教学实践普遍结合起来，成为国内外学校深化教学改革的指导思想。

关于教学设计，不同学者有不同的观点。20世纪70年代，认知性教学设计理论的代表人物加涅和布里格斯（1969年）[7]认为，教学设计是一个系统化（systematic） 规划教学系统的过程。教学系统本身是对资源和程序做出有利于学习的安排。帕顿 （Patten.J.V.）在《什么是教学设计》一文中指出：教学设计是设计科学大家庭的一员，设计科学各成员的共同特征是用科学原理及应用来满足人的需要。因此，教学设计是对学业业绩问题（performance problems）的解决措施进行策划的过程。赖格卢特（Charles M.Reigeluth）[8]认为，教学设计是一门涉及理解与改进教学过程的学科。任何设计活动的宗旨都是提出达到预期目的最优途径（means），因此，教学设计主要是关于提出最优教学方法的处方的一门学科，这些最优的教学方法能使学生的知识和技能发生预期的变化。梅里尔（Merrill） 等人在新近发表的《教学设计新宣言》一文中对教学设计所作的新界定值得重视。他认为：教学是一门科学，而教学设计是建立在这一科学基础上的技术，因而教学设计也可以被认为是科学型的技术（science-based technology）。美国学者肯普给教学设计下的定义是：教学设计是运用系统方法分析研究教学过程中相互联系的各部分的问题和需求。在连续模式中确立解决它们的方法步骤，然后评价教学成果的系统计划过程。教育技术学认为[9]，教学设计是应用系统科学方法分析和研究教学内容，确定教学实施方法和步骤，并对教学效果做出评价的计划过程和操作程序。

总之，教学设计就是在正确的教育理念指导下，关于“教什么”和“怎么教”的一种方案设计，它是教师根据学科教学的原理和教学目标的要求，运用系统的方法，对参与教学活动的诸多要素所进行的一种行之有效的分析和策划[10][11][12][13]。

三、本科工程教育课程教学设计

基于建构主义学习理论和本科工程教育的基本定位和培养目标，本科工程教育的教学设计应面向培养学生解决复杂工程问题能力（产出）的教学系统，将教学/学习资源、教学/学习环境、现代教育信息技术等要素有机融合，以达到过程最优化而编制的教与学的实施方案。重点体现以学生为中心，以能力为重点，关注学生的学习过程，教师在学生学习的整个过程中发挥好服务、支持、指导和帮助的作用。设计的具体对象为教学/学习资源、教学/学习活动、媒体传输和评价反馈四大关键要素及系统有效运作。下面以笔者所承担的交通运输工程类本科专业基础课程运筹学为例，阐述本科工程教育课程教学设计。

1.教学/学习资源设计

建构主义理论强调学习者的自主学习，本科工程教育要求培养学生解决复杂问题的能力。教学/学习资源的设计任务就是依据教学大纲规定的教学内容和培养目标，通过选择与优化教学/学习资源，以支持和帮助学生学会和掌握学科知识，促进学生利用教学/学习资源进行协作式探索和完成学科知识的意义构建。因此，本科工程教育教学/学习资源设计要求教师按照“基于教材、高于教材、突出特色”的指导思想，将学科知识融会贯通，把自己数年乃至数十年科学研究所获得的感悟、对学科的认识过程和体验、对生活或身边相关的现象或问题的思考、学科发展前沿等，精心凝练到教学/学习资源中去。同时突出“激发兴趣”、“培养能力”、“獲取便捷”与“持续更新”等特征。

运筹学[14]课程是交通运输工程类本科必修的学科基础课程，它涵盖了解决交通运输领域复杂工程问题的原理、方法，且内容抽象，逻辑性强，对于交通运输工程类专业（偏管理）的学生来说学习难度很大。笔者在该课程的教学/学习资源设计实践中，依据运筹学课程知识点的关联性和逻辑性，将教学大纲规定的13章教学内容整合成为8大教学模块。针对每一模块的具体内容，设计编写了包括教学/学习目标及要求、学习思路与方法建议、学习要点提示、重点难点解决方案、主动思考与课前准备、延伸阅读等内容的学习指导材料（或称导学材料）；根据内容细节精选相应的辅助教材、训练习题，设计对应的自主构建知识意义的研讨专题。特别是在重点难点的解决方案设计中，注重通过情景的创设、探究性问题的设置、引导性案例的编制等方式激发学生的学习兴趣，帮助学生形成学习动机，即“兴趣设计”；采用由浅入深、由简单到复杂、梯度递进、层层发散的研讨专题（基础型、综合型和应用实践型），提示新旧知识之间联系的线索，帮助学生建构所学课程知识的意义，突出“能力培养”设计；通过运筹学在线开放课程（MOOC）和“微课”建设，引入优质MOOCs资源，充分利用现代互联网技术和教育信息共享平台，提升资源的时效性和获取的便捷性。与此同时，将教师的科研成果和学生作业、研讨、竞赛、获奖等优秀作品深度融入系统中，实现运筹学课程教学/学习资源的持续更新。

2.教学/学习活动设计

教学/学习活动的设计是教学设计的核心组成部分，是实现知识内化、达成本科工程教育培养目标与毕业要求的有效途径和根本保证。教学/学习活动的形式灵活多样，不仅仅取决于教学内容，还与教学对象、教师对学科知识的把握程度等有关，而且没有固定的模式可以复制。因此，本科工程教育教学/学习活动的设计应该以突出学生的主体地位，从学生的问题出发营造教学情境、植入教学资源、设计教学问题，引导学生探究、解决问题，设计师生的互动方式，增加学生的自主探究，以实现学生知识意义的主动建构；创造机会，使学生得到诸如学习协作、沟通、表达、组织，如何在工程实践中考虑社会、环境、法律、伦理、道德等问题的更全面的锻炼。

如笔者在对运筹学课程“线性规划单纯形法”知识点的教学/学习活动设计中，综合开展的“探究型”和“协作型”教学活动。首先，基于建构主义理论的支架式设计理念，对线性规划单纯形算法理论进行梳理、构建单纯形算法流程；然后对应流程按照“最近发展区”的要求层层设问，教师在对问题的探究中教，学生在对未知的探索中学，启发引导学生积极探索和思考，促使学生掌握分析问题的基本思想和方法，使他们逐渐养成分析、探索的习惯，学会分析和探索，并能得到有效的结论。接下来布置学生在课后以学习小组（5～6名学生为宜）为单位协作（开展讨论与交流）完成教学/学习资源系统中的“生产计划问题”的研讨专题。要求从原始数据收集、数据整理、提出假设、数学建模、算法（单纯形法）应用、编程实现、组织分析（系统分析、结果分析）、验证、PPT制作、汇报演示到可能产生的问题分析与讨论等，全过程由学生个人自主学习和小组协作学习完成。教师对学生在探究过程中遇到的问题及时给予帮助，并在课堂讨论中设法把问题一步步引向深入，以加深学生对所学内容的理解；倡导学生积极动手、动脑，启发引导学生自己去发现规律、自己纠正和补充错误的或片面的认识。让学生在探究问题、解决问题的过程中学会综合利用知识、内化和自主构建学科知识。

3.教学/学习媒体传输设计

教学/学习媒体是指在教育教学情境中所使用的承载教学信息和传递教学信息的所有工具、中介。它是创设丰富生动的学习情境、减少学生对知识意义建构困难的有效工具，也是教学/学习系统的重要组成部分。它的选择与设计取决于教学/学习目标、教学/学习资源等，选择不同的教学媒体其教学效果是不一样的。教学/学习媒体无先进和落后之分，贵在恰当运用。在资源与学习者之间恰当运用媒体传递教学信息，是提高教学效果、实现由控制人的学习转向帮助人的学习的最佳途径。媒体传输方式主要有“线下”教学（课堂教学）和“线上”学习（网络学习）。本科工程教育教学/学习媒体传输设计就是要根据教学内容与教学/学习资源，选择最合适的媒体或多媒体和最有效的传输方式，将抽象的工程概念、复杂的工程原理更加形象地表征，使教学/学习过程更加丰富生动，帮助学生降低认知负荷，促进学习者对知识的理解；同时注重与教学/学习资源的匹配，以及各媒体传输的协同关系。

在运筹学课程的教学/学习媒体传输设计中，根据教学内容及其相匹配的教学/学习资源，笔者进行了集多媒体、板书和移动学习协同一体的教学/学习媒体传输设计。将理论性强的知识内容及其专题研讨采用多媒体与板书相结合的方式“线下”教学/学习为主；对于适合学生随机进入学习的教学/学习资源，如慕课（MOOC）、微课、教学案例、阅读资料，以及教师预先上传系统、要求学生预习的多媒体课件等，设计为“线上”学习，注重“线上”与“线下”学习的关联与互补作用。同时，借助移动设备使得学生在学习的过程中能随时与教师深度互动，不断提高学习者的认知水平。

4.教学/学习评价设计

教学/学习评价设计要根据课程所承担的毕业要求达成任务来定，以保证评价能够有效反映其对承担的毕业要求达成的实际贡献度。本科工程教育的产出导向要求最终聚焦学生解决复杂工程问题的能力，其教学/学习评价设计应从注重知识性内容的考核转变为注重学习者能力和素质的培养，评价不仅要关注学生的学习结果，还应关注学生的学习方法、学习态度和学习过程。同时，评价还应设计为多元型，即评价者既有教师，又有学生，师生共同参与；评价对象不仅是学生个人、学习小组，还要定期或不定期组织学习者对教师的教学效果进行评价。

运筹学课程的教学/学习评价设计采取形成性评价和总结性评价相结合的评价方式来评价学习者的学习效果，两种方式的占比分别为40%和60%。其中，形成性评价主要是通过课后作业完成的数量和质量、课堂互动表现、小组作业以及在合作完成各类研讨专题过程中对任务完成的贡献情况、成果展示、讲演、交流与讨论等，成绩评定采用学生自评、小组互评和教师总评相结合的方式来确定；总结性评价按照课程教学大纲规定的教学目标采用开卷考试，试卷以综合应用题型为主，重点考核学生是否完成对所学知识的意义建构。就教学评价设计而言，除了学校组织的期末学生评教活动以外，本课程将其与学生的作业相整合，在学生的自主学习作业中，提出学生可以随手完成的“给教师教学的一句话评论与建议”要求，并及时收集整理、反馈到教师接下来的课程教学设计和实施活动之中。

通过以上面向本科工程教育教学系统的四大要素的设计，并在这四大要素的水平上与学生互动，将外部能量、物质和信息供给学生自身系统，并转化为他们内在的动力，不断丰富与发展他们的学习经验，促进他们的全面成长。当系统有效运作时，就构成了以学生为中心，以教学/学习活动为基础，以教学/学习资源和媒体为支撑，以激发学生探究动机为动力，以评价反馈为教师教学改革的导向，并贯穿师生深度互动的运行结构。该运行结构朝着推进学生的学习与发展的方向形成上升螺旋，即随着学生学习与发展水平的提高，设计和互动也相应地发生于更高的水平。

四、结语

本科工程教育作为高校人才培养的重要组成部分，应该强化在教学方面的研究。本文利用建构主义理论深度挖掘学生认知的普遍规律及其与本科工程教育的基本定位和培养目标的内在联系，从面向培养解决复杂工程问题能力的教学/学习系统的关键要素和运作过程出发，有目的、有计划地对本科工程教育课程进行教学设计。整个教学设计自始至终体现以学习者为中心和主体，以能力培养为导向，鼓励学习者进行批判性思维，培养其创造性。随着建构主义理论在本科工程教育中的运用和发展，学习者的自主学习能力、终身学习能力、创新能力和适用变化的能力将不断提高，这也是当代“新工科”建设与发展的着力点和培养目标要求[15]。

[ 参 考 文 献 ]

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[2] 朱高峰.关于中国工程教育发展前景问题[J].高等工程教育研究，2016（3）：1-4.

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[4] 中国工程教育专业协会.工程教育认证标准（2015年版）[S].2015.3.

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[6] 高文，徐斌艳，吴刚主编.建构主义教育研究[M].北京：教育科学出版社，2008.

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[8] 吴言荪.论教学设计[J].重庆大学学报（社会科学版），1999（1）：86-88.

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[13] 李立垚，李晓东.建构主义在教学设计中应用浅析[J].中国教育技术装备，2010（36）：69-70.

[14] 夏伟怀，符卓编著.运筹学[M].长沙：中南大学出版社，2011.

[15] 林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017（2）：26-35.

[责任编辑：陈 明]

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