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摘要：工业4.0将深刻改变世界，并对专业工程师的知识和就业技能产生巨大影响。工程教育需要积极应对工业4.0的大背景大趋势，培养具有应对新型商业模式和产品服务能力的创新型人才。本文结合作者在丹麦奥尔堡大学亲身体验的学习经验，将以问题基础和项目导向为基本模式的PBL教学法引入实践教学体系改革。针对目前以教师为中心的传统教学模式中，学生被动接收知识，学习积极性不高，团队协作能力与创新性差等问题，设计了以激发学生主动学习为目标，以学生为中心、综合性与设计型项目为核心内容的更具灵活性的实践教学机制。并以具体的实践课程设计实例说明融入PBL教学法进行实践课程改革设计的详细步骤。
关键字：工业4.0；创新能力培养；实践教学；以学生为中心；PBL
本文引用格式：张奕，等.工业4.0背景下基于PBL模式的创新能力培养型实践课程设计[J].教育现代化,2019,6(18):84-88.
PBL-based Practice Curriculum Design for Innovation Ability Training under Industry 4.0 Background
ZHANG Yi,CHENG Xiao-hui,LIU Ya-rong,JIN Hong
(Guilin University of Technology,College of Information Science and Engineering,Guilin Guangxi)
Abstract:Industry 4.0 will deeply transform the world and have a huge influence on future engineers’knowledge,skill‐set requirements and employability.There is a need to disclose and analyze the implications of Industry 4.0 for engineering education which should cultivate the undergraduates to be the engineers with innovation ability to handle new business models,products and services in future.This paper combined the experience of the authors learned from the Aalborg University in Denmark to reform the practice curriculum system by using the problem and project oriented PBL pedagogy.In the current teacher-centered traditional teaching mode,students receive knowledge passively with low enthusiasm for learning and lack of collaboration ability in teamwork and innovation ability.According to these problems,we reformed the practical teaching mechanism to be more flexible,which took the motivation of students’active learning as the goal,student-centered and comprehensive design projects as the core contents.The detailed steps of the practical curriculum reform design incorporating the PBL pedagogy were illustrated by specific practice course design example.
Key words:Industry 4.0;Innovation ability training;Practice teaching;Student-centered;PBL
一 引言
工业4.0时代为未来工业带来了全新的思路，产品和服务将借助于互联网和其他网络服务，通过软件、电子及环境的结合，生产出全新的产品和服务，完全不同于传统生产方式的智能制造模式。当前，我国正在深入实施创新驱动发展战略，高等教育如何适应工业4.0时代，对接产业、协同创新，是时代赋予高等教育的命题；高等学校如何培养具有全球化思维的创新人才，探索个性化的人才培养模式，是高等教育人才培养改革的本质要求。未来如何围绕“创新办学体制与运行模式”、“增强服务区域经济社会发展能力”和“提高应用型人才培养质量”等目标，以学生发展为导向，重构课程体系，打造产教融合的学科专业群促进学生知识、能力与素质协调发展，成为应用型高校创新型人才培养的核心要务。而实践教学作为应用型高校落实创新研究和工程技术人才培养的关键环节，与培养学生可持续发展的工程应用能力的重要组成部分，成为各高校积极研究的热点。传统“重理论轻实践”的教学模式很难从工程角度培养应用型人才，并且面向工业4.0时代的工程专业必须满足跨学科知识融合和贯通的特性，更需要通过实践来进行实施。
2004年，美国国家工程院（American National Academy of Engineering）发布了2020年工程师的愿景，明确指出未来工程师必须掌握的“软技能”包括：领导力、沟通能力和创造力[1]。加拿大、美国等先进国家均开展了创造力训练课程体系。自2010年起，加拿大工程认证委员会（Canadian Engineering Accreditation Board,CEAB）鼓励在课程体系中开展创造力训练。当前教育者需要适应这种趋势并改造相应的教学计划。但目前相关理论框架、课程结构设计、训练方法和工具媒介仍比较缺乏。
PBL是“基于问题的学习（Problem-based Learning）”的简称，最早由加拿大麦克马斯特大学（Mc Master University）的Barrows教授提出，是通过对问题的探究来组织学习内容的教育理念[2]。PBL具有很多的特点与优点，其中以学生为中心，由学生自己提出、分析和解决问题，由学生自己管理学习过程，并通过小组合作学习来解决问题，并注重跨学科的内容整合与问题解决。逐渐地摆脱对教师的依赖，有效地提高了学生的自主学习能力，独立能力越来越强，与未来工程师所需的软技能培养相吻合。因此，PBL教学理念对于以培养创新型人才为目标的实践教学尤为重要和有效，是进行创新性训练的好方法。PBL教学法有力弥补了当前传统实践教学模式在在专业的建立和工程人才的培养两方面存在的不足，可以将创新型人才培养的口号落到实处。
二创新能力训练课程设计的理论支撑框架
（一）建构主义基本理论
建构主义（constructivism）建构主义揭示了认知的本质。认知是主体对客观实际的一个主动的建构过程，在建构过程中，主体的认知结构发挥着特别重要的作用，又处于不断发展之中。学习是学习者积极主动地建构内部心理表征的过程，是学到越来越多的有关认识知识的程序。否定认知是主体对客观现实的简单、被动的（镜面式）反映，否认学生在教学活动中是被动的从属地位。建构学习观强调：学习是一个情景活动、思维活动的过程，而不是将包装好的、现成的知识吸收、内化的过程。教师的作用是作为监督者去引导与鼓励学生自我构建的学习过程。教师要为学生创建一个理想的学习环境，让学生积极主动地参与其中，思考和探索未知的知识和领域。建构学习观的主要特点表现在：突出认知主体，强调主动思维，关注内部生成，重视“社会性”建构，提倡“情境化”学习[3]。
因此，在创新型能力培养过程中，特别是创新型实践教学过程中，不能由教师向学生灌输知识，将知识单向地授予学生，要彻底摒弃以教师为中心，把学生视为知识灌输对象的传统教学模式。
(二)基于建构教育理论的PBL教学法分析
创新教育是素质教育的核心，主体对客观实际的建构是一个创新过程，社会发展、科技进步需要开拓创新精神，因此，创新教育是素质教育的核心。PBL教学法强调学生的整个学习过程都围绕着问题解决，符合主动学习的激发兴趣——发现问题——思考方法——解决问题——提高能力的过程[4]。
PBL教学所涉及的问题本身的质量和水平直接影响着学习效果，以创新型实践能力培养为目标的实践教学体系相关问题的设计是由学生自由组合所形成的项目组提出，再通过教师和项目组全体成员讨论后进一步修改和整理得出。由此得出的问题既有一定深度、广度，又可以预测其解决的途径，而且问题的提出真正出自于学生的需求和兴趣，可触发学生主动性学习动力，培养学生创造性运用知识的迁移能力并积累创造性活动经验。基于PBL的实践性项目可有效检验学生相关理论知识掌握情况，交叉学科知识与技能。由于学生对于学习新方法与新工具的积极主动性高，可用基于PBL的实践性项目开发、与项目开发相关的协助工具替代传统考试作为学生软技能与工程技术能力的评价方法[5]。PBL教学法强调培养学生对自身能力和他人工作成果的评价能力，促进学生的人际交往能力与作为团体成员与其他伙伴协作的能力，锻炼领导才能、批判性思维、系统思维、创新能力和社会责任感。。这些技能和思维方式的培养对于今后的职业生涯极为重要，因此，PBL教学法特别适合以项目为依托以解决实际问题为目标的实践教学体系设计。
三以问题为中心的项目式实践教学体系构建
（一）教师的角色转变
基于PBL教学法的实践课程中的教师不是知识所有者和传播者，而是学习的帮助者。教师的主要任务有：为学生提供部分学习材料；激发学生思考；询问学生的思考情况；促使每个学生积极参与；监控学习的进程，使问题解决过程有计划地进行等等。项目目标的实现很大程度取决于指导教师的引导，由于PBL项目来源于现实生活中的实际问题，要求指导教师拥有丰富的专业经验和灵活性，并愿意投入较大的精力，以保障能够应对学生在实施项目过程中遇到的未预期到或不熟悉的问题[6]。
（二）学生主动学习的挑战
在应用PBL教学方法之前，学生已习惯于以教师为中心的被动学习模式。而转换到以团队合作、项目管理这种自身需承担较多责任的PBL主动学习模式中，学生容易对项目复杂性与进度不确定性，人际关系冲突处理等问题产生畏难情绪与挫败感，导致学生积极性降低。PBL项目对学生主动学习能力所产生的多方面挑战，需要指导教师与学生之间保持良好的联系，及时沟通与协助学生解决项目中遇到的各种问题，帮助学生建立融洽、高效的团队。
（三）PBL项目团队组建
基于PBL教学法的实践课程中团队的组建是影响学生学习效果的一个重要变量，它包括团队组建的方式和团队规模两部分。项目团队组建的方式有多种，各有利弊。结合项目实际背景与特点，主要选取以下方式：基于学生的学习风格和能力来组建团队。这种组建方式能够实现团队成员之间的知识和能力互补，有利于项目目标的实现，但也隐藏着潜在的沟通和人际关系障碍。基于学生的学习兴趣来组建团队，团队成员对相同的问题与项目类型感兴趣。这种学生自组织方式被认为是最有效的团队组建方法，针对性强，效率高，项目团队成员能够相互融洽，沟通顺畅。
在团队规模方面，团队规模过小可能存在因学生错过课程而造成工作力量减弱的风险；而团队规模过大可能出现“落后分子”无法给团队作贡献的问题。另外，规模较大的团队需要更多的沟通和协调，项目目标实现难度相对较大。针对项目的复杂性和有限的资源约束条件等因素确定团队规模[7]。
（四）基于PBL的综合评估考核方式
学生学习什么，以及如何学习很大程度上依赖于他们认为自己将以怎样的方式被评估[6]，因此，科学有效的评估依据和评估标准对于实践学习效果和创新型能力及相关技能提升至关重要。传统的指导教师单一打分评价机制主要采用答题测试与报告提交方式导致主观性太强，缺乏对学生知识真实掌握程度与技能应用能力的客观反映。因此，不同于传统单一评价，综合性评估结合学生自评、团队成员互评、现场展示与答辩与指导教师、外聘考试检察员（相关领域的教师或企业专家）评议打分与观察评价等多种方式。综合性的评估考核不限于课题结束时进行，可贯穿于问题解决过程的每一步骤。多方综合评价团队成员的个人努力，知识迁移能力，技能应用，沟通、人际关系和团队协作等相关技能的掌握程度。这种综合评估方式不仅能够真实和客观地反映学生的表现，还能够为企业聘用合格的学生提供指引与参考，能有效协助解决学生的就业问题。在PBL教学法中，团队工作至关重要，因此综合评估应考虑个人与团队两个层面，先对整个团队的工作与表现进行评估，得出一个团队的平均得分，再按照团队成员对团队项目的贡献，结合个人自评与团队成员互评得分，在团队得分的基础上适当增减个人得分。
（五）学习成果展示与资源共享方式
除了传统的评价和测量方法外，问题解决及学习成果可通过作品展示的方式表达，例如展示项目实现的应用功能、源代码分析、撰写调查与分析报告等。作品展示通过小组答辩方式进行，分成PPT展示和现场提问回答两个环节。在项目验收答辩的现场设立对立组与老师一起进行提问，规定项目组成员都必须回答。
依托课程相关的“开放精品资源共享网络平台”，一方面将各种资源优化整合，如课程简介、教学大纲、电子教案、实验指导、学习资源库、课外实践、讨论、作业、答疑、相关视频、参考文献等，通过网络把汇集大量信息资源的数据库提供给学生，将教与学通过“开放精品资源共享网络平台”进行互动，方便学生自学，充分实现个性化学习。另一方面将每届学生的优秀项目进行展示，鼓励学生之间相互学习与良性竞争，真正做到可持续性的培养创新型工程类人才。
（六）贯穿始终的计算思维能力培养
作者所在物联网工程专业的学科基础包括计算机、控制、电子、通信等学科，具有很强的综合性和交叉学科特点。在这些立体交叉专业课程教与学的过程中，使学生在具备初级计算机抽象能力的基础上，熟练使用程序设计语言中提供的各种手段和工具，如函数、结构体、指针、算法等进行简单实际应用问题的求解。通过各种全方位的递进式实践技能训练，帮助学生进行计算思维能力的回忆和进一步强化，使得学生能够将所学的专业知识通过计算思维能力进行串联，构建知识体系，可促进学生从知识学习向工程开发与应用能力的转化，为递进式项目驱动的实践课程及创新型人才培养终极教学目标做准备。
（七）实践项目主题范畴划分
递进式项目驱动的实践课程将实践项目按大小分成两种类型，迷你型项目与主项目。迷你型项目开展时间和课程同步，用于验证学生对于课程相关知识的掌握程度；主项目一般在老师理论讲授结束后进行，用于验证学生创造性运用知识的迁移能力并积累创造性活动经验。
实践项目的主题类型范畴主要分为：指派型项目（Assignment Project,AP）、主题型项目（subject project,SP）、问题型项目(Problem Project,PP)[8]。AP项目特点是问题、主题、内容和步骤事先指定。由指导教师对项目进行精心的设计和严密的规划，控制和决定项目的实施。指导教师对项目的实施环节非常了解，学生的项目进度由教师完全掌控，且可按照设定的计划对学生进行精准指导，其缺点是学生创新性受到一定的限制。SP项目由指导教师事先指定一个实践主题，学生自主设计实现步骤和过程达到指导老师预先设定的要求。由于学生在项目实施过程中可以自由选择，所以SP项目中指导教师不可控因素变大。PP项目和前面两类项目完全不同，PP项目以解决问题为目标，完全以学生为中心。学生设计一个与实际生活息息相关的需要解决的问题，综合运用多个交叉学科知识，从问题开始并分析问题，找到问题的基本解决方案，选择正确的解决方案，并最终实施。学生的自主性和创造性大。问题的确定因学期而异,在此范围内学生可根据老师的提议，与企业真实项目相关，学生自己的设想等不同渠道来确定项目题目。PP项目的优点是可以提高学习的自主性，其缺点是指导教师完全不可控，学生学习目标不明。
无论哪种主题类型的实践项目都必须具备真实性和示范性，意味着学生在校期间通过项目工作获得技能和经验能够应用于其以后的工作当中去。学生通过真实性和示范性的项目获得的知识和能力远超项目本身。
（八）项目实施流程
在丹麦奥尔堡大学的经验指导下，基于PBL教学项目驱动型的实践教学实施过程如下图1所示。
项目实施过程鼓励学生从日常生活、企业生产、过程实践中来寻找发现实际问题并解决之，问题可由学生通过组建团队协作构建，学生自主分析问题，收集相关数据信息，寻求最佳解决方案。
四基于PBL教学法设计的实践课程改革实例
作者以“移动应用开发（The Mobile Application Development,MAD）课程”实践作为融合PBL教学法改革的具体实例，详述其重新设计的全过程及具体步骤。MAD课程实践要求学生在掌握了Android基本组件、接口与交互性等相关知识基础上，以项目组的形式开发基于Android操作系统的应用程序。项目组有2-3名成员组成，使用GitHub作为联合开发平台，最后通过问卷形式收集学生对于团队协作相关经验。
第一步：预期的学习成果设定
●模拟真实软件开发环境，训练学生运用原理、方法与过程为真实Android设备设计与开发应用程序；
●引入GitHub协助开发工具，训练学生协作开发与工具使用能力；
●依托项目训练学生交流沟通能力、团队合作能力，批判性思维和推理能力，分配和监控任务进度，口头表达与书写能力及承担后果的责任感；
●通过开发自己的产品构建学生的创新能力。第二步：实践场景设计
●课程实践实施背景：共有80个学生选择MAD课程实践，他们是物联网工程专业大三的学生。MAD课程实践是在24小时理论课程基础上开展，共计24小时。
●项目组组建：将学生大约分成28-30个项目组，每组包含2-3名项目成员。项目组组成基于学生自我意愿，更利于团队协作。
●项目功能性需求：移动应用程序必须满足通过JSON远程交互功能，能调用手机设备功能，如地图、GPS、传感器、电话与短信功能。
●项目时限：在规定的相关时间结点内，提交项目概要设计说明、项目需求分析（Requirement Analysis Document,RAD）、GUI原型设计、测试用例与项目主报告。
第三步：项目评估设计
●相关文档验收：提供一个详细的流程说明相关文档提交方式与时间结点，给出相关文档缺失、抄袭与延迟提交的惩罚措施。
●团队协作与应用程序功能评价标准：是否全部满足RAD中列举的功能；检查每个团队成员的工作量与积极性；检查与用户接口相关的XML文件中图形组件数；测试应用程序的功能复杂性；检测源代码的规范性。
●现场答辩验收：指导教师与其他测评人员作为评委，与表1所设定的项目预期成果表进行对比，负责现场提问和评分，并给出反馈意见。答辩结束后，学生对自己进行评分，小组成员互相评分。个人在项目中的最终成绩由评委（60%）、自评分（15%）、小组其他成员评分（25%）共同决定。
五 结语
在创新能力培养型实践课程中引入PBL教学法能有力克服传统教学模式中学生被动接收知识、被动灌输的习惯。促进学生主动学习，对学生计算思维能力、创新型实践能力，综合应用能力的提高产生积极而深远的影响。在实施PBL教学法的实施过程中，以学生为中心、以问题解决为中心，教师做好充分的引导工作，循序渐进，组织多种形式的学习活动。帮助学生通过多种形式获取信息，从而形成问题解决的方案，并以作品展示等方式对问题解决和学习成果进行表达。基于PBL教学法的实践课程改革，可培养学生的协作学习能力和问题解决的能力，促进学生知识、能力、素质的协调发展，为工业4.0背景下应用型人才培养提供有力支撑。
参考文献
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[2]Du,X.,L.Su,and J.J.J.o.C.P.Liu,Developing sustainability curricula using the PBL method in a Chinese context.2013.61:p.80-88.
[3]张炳立,常淑枫,李玲玲,等.试论PBL教学法的理论基础[J].天津中医药大学学报,2010,29(03):156-158.
[4]黄晓渠.基于问题的学习(PBL)探究.in GCCCE国际学术会议.2002.
[5]Raibulet,C.,F.A.J.J.o.S.Fontana,and Software,Collaborative and teamwork software development in an undergraduate software engineering course.2018.144:409-422.
[6]刘广平,陈立文,李.J.国外基于项目式学习的教学模式研究述评[J].高等建筑教育,2014.23(4):44-50.
[7]Van Wie,B.J.,et al.Team Building in a Project-based Learning Fluid Mechanics and Heat Transfer Course.in American Society for Engineering Education.2011.American Society for Engineering Education.
Kolmos,A.J.E.j.o.e.e.,Reflections on project work and problem-based learning.1996.21(2):p.141-148.
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