工程教育课堂教学的一些新思路

引言

      去年6月，教育部发布了“卓越工程师教育培养计划”，旨在未来10年内培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量复合型的工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务。为了更好地培养中国未来的工程师，无论是院校还是教师，都迫切需要以一种“面向未来”的姿态去重新审视旧式的教学方式、理念和工具，并努力探索一条更先进、实用与创新之路。

传统教学模式PK创新教育平台nextpad

      对于工程教育而言，教学、实验和创新是必不可少的三个内容（图1）。课堂教学是学生接收知识最直接、占用时间最多、最易影响学习效果的环节。就目前我国高校工程教学的整体方式而言，老一套纯公式推导和板书式教学还占据着主导地位，而这种教学方式往往导致学生无法对知识点进行透彻的理解，更无法引起学生对课程的兴趣和求知欲。因此，将传统呆板、抽象、沉闷的课堂教学方式向活泼、形象、互动的方向转变，势必成为未来10年工程教育教学模式的发展方向。鉴于此，本文将从如何改变老套教学方式入手，对工程教育教学的发展提出一些新的思路，并探讨一些更行之有效的解决方案。

图1

      据调查，大部分理工科师生表示，直观、交互与生动是师生们最为关注和期待的授课方式。课堂教学的根本目的在于让学生在课堂中掌握所应掌握的知识点，但在现实教学过程中，传统的教学方式已不足以满足学生对知识的好奇，更消耗不起大量的时间反复演示某一个实验，因此，直观、交互、生动的教学方式往往只能让人望书兴叹，知识点的掌握率更是大打折扣。

      要有效地解决这个问题也不是完全没有办法，我们不妨从一些最经典的教学实例入手，换一种思路来思考如何提高课堂教学效果，或许会得到另一种感悟和提高。以关于FFT（傅里叶变换）知识点的教学为例：传统的教学方式是在黑板上进行一系列的推导，最后手绘出一个频谱曲线，这种做法对于FFT教学而言是一个必要过程，只有这样，学生才能了解到傅里叶变化的整个过程是如何一步步实现的。这虽是原理级别的必要教学过程，但却不是最有效的。在授课过程中，很多实际的教学就仅仅停留在这一阶段，造成了学生只是被动地了解知识点的表面部分。学生的整个学习只是被动地灌输，根本无法达到举一反三和融汇观通的效果。

      细究起来就不难发现，传统的工程教学方式是停留在某个点上的教学，老师在讲解时也只是对某个知识点的讲解，难免枯燥乏味。如在上述的FFT的教学中，学生只看到了一种函数的傅里叶变化，但是如果学生要求老师更换一个参数再进行演示，老师就必须再次重新进行推导，既耽误时间，也不利于教学效率的提高。为了让学生能更深入地了解函数的傅里叶变化，老师就需要将课堂知识点的讲解从一个点延伸到一个面。同时，借助于一种新型的教学平台，让知识点更形象、生动地表达。
 

图2

      针对以上问题，北京中科泛华测控技术有限公司（简称：泛华测控）开发设计了一种创新性工程教育平台——nextpad（下载地址：nextpad.wordpress.com）。nextpad是一个全新的、完全免费和开放的软件平台，它可以不断地融合各种优秀演示与课件程序，从而提供给教师现成可用的资源使其教学更为生动、直观与交互。

      在本软件中，老师可以在课堂上随意地展示各种与信号处理相关知识点的概念演示程序。（如：图3是nextpad中的SignalLab界面，您也可在优酷网站中搜索SignalLab，直接观看本程序的视频演示）。一方面，教师通过波形图、按钮等易于理解和操作的形式，可以让学生更直观地看到各种信号处理所得到的结果是怎么样的；另一方面，教师也可以很简单地改变整个演示中的各种参数，让学生即时了解到参数的变化对所得到结果的影响，从而让学生以一个面的角度去了解知识点，并有利于学习效率的提升。从这个例子中，我们可以充分地理解到直观和互动对工程教育效果的价值所在。
 

图3

nextpad的三大特性

直观性是nextpad三大特性之一，指的是nextpad可以将原本枯燥的数据公式，通过图片、波形等直观的方式有效表达出来。比如：把单纯的数字结果用波形图的方式表达出来，或者把单纯的是否发生混叠用一个LED灯直接显示出来，都是nextpad直观性的表现，这也给了学生一种更为直接的接受体验。

      在图3的演示视频中，学生可以看到各种信号处理相关的知识点是如何通过这套演示软件中直观的显示控件来表达各种波形图的。相比于传统的黑板或者PPT而言，学生可更直接地感受到信号处理的结果。
交互性，顾名思义就是观众也可以参与，就像界面中所展示的一样，每一个演示程序都允许学生改变各种参数（包括输入信号、窗类型、截止频率等等），通过这种动手的操作和观察随之而变的结果，学生可以一种主动参与的姿态更好地接收和理解知识。

      除了直观和交互之外，生动性也是nextpad的创新性之一。我们反思，为什么有些课程学生会感觉比较枯燥，而有些课程学生听起来的兴趣十分浓厚？这就是因为无趣的课程往往内容不够生动，有意思的课程则很可能是某个老师会常在课堂上举一些生动的小例子或者做某个演示，让学生深刻地感受到知识点是如何应用在实际情况中的。nextpad就像是这个讲述生动例子的老师，把生动带给每位学生。
 

图4

      举一个比较生动的例子：对于图像处理算法的教学，除了一系列的板书之外，有没有其他既可保证算法的准确，又能保证图像处理直观生动的实现方式呢？答案是：有的。为此，我们设计了一种应用程序，如图4，它是一个人脸美容的程序（详细使用，可在优酷网中搜索nextpad应用程序face）。通过这个程序，学生就可以印象非常深刻地理解到图像处理算法到底能从事什么样的应用，从而让学生真正地融入知识点的学习中。

      从上述教学方式中我们可以感受到，这种相对直观、生动、新颖的教学方式是极具研究价值的。此平台的设计灵感来源于《哈利.波特》中的魔法课本，在魔法的世界里，人们看的报纸都是可以活动的，那么对于教学课件，是否也可以做成这种方式呢？传统的课件就是一个个生硬的ppt文件，打开后尽是无穷的字、图和公式，我们只能静态地去进行复习和学习，如果能让课件活动起来，在阅读的同时又可以有动态的演示，无疑既是一种全新的学习体验，又是一种新的课件革命。

开放的创新教育平台——next计划

      nextpad仅仅作为一个平台是远远不够的，其中内容的丰富性才是至关重要的。针对于此，我们也尝试通过发动所有LabVIEW技术爱好者一起参与程序编写，让平台更加丰富（即next计划，详情请见nextpad.wordpress.com）。next计划也使得nextpad具有了开放性，这种集众家所长的做法叫做Crowdsourcing，即众包。这种众人拾柴的方式也已有过不少的成功先例，如：维基百科就是由大众进行内容填入而丰富起来的平台。
next计划的优势有以下几点：

      1，每一个人所做的努力和贡献都能以累加的方式积累。如果我们把每个人的努力都累加在一起，所产生的结果将具备一定规模，且这些结果也还不会因为任何因素的改变而突然消失和归零。所以，只要有人愿意为工程教育的改进而添加进来一点力量，我们将保证其努力绝对不会白费。

      2，通过众包，可以让每个学科方向的专家为自己的专业编写nextpad教学演示。例如：一个关于人工智能的教学演示，虽然有人具备开发水平，但没有专业知识背景，通过众包，则可找到这样的专业人士来开发和编写，真正达到众志成城！

      总结而言，直观性、互动性与生动性，是工程教育课堂教学的三个值得发展和探索的方向，而针对这一发展理念，我们也做了第一步尝试性的探索，值得欣喜的是，目前 nextpad 全国下载量已超过1000次，其中的优秀应用程序也已超过50个。相信在不久的将来，这个平台将具备更大的规模与更多优秀的内容，从而真正助力于中国的工程教育，培养面向未来的卓越工程师。