北京航空航天大学学报(社会科学版)  2019, Vol. 32 Issue (4): 131-136   PDF    

●工程师教育中“工业科学”课程建设专题

主持人语:世界各国的工程教育模式不尽相同,但无一不在朝着独特和卓越的目标努力。典型的如法国的工程教育,以自身的成熟与完善在世界上享有盛誉,其人才培养超前战略下的体系和模式改革赋予了工程教育持续的活力, 其工程师培养体系的精英模式与苛刻的录取制度给予了它兼具独特与卓越的光环。预科教育是支撑法国工程师精英培养体系的重要环节,为应对现代科技飞速发展带来的挑战,满足工程科技未来发展对工程师人才的需求,从1995年开始,法国政府要求在预科学校中的多个专业方向开设“工业科学”课程,培养学生系统思维和多学科知识的融合运用能力,以及解决来自工业领域复杂工程问题的基本能力。在预科阶段开设“工业科学”课程,并将其列入工程师入学考试科目,是法国工程师人才培养超前战略下的一个重要举措。本期分别就法国工业科学课程体系的背景和历史、教学内容、实践教学模式和方法,以及实践环节的考核方式等进行专题研讨,期望通过此系列文章,向读者全方位阐述法国工业科学课程的特色和内涵,并在新工科建设的大背景下,为国内实践类课程教学改革提供参考和借鉴。

              ——洪冠新(北京航空航天大学中法工程师学院院长、教授)

工业科学课程实践环节考核方法与内涵
徐平1 , Hervé RIOU2     
1. 北京航空航天大学 中法工程师学院, 北京 100083;
2. 夏普达尔预科学校, 巴黎 75008
摘要:工业科学是法国预科学校工程科学与物理(PSI)专业的必修课程,也是法国工程师大学校(Grandes Ecoles)入学考试科目之一,考生需要完成该课程理论和实验两部分的独立考试。在4个小时的实验考试期间,考生需要针对某个工程实际问题,依托实验设备,完成分析、计算、仿真、实验、口头陈述等多项任务;考试成绩则依据考生在考试过程中展示出的理解和分析能力、沟通交流和表达能力以及解决复杂工程问题的综合能力而定。该考评方法也在我院(北京航空航天大学中法工程师学院)工业科学课程的实验课中得到了应用。结果表明,这种注重过程和综合能力评价的考核方式和评价方法,可以较为客观有效地评价学生的综合实验能力,其考核标准可为我国实践教学环节的考核体系改革提供借鉴。
关键词工业科学    预科学校    工程师大学校    实践环节评价    考核标准    
Evaluation Method and Connotation of Industrial Science Practical Work
XU Ping1 , Hervé RIOU2     
1. Sino-French Engineer School, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China;
2. Lycée CHAPTAL, Paris 75008, France
Abstract: Industrial Science (SI) is the mandatory subject for the students majoring in Physique, Sciences de l'Ingénieur (PSI) in preparatory school in France, and a reference to be considered when applying for Grand Ecole. The examination includes two independent sessions:lecture and practical work. During the four hours of practical work test, the candidates should focus on a specific topic, and finish the analysis, computation, simulation, test and oral presentation using the experimental devices. The mark will be given based on their ability of understanding and resolving complex industrial problem, and the ability of technical communication shown during the period of the test. This evaluation method was immigrated and applied in the SI experiments in our school for several years. It has been proved that the integrative ability of students on practical work can be evaluated effectively; the criteria of assessment can be a reference on the reform of the experiment courses and practical work evaluation.
Keywords: industrial science    preparatory school    grand ecole    practical works evaluation    criteria of assessment    
一、引言

工业科学是法国工程师预科学校中,面向工程科学与物理(PSI)专业方向开设的一门必修课程,其设置背景与课程内容已经有详细的介绍[1][2][3]。工业科学是一门培养解决实际工程问题能力的科目,实践环节是该课程的重要组成部分,其实践教学内容与模式在本专题系列文章中也已进行了详细阐述。

法国预科学校学生经过2年的预科班(Classes Préparatoires)之后,要通过工程师入学考试,才能进入工程师大学校(Grandes Ecoles)学习,而工业科学的实践环节考试则是PSI专业的考试科目之一[4][5][6]。作为法国国家考试的重要组成部分,工程师入学考试和中国的高考一样,受到预科学校考生和老师的高度重视。

北京航空航天大学(以下简称“北航”)中法工程师学院从法国引进了工业科学课程,并自2012年开始在学院开设了关联的实验课程,同时还向北京市部分高校的师生开放[7]。在法国合作院校和法国工业科学与技术教师联盟(Union des Professeurs de Sciences et Techniques Industrielles, UPSTI)的支持和指导下,根据课程的目标和教学要求,结合通用工程师专业特点,对实验课程的教学内容、教学方法、评价标准等方面进行了探索和实践,并积累了一定的经验[8][9][10]

为更加深入理解工业科学课程的教学理念,有效领会和切实掌握该课程实践环节的考核评价手段和方法,提升实践类课程教学效果和教学质量评价手段的科学性,在北京市教委的支持下,笔者于2017年6月法国国家考试期间,现场观摩了法国工程师学校入学考试之工业科学课程实践环节考试。文章重点介绍该考试的内容和特点,包括考核环节程序、形式与内容、评价标准以及实验设备特色等,并在此基础上总结分析了法国工程师培养标准及内涵,最后通过一个案例介绍了实践环节考核的具体内容并分析其特色。相比于中国高校实践课程的考核模式和方法,在法国工程师学校的入学考试中,工业科学课程实践环节的考核形式更新颖,其以评估考生综合能力为准则的评价标准也和法国工程师的培养目标相契合。

二、考核形式

2017年度法国工程师入学考试中,大巴黎地区预科学校PSI专业方向考生约1 800人,均要参加工业科学课程实践环节考试。巴黎中央理工大学考点设有3个考场,每个考场作为一组进行考试,每组可容15名考生,考试安排见表 1

表 1 工业科学实践环节考试安排表

用于考试的设备共有15种(大多为来源于工程实际的工业设备),每种各有3台套,分别用于考核基于此设备设置的3个考试题目,所以在一个考场内,共有45个考试题目。实践环节考试之前,每个考生通过抽签选定一套考试用设备,考试时长为4个小时。

每组有5名教师负责对本组的15名考生进行监督和考核,平均每个教师负责3名考生。在考试过程中,考生需要通过分析、仿真、试验等手段,阐述设备的功能、性能、设计理念等,并进行书面或者口头描述,期间教师将会不间断地对考生的实验过程和结果进行监督考评。监督老师通过考生的各种形式阐述,评估考生多学科知识的掌握程度和综合运用能力、对复杂工程问题的理解和解决能力、技术沟通和表述能力等。考试现场的真实环境如图 1所示。

图 1 法国工业科学国家考试现场

法国工程师大学校入学考试持续4周,在此期间考生可以根据自己的安排,自由选择工业科学课程实践环节的考试时间。由于考题与工程实践紧密结合并具有开放性,同时还是基于实际设备进行综合能力的考核,因此单纯死记硬背知识点并不会对解决现场的工程问题有太大帮助,这就有效降低了考试题目泄露带来的风险。

三、考核程序

4个小时的工业科学实践环节考试被分为三个部分,具体见表 2

表 2 工业科学实践考核程序

在考试开始之前,老师会介绍一些和设备相关的基本背景,以及考试的要点和注意事项。考生要掌握此次考核的目的、实施途径,并能够领会不同工业领域、不同设备之间的相同与不同点。在考试用电脑上会提供所有与设备相关的文档资料、图纸、软件工具等,现场还备有操作工具与测试设备。

在整个考试过程中,老师不会主动提醒和打扰考生,在每个部分完成后,考生可以向老师示意,等待向老师口头阐述。在等待过程中,考生可以继续下一个部分的工作直至所有要求项目完成。最后10分钟的总结之后,考评老师会根据考生的综合表现进行打分。

四、考核标准

在法国工程师大学校工业科学课程实践环节的考试中,主要考核考生6项专业能力,每项专业能力包含3个基本技能;在实践考核中,每个专业技能通过一个相关的问题来考核。根据考生的表现,每项技能评分从0(差)到3(非常好)不等, 考核标准见表 3

表 3 工业科学实践环节考核标准

实践环节考核满分为20分,其中15分和考生完成工作结果相关,根据考生在表 3所描述的18项技能上的表现直接给出。另外5分用来评价考生的技术沟通、工程能力以及口头表述能力,其中包括:①考生口头描述的逻辑性和质量(2分);②工程能力(分析系统的功能和性能,模型与实际产品结果差异原因)相关阐述结果(2分);③监督老师根据考生表现进行综合权衡(1分)。

五、实验设备

法国教育装备企业为工业科学课程开发的实验设备种类很多,且大都来源于实际工业系统,涵盖大多数工业领域和所有工业科学课程涉及的学科方向。考生在考试时有可能会遇到自己未曾接触过的设备,但一般情况下,这些设备与考生在实验课中曾用到过的设备具有一定的相似性;考生如已经掌握基本专业知识、数学方法及软件工具之后,就具备了通过考核的能力。2017年工业科学实践考试设备一共有15种,如图 2所示。

图 2 法国2017年度工业科学实践考核用设备

从考试设备可以看出,其涉及领域非常广,15种考试用设备涵盖了交通、汽车、农业、办公、通讯、医疗等多个行业,每台设备设置3个重点各异的考核题目,分别侧重机械、控制、信息处理等领域。其中(1)-(5)是为2017年工业科学实践考试新开发的设备,(6)-(15)是以往考试曾经用过的设备。工业科学实践考试设备更新率为每年20%左右,设备的更新与工业技术的发展同步,保证了考核内容具有一定的先进性。考试用设备在预科学校和工程师学校的日常教学中也会使用,但考试题目则会每年更新。

六、案例介绍

下面以航空用伺服机构MAXPID(见图 2(15))为例,介绍工业科学实践环节考试的主要内容[11]。该装置设计理念来源于飞机的舵机系统。舵机接收飞行控制计算机的指令,通过转动某个角度,以实现飞机姿态和飞行轨迹的准确控制。作为一种简化的飞机舵机系统,该装置可以接收计算机的位置指令,并通过控制器、驱动电机、机械机构、传感器等实现对舵机转角的准确控制,具体性能指标见表 4

表 4 舵机机构性能指标

在4个小时的考试期间,考生围绕MAXPID设备,需要完成的工作项目详见表 5所列。

表 5 考试过程工作项目

对应表 3阐述的考核能力及标准,围绕MAXPID设备,每个工作项目与对应考核能力关系矩阵见表 6

表 6 工作项目与考核能力关系矩阵

根据考生在所有16个工作项目上的表现,监考老师根据表 6给出考生的客观表现评价(最高15分)。另外5分评价考生的技术沟通和口头表述能力,包括:①正确描述结果的能力;②解释结果发生原因;③独立自主工作;④提出多种解决问题方案;⑤针对问题给出结论。技术沟通能力最高为5分,监考老师根据学生在阐述环节的表现进行综合评定[12]

七、结论

通过上述的分析介绍,我们可发现工业科学课程实践环节考核具有以下特点:

(1) 考核内容和形式与工业科学课程教学内容有良好的衔接。实践环节的考核以工程实际系统为对象,持续4个小时的考试时间中,考生与考评老师能够进行充分的沟通和交流;实践设备来源于工程实际,督促教师在平时的教学过程中也注意保持教学内容与工业技术发展的同步性。

(2) 考核方法和标准与现代工程技术人才培养需求和目标高度契合。工业科学课程实践环节主要考核考生的6项专业能力,涵盖18项基本技能以及技术沟通能力。科学合理的考核方法和标准有助于提高这些基础能力和技能培养水平,进而支撑工程技术人才培养体系的完善。

(3) 评价标准科学规范。考试采取“自主实践+问答”的方式,能够充分考评考生在专业基础知识、动手能力、自主解决问题能力、沟通交流水平等各个方面的素质,评估手段更具科学合理性,既能够科学评价考生综合素质,又具备非常高的可操作性,让考生在4个小时的考试期限内能够充分发挥自身能力。科学评价标准也减少了考核过程中的偶然和不确定因素,更能体现考生真实素质和能力。

正是因为工业科学课程实践环节考试是工程师入学考试的重要科目,一贯备受考生的重视和社会的关注,所以客观上促进了其考核标准更加严谨科学,考核手段更加合理规范,同时也使其更加具有可推广性。本专题前几篇系列文章也曾介绍了工业科学课程的目标、内容和要求,其与中国的工程教育专业认证标准具有很高的契合度,因此将工业科学课程实践环节考核标准引入到中国工科专业同类别的综合性实验实践环节,作为考评的参考标准是可行的;其考核形式和程序也可以应用在实验实践类课程的考试或课外实践竞赛中[13]

从2016年开始,中法工程师学院的工业科学实验课程面向北航其他工科专业学生以及北京科技大学的部分学生开放。不同专业背景的学生在同类实验项目、相同的考核标准和考核形式下,开展实验课程学习并接受考核评估。教学实践的结果表明,基于过程的综合考核评价促使学生更加仔细审视面对的问题(考题),关注由此展开的每个环节,重视实验过程中出现的每一个问题,专注于现象的观察分析并寻求合理的解决方案;开放性的问题摆脱了传统学科专业的界限,拓展了学生的视野,促进了学生学习的主动性,提高了灵活运用知识的能力;另一方面,作为教师而言,要确保能有效掌控考试,不仅需要考试过程中的投入,更需要大量的时间精力关注相关学科领域的前沿性问题,拓宽自己的知识面,提升自己的综合能力。因此,科学合理的实践环节考核评价手段和方法,可以起到以考促学、以考促教的良好效果。

法国的工业科学课程实践环节的考核标准对于中国实践类课程质量标准的建设具有很高的参考价值,其考核方式和评价方法具有很好的可移植性;以培养解决复杂工程问题能力为目标,以达到这一目标所应具备的各分项能力为主线,确定对应的各分项基本技能,再由此确定实验实践类课程的教学内容和组织形式;参照应具备的分项能力和基本技能建立考核标准,并通过基于过程的分项评价和综合考评,全面了解该课程的教学效果并定位不足点,可为进一步提升课程教学质量提供依据和切入点。

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